毕业设计（论文）-红外线防盗报警器的设计.doc

本科生毕业设计红外线防盗报警器的设计The Design of Imfrared Alarm学 生 姓 名专 业学 号指 导 教 师分 院2014年 6 月摘 要当今社会是一个集数字化、网络化、信息化的，以网络为核心的社会，随着网络的不断发展，网络的应用日益的广泛。如电子商务，网上医疗，网上娱乐，网络游戏，网络教学等等。因此防盗就成了一项重要的课题。本次毕业设计的红外线防盗报警器是基于电源电路给整个电路提供+5V电压，通过红外线发射和接受系统来感应是否有人闯入，并通过单片机系统向声光报警电路发出信号，达到声光报警的目的。论文首先简单介绍了红外线防盗报警器的发展背景、基本电路结构和工作原理，以及国内红外线防盗报警器的发展状况，然后结合应用电路具体介绍了该应用电路的工作原理。论文详细论述了电源电路的具体变压、整流、滤波、稳压过程，以及通过单片机系统内部程序的设定来区分红外线接受端电压的变化，并通过单片机来控制声光报警电路，最后通过555定时器来输出稳定的信号。关键词：报警器 51单片机 红外线发送与接受 555定时器AbstractTodays society is a set of digital, networking and informationization, the network as the core of the society, with the continuous development of the network, the network increasingly wide range of applications. Such as e-commerce, onlinemedical service, on-line entertainment, network game, network teaching and so on.The design and development of graduation infrared burglar alarm is based on the power supply circuit for the entire circuit to provide +5 V voltage, through an infrared transmitting and receiving system whether the intrusion sensors, SCM system and through to the sound and light alarm circuit sent a signal to sound and light alarm purposes. The paper introduced the simple anti-theft alarm infrared background of the development, basic circuit structure and working principle, Infrared and domestic security alarm state of development, then combined application specific circuits on the application of circuit theory. Papers discussed in detail the specific power rectifier circuit, rectifier, filtering, Regulators process. SCM system, as well as through the creation of internal procedures to distinguish between infrared receiving terminal voltage changes. and through MCU to control sound and light alarm circuit, the final adoption of 555 timer output signal stability. Keywords: Power Circuit;Mcs-51; Infrared send and receive; 555 timer目 录绪 论 7第一章 概 述 81.1红外线防盗报警器的发展前景 81.2红外线防盗报警器的基本工作原理91.3红外线防盗报警器的基本组成101.4国内发展状况 14第二章 电源电路设计152.1功能简介 152.2变压器电路 152.3整流电路 162.4滤波电路 182.5稳压电路 21第三章 红外线发射和接收系统243.1 红外线简介 243.2 红外线发射系统 253.3红外线接收系统25第四章 单片机系统264.1 AT89C51单片机的结构26 4.1.1 管脚说明 28 4.1.2 主要特性 30 4.1.3 振荡器特性 314.2 AT89C51单片机的工作周期 324.3 AT89C51单片机的工作过程和工作方式 334.4 AT89C51的指令系统 36第五章 设 计 38 5.1 概述 38 5.2 总体设计 39 5.3 系统硬件设计 39 5.4 硬件电路实现 39 5.5 软件程序的实现 40总 结 44致 谢 45参考文献 46绪 论传统的机械式（防盗网、防盗窗）家居防卫在实际使用中暴露出一些隐患，正如国务院下达的关于住宅小区禁止安装防盗网的建议中指出,防盗网带来的问题： 影响楼房美观，市容整洁；影响火灾救援通道；给犯罪分子提供便利的翻越条件； 时间久了会有高空坠物的危险； 压抑人性自由。那么我们该如何采取安全防范措施，保护家人、家庭以及财产的绝对安全呢？您也许已经安装了防盗门、防盗网，这样真的就安全了吗？事实上，仅有消极防范作用的这种机械式、被动式的防盗门、防盗窗正逐渐淘汰，取而代之的则是各种先进的、智能化的电子设备。防盗报警器对住宅各要害部位进行监测报警服务功能，防盗报警器包含的红外探测器能在小偷进来之时响起警鸣声给屋主以提醒，给盗贼以震慑。 所以作为新一代的智能安全防盗报警系统就应运而生，并日益受到广泛的重视和运用。本论文通过对红外线防盗报警器的基本原理和基本电路的概述入手，介绍了红外线防盗报警器的发展背景和国内的发展状况，并具体论述了在电源电路、红外线发射和接受电路和单片机系统。第一章 概 述1.1红外线防盗报警器的发展前景随着经济飞速发展，贫富悬殊逐渐拉大，各地盗贼频频入室行窃日益猖獗，已成为社会的一大公害！而今人们的经济条件不断改善，生活标准不断提高，安全防范意识逐步增强，防盗报警产品越来越受到人们的高度关注和重视。红外线防盗报警器的技术追求和发展趋势可以概括为以下几个方面：（1） 随着我国社会和经济的发展，百姓的收入水平不断提高，私有财产的迅速积聚，从而使得安全与健康成为富裕起来的人们最为关注的两大热点，家庭安全保障首当其冲,此为防盗产品风火而起的第一机会点； （2） 全国城市房地产业的持续火爆，20%以上的增长速度，每年800亿的开发总量，为智能安防产品进入普通百姓的新居提供了巨大空间,此为准确的市场评估量所带来的最大商机点； （3） 各地政府对安全问题（盗抢、火灾、突发事件等）的高度重视，以及为创建文明城市、花园城市、改善城市形象吸引投资等政府行为需要，出台拆除金属防盗网的政策，为智能隐形防盗网打入市场提供了千载难逢的契机,此为时下政策附与的商机; （4） 对美的追求，对高品位、舒适、爽目居住环境的向往，科技安防成为时尚和潮流； （5） 智能安防市场目前还停留在行业用户，个人及家庭的消费尚未全面启动，基本是一片空白市场，潜力不可估量；1.2红外线防盗报警器的基本工作原理图1.1 红外线防盗报警器原理图 红外线防盗报警器就是通过电源电路将220v交流市电经变压器降压，整流器整流，电解电容滤波，三端稳压器稳压，最后提供稳定的+5v电压给整个电路。并通过单片机程序的设定使得红外线发射头和接收头在无遮挡物时处于正常工作状态，当在一定时间内检测到位于不同位置的光束被遮挡时，则由p3.7口输出报警信号，驱动声光报警电路。声光报警电路由于受p3.7口输出的高低电平间隔1s的脉冲信号控制，扬声器将交替发出高、低不同的两种叫声。同时，p3.7口输出的高低电平间隔1s的脉冲信号经电阻加到绿色发光二极管上。达到声光同时报警的效果。1.3红外线防盗报警器的基本组成红外线防盗报警系统有四部分组成：（1） 电源电路 该电路包括：保险管、变压器、桥式整流器、电解电容、三端稳压器。他们的功能是： 保险管：当电源短路等意外情况发生时电源可自动熔断保险管;具备过流,过压保护。防止整个电路或某些芯片被烧毁。 变压器：本设计采用的是12V/5W变压器，以便将220V交流市电降压到12V。 桥式整流器：利用二极管的单向导电性，将交流转换为直流。 电解电容：滤除电源电流中的杂波。 三端稳压器：将变压器提供的12V电压变为5V电压，并稳定输出。图1.2 电源电路模块 （2） 红外线发射：图1.3 红外线发射端红外线发射灯阳极接+5V电压，阴极接单片机P1口，P1口设置为输出状态，当P1口为“0”时，红外线发射灯发出红外线。红外线接受：图1.4 红外线接收端 红外线接收灯阳极接+5V电压，阴极接CC4069反相器。红外接收灯，当接收到红外光时导通，+5V电源通过红外线接收灯加到反相器CC4069的输入端，经反相为低电平。（3）单片机系统图1.5 单片机系统 本设计采用的单片机是AT89C2051。由270和1K电阻、复位按钮和20UF电容组成手动电平复位和上电自动复位电路。两个30PF电容和一个6.0MHz晶振组成时钟电路。P1口和P3口为输入端，P3.7口为输出端。当在一定时间内检测到位于不同位置的光束被遮挡时，则由P3.7口输出报警信号，驱动声光报警电路，进行声光报警，直至按复位按钮。（4）声光报警电路图1.6 声光报警电路 555定时器、扬声器、普通绿色发光二极管等组成声光报警电路。其中555定时器接成了一个低频多谐振荡器，其控制电压输入端5脚与单片机AT89C2051的P3.7脚相连，受P3.7脚输出的高低电平间隔1S的脉冲信号控制，输出脉冲经过隔直电容加到扬声器上，扬声器将交替发出高、低不同的两种叫声。同时，P3.7脚输出的高低电平间隔1S的脉冲信号经电阻加到绿色发光二极管上，绿色发光二极管将闪烁发光。1.4红外线防盗报警器发展状况锁具可以说是一个最早的安防产品，锁具在我国的发展已有几千年的历史，一直沿用至今，只是今天我们所用的锁具已从古代的原始锁具发展到现在的品种繁多、功能齐全的现代化锁具。锁具这种不引人注目、常被人熟识无睹的安防产品，其实比任何一种家电或其它产品都更普及。 人类社会的进步，社会财富的增长和科技水平的提高，改善了我们的生活和质量。然而，社会不安定因素和犯罪也在同时增加，并且随着高新技术的发展，犯罪手段日渐现代化、智能化。无论是经济发达国家，还是发展中国家或欠发达国家，都不同程度地发生着相应社会条件下的犯罪现象，有些甚至是跨国犯罪。安全问题已成为整个国际社会关注的焦点问题。防盗报警器安防行业是随着现代社会安全需求应运而生的产业。可以说，社会只要还有犯罪和不安定因素存在，安防行业就会存在并发展。事实证明，社会犯罪率往往并不因社会的发展、经济的繁荣而减少。欧美等发达国家，如果没有建立在高科技技防基础之上的安全防范系统，其社会犯罪率可能会比现在要高出几倍乃至几十倍。那种“夜不闭户”、“路不拾遗”的“民风”，其实只是一种美好的愿望，这个行业既然诞生了，就不会消亡。因此，我们完全没有必要刚吃了几顿饱饭，就产生如何减肥的忧虑。现代社会对安全防范的要求越来越高，防盗报警器安防市场的发展就是一种观念和产品同时“进化”的过程。门和锁具我们用了几千年，直到20世纪八、九十年代，城市家庭才兴起防盗门和防盗锁，随着社会的进步和需要，人们的生活水平和安防意识的提高，更先进的家用防盗产品必将成为安防消费的主流并最终取代旧的安防产品，这是社会进步的必然。有人说，安防产品是“后消费时代”的宠儿。现今，中国老百姓有房有车的“后消费时代”已经来临，那么，智能防盗报警器安防消费的春天还会远吗？第二章 电源电路设计2.1功能简介本设计中电源电路模块主要是将220V交流市电经变压器降压，桥式整流器整流，电解电容滤波，三端稳压器稳压滤波，最后得到整机要求的+5V稳定直流电源。2.2变压器电路 （1）工作原理变压器是变换交流电压、电流和阻抗的器件，当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压（或电流）。变压器由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈。交流电的方向和大小随时间变化的,变压器初级通上交流电时,变压器的铁芯中产生了交变的磁场,在次级就感应出频率相同的交流电压.变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直流电的方向和大小是不变的,通过变压器不会产生交变磁场。（2）参数计算 图2.1 线圈原理图变压器的基本原理是电磁感应原理，现以单相双绕组变压器为例说明其基本工作原理（如上图）：当一次侧绕组上加上电压1时，流过电流1，在铁芯中就产生交变磁通1，这些磁通称为主磁通，在它作用下，两侧绕组分别感应电势1，2，感应电势公式为：E=4.44fNm 式中：E-感应电势有效值 f-频率 N-匝数 m-主磁通最大值 由于二次绕组与一次绕组匝数不同，感应电势E1和E2大小也不同，当略去内阻抗压降后，电压1和2大小也就不同。 当变压器二次侧空载时，一次侧仅流过主磁通的电流（0），这个电流称为激磁电流。当二次侧加负载流过负载电流2时，也在铁芯中产生磁通，力图改变主磁通，但一次电压不变时，主磁通是不变的，一次侧就要流过两部分电流，一部分为激磁电流0，一部分为用来平衡2，所以这部分电流随着2变化而变化。当电流乘以匝数时，就是磁势。 上述的平衡作用实质上是磁势平衡作用，变压器就是通过磁势平衡作用实现了一、二次侧的能量传递。2.3整流电路（1）工作原理 单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，如图所示，二极管D1D4所组成的单向桥式整流电路。在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。图2.2 桥式整流器 当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。 当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。（2）参数计算图2.3 桥式整流电路和波形图根据图可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为： 流过负载的平均电流为： 流过二极管的平均电流为：二极管所承受的最大反向电压 ： 流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。 （3）单相桥式整流电路的负载特性曲线 单相桥式整流电路的负载特性曲线是指输出电压与负载电流之间的关系图2.4 单相桥式整流电路负载特性曲线曲线的斜率代表了整流电路的内阻。2.4滤波电路滤波电路是利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。输入经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。现以单相桥式整流电容滤波电路为例简单介绍电容滤波的工作原理。电容滤波电路如图所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。 图2.5 电容滤波电路（1）滤波原理 若v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2 ，是正弦波。图2.6 电容滤波电路波形当v2到达wt=p/2时，开始下降。先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过wt=p/2时，正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍然导通。在超过wt=p/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。所以在t2到t3时刻，二极管导电，充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图。需要指出的是，当放电时间常数RLC增加时，t1点要右移，t2点要左移，二极管关断时间加长，导通角减小；反之，RLC减少时，导通角增加。显然。当L很小，即IL很大时，电容滤波的效果不好，见图 滤波曲线中的2。反之，当L很大，即IL很小时，尽管C较小, RLC仍很大,电容滤波的效果也很好，见滤波曲线中的3。所以电容滤波适合输出电流较小的场合。 图2.7 电容滤波的效果 有无L即空载，此时设空载时电容两端的初始电压c为零。接入交流电源后，当v2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。当 v2处于负半周，二极管、 导通，变压器次端电压v2给电容器C充电。由于充电回路等效电阻很小，所以充电很快，电容C迅速被冲到交流电压 的峰值。当过了峰点之迅速下降，电容电压c仍为 ，因此二极管承受反压而截至，电容C无放电回路不可能放电，故输出电压恒为 。 (2)电容滤波电路参数的计算 纹波电压（脉动成分）降低了，而且纹波电压与放电时间常数有关。当（负载开路）时，滤波效果最佳，纹波电压为0。 越小，放电速率越快，纹波电压越大。为了得到平滑的直流电压，一般选择有极性的大电解电容，并取： 式中T为输入交流电压的周期二极管的导电角度 缩短了， ，且时间常数越大，导电角越小。电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。变压器副边电流有效值与负载电流平均值 一般按下式计算：(3)外特性 整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图所示。 图2.8 电容滤波外特性曲线 我们可以看出输出直流电压提高了，而且输出直流电压 随负载电流 的增加而减少。当C一定，（负载开路）时，输出电压最大为 。当C0时，输出电压最小为。因此，对于不同的C值，又不同的输出电压，对于单相桥式整流电容滤波电路当满足的关系，并且整流电路的内阻不太大时，与 的关系约为 总之，电容滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小。但输出特性较差，即随着的增加，输出电压 下降很快，故适用于负载电压较高，负载变化不太大的场合。2.5稳压电路 图2.9中R11由输出电流档次决定，R12由输出电压档次决定电路如图所示，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。下面对各部分电路作简单介绍。（1）启动电路在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压V1接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必须用启动电路给恒流源的BJT T4、T5提供基极电流。启动电路由T1、T2、DZ1组成。当输入电压V1高于稳压管DZ1的稳定电压时，有电流通过T1、T2，使T3基极电位上升而导通，同时恒流源T4、T5也工作。T4的集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压，当DZ2达到和DZ1相等的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。与此同时，T2因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路的联系，从而保证T2左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。（2）基准电压电路基准电压电路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2组成，电路中的基准电压为式中VZ2为DZ2的稳定电压，VBE为T3、D1、D2发射结（D1、D2为由发射结构成的二极管）的正向电压值。在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R1、R2、DZ2与具有负温度系数的T3、D1、D2发射结互相补偿，可使基准电压VREF基本上不随温度变化。同时，对稳压管DZ2采用恒流源供电，从而保证基准电压不受输入电压波动的影响。（3）取样比较放大电路和调整电路这部分电路由T4T11组成，其中T10、T11组成复合调整管；R12、R13组成取样电路；T7、T8和T6组成带恒流源的差分式放大电路；T4、T5组成的电流源作为它的有源负载。T9、R9的作用说明如下：如果没有T9、R9，恒流源管T5的电流IC5=IC8+IB10，当调整管满载时IB10最大，而IC8最小；而当负载开路时IO=0，IB10也趋于零，这时IC5几乎全部流入T8，使得IC8的变化范围大，这对比较放大电路来说是不允许的，为此接入由T9、R9级成的缓冲电路。当IO减小时，IB10减小，IC8增大，待IC8增大到 0.6V时，则T9导通起分流作用。这样就减轻了T8的过多负担，使IC8的变化范围缩小。 （4）保护电路减流式保护电路减流式保护电路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4组成，R11为检流电阻。保护的目的主要是使调整管（主要是T11）能在安全区以内工作，特别要注意使它的功耗不超过额定值PCM。首先考虑一种简单的情况。假设图1中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即PCPCM并且输出电流IO在额定值以内，流过R11的电流使 =IOR110.6V时，使T12管导通。由于它的分流作用，减小了T10的基极电流，从而限制了输出电流。这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。由于调整管的耗散功率PCM=ICVCE，只有既考虑通过它的电流和它的管压降VCE值，又使PC（VZ3+ VZ4），则DZ3、DZ4击穿，导致T12管发射结承受正向电压而导通。VBE12的值为经整理后得显然，（VI VO）越大，即调整管的VCE值越大，则IO越小，从而使调整管的功耗限制在允许范围内。由于IO的减小，故上述保护称为减流式保护。过热保护电路电路由DZ2、T3、T14和T13组成。在常温时，R3上的压降仅为0.4V左右，T14、T13是截止的，对电路工作没有影响。当某种原因（过载或环境温升）使芯片温度上升到某一极限值时，R3上的压降随DZ2的工作电压升高而升高，而T14的发射结电压VBE14下降，导致T14导通，T13也随之导通。调整管T10的基极电流IB10被T13分流，输出电流IO下降，从而达到过热保护的目的。电路中R10的作用是给T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一条分流通路，以改善温度稳定性。值得指出的是：当出现故障时，上述几种保护电路是互相关联的。第三章 红外线发射和接收系统3.1红外线简介一切物体在高于绝对零度时都会发射热辐射。根据波耳理论，能量辐射同原子和分子的电子由高能级向低能级跃迁有关，这些跃迁伴随着能量的发射，从而发生辐射线。红外辐射是电磁波谱中的一段，具有电磁辐射的波动性和量子性双重特征。同时具备反射，折射，干涉，衍射和偏振定律。 红外辐射也具有光量子的特征，这种微粒我们称为光子。红外波长的范围从0,76-1000m其对应的光子能量从1,66eV-1,26 105eV 红外波段一般分为四部分；近红外（0,763），中红外(36)，远红外(615)和甚远红外（151000）单位为m 红外辐射常被称为热辐射。但他并没有特别的热性质，而与其他的热辐射一样，能在其射程范围内被物体吸收并转换成热。因而热效应仅是红外辐射被吸收的结果，而不是他的特征。 电磁辐射不是一种热介质，而是被受体吸收后引起受体内部分子运动产生的一种热效应 红外辐射作为一种电磁辐射，具有波动性和量子性双重属性，因此，红外辐射即遵从波动规律，又以红外光量子的形式存在，并同样简称为光子2-18m的波段涵盖了远红外的全部波段及极小部分中红外和甚远红外波段。因此我们把它称为远红外线。3.2红外线发射系统红外发射二级管由红外辐射效率高的材料（常用砷化镓）制成 PN 结，外加正向偏压向 PN 结注入电流激发红外光。光谱功率分布为中心波长 830 950nm ，半峰带宽约 40nm 左右，它是窄带分布，。其最大的优点是可以完全无红暴，（采用 940 950nm 波长红外管）或仅有微弱红暴（红暴为有可见红光）和寿命长。 红外发光二极管的发射功率用辐照度 W/m2 表示。一般来说，其红外辐射功率与正向工作电流成正比，但在接近正向电流的最大额定值时，器件的温度因电流的热耗而上升，使光发射功率下降。红外二极管电流过小，将影响其辐射功率的发挥，但工作电流过大将影响其寿命，甚至使红外二极管烧毁。 当电压越过正向阈值电压（约 0.8V 左右）电流开始流动，而且是一很陡直的曲线，表明其工作电流对工作电压十分敏感。因此要求工作电压准确、稳定，否则影响辐射功率的发挥及其可靠性。辐射功率随环境温度的升高 ( 包括其本身的发热所产生的环境温度升高 ) 会使其辐射功率下降。红外灯特别是远距离红外灯，热耗是设计和选择时应注意的问题。 红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。本设计红外发射二极管，其负极端接与P1口， P1口设置为输出状态，当P1口为“0”时，发光二极管正常工作。3.3红外线接收系统红外线接收二极管工作原理同发射管相似，但也有不同点。红外接收管当接收到红外光时导通，+5V电源通过红外接收管加到反相器CC4069的输入端，经反相为低电平。发射管和接收管分别安装在门和窗的适当位置，当有人闯入时遮挡了红外线，接收管截止，反相器输入端为低电平，经反相器CC4069的驱动作用， P3.0-P3.3位高电平。焊接红外线接收二极管时要注意二极管的方向，一般为长脚正短脚负。第四章 单片机系统41 AT89S51单片机的结构 AT89S51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元，功能强大。AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。图4.1为AT89S51单片机的基本组成功能方块图。有图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。下面介绍几个主要部分。外时钟源 外部事件计数振荡器和时序OSC程序存储器4 KB ROM数据存储器256 B RAM/SFR定时器/计数器 2 16 AT89S51 CPU 64 KB总线 扩展控制器可编程 I/O可编程全双工串行口内中断 外中断 控制 并行口 串行通信 图4.1 AT89S51 功能方块图1. 中央处理器（CPU）中央处理器是单片机最核心的部分，是单片机的大脑和心脏，主要完成运算和控制功能。AT89S51的CPU是一个字长为8位的中央处理单元，即它对数据的处理是按字节为单位进行的。2. 内部数据存储器（内部RAM）AT89S51 中共有256个RAM单元，但其中能作为寄存器供用户使用的仅有前面128个，后128个被专用寄存器占用。3. 内部程序存储器（内部ROM）AT89S51 共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始数据等。4. 定时器/计数器AT89S51 共有2 个16 位的定时器/计数器，可以实现定时和计数功能。5. 并行I/O 口AT89S51 共有4 个8 位的I/O口（P0、P1、P2、P3口），可以实现数据的并行输入、输出。6. 串行口AT89S51有1 个全双工的可编程串行口，以实现单片机和其他设备之间的串行数据传送。7. 时钟电路AT89S51 单片机内部有时钟电路，但晶振和微调电容需要外接。时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。8. 终端系统AT89S51 的中断系统功能较强，可以满足一般控制应用的需要。它共有5 个中断源：2 个外部中断源/INTO和/INT1 ；3 个内部中断源，即2个定时/计数中断，1个串行口中断。由上所述，AT89S51虽然是一块芯片，但它包括了构成计算机的基本部件，因此可以说它是一台简单的计算机。AT89S51 较详细的内部结构如下：4.1.1 管脚说明ATMEL公司的AT89S51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装（DIP）形式，如图4.2所示。AT89S51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。图4.2 DIP 封 装 引 脚 图 图 4.3 SMT 的 封 装 图VCC：供电电压。GND：接地。P0口： P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口： P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口： P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，如下表所示：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号端。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.1.2 主要特性： 与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 4.1.3 振荡器特性（1）XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。图4.4内外部振荡器电路（2） 芯片擦除 整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。42 AT89S51单片机的工作周期单片机有了硬件和软件就可以在控制器发出的控制信号作用下有条不紊地工作，控制信号必须定时发出，为了定时计算机内部必须有一个准确的定时脉冲。这种定时脉冲是由晶体振荡器产生的，并组成下面几种工作周期，如图4.5所示。图 4.5 振荡周期、状态周期、机器周期和指令周期振荡周期：是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 即由单片机的晶体振荡器产生的时钟脉冲的周期。状态周期：每个状态周期为振荡周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。 在一个状态周期中有两个时钟脉冲，通常称它为P1、P2。机器周期：一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6, 也就是 12 个振荡周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。 指令周期：它是指CPU完成一条操作所需的全部时间。控制部件是单片机的神经中枢，以主振频率为基准（主振周期即为振荡周期），控制器控制CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，它将各个硬件环节组织在一起。一般情况下，算术逻辑操作发生在时相P1期间，而内部寄存器之间的传送发生在时相P2期间，这些内部时钟信号无法从外部观察，故用XTAL2引脚振荡信号作参考。43 AT89S51单片机的工作过程和工作方式单片机工作过程遵循现代计算机的工作原理（冯诺依曼原理），即程序存储和程序控制。存储程序是指人们必须事先把计算机的执行步骤序列（即程序）及运行中所需的数据, 通过一定的方式输入并存储在计算机的存储器中。程序控制是指计算机能自动地逐一取出程序中的指令，加以分析并执行规定的操作。 单片机的工作方式有：复位、程序执行、掉电保护和低功耗、编程、校验与加密等方式。1复位方式通过某种方式, 使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。复位方式是单片机的初始化操作。单片机除了正常的初始化外，当程序运行出错或由于操作错误而使系统处于死循环时，也需要按复位键重启机器。MCS51单片机复位后, 程序计数器PC和特殊功能寄存器复位的状态如表4.1所示。 复位不影响片内RAM存放的内容, 而ALE、在复位期间将输出高电平。由表4.1 可以看出，复位后：(1)（PC）=0000H 表示复位后程序的入口地址为0000H，即单片机复位后从0000H单元开始执行程序；(2)（PSW）=00H， 其中RS1(PSW.4)=0，RS0(PSW.3)=0，表示复位后单片机选择工作寄存器0组；(3)（SP）=07H 表示复位后堆栈在片内RAM的08H单元处建立；(4) P0口P3口锁存器为全1状态，说明复位后这些并行接口可以直接作输入口，无须向端口写1。定时器/计数器、串行口、中断系统等特殊功能寄存器复位后的状态对各功能部件工作状态的影响。 表 4.1 PC与SFR复位状态表寄存器复位状态寄存器复位状态PCABPSWSPDPTRP0P3IPIETMOD0000H 00H 00H 00H 07H0000H FFHXX000000B0X0000000B 00HTCONT2CONTH0TL0TH1TL1SCONSBUFPCON00H00H00H00H00H00H00HXXH(0XXX0000B)单片机在时钟电路工作以后, 在RST/VPD端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应