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第三章 硬件设计
3.1 AT89C51单片机最小系统电路
常用的微处理器有MCS51和PIC单片机等。单片机最小系统是整个硬件系统的核心，它既协调整机工作，又是数据处理器。经过综合考虑，PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发实现的电路的功能，并根据我们的课题要求，我们用的是：AT89C51芯片。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失性存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。图为AT89C51的芯片的外部引脚图。
图3-1外部引脚图
3.1.1主要特性
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命：1000次写/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RAM
32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
3.1.2 管脚说明
VCC：供电电压。
GND：接地
P0口：P0口作为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部数据存储器，它可以定义为数据/地址的第八位。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH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，可当作输入，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口也可用为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3.0RXD（串行输入口） P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.1TXD（串行输出口） P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.2/INT0（外部中断0） P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.3/INT1（外部中断1） P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
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平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用用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指令时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。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时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
图3-2 89C51外部存储器读周期
/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。
3.1.3 复位电路
图3-3 图3-4
当在51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。其复位操作有两种形式：一种是上电复位，另一种是上电与按键均有效的复位。
上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。如图所示，上电瞬间RST引脚获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。RST引脚的高电平只要能保持足够的时间，单片机就可以进行复位操作，该电路典型的电阻和电容参数为：晶振为12MHz，C3为10μF，R6为8.2KΩ；晶振为6MHz时，C3为22μF，R6为10KΩ。
上电与按键均有效的复位可在单片机运行期间，利用按键完成复位操作。晶振6MHz时，C3为22μF，R6为1KΩ
3.1.4 时钟电路
89C51单片机的时钟信号通常有两种方式产生：一种是内部时钟方式，二是外部时钟方式。
内部时钟方式如图所示。在80C51单片机内部有一振荡电路，只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体，就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。图中电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值在5～30PF，典型值为30PF。晶振的振荡范围在1.2～12MHz间选择，典型值为12MHz和6MHz。
图3-5 图3-6
外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内,如图所示,此方式常用于多片51单片机同时工作,以便于各单片机的同步,一般要求外部信号高电平的持续时间大于20nS,且为频率低于12MHz的方波.对于CHMOS工艺的单片机,外部时钟要由XTAL1端引入,而XTAL2引脚应悬空.
3.2键盘模块
3.2.1音频键盘
为减少键盘与单片机接口时所占的I/O口线的数目，在键位数较多时，采用行列矩阵形式， 键盘的行线一端经电阻接+5V电源，另一端接单片机的输入口，各列线的一端接单片机的输出口，另一端悬空。每一行线（水平线）与列线（垂直线）的交叉处不相通，而是通过一个按键来连通。利用这种行列矩阵结构只需4条行线和4条列线，即可组成具有4×4=16位按键的键盘，由P1口构成16个按键,电路图如图3-7
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