河南城建学院本科毕业设计（论文）
系统的硬件部分设计分析
3 系统的硬件部分设计分析
3.1 单片机控制器
经过第 2 章的叙述已经确定了完成本设计所需要的主要元器件，所以本章开 始讲述基于单片机的便携式心率测试仪的设计的硬件电路的设计。
在这里，单片机要实现对脉搏信号的处理。在检测到第一个脉冲到达时，开 启定时器，然后在下一个脉冲到达时，关闭计时器，如此就可以求得一次心跳所 需要的时间，然后由该周期就可以得到一分钟的脉搏数。
3.1.1 单片机 stc89c52 介绍
STC89C52 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改 进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、 超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16 位定时 器/计数器，4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级 中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种 软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、 串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机 一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率 35MHz，6T/12T 可选。STC89C52 单片机引脚图如下图 2.2 所示。
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图 2.2
STC89C52RC引脚功能说明 引脚按其功能可分为如下3类：
1、电源及时钟引脚——VCC、VSS；XTAL1、XTAL2； 2、控制引脚
—— RST / VPD 、 ALE / PROG 、PSEN 、和EA / VPP ； 3、I/O 口引脚——P0、P1、P2、P3，为 4 个 8 位 I/O 口。
1、电源及时钟引脚 (1)电源引脚
VCC：5V 电压。 GND：接地。
(2)外接晶体引脚
XTAL1：接外部晶体振荡器的一端。当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接石 英晶体振荡器和微调电容；当使用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，此引脚接地； 对于 CMOS 单片机，此引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2：接外部晶体振荡器的另一端，当使用芯片内部时钟时，此脚用于外接 石英晶体振荡器和微调电容。当使用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，此引脚接 外部振荡源；对于 CMOS 单片机，此引脚悬空不接。
AT89S52 晶体振荡器频率可在 6MHz 40MHz 之间选择，常选 6MHz 或 12MHz
的石英晶体。电容的值没有严格要求，但其取值对振荡器的频率输出的稳定性、 大小、振荡电路起振速度稍有影响，C1、C2 可在 20pF~100pF 之间选择。当外接晶 体振荡器时，电容可选 30pF±10pF；外接陶瓷振荡器时，电容可选 40pF±10pF。
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2、控制引脚
RST / VPD ：复位端。当输入的复位信号持续 2 个以上机器周期(个晶体振荡周 期）高电平即为有效，用于完成单片机的复位初始化操作。正常工作时，此脚电
平应 ≤ 0.5V。
在 VCC 发生故障、降低到电平规定值掉电期间，此引脚可接备用电源 VPD（电 源范围 5V±0.5V），由 VPD 向内部 RAM 供电，以保持内部 RAM 中的数据。
ALE / PROG ：地址锁存使能。ALE（Address Latch Enable）；PROG（Program）
ALE / PROG 为 CPU 访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信
号，将低 8 位地址锁存在片外的地址锁存器中。ALE / PROG 引脚第二功能，对片 内 Flash 编程，为编程脉冲输入端。
PSEN ：（Programmer Saving ENable），外部程序存储器读选通信号。在读外部
程序存储器时有效（低电平），以实现外部程序存储器单元的读操作。在访问外部
数据存储器、访问内部程序存储器时PSEN 无效。
EA / VPP ：（Enable Address/Voltage Pulse of Programming），访问程序存储控制
EA/VPP信号。当
＝“0”时，表示读外部程序存储器。只读取外部的程序存储器 中的内容，读取的
地址范围为 0000H FFFFH（64KB），片内的 8KB Flash 程序存储
器不起作用。当 ＝“1”时，表示对程序存储器的读操作是从内部程序存
储器开始，并可延至外部程序存储器。在 PC 值不超出 0FFFH（即不超出片内 4KB Flash 存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但当 PC 值超出 0FFFH （即超出片内 4KB Flash 地址范围）时，将自动转向读取片外 60KB
（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。对于 EPROM（或 FLASH）型单片机， 在 EPROM 编程期间，此引脚需加 12.75V 或 21V 的编程电压。
3、I/O 口引脚
P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址／数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1” 可作为高阻抗转入端用。
Pl 口：P1 是—个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动(吸 收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口 拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因内部存在上拉电阻，某个引 脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱 动（吸收或输出电流)4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻 把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
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P3口：①可以作为输入/输出口，外接输入/输出设备。②作为第二功能使用， 每一位功能定义如表3.1所示。
表2.1 P3口的第二功能
端口引脚 第二功能 RXD(串行输入口) P3.0 P3.1 TXD（串行输出口） INT0(外中断 0) P3.2 P3.3 INT1（外中断 1） T0（定时/计数器 0） P3.4 P3.5 T1（定时/计数器 1） WR(外部数据存储器写选通) P3.6 P3.7 RD(外部数据存储器读选通)
3.1.2 单片机复位电路
单片机在启动时都需要复位，以使 CPU 及系统各部件处于确定的初始状态， 并从初态开始工作。89 系列单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内的施密 特触发器中的。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上 有一个高电平并维持 2 个机器周期(24 个振荡周期)以上，则 CPU 就可以响应并将 系统复位。单片机复位电路如图 3.3 所示
C3
10uF
RST
R15
220
R1
2k
图 3.3 按键复位电路
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3.1.3 单片机时钟电路
单片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路。MCS-51 单片机为 12 个时钟 周期执行一条指令。也就是说单片机运行一条指令，必须要用 12 时钟周期。没有 这个时钟，单片机就跑不起来了，也没有办法定时和进行和时间有关的操作。单 片机可以看成是在时钟驱动下的时序逻辑电路,单片机在工作过程中,所有工作都 是在时钟信号控制下进行的,每执行一条指令,CPU 的控制器都要发出一系列特定 的控制信号。单片机时钟电路如下图 3.4 所示
C1
X1
30pF
12M
C2
X2
1nF
图 3.4 时钟电路
3.1.4 数码管显示电路
LED 数码管是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在 内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管显示电路如图 3.9 所示
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