第二章 硬件系统设计
各部分简介：
（1）电源变压器
电源变压器作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤波电路所需的交流电压V2。变压器副边与原边的功率比P2/P1=η，式中η为变压器的效率。
（2）整流电路
整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压。滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。
常用的整流电路有全波整流电路、半波整流电路、桥式整流电路及倍压整流电路。小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电。由于桥式整流电路克服了半波整流的缺点，在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的一半，与半波整流电路相比较，其输出电压提高，脉动成分减少。
（3）滤波电路
整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路及π型滤波电路。本设计采用电容滤波电路。电容滤波电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。桥式整流电路带电阻负载时的输出直流电压U0=0.9V，接上电容滤波后，空载时的输出直流电压U0=UC=U2。所以，接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数RLC有关，RLC越大，U0越大。
（3）稳压电路
稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。 3. AC220V变换为+5V的直流稳压电源电路
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第二章 硬件系统设计
图2-2 +5V直流稳压电源电路图
元件选取
? 变压器的选择：使用变压器要求能将初级电压220V降为次级电压8V（需
要的电压加上3V），次级电流1.7A，变压器的判断可用万用表测试两端电阻来判断初级和次级，若电阻大为初级。
? 整流二极管的选择：四个二极管的稳压程度应在变压器的次级电压的x3
以上即24V。耐流值等于变压器次级电流。
? 滤波电解电容的选择：耐压变压器次级电压x1.414容量为次级电流
x(1500—2000uF),即耐压112V容量（2500—3740uF）,可选3300uF。 ? 稳压：使用7805三端稳压电路，在使用前判断三端稳压器的好坏。测试：
1、2脚加上直流电压，用万用表测3和2脚间的电压，若数值相同，则证明此稳压器是好的。
? LED电路：LED稳定电压2V，R限流电阻使电流达20mA左右，选择
3V/20mA=150
4.选用W117三端稳压器制作输出可调稳压电源，W117稳压电路的供电电压变化范围大。允许输出电压范围（2V—40V）,为扩大输出电压可调范围，基准电压设置很小，约1.25V,电路如下图所示:
图2-3 可调稳压电源电路图
元件选择R1R2同种类型，选择不同R1R2值，可以得到我们所需要的不同电压。
2.3.2 AT89S51功能及特性介绍
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AT89S51芯片介绍和AT89S51最小系统：
1、AT89S51芯片
AT89S51 是美国ATMEL 公司生产的低功耗，高性能CMOS 8 位单片机，片内含4K 的可编程的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash 程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8 位微处理器于单片机芯片中，ATMEL 公司的功能强大，低价位AT89S51 单片机可为您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。
AT89S51 采用40 引脚双列直插封装(DIP) 形式， 内部由CPU，4kB 的ROM，256 B 的RAM，2 个16b 的定时／计数器TO 和T1，4 个8 b 的工／ O 端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。 其引脚功能如下：
Vcc：电源电压 GND：接地
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。作为输出口时，每位能驱动8 个TTL 逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，
在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。
P1 口：P1 是一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，此时可作为输入口。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。Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8 位地址。
P2 口：P2 口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，此时可作输出口，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。
在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行MOVE @DPTR 指令）时，P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @Ri 指令）时，P2口线上的内容，在整个访问期间不改变。
Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和其他控制信号。
P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被
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内部上拉电阻拉高并可作为输出端口。作输入端时，被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流。
P3 口除了作为一般的I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能。 P3 口还接手一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 RST： 复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT 溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR
AUXR 的DISRTO 位（ 地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO 位缺省为RESET 输出高电平打开状态。
ALE/ ~PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址所存允许）输出脉冲用于所存地址的低8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE 脉冲。 对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（~PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位， 可禁止ALE 操作。该位置位后， 只有一条MOVX 和MOVC 指令ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 无效。
~PSEN：程序储存允许（~PSEN）输出是外程序存储器的选通信号，当AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次~PSEN 有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，没有两次有效的~PSEN 信号。
EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000H——FFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需要注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会所存EA 端状态。如EA 端为高电平（接VCC 端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。
Flash 存储器编程时，该引脚加上＋ 12V 的编程电压VPP。 XTAL1 ：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2 ：振荡器反相放大器的输出端。
AT89S51 标准功能：4K 字节闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线， 看门狗（WDT），两个数据指针，两个16 位定时/ 计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51 可降至0HZ 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时/ 计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中到内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有工作部件直到下一个硬 件复位。
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2、AT89S51最小系统
AT89S51单片机最小系统由AT89S51单片机及其外围电路组成，外围电路包括时钟电路和复位电路两部分。
1时钟电路：时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程○
都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，时钟电路就好比人的心脏。同样，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF。
单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片外部XTAL1和 XTAL2之间跨接晶体震荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。外接晶体（石英或陶瓷，陶瓷的精度不高，但价格便宜）振荡器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中， C1和C2的大小会对振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度特性有一定的影响。因此建议在采用石英晶体振荡器时取C=30+/-10pF，陶瓷振荡器时取C=40+/-10pF，典型值为40pF。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在，更好的保障振荡器稳定、可靠的工作。在任何情况下，振荡器始终驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号，因为时钟发生器的输入是一个二分频电路，所以对外部振荡信号的脉宽无特殊要求，但必须保证高、低电平的最小宽度。
2复位电路：单片机的复位电路分上电复位和按键手动复位。它是利用外部○
复位电路来实现的。当Vcc上升时间不超过1ms（RC=τ），振荡器启动时间不超过10ms。在加电情况下，这个电路可以使单片机复位。在加电开机时，RST上的电压从Vcc逐渐下降，RST引脚的电位是Vcc与电容电压的差，RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，以满足复位操作的要求。按键电平复位是将复位端通过电阻与Vcc相连。在按键电平复位和按键脉冲复位两种简单的复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下，不会造成单片机的错误复位，但会引起内部寄存器错误复位，这里可在复位端引脚上接一个去藕电容。需说明的是，如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。
为了使用方便和设计电路简化及设计要求，我们采用上电复位和按键电平复位相结合的方法。复位后，单片机从0000H单元开始执行程序，并初始化一些专用寄存器为复位状态值，受影响的专用寄存器如下表所示：
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