系统硬件电路的设计

1系统硬件总电路构成
       本系统主要由STC89C51单片机组成的最小系统，四个方向共计12个红黄绿LED灯组成的显示模块，四个方向共计8个倒计时用的数码管组成的显示模块，一系列按键构成的功能选择模块组成。在硬件方面，本次设计的电路包含了单片机、驱动电路、信号灯、按键、数码管显示等几个部分。
       数码管的片选和位选工作通过单片机的P0和P1这两个端口完成，四个方向的红绿黄LED灯的亮灭状况通过P2端口进行实时控制，晶振时钟电路与该单片机的XTAL1和XTAL2这两个引脚相连，复位通过REST端口实现，按键则主要通过P3端口进行控制。
2单片机系统
       单片机是单片微型计算机的简称，他的出现来源于微型计算机的出现和发展。1975年，德克萨斯仪器公司研制成功了首个单片机，名为TMS – 1000。直到今天，单片机技术已经得到了很大的发展，成为了计算机技术和电子信息工程技术的一个非常重要的不可或缺的一部分，应用范围也越来越大，特别是在数据实时监控和控制上起着重要的作用。
       我们如果定义单片机的诞生为起点的话，可以将单片机的发展历程概括于以下几个阶段：
       1976年至1978年期间，这个时期是对单片微型计算机的一个探索历。MCS-48是这个阶段的代表产物，由英特尔公司生产的。该芯片的发布是对该行业的探索有了极大的帮助，摩托罗拉、Zilog等多个国际公司纷纷参与。结果是令人满意的。
       1978年至1982年期间，这个时期着重对单片机的完善。这个阶段中，英特尔在MCS-48的基础之上，不断研究研发最终开发出了典型的单片机系列，即MCS-51。通过以下几个方面对该单片机进行简单的介绍。
       第一，外部总线更完整。该单片机的总线结构为采用了最为普遍的8位微控制器形式，数据总线共有68条，地址总线总共16条，控制总线总共6条。同时，其串行口是能够实现多机通信功能的。
（1）集中管理中央处理器的外围一些功能单元。
（2）工业控制特性的地址空间和位操作方式。
（3）命令系统更加丰富而完美，并添加了许多突出控制功能的命令。
       1982年至1990年期间，通过对8位微型计算机的做相关的整合，同时对16位单片微型计算机的引进，这对微控制器的发展起到了很大的推动作用。英特尔公司在之前的基础上，继续研发，得以MCS-96系列单片机的面市，其在技术上更加先进，可以通过其内部的模数转换，进而对程序的运行达到监控的效果，脉冲宽度调制器等，反映了单片机的特点。
       1990年至今，这个时期的微控制器已经处于比较完整的阶段了。单片机各方面的技术都日趋成熟，已经广泛地应用于各行各业了。同样，也是在这个时期发掘了高速、大范围寻址、8/16/ 32位微控制器的强大计算能力，以及小的廉价专用单片机。
       单片微型计算机最主要的一个用途就是集成电路芯片。因为，单片机在很多方面都有其绝对的优势，比如：体积小、稳定性好、价格便宜等等特点，已在多个领域得到了广泛应以及大力的推广，尤其是在，智能仪器的单片微型计算机领域。单片机在具体应用的过程中，人们重视的其实际运行的成本、尽可能小的体积、操作的稳定性和灵活的控制性能。单片机不仅在仪表、仪器方面实现其智能化控制，不断提高其测试的精准度，从而逐步全面自动化，而且在计算机的运行方面，加快了其速度，最终达到提高性价比的目的。

2.1单片机引脚介绍
 单片机主要特点：
     1.有很好的性能价格比。
     2.高度集成，体积小，可靠性高。MCU在芯片上集成每个特性，很大程度上减少了其中各个芯片之间的相互连接，大幅增加其稳定性，提高其抗干扰能力。另外，由于其体积非常小，适用于恶劣环境下的强磁场环境。
     3.强有力的控制。为了满足工业控制的要求，在其指令数据库中，存储了大量的能够实现转移、输入输出和位处理功能的指令。其不论是在逻辑控制方面还是运行速度方面，较同一级别的其他微机相比，都有明显优势。
     4.低功耗，低电压，容易生产可携带的产品。
     5.外部总线增加了集成电路和串行接口等串行总线方法，使体积变得更小，简化了结构。
     6.单片微机系统的扩展和系统配置方面均趋于标准化，所以对其做相关的扩充非常容易。
     VCC：作为其电源的阳极，取值+5V。
     GND：电源地端。
     XTAL1:单片微型计算机系统时钟的反向放大器输入。
     XTAL2:系统时钟反向放大器的输出端，通常是在设计时XTAL1和XTAL2连接到石英晶体系统振荡。在这两个端口引入一个容量为20PF电容，这样能够增加系统的可靠性，有效地避免因噪声干扰而引起的单片微型计算机的崩溃。
       RESET：复位。该引脚在高电平状态下有效。如果需要对芯片做复位操作，需要对该引脚执行一个高电平的输入的操作，并且使之维持两个机器周期及以上。该单片机基本上能够对任意一个操作系统执行重置操作。实际上，就是对其内部某些具有特殊功能的寄存器的内容进行一个标记，使其状态从未知转变成为已知，程序代码的读取以及执行都是从0000 H开始。
       EA/vpp：全程为External Access，就是外部访问的意思。如果对该引脚执行低电平输入操作，这个时候，系统将便会自动识别，然后调用外部程序代码来执行相关的程序。这就达到了访问外部程序代码的目的，所以该引脚是低电平有效。综上所述，无论是在8031还是在8032中，由于其都不存在所谓的内部存储空间，所以EA引脚必须保持在低电平状态才可。但是针对8751的情况，该端口则需要输入高电平状态。此外，如果8751内部EPROM已经烧入了相关的程序代码时，这个时候相当于对其输入一个烧录高压(Vpp)，值为21V。
       ALE/PROG：全称为“Address Latch Enable”，意思为地址锁存器能够起到一定的作用。在实际的执行过程中，一般情况下，该引脚的输出频率占到总工作频率的六分之一左右，所以可以通过该引脚对外围其他的一些晶片基本输入进行驱动。如果需要访问外部存储器的情况下，地址锁对于锁存地址的位字节处理有着其意想不到的效果。在FLASH编程的过程中，需要对该引脚输入一定的编程脉冲。不过，有一点是值得关注的，如果需要通过外部数据进行存储操作，系统会自动会跳过一个ALE脉冲。若是需要对该引脚的输出执行禁止操作，将SFR8EH地址置0便可。这样的话，ALE若是想要恢复，需要通过执行MOVX，MOVC指令后方可生效。此外，ALE引脚的位置始终会高一点。系统若是在外部对该引脚执行的禁止命令，那么，这个位置便没有什么实际意义。
       PSEN，即启用程序存储，全称为Program Store Enable。如果8051的EA引脚为低电平时，即其处于外部代码的工作状态下，可以通过发送此该引脚的相关信号来获取相应的程序代码。一般情况下，该引脚与EPROM 的OE端口相连。该单片机通过PSEN和RD这两个引脚完成对外部RAM和EPROM的启动作用，将其两种存储器融合在一起，达到共享64K地址的目的。同时，该引脚还可以作为外部程序存储器的一个选通信号。如果访问的是外部程序存储器，那么在此期间PSEN会在每一个机器周期都会出现两次有效的信息输入。但是，如果访问的是外部数据存储器时，就不会出现这样的情况。
        PORT0（P0.0～P0.7）端口是一个8位漏极开路型的双向I/O口， P0.0代表位0，P0.1代表位1，等等。其他三个输入/输出端口(P1、P2、P3)不存在这样的电路组态，它们内部存在一组电路，当输入输出信号的时候，P0能够带动8 个LS的TTL的运行。如果EA为可以访问外部代码或数据存储，P0可以以多工方式提供数据总线（D0— D7）和地址总线A0— A7。操作者必须加上一个锁存器给端口0，锁定地址为A0-A7，端口A0-A7与端口2的A8- A15共同组成一组16位地址总线，并且将其定位到外部64 k的存储空间当中。
       PORT1（P1.0～P1.7）：该端口是一个双向I/O端口，具备一定的内部提升电路的能力，每个引脚都能够驱动4个LS TTL负载。这是该端口的基本特性。若是将高电平作为该端口的输出状态，那么它就是输入数据的一个端口。若是通过8052或8032，则该端口的P1.0引脚可以作为定时器2的外部脉冲输入。另外，由于P1.1引脚具有T2EX功能，所以其还能够对外部中断进行相应的触发。
       PORT2（P2.0～P2.7）：端口2与端口1的基本特性完全一样，是将高电平作为该端口的输出状态，那么该端口可以作为一个最普通的输入端口进行使用。除此之外，若是该单片机需要进行外部程序或数据存储器扩展时，在这种情况下，该端口还可以也提供相应的地址总线的地址，此时其输入输出功能便不能实现。
       PORT3（P3.0～P3.7）：同样地，端口3的基本特性与1也是完全一样。不过，其具有许多其他额外的特殊特性，包括串行通信、外部中断控制，相关内容的读取及写入控制。
其引脚分配如下：
P3.0：RXD，串行通信输入。
P3.1：TXD，串行通信输出。
P3.2：INT0，外部中断0输入。
P3.3：INT1，外部中断1输入。
P3.4：T0，计时计数器0输入。
P3.5：T1，计时计数器1输入。
P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。
P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。
RST：复位操作。在需要重置振荡器的时候，必须保持RST处于高电平状态两个机器周期及以上。[8]