2.1 硬體電路設計與製作
本專題設計之硬體電路用到元件(1)AT89S51(2)74LS138(3)74LS245(4)七段顯 示器(5)LED 燈(6)排阻(7)簡易鍵盤(8)電阻(9)電容(10)按鈕(11)石英震盪器 12MHz (12)A1015GR。
2.1.1 硬體架構圖
圖2.1 為本專題設計之硬體架構圖。
圖2.1 系統架構圖
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2.1.2 AT89S51
1.AT89S51屬於MCS-51系列，而MCS-51 系列單晶片是INTEL公司的產品，其 中8051是INTEL 公司於1981年生產製造的原始晶片，內部結構如表2.1。
表2.1 內部結構
內部結構
內部記憶體 輸入/輸出 計時/計數 器 RAM ROM EPROM Flash
Memory
I/O 16位元
89S51 128byte 0 0 4Kbyte 32腳 2個 2.內部方塊圖(如圖2.2)，說明如下
圖2.2 微電腦控制方塊圖
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A.振盪器：外接一個石英晶體，可生整個系統所需時序脈波。
B.CPU：用來執行指令、控制整個微電腦的運作。
C.程式記憶體：ROM(Read-Only Memory)或Flash Memory，用來儲存程式及 固定不變的常數。ROM或Flash Memory的特點是不會因電源切斷而消 失。
D.資料記憶體：RAM(Radom Access Memory)，用來儲存程式執行中須加以 改變的資料，可由CPU存取資料，但電源切斷時，資料消失。
E.計時器/計數器：用指令設定16位元的計時器或作為16位元的計數器。
F.I/O接腳：一共有32隻輸入/輸出接腳可被應用。
3.接腳圖(如圖2.3)，共有40隻接腳，說明如下
圖2.3 編號之接腳圖
A.Vss或GND：編號第20隻接腳，電路的接地電位。
B.Vcc：編號第40隻接腳，電路隻電源接腳，外接+5V。
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C.XTAL1 及 XTAL2 ： 編 號 第 18~19 隻 接 腳 ， 用 來 外 接 石 英 震 盪 器 ( 如 圖 2.4) 。
圖2.4 振盪電路
D.RST(REST)：編號第9隻接腳，重置輸入腳，當輸入為High時，則重置；
有時會加按鈕，以方便重置設定(如圖2.5) 。
圖2.5 重置電路
E. EA ：編號第31隻接腳，屬於輸入腳，在AT89S51必接Vcc，(但在MCS-51 系列內，也有接GND的)，若接GND，則CPU被迫讀取外部程式記憶體。
F.P0.0~P0.7：編號第32~39支接腳，可為八位元輸入埠或輸出埠，統稱為 Port0，簡稱為P0。可做為位址線或資料線，每隻接腳都屬於開汲極(如圖
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2.6)，無內部提升電阻器(pullup resistor)，需要在接腳上外接提升電阻 器。當使接腳為輸入腳用時，必須先將1寫入這隻腳。
Q
圖2.6 P0結構
G.P1.0~P1.7：編號第1~8隻接腳，可為八位元輸入埠或輸出埠，統稱為 Port1，簡稱為P1。有內部提升電阻器。當使接腳為輸入腳用時，必須先 將1寫入這隻腳。
H.P2.0~2.7 ： 編 號 第 21~28 隻 腳 ， 可 為 八 位 元 輸 入 埠 或 輸 出 埠 ， 統 稱 為 Port2，簡稱為P2。有內部提升電阻器。當使接腳為輸入腳用時，必須先 將1寫入這隻腳。可跟Port 0一起做為位址線，用來輸出高位元。
I.P3.0~3.7 ： 編 號 第 10~17 隻 腳 ， 可 為 八 位 元 輸 入 埠 或 輸 出 埠 ， 統 稱 為 Port3，簡稱為P3。有內部提升電阻器。當使接腳為輸入腳用時，必須先 將1寫入這隻腳。Port 3的接腳還有其他功能(如表2.2) 。
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J.ALE：編號第30隻接腳，位址閂鎖致能(address latch enable)輸出腳。
K. PSEN ：編號第29隻接腳，外部程式記憶體致能(program store enable)輸 出腳。
4.內部結構
A.指令解碼器與控制單元：程式指令運算碼先從記憶體讀入指令暫存器 中，加以解碼分析，再透過控制單元發出信號，使系統內部資料能作適 當的傳送與運算。
B.算數邏輯單元(Arithmatic and Logic Unit，ALU)：負責執行算術運算及邏 輯運算的部門，使用累積器(Accumlator；簡稱ACC或A)的暫存器。
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Bank2：10H~17H，Bank03：18H~1FH，由 PSW 暫存器來選擇使用哪 一個 Bank。
b.可位元定址區：位址在 20H~2FH，共 16 個 Byte，即 128bit，每一個位 元可直接使用。
c.資料儲存區：位址 30H~7FH，共 80 個 Byte。
F. 特殊功能暫存器(Special Function Registers；SFR)：位址範圍是位於資料 記憶體 80H~FFH 的地方，共 128 Bytes，如下表 2.4。
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a.累積器 A(Accumulator)：簡稱 ACC 或 A，大部分運算都透過此暫存 器，如儲存運算結果、資料傳輸、跳躍判斷等，功能最多
b.B 暫存器：主要用來除法和乘法運算，乘法運算中用來存放結果的高位 元組，除法運算中用來存放餘數，但也可做一般暫存器
c.程式狀態字元(Program Status Word；PSW)：(如表 2.5) 表2.5 PSW 暫存器
CY AC F0 RS1 RS0 OV ─ P (1) 進位旗標(Carry；CY)：簡寫 C，位址 PSW.7 表示是否借位或進位 (2) 輔助進位旗標(Auxiliary Carry；AC)：位址 PSW.6，表示第 3 位元是
否進位或借位
(3) 暫存器庫選擇：RS0 和 RS1，位址分別為 PSW.3、PSW.4，用於選擇 Bank(如表 2.6)
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d.堆疊指標(Stack Pointer；SP)：當程式執行 CALL 或 PUSH 指令或中斷副 程式時，SP 自動加 1，並將資料存在堆疊器，當程式執行 RET 或 RETI 或 POP 時，堆疊器資料被取出，SP 自動減 1
e.資料指標暫存器(Data Pointer；DPTR)：由 DPH 和 DPL 兩個位元組組 成，主要用於儲存 16 位元位址，做為存取資料的位址指標
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2.1.474LS245
(接腳圖如圖2.9)是一種8位元收發器，用資料線來使非同步資料 聯繫，控制功能使外部同步要求降到最低。DIR控制使A資料傳送到B或B資19 (逢甲大學學生報告 ePaper(2010 年)
圖2.9 接腳圖
2.1.5 七段顯示器
顯示模組有分為「共陽極」與「共陰極」，可依照使用 需求不同而選擇其中一個使用。如選擇使用共陽極，則將COM點接至Vcc；若 選擇共陰極，則COM點就接至接地。接腳如圖2.10。圖2.10 接腳圖
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圖2.11 外觀圖 圖2.12 電路符號
2.1.7 排阻
簡單來講就是電阻並聯，有點的地方接Vcc(外型圖如圖2.13) 。圖2.13 外型圖
2.1.8簡易鍵盤
其電路內部結構如圖2.14，外觀如圖2.15。圖2.14 電路內部結構 圖2.15 外觀圖
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2.1.9 電阻(Resistor)：
1.固定電阻：
A.直接標示型電阻(水泥電阻)(外觀如圖2.16) 。
圖2.16 水泥電阻外觀圖 B.電阻色碼的讀取準則(外觀如圖2.17)如表2.10。
圖2.17 外觀圖
圖 2.18 色帶位置 表2.10 色碼表
顏色 第1色帶 第2色帶 第3色帶 第4色帶 第1個數字 第2個數字 乘數 容許誤差(%)
黑 0 0 1
棕 1 1 10 ±1
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b.B型：直線型，實驗中最常用，做信號振幅大小的調整。
c.M、N型：常用於左右通道的平衡調整。
2.1.10 電容器(Capacitor)：
由兩個金屬導體之間夾絕緣介質而成。1.電解電容器：(外觀圖如2.20)
圖2.20 外觀圖
有極性電容，使用時需注意其極性，長腳：+，短腳：-，電容值大且都採 直接標示。
2.陶瓷電容器(Ceramic-disk Capacitor)：(外型如圖2.21所示)
圖2.21 陶瓷電容外型圖
由於大多做成圓版形狀，所以又稱「圓版電容」，為無極性電容，高頻響 應較佳，故常當作旁路電容使用，其電容值小(以pF為單位)，採間接標示，
圖示電容值讀法：
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表2.11 代碼誤差對照表
代碼 F G H J K L M N
誤差 ±1% ±2% ±3% ±5% ±10% ±15% ±20% ±30%
電容值C=(α×10+β)×10
γ
±ρ百分誤差代碼pF。3.高值的無極性電解電容：NP電容器(如圖2.22)
圖2.22 NP電容器 4.電容的工作電壓(耐壓)
A.多以均方根值標示：
a.V，WV(Working Voltage)：正常耐壓(連續動作電壓) 。 b.TV(Test Voltage)：測試瞬間之耐壓(瞬間峰值電壓) 。 B.一般耐壓設計以20%~50%安全量即可。
C.提高耐壓能力可藉由電容串聯完成。
2.1.11 按鈕
如圖2.23所示圖2.23 按鈕外觀圖
2.1.12 石英震盪器
(12MHz)，在此專題中用來使8051內部有時脈週期26 (逢甲大學學生報告 ePaper(2010 年)
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主體電路 如圖 2.26， Part 1 如圖 2.27 ，Part2 如圖 2.28， Part3 如圖 2.29
圖 2.26 主體電路
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如圖 2.27 Part 1
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圖 2.28 Part2
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圖2.30 主程式
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圖2.31 計時器中斷副程式
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圖2.32 外部中斷副程式
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