基于单片机的人脸识别系统 - 图文

摘要

摘 要

随着社会的发展，各个方面对快速有效的自动身份验证的要求日益迫切。由于生物特征是人的内在属性，具有很强的自身稳定性和个体差异性，因此是身份验证的理想依据。这其中，利用人脸特征又是最自然直接的手段，相比其他生物特征，它具有直接、友好、方便的特点，易于为用户接受。

人脸识别是一个涉及面广且又很有挑战性的研究课题，近年来关于人脸识别的研究取得了较大的进展。

关键词：人脸识别，AT89C51单片机，液晶显示器

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Abstract

As the development of the society, there are increasing demands in automatic identity check. Since some biological characteristics are intrinsic and stable to people and are strongly different from one to the others, they can be used as features for identity check. Among all the characteristics of human, the characteristics of face are the most direct tools which are friendly and convenient and can easily be accepted by the customers.

Face recognition is an extensive and challenging research problem. Recently, significant progresses have been made in the technology of the face recognition.

Key word:AT89C51 MCU，human face recognition，LCD

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目录\\

摘 要 ........................................................... Ⅰ Abstract ........................................................... Ⅱ 第1章 绪 论 ...................................................... 4

1.1人脸识别系统的背景和意义 ..................................... 4 1.2国内外人脸识别系统的研究现状 ................................. 5

1.2.1国外的发展概况 ......................................... 6 1.2.2 国内的发展概况 ......................................... 6 1.3 本论文的内容 ................................................ 7 1.4 本文的任务 .................................................. 7 第2章 人脸图片识别总体方案设计 .................................... 7

2.1系统硬件结构 ................................................. 7 第3章 系统硬件部分的设计与实现 .................................... 8

3. 1硬件设计基本流程 ............................................ 8 2.2单片机的发展概况及其选择 ..................................... 9 3.2 AT89C51单片机的介绍 ........................................ 10

3.2.1 AT89C51单片机的特点 .................................. 15 3.2.2 AT89C51单片机的硬件结构 .............................. 16 3.3 图片的导入 ................................................. 16

3.3.1 MAX232资料简介 ....................................... 16 3.4显示器的选择 ................................................ 19

3.5.1 12864液晶介绍 ........................................ 19 3.6 EPROM和RAM的综合扩展 ...................................... 33

3.6.1 62256 RAM芯片介绍 .................................... 33 3.6.2 27256 EPROM芯片介绍 .................................. 35 3.6.3 74LS373 锁存器原理 .................................... 37

第4章 系统可靠性的设计 ........................................... 41

4.1 硬件可靠性的设计 ........................................... 41 4.2 本系统中的抗干扰的预防措施 ................................. 41 致 谢 ............................................................. 42 参考文献 ........................................................... 43

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第1章 绪 论

1.1人脸识别系统的背景和意义

鉴别人的身份是一个非常困难的问题，传统的身份鉴别方法把这个问题转化为鉴别一些标识个人身份的事物，这包括两个方面：①身份标识物品，比如钥匙、证件、ATM卡等；②身份标识知识，比如用户名和密码。在一些安全性要求严格的系统中，可以将这两者结合起来，比如ATM机要求用户同时提供ATM卡和密码。这些传统的身份鉴别方法存在明显的缺点：个人拥有的物品容易丢失或被伪造，个人的密码容易遗忘或记错。更为严重的是这些系统无法区分真正的拥有者和取得身份标识物的冒充者，一旦他人获得了这些身份标识事物，就可以拥有相同针对这一情况，我们可以采取两种措施加以解决。其一，研究新的适用于非完全正立人脸图像的特征检测方法并对人脸特征的提取作相应的调整,这种解决方法在文献[9]已有所尝试；其二，沿用现有的人脸识别系统，但在人脸图像送识别系统进行特征提取和识别之前（即在人脸检测和定位阶段），先进行人脸位置矫正的工作,这种方法在文献[10]中也已有所研究，并取得了较好的效果。 与传统的身份鉴定手段相比，基于人脸生物特征信息的身份鉴定技术具有以下优点：

● 用户易接受：简单易用，对用户无特殊要求。 ● 防伪性能好：不易伪造或被盗。

● “随身携带”：不用担心遗漏或丢失，随时随地可用。

除此之外，人脸识别技术还有主动性好，精确性高，性能/成本比高，自学习功能强等优点。

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鉴于人脸识别技术在个人身份鉴定方面的众多优点，这项技术可以在很多领域得到应用：

● 国家安全领域。协助公安，海关等国家安全机构加强对可疑人物、罪犯、恐怖分子的追踪、监控和识别。

● 公众安全领域。加强交通管制；确认身份证、护照等证件的真伪；验证各类信用卡的持卡人身份。

●计算机交互领域。根据计算机使用者人脸特征确定身份，提供个性化服务。Face Pose Adjustment, Facial Feature Extraction , Human Face Recognition ,

人脸识别技术在这些领域的充分利用，对于有效地鉴定个人的身份，防止犯罪和诈骗、提高办公效率、节约资源有着重大的社会和经济意义。

本章针对大部分人脸识别系统建模中存在的不足，将人脸位置矫正问题引入思考，并根据人脸图像特点设计实现了一种新的基于眼睛定位的人脸位置矫正算法。（为方便叙述起见，我们称人脸在竖直平面内的倾斜角度为平面旋转角度，而称人脸在水平面内的倾斜角度为深度旋转角度。本文中出现的人脸位置矫正说法都是针对平面旋转角度而言的。）

Neural Networks , Gray-scale Static Image , Vertical-complexity of Image 作为人类智能的重要体现和个人身份鉴定的重要手段，人脸识别技术具有广泛的应用前景，已成为一项热门研究课题。人脸识别的关键技术之一就是人脸的检测定位。在一个完整的人脸识别系统中，能否对人脸进行正确的检测定位将对整个人脸识别系统的性能优劣产生极其重要的影响，而影响人脸检测定位的一个重要因素就是人脸在图像中的姿势。

实际中，由于受到人的行为习惯，生理特征以及图像采集环境等诸多因素的影响，人脸在采集到的人脸图像中的姿势往往并不是完全正立的，而是在水平和竖直平面内都存在一定的倾斜角度（即深度旋转角度和平面旋转角度）。但是大部分的人脸识别系统都是针对正立的正面人脸图像而设计的，没有考虑到人脸图像可能存在的倾斜问题，致使这些人脸识别系统从人脸倾斜的图像中提取的特征数据在一定程度上失效，并有可能进一步导致人脸识别系统在最终识别结果中产生误判。

1.2国内外人脸识别系统的研究现状

现在人脸识别技术已经应用在许多领域中，并起到了举足轻重的作用，人脸识别研究开始于1966年PRI的Bledsoe的工作，经过三十多年的发展，人脸识别技术取得了长足的进步， 现在就目前国内外的发展情况来进行展述。

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1.2.1国外的发展概况

见诸文献的机器自动人脸识别研究开始于1966年PRI的Bledsoe的工作，1990年日本研制的人像识别机，可在1秒钟内中从3500人中识别到你要找的人。1993年，美国国防部高级研究项目署 (Advanced Research Projects Agency)和美国陆军研究实验室(Army Research Laboratory)成立了Feret(Face Recognition Technology) 项目组，建立了feret 人脸数据库，用于评价人脸识别算法的性能。

美国陆军实验室也是利用vc++开发，通过软件实现的，并且FAR为49%。在美国的进行的公开测试中，FAR，为53%。美国国防部高级研究项目署，利用半自动和全自动算法。这种算法需要人工或自动指出图像中人的两眼的中心坐标，然后进行识别。在机场开展的测试中，系统发出的错误警报太多，国外的一些高校（卡内基梅隆大学（Carnegie Mellon University）为首，麻省理工大学（Massachusetts Institute of Technology ）等，英国的雷丁大学（University of Reading））和公司（Visionics 公司Facelt 人脸识别系统、Viiage 的FaceFINDER 身份验证系统、Lau Tech 公司Hunter系统、德国的BioID 系统等）的工程研究工作也主要放在公安、刑事方面，在考试验证系统的实现方面深入研究并不多。

1.2.2 国内的发展概况

人脸识别系统现在在大多数领域中起到举足轻重的作用，尤其是用在机关单位的安全和考勤、网络安全、银行、海关边检、物业管理、军队安全、智能身份证、智能门禁、司机驾照验证、计算机登录系统。我国在这方面也取得了较好的成就，国家863项目“面像检测与识别核心技术”通过成果鉴定并初步应用，就标志着我国在人脸识别这一当今热点科研领域掌握了一定的核心技术。北京科瑞奇技术开发股份有限公司在2002年开发了一种人脸鉴别系统，对人脸图像进行处理，消除了照相机的影响，再对图像进行特征提取和识别。这对于人脸鉴别特别有价值，因为人脸鉴别通常使用正面照，要鉴别的人脸图像是不同时期拍摄的，使用的照相机不一样。系统可以接受时间间隔较长的照片，并能达到较高的识别率，在计算机中库藏2300人的正面照片，每人一张照片，使用相距1--7年、差别比较大的照片去查询，首选率可以达到50%，前20张输出照片中包含有与输入照片为同一人的照片的概率可达70% 。 2005年1月18日，由清华大学电子系人脸识别课题组负责人苏光大教授主持承担的国家\十五\攻关项目《人脸识别系统》通过了由公安部主持的专家鉴定。鉴定委员会认为，该项技术处于国内领先水平和国际先进水平。

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1.3 本论文的内容

本文针对人脸图片的现状及发展趋势，在阅读了大量文献及资料的基础上，成功设计了一套用于人脸图片识别系统。其重点在于液晶显示、存储器扩展的硬件电路设计上。最终实现单片机利用串口对图像数据进行采集并进行储存；对输入的图像和系统中已存图像进行比对识别；系统中存有输入的图像则控制液晶显示此图像，否则蜂鸣器报警。 1.4 本文的任务

1. 采用AT89C51单片机进行硬件电路设计以及软件程序设计； 2. 学会串口的使用，采用串口工具向存储器传送图片；

3. 自行设计液晶显示电路，由单片机精确控制图像的显示或报警； 4. 减少冗余电路和接线，降低功耗，提高系统运行可靠性。

第2章 人脸图片识别总体方案设计

2.1系统硬件结构

系统的硬件结构如图2-1所示是以单片机为核心的一套系统。

RXD PC 图片导入 TXD 单片机 报警电路 LCD 显示模块 复位电路 晶振电路 存储器扩展 电源电路 图2-1 河北工程大学毕业论文

单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。

可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成（如图1所示）。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器，如图2所示）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。

第3章 系统硬件部分的设计与实现

3. 1硬件设计基本流程

我们知道，硬件（HardWare）是区别于软件（SoftWare）来说的，是控制逻辑的具体执行和实现部分，它可以用来控制一些可执行器件、机构和设备，自己就也可以实现很多功能，在人类创造过程中是处于底层的部分，是实现创造的根本基础之一。硬件电路包含的内容很广，例如，硬件电路可以有微处理器电路、LCD液晶显示电路、键盘电路、模拟量输入电路、开关量输入输出电路、总线

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通讯接口电路、实时时钟电路等等。总的来说，应该包括电子元件（如芯片、电阻、电容等）、接插件（接头，卡头，连接件等）、电路板及其它相关外部设备（电源、电机等）。所以我们的实验也将围绕功能\\方案——电路原理图——印刷电路板这样一个流程展开。当我们有了模拟电路、数字电路、微机原理的基础之后，我们就可以开始硬件电路的历程。

任何一个硬件设计都需要一个开始和完善的过程，核心在于“设计”。在这里我们将着重讲解基于单片机的硬件设计流程。其他的设计都十分类似，一个设计是否成功，重要的在于对它的每一个环节的把握上。要进行以单片机为核心的数字电路设计与制作，一般来说要按照如图3-1流程进行：

2.2单片机的发展概况及其选择图 3-1 硬件设计流程

随着电子技术、微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，单片机作为计算机的一个独特的分支，它是在一块芯片上集成了多种功能部件所构成的一台完整的、具有一定功能的单片微型计算机。它打破了典型微型计算机按逻辑功能划分芯片结构的传统概念，以其体积小，功能强，性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域，如工业控制系统、智能化仪表、数据采集系统等，单片机技术的开发和应用水平己逐渐成为一个国家工业发展水平的标志之一。

目前世界上有很多单片机制造公司，如美国的INTEL、ATMEL、MOTOROLA和ZILOG公司;德国的SIEMES公司;荷兰的PH工LIP公司等。他们相继推出了各种类型的单片机，其中工ntel公司推出的一种高性能8位单片机MCS一51系列单片以其优越的性能，成熟的技术和高性价比迅速占了工业测控和自动化工

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程领域的主要市场，成为单片机领域中的主流产品。

除了INTEL公司外，PH工LIP，ATMEL，ADM，S工EMES等公司纷纷推出了与MCS一51系列兼容的单片机，其中ATMEL公司的89系列单片机也称Flash单片机，在内部功能的引脚上与MCS一51单片机是兼容的，它不仅继承了MCS一51原有的功能，而且又扩展了它的功能。ATMEL89系列单片机是以8031核构成的，所以它和8051系列单片机是兼容的系列，89系列单片机有很多优点。89系列单片机可分为标准型号，低档型号和高档型号，经过比较分析，根据本课题的特点，我们选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C51。

3.2 AT89C51单片机的介绍

AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），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MCS-51指令系统。功能强大的AT89C51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。

主要性能参数：

与MCS-51产品指令系统完全兼容

4K字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器 1000次擦写周期 4.0-5.5V的工作电压范围 全静态工作模式：0HZ-33MHZ 三级程序加密锁 128*8字节内部RAM 32个可编程I/O口线 2个16位定时/计数器 6个中断源

全双工串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式 中断可从空闲模式唤醒系统 看门狗（WDT）及双数据指针 掉电标示和快速编程特性

灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式） 功能特性概述：

图3-2

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AT89C51提供以下标准功能：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。

图3-3 河北工程大学毕业论文

引脚功能说明：

Vcc:电源电压 GND: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（IIL）。

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（IIL）。

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（也即特殊功能寄存器（SFR））区中P2寄存器的内容），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（IIL）。

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，如下表所示：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。

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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）输出是外部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。 晶体振荡器特性：

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AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图5.

外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体，我们推荐使用30pF+/-10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF+/-10PF。

用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图5右图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2端则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

晶体接线图和外接时钟线路图，如图3-4所示：

图3-4

空闲节电模式：

在空闲工作模式状态，CPU保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态，这种方式由软件产生。此时，片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变。空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止。

需要注意的是，当由硬件复位来终止空闲工作模式时，CPU通常是从激活空闲模式那条指令的下一条指令开始继续执行程序的，要完成内部复位操作，硬

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件复位脉冲要保持两个机器周期（24个时钟周期）有效，在这种情况下，内部禁止CPU访问片内RAM，而允许访问其他端口。为了避免在复位结束时可能对端口产生意外写入，激活空闲模式的那条指令后一条指令不应是一条对端口或外部存储器的写入指令。 掉电模式：

在掉电模式下，振荡器停止工作，进入掉电模式的指令是最后一条被执行的指令，片内RAM和特殊功能寄存器的内容在终止掉电模式前被冻结。退出掉电模式的方法是硬件复位或由处于使能状态的外中断INT0和INT1激活。复位后将重新定义全部特殊功能寄存器但不改变RAM中的内容，在VCC恢复到正常工作电平前，复位应无效，且必须保持一定时间以使振荡器重启动并稳定工作。

序存储器的加密：

AT89C51可使用对芯片上的3个加密位LB1、LB2、LB3进行编程（P）或不编程（U）来得到如下表所示的功能：

注：表中的U------表示未编程 P------表示编程

3.2.1 AT89C51单片机的特点

AT89C51提供以下标准功能：4k 字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，2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，AT89C51降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种可选的节电工作模式。空闲方式体制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中的内容，但振荡器体制工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。

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系统控制部分的核心是ATMEL公司生产的AT89C51。AT89C51采用40引脚的双列直插式封装(DIP)形式，内部由CPU，4 KB的ROM，256 B的RAM，2个16位的定时／计数器T0和T1，4个8位的I／O端口和一个全双工串行通信口等部分组成。AT89C51单片机具有系统结构简单，成本低，可靠性高，低功耗等特点。特别是内部集成了4 KB的FLASH程序存储器，使单片机系统的结构更加简单，也使其得到了广泛的应用。同时，它还具有高级语言编程的特点，指令丰富，软件开发简单。

3.2.2 AT89C51单片机的硬件结构

3.3 图片的导入

MCS-51单片机内部有一个功能强大的全双工异步通信串行口。所谓全双就是双机之间串行接收、发送数据可同时进行。所谓异步通信，就是收、发双方没有同步时钟来控制收、发双发的同步传送，而是靠双方各自的时钟来控制数据的异步传送。本系统的导入原理如图3-6所示：

3.3.1 MAX232资料简介 图3-6 该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

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该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。

主要特点: 1、单5V电源工作 2、 LinBiCMOSTM工艺技术 3、 两个驱动器及两个接收器 4、 ±30V输入电平

5、低电源电流：典型值是8mA

6、符合甚至优于ANSI标准 EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28 7、ESD保护大于MIL-STD-883（方 法3015）标准的2000V

图3-7为MX232双串口的连接图，可以分别接单片机的串行通信口或者实验板的其它串行通信接口：

MAX232应用电路，注意电容接法图3-7 232是电荷泵芯片，可以完成两路TTL/RS-232电平的转换，它的的9、10、11、12引脚是TTL电平端，用来连接单片机的,如图3-8所示：

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制作AT89C51单片机器编程器的电路图,如图3-9所示：

MAX232获得正负电源的另一种方法 在单片机控制系统中，我们时常要用到数/模（D/A）或者模/数(A/D)变换以及其它的模拟接口电路，这里面要经常用到正负电源，例如： 9V,-9V; 12V,-12V.这些电源仅仅作为数字和模拟控制转换接口部件的小功率电源。 在控制板上，我们有的只是5V电源，可又有很多方法获得非5V电源。 1.外接；2.DC-DC变换......在这里我介绍一块大家常用的芯片：MAX232. MAX232是TTL--RS232电平转换的典型芯片，按照芯片的推荐电路，取

图3-9 河北工程大学毕业论文

振荡电容为uF的时候，若输入为5V,输出可以达到-14V左右，输入为0V ,输出可以达到14V,在扇出电流为20mA的时候，处处电压可以稳定在 12V和-12V.因此，在功耗不是很大的情况下，可以将MAX232的输出信号经稳压块后作电源使用

3.4显示器的选择

液晶显示器是一种被动的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，达到白底黑字或黑底白字显示的目的。在单片机应用系统中，常使用点阵型LCD显示器，在这里我们选择12864型号液晶。

3.5.1 12864液晶介绍

一、液晶显示模块概述

12864汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

主要技术参数和显示特性:

电源：VDD 3.3V~+5V(内置升压电路，无需负压)； 显示内容：128列× 64行 显示颜色：黄绿 显示角度：6：00钟直视 LCD类型：STN

与MCU接口：8位或4位并行/3位串行 配置LED背光

多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等 二、外形尺寸

1.外形尺寸图如图3-11所示：

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2.主要外形尺寸

项 目 模 块 体 积 定 位 尺 寸 视 域 行 列 点 阵 数 点 距 离 点 大 小

标 准 尺 寸 113.0×65.0×12.8 105.0×55.0 73.4×38.8 128×64 0.52×0.52 0.48×0.48 单 位 mm mm mm dots mm mm 三、模块引脚说明

128X64 引脚说明 引脚号 1 2 3 4 5 ) 6 7 8 E(CLK) DB0 DB1 H/L H/L H/L 并行的使能信号；串行的同步时钟 数据0 数据1 VSS VDD V0 RS(CS) R/W(SID- - - H/L H/L 模块的电源地 模块的电源正端 LCD驱动电压输入端 并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号 并行的读写选择信号；串行的数据口 引脚名称 方向 功能说明

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9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 PSB NC /RET NC LED_A LED_K H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L - - 数据2 数据3 数据4 数据5 数据6 数据7 并/串行接口选择：H-并行；L-串行 空脚 复位 低电平有效 空脚 背光源正极（LED+5V） 背光源负极（LED-OV） 逻辑工作电压(VDD)：4.5～5.5V 电源地(GND)：0V

工作温度(Ta)：0～60℃(常温) / -20～75℃（宽温） 四、接口时序

模块有并行和串行两种连接方法（时序如下）： 1、8位并行连接时序图,如图3-12所示： MPU写资料到模块

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图3-12 MPU从模块读出资料,如图3-13所示：

图3-13 2、串行连接时序图如图3-14

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串行数据传送共分三个字节完成： 第一字节：串口控制—格式 11111ABC

A为数据传送方向控制：H表示数据从LCD到MCU，L表示数据从MCU到LCD

B为数据类型选择：H表示数据是显示数据，L表示数据是控制指令

C固定为0

第二字节：(并行)8位数据的高4位—格式 DDDD0000 第三字节：(并行)8位数据的低4位—格式 0000DDDD 串行接口时序参数：(测试条件：T=25℃ VDD=4.5V) 五、用户指令集

1、指令表1：（RE=0：基本指令集） 指指令码 说明 执图314 河北工程大学毕业论文

令 RRDDDDDDDDS W B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 将000 0 0 0 0 0 0 DDRAM填满行时间（540KHZ） 清“20H”，并且设定41 DDRAM的地址计数器.6ms （AC）到“00H” 设定DDRAM的地址地计数器（AC）到“00H”，000 0 0 0 0 0 1 X 并且将游标移到开头原点位置；这个指令并不改变DDRAM的内容 进除显示 址归位 4.6ms 入点 设定 显示状态 开/关 游标或显示移位控制 功能设定 设定000 0 0 0 0 1 /D I指定在资料的读取与S 写入时，设定游标移动方向及指定显示的移位 2us 7D=1：整体显示ON 000 0 0 0 1 D C B C=1：游标ON B=1：游标位置ON 2us 7设定游标的移动与显000 0 0 1 /C S/L RX 示的移位控制位元；这个7X 指令并不改变DDRAM的2us 内容 DL=1 （必须设为1） 000 0 1 L D0 X E 作 000 1 C5 C4 C3 C2 C1 C0 地址计数器（AC） AAAAAA设定CGRAM地址到2us 7RX X 作 RE=0： 基本指令集动RE=1： 扩充指令集动2us 7河北工程大学毕业论文

CGRAM地址 设定DDRAM 地址 读取忙碌标志（BF）和地址 写资料到RAM 读出RAM的值

指令表—2：（RE=1：扩充指令集） 指令 S 指令码 RW RDDDDDDDD说明 将DDRAM填待命模式 满“20H”，并且设0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 定DDRAM的地址计数器（AC）到“00H” 72us B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 执行时间（540KHZ） 117 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D料（DDRAM/CGRAM/IRA2us M/GDRAM） 107 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 写入资料到内部的DRAM（DDRAM/CGRAM/IRA2us M/GDRAM） 从内部RAM读取资7701F BAAAAAA读取忙碌标志（BF）A可以确认内部动作是否完数器（AC）的值 0C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 成，同时可以读出地址计us 001 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 地址计数器（AC） AAAAAAA设定DDRAM地址到2us 7

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卷动地址或IRAM地址选择 选择4行中的反白选择 0 0 0 0 0 0 0 1 1 R0 R任一行作反白显示，并可决定反白与否 SL=1：脱离睡睡眠模式 0 0 0 0 0 0 1 L SX 眠模式 X SL=0：进入睡眠模式 RE=1： 扩充指令集动作 扩充功能设定 0 0 0 0 1 1 X E 1 RG RE=0： 基本指令集动作 0 G=1 ：绘图显示ON G=0 ：绘图显示OFF 设定IRAM地址或卷动地址 设定绘图RAM地址 备注：

1、当模块在接受指令前，微处理顺必须先确认模块内部处于非忙碌状态，0 0 1 C6 C5 C4 C3 C2 C1 C0 AAAAAA0 0 0 1 C5 C4 C3 C2 C1 C0 AAAAAA址 SR=0：AC3—AC0为ICON IRAM地址 A地址到地址计数器（AC） 设定CGRAM72us SR=1：AC5—AC0为垂直卷动地72us 72us 72us 72us 0 0 0 0 0 0 0 0 1 R SR=1：允许输S入垂直卷动地址 SR=0：允许输入IRAM地址 72us 河北工程大学毕业论文

即读取BF标志时BF需为0，方可接受新的指令；如果在送出一个指令前并不检查BF标志，那么在前一个指令和这个指令中间必须延迟一段较长的时间，即是等待前一个指令确实执行完成，指令执行的时间请参考指令表中的个别指令说明。

2、“RE”为基本指令集与扩充指令集的选择控制位元，当变更“RE”位元后，往后的指令集将维持在最后的状态，除非再次变更“RE”位元，否则使用相同指令集时，不需每次重设“RE”位元。 具体指令介绍： 1、清除显示

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L L L L L H 功能：清除显示屏幕，把DDRAM位址计数器调整为“00H” 2、位址归位

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L 示DDRAM

3、位址归位

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L L L H /D 功能：把DDRAM位址计数器调整为“00H”，游标回原点，该功能不影响显示DDRAM功能：执行该命令后，所设置的行将显示在屏幕的第一行。显示起始行是由Z地址计数器控制的，该命令自动将A0-A5位地址送入Z地址计数器，起始地址可以是0-63范围内任意一行。Z地址计数器具有循环计数功能，用于显示行扫描同步，当扫描完一行后自动加一。

4、显示状态 开/关

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2

IS L L L L L L L H X 功能：把DDRAM位址计数器调整为“00H”，游标回原点，该功能不影响显

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DB1 DB0 L L L L L L H D C B 功能： D=1；整体显示ON C=1；游标ON B=1；游标位置ON 5、游标或显示移位控制

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L H /C 的内容

6、功能设定

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L H L 令集动作

7、设定CGRAM位址

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L H C5 AC4 AC3 AC2 AC1 A AC0 DX 0 RE X X S/L RX X 功能：设定游标的移动与显示的移位控制位：这个指令并不改变DDRAM

功能：DL=1（必须设为1） RE=1；扩充指令集动作 RE=0：基本指

功能：设定CGRAM位址到位址计数器（AC） 8、设定DDRAM位址

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L H C6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 A AC0 功能：设定DDRAM位址到位址计数器（AC） 9、读取忙碌状态（BF）和位址

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CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L H F 址计数器（AC）的值

10、写资料到RAM

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 H L 7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 DD0 BC6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 A AC0 功能：读取忙碌状态（BF）可以确认内部动作是否完成，同时可以读出位

功能：写入资料到内部的RAM（DDRAM/CGRAM/TRAM/GDRAM） 11、读出RAM的值

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 H H 7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 DD0 功能：从内部RAM读取资料（DDRAM/CGRAM/TRAM/GDRAM） 12、

待命模式（12H）

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L

功能：进入待命模式，执行其他命令都可终止待命模式 13、卷动位址或IRAM位址选择（13H）

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L L L L H SR 功能：SR=1；允许输入卷动位址 SR=0；允许输入IRAM位址

L L L L L L L L H 河北工程大学毕业论文

14、反白选择（14H）

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L L L H 1 功能：选择4行中的任一行作反白显示，并可决定反白的与否 15、睡眠模式（015H）

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L L L H L 功能：SL=1；脱离睡眠模式 SL=0；进入睡眠模式 16、扩充功能设定（016H）

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L L H H X 1 RE 示ON G=0；绘图显示OFF

17、设定IRAM位址或卷动位址（017H）

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L L H C5 位址

18、设定绘图RAM位址（018H）

CODE： RW RS DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 L L H C6 AC5 AC4 AC3 AC2 AC1 A AC0 AC4 AC3 AC2 AC1 A AC0 G L SX X RR0 功能：RE=1；扩充指令集动作 RE=0；基本指令集动作 G=1；绘图显

功能：SR=1；AC5~AC0为垂直卷动位址 SR=0；AC3~AC0写ICONRAM

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功能：设定GDRAM位址到位址计数器（AC） 六、显示坐标关系

1、图形显示坐标 水平方向X—以字节单位 垂直方向Y—以位为单位

2、汉字显示坐标 Line1 Line2 Line3 Line4 X坐标 80H 90H 88H 98H 81H 91H 89H 99H 82H 92H 8AH 9AH 83H 93H 8BH 9BH 84H 94H 8CH 9CH 85H 95H 8DH 9DH 86H 96H 8EH 9EH 87H 97H 8FH 9FH 3、字符表

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代码（02H---7FH）

七显示RAM

1、文本显示RAM（DDRAM）

文本显示RAM提供8个×4行的汉字空间，当写入文本显示RAM时，可以分别显示CGROM、HCGROM与CGRAM的字型；ST7920A可以显示三种字型 ，分别是半宽的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGROM字型。三种字型的选择，由在DDRAM中写入的编码选择，各种字型详细编码如下：

显示半宽字型 ：将一位字节写入DDRAM中，范围为02H-7FH的编码。 显示CGRAM字型：将两字节编码写入DDRAM中，总共有0000H，0002H，0004H，0006H四种编码

显示中文字形：将两字节编码写入DDRAMK ，范围为A1A0H-F7FFH(GB码)或A140H-D75FH(BIG5码)的编码。

绘图RAM（GDRAM）

绘图显示RAM提供128×8个字节的记忆空间，在更改绘图RAM时，先连续写入水平与垂直的坐标值，再写入两个字节的数据到绘图RAM，而地址计数器（AC）会自动加一；在写入绘图RAM的期间，绘图显示必须关闭，整个写入绘图RAM的步骤如下：

1、关闭绘图显示功能。

2、先将水平的位元组坐标（X）写入绘图RAM地址； 再将垂直的坐标（Y）写入绘图RAM地址； 将D15——D8写入到RAM中； 将D7——D0写入到RAM中； 打开绘图显示功能。

绘图显示的缓冲区对应分布请参考“显示坐标” 游标/闪烁控制

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ST7920A提供硬件游标及闪烁控制电路，由地址计数器（address counter）的值来指定DDRAM中的游标或闪烁位置。

3.6 EPROM和RAM的综合扩展

MCS-51单片机内集成了各种存储器和I/O功能部件，但有时根据应用系统的功能需求，片内的资源不能满足需求，还需要外存储器和I/O功能部件(也称为I/O接口部件)，这就是通常所说的MCS-51单片机的系统扩展问题。系统由于要存储图片，所以要扩展外部存储器。外程序存储器采用两片27256芯片将程序存储器扩展为64KB，外数据存储器采用两片62256芯片将数据存储器扩展为64KB。如图3-15所示：

图3-15

3.6.1 62256 RAM芯片介绍

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62256是32K的低功耗静态RAM存储器. 用P0和P2来扩展外部ram（就是用P0和P2与62256对应的管脚相连接），假设P2.7接WR，P2.6接RD，P2.5接CS，那么就可以确定个外部RAM的一个地址，想往外部RAM的一个地址写一个字节时，地址可以定为XBYTE [0x4000]，其中WR，CS为低，RD为高，那就是高位的4（0100 也就是P2.7和P2.5输出了低电平，而P2.6输出了高电平，目的当然是要选通62256并且向62256写入数据），其它位的可以根据情况自己定（也就是其它位是什么不打紧，关键就是控制wr，cs，rd的那几个位要符合选通，读，写的规定就可以了），现在我们向62256中写个26进去就可以使用这条语句：XBYTE [0x4000] = 26。

MCS-51单片机系统扩展时，一般使用P0口作为地址低8位（与数据口分时复用），而P2口作为地址高8位，它共有16根地址总线，寻址空间为64KB。

62256 引脚功能:

A0 – A14 地址总线(Address) D0 /D7 输入/输出口(nput/output) CS 端口选择(Chip select) WE 输入始能(Write enable) OE 输出始能(Output enable) VCC 电源始能(Power supply) VSS 接地(Ground) 附图: 62256 RAM芯片引脚图如图3-16所示：

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图3-16 3.6.2 27256 EPROM芯片介绍

27256是一种32K×8位的可编程序只读存贮器，采用双列直插式28脚封装，正常工作时，采用单一＋5V电源供电，它采用HMOS工艺技术制成，读取速度快，最大读取时间不超过250ns，正常工作时，工作电流为100mA，静止等待时，最大电流为40mA。编程电压Vpp为12.5V。程序写入时，Vpp接12.5V，OE为高电平时，27256处于编程状态，当地址和数据稳定后，在CE/PGM端上加入一个宽度为50ms的TTL 高电平脉冲，就可以把数据写入到给出的地址单元上。27256与27128的区别在于CE端与PGM端合用一个输入线，27端作为地址线A14来用。27128与8031 的接口仅在于去掉A14与P2.6的连接，27端接上＋5V电压即可。 27256引脚功能：

Vpp---1 27 --A14 A11---2 26 --A13

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A7-- 3 25 --A8 A6---4 24 --A9 A5---5 23 --A11 A4---6 22 --OE A3---7 21 --A10 A2---8 20 --CE/PGM A1---9 19 --D7 A0--- 10 18 --D6 D0---11 17 --D5 D1-- 12 16 --D4

D2-- 13 15 --D3

附图：27256 EPROM芯片引脚图如图3-17所示：

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3.6.3 74LS373 锁存器原理

74ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8D触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片.本文将介绍74ls373的工作原理,引脚图(管脚图),内结构图、主要参数及在单片机系统中的典型应用电路. 一、74ls373工作原理简述:

(1).1脚是输出使能(OE),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,G)如何,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);

(2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,G)上出现一个下降沿,输出2(Q0)、5(Q1)、6(Q2)、9(Q3)、12(Q4)、15(Q5)、16(Q6)、19(Q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态. 锁存端LE 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到LE 端再次有效。 当三态门使能信号OE为低电平时，三态门导通，允许Q0~Q7输出，OE为高电平时，输出悬空。 二、74ls373内部逻辑结构如图3-18所示：

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三、74LS373的真值表(功能表)：

L——低电平； H——高电平； X——不定态；

Q0——建立稳态前Q的电平；

G——输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。图中OE——使能端，接地。

当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同； 当G为下降沿时，将输入数据锁存。

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四、74ls373引脚(管脚)排列如图3-19所示:

图3-19 五、74ls373电气特性：

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六、74ls373推荐工作条件：

七、74ls373在单片机系统中的应用电路图:

当74LS373用作地址锁存器时，应使OE为低电平，此时锁存使能端C为高电平时，输出Q0~Q7 状态与输入端D1~D7状态相同；当C发生负的跳变时，输入端D0~D7 数据锁入Q0~Q7。51单片机的ALE信号可以直接与74LS373的C连接。在MCS-51单片机系统中，常采用74LS373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端1D~8D接至单片机的P0口，输出端提供的是低8位地址，G端接至单片机的地址锁存允许信号ALE。输出允许端OE接地，表示输出三态门一直打开。

1D~8D为8个输入端。 1Q~8Q为8个输出端。

G是数据锁存控制端；当G=1时，锁存器输出端同输入端；当G由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。

OE为输出允许端；当OE=“0”时，三态门打开；当OE=“1”时，三态门

图2-20

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1mx3.html