1、2.1 单片机的组成单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算。单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，CPU 通过它们将地址输出到存储器或I/O 接口；数据总线的作用是在CPU与存储器或I/O 接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出的控制信号线和外部送入CPU 的应答信号线等。2.2 单片机的特点由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导
2、体工艺，使其具有很多显著的特点，因而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要发展如下特点：（1）有优异的性能价格比。（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。（5）外部总线增加了IC（Inter-In
3、tegrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。2.3 单片机的分类单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及控制型/家电型。1. 通用型/专用型这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51 是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成
4、ADC 接口等功能的温度测量控制电路。2. 总线型/非总线型这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。3. 控制型/家电型这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51 类单
5、片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用。2.4 单片机的应用分类由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：（1） 单片机在智能仪表中的应用单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。（2）单片机在机电一体化中的应用机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提
6、高机器的自动化、智能化程度。（3） 单片机在实时控制中的应用单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。第三章 八音盒的设计要
7、求与发音原理3.1 单片机八音盒的设计基本要求1. 基本要求是设计一个八音盒，并且编写相应的软件，完成八音盒的任务，该控制任务应完成下列功能：（1） 使用LCD显示目前演奏的歌曲编号；（2） 用按键操作来选择演奏哪一首歌曲（建几首歌曲旋律，按下单键便可以演奏歌曲）；（3） 演奏时可以按键暂停。2.设计所需器件清单:名 称数量（个）型号/参数备 注单片机1AT89C51液晶屏LM016按键开关16BUTTON普通电阻210K（1个），1K（1个）排阻RESPACK-810K电容330pf（2个），10uf（1个）晶振12MHz三极管PNP扬声器SPEAKER3.2 八音盒的设计发音原理 1. 八
8、音盒的发音原理 播放一段音乐需要的是两个元素，一个是音调，另一个是音符。首先要了解 对应的音调，音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。对一定强度 的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升。另外，音符的频率有所不同。基于上面的内容，这样就对发音的原理有了一些初步的了解。 音符的发音主要靠不同的音频脉冲。利用单片机的内部定时器/计数器0，使其工作在模式1，定时中断，然后控制P3.7引脚的输出音乐。只要算出某一音频的周期（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期的时间，利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后就将
9、输出脉冲的I/O反相，然后重复计时此半周期时间再对I/O反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。2. 音符频率的产生（1）音符及定时器初始值：例如：中音1（do）的音频=523HZ,周期T=1/523s=1912定时器/计数器0的定时时间为：T/2=1912/2=956定时器956的计数值=定时时间/机器周期=956/1=956（时钟频率=12MHZ）装入T0计数器初值为65536-956=64580将64580装入T0寄存器中，启动T0工作后，每计数956次时将产生溢出中断，进入中断服务时，每次对P3.0引脚的输出值进行取反，就可得到中音DO（523HZ）的音符音频。将51单片机内部定时器工
10、作在计数器模式1下，改变计数初值TH0,TL0以产生不同的频率。下表2-1是C调各音符频率与计数初值T的对照表： 表2-1 C调各音符频率与计数初值T的对照表音符频率（Hz）/初值（）低1DO262/63627中1DO 523/64580高1DO1042/65056低2RE 294/63835中2RE589/64687高2RE 1245/65134低3M330/64021中3M 661/64780高3M1318/65157低4FA 350/64107中4FA700/64822高4FA 1397/65178低5SO393/64264中5SO 786/64900高5SO1568/65217低6LA
11、 441/64402中6LA882/64969高6LA 1760/65252低7SI495/64526中7SI 990/65031高7SI1967/65282（2）音符、音符编码及定时器初始值：为了产生音符，必须求出音符低音5高音5的计数初值。例如C调的低1DO的THTL=65536-50000/262=63627，中音DO的THTL=65536-500000/523=64580,高音DO的THTL=65536-500000/1042=65056。为了方便写谱，对其进行简单的编码，在编程时，根据音符编码查找对应的计数初值。比如说音乐是C调的，那么出现低音的5SO，直接将代码写为1；出现低音6L
12、A,直接写一个2的代码；出现低音7SI，直接写一个3代码。表2-2 音符编码表音符编码不发音456789ABCDEFG3. 节拍频率的产生节拍的产生与编码：音乐中的节拍用延时时间产生。例如，1拍=0.4s，1/4拍=0.1s，以此类推。假设1/4拍执行一次延时程序，则1/2拍就执行两次延时程序，所以只要求出1/4拍的延时时间，其余节拍就是它的倍数。为了方便，将节拍数也进行了编码，并且计算了乐谱节拍编程时的延时时间，如表2-3和表2-4所示。 表2-3 节拍数编码表按1/4拍为一个延时时间的节拍编码与节拍对应的表按1/8拍为一个延时时间的节拍编码与节拍对应的表节拍编码节拍1/46/41/86/8
13、2/48/42/88/83/410/43/810/84/412/44/812/85/415/45/8 表2-4 乐谱节拍编程时的时间延时表乐谱节拍1/4拍的延时时间1/8拍的延时时间125 ms62 ms187 ms94 ms250 ms音符编码和节拍编码完成后，在编程时，每个音符占一个字节，高四位是音符编码，低四位是节拍编码。3.3 关于AT89C51的性能介绍 AT89C51是一种带K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATME
14、L高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。 它可以提供以下的功能标准：（1） K的字节闪烁存储器；（2） 128字节随机存取数据存储器；（3） 32个I/O口；（4） 2个16位定时/计数器；（5） 1个5向量两级中断结构；（6） 1个串行通信口；（7） 片内振荡器和时钟电路。另外AT89C51还可以警醒OHZ的惊涛逻辑操作，并支持两种软件的节点模式。3.4 AT89C51的管脚介绍 AT89C51的管脚图
15、VCC：供电电压GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FIASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接入。P2口：P2口为一个内部
16、上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用与外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FIASH变成和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用
17、作输入。作为输入，由于外部下；拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INTO（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 TO（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和变成校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器
18、时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平
19、时，则在此期间外部程序存储器（000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间。此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。第四章 硬件设计4.1 Proteus功能及其特点1 .Proteus介绍（1）实现了单片机仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、
20、逻辑分析仪、信号发生器等。（2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。（3）提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件（4）具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。 2.使用Proteus绘制智能原理图的
21、流程4.2 硬件电路设计1.初步设计 此设计由AT89C51单片机，电阻，扬声器和放大电路构成的简单电路（如图）。按下播放键，扬声器会发出一种曲调。4.3 简单八音盒的设计 由一首曲调的进一步改善，设计出具有播放动听音乐歌曲的八音盒。1.设计框图2.晶振与复位电路 晶振电路为系统提供基本的时钟频率信号，它结合单片机内部电路产生所需的时钟频率。复位电路由单片机XTAL1、 XTAL2引脚外接晶振（12MHz）及起振电容C1、C2（均为30pf）组成。当复位按钮按下时，内存和相关的寄存器，计数器，计时器所具有状态表示的器件全部被复位，回到初始状态。（如下图所示）3.整体电路4. 总体设计框图LCD
22、显示电路 键盘输入复位电路本设计中用到了AT89C51单片机，4*4键盘，扬声器，16*2 LCD等硬件电路常用元器件。4.2按键输入电路按键输入电路由4*4矩阵键盘组成， P1口作为输入控制按键，其中P1.0P1.3扫描行，P1.4P1.7扫描列。4.3输出显示电路用P2.0P2.2作为LCD的RS、R/W、E的控制信号；用P0.0P0.7作为LCD的D0D7的控制信号。由于P0口作为输出，应加上拉电阻。用P3.7口控制扬声器。 5.整体硬件电路图 音乐盒硬件电路原理图 6. 原理说明：当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动扬声器发出音乐。同时启动定时器T1，显
23、示乐曲播放的时间，并驱动LCD,显示歌曲号及播放时间。（1）硬件电路中用P1.0P1.7控制按键，其中P1.0P1.3扫描行，P1.4P1.7扫描列；（2）用P2.0P2.2作为LCD的RS、R/W、E的控制信号；（3）用P0.0P0.7作为LCD的D0D7的控制信号；（4）用P3.7口控制蜂鸣器；（5）电路为12MHz晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为30pf。7.键盘设计与原理（1）键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机应用系统的输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。本设计采用4*4的键盘结构，如图 键盘结构图 键盘的行线X0X3通过电阻接+5
24、V，当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线都断开，行线都是高电平。当键盘上某一个键闭合时，该键所对应的行线和列线都被短路。例如6号键被按下时，行线X1和列线Y2被短路，此时X1的电平由Y2的电位决定。如果把行线接到单片机的输入口，列线接到单片机的输出口，则在单片机的控制下，先使列线Y0为低电平“0”，其余三根列线Y1、Y2、Y3都为高电平“1”，读行线状态。如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合。如果读出的行线不全为高电平，则为低电平的行线和Y0相交的键处于闭合状态，如果Y0这一列上没有键闭合，使列线Y1为低电平，其余列线为高电平，用同样的方法检查Y1这一列上是否有键闭合。这种逐行逐列的检查键盘的状态过程称为对键盘的一次扫描。 （2）键盘按键分布如下：23567EF（3） 按键功能说明：1A十首歌曲下一首歌曲上一首歌曲暂停开机画面4.4 LCD 数码显示器简介结构 1. LCD 数码显示器结构液晶显示器又叫LCD数码显示器，液晶显示器的主要材料是液态晶体（简称液晶），它是一种有机材料，在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有某些光学特性，其透明
