【正文】 正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機(jī)通過軟件方法來實(shí)現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。單片機(jī)滲透到我們生活的各 個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會的發(fā)展，人類所接觸的信息也在不斷增加并且日益復(fù)雜。面對浩如煙海的信息，人們已經(jīng)能夠利用計(jì)算機(jī)等工具高效準(zhǔn)確地對之進(jìn)行處理，但要想將處理完的信息及時(shí)，清晰地傳遞給別人，還必須通過尋求更加卓越的 顯示技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)技術(shù)與液晶顯示技術(shù)的結(jié)合，使信息傳輸交流向著智能可視化方向迅速發(fā)展。隨著人類社會的發(fā)展，人們對視覺、聽覺方面的享受提出了越來越高的要求。小小的音樂盒可以給人們帶來美好的回憶，提高人們的精神文化享受。傳統(tǒng)音樂盒多是機(jī)械型的，體積笨重，發(fā)音單調(diào)，不能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。本文設(shè)計(jì)的音樂盒是以單片機(jī)為核心元件的電子式音樂盒，體積小，重量輕，能演奏和旋音樂，功能多，外觀效果多彩，使用方便，并具有一定的商業(yè)價(jià)值。 1 概 述 本設(shè)計(jì)是以 AT89C51 芯片的電路為基礎(chǔ)，外部加上放音設(shè)備，以此來實(shí) 現(xiàn)音樂演奏控制器的硬件電路，通過軟件程序來控制單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器使其演奏出優(yōu)美動(dòng)聽的音樂。用戶可以按照自己的喜好選擇音樂并將其轉(zhuǎn)化成機(jī)器碼存入 4 單片機(jī)的存儲器中。對于不同型號的單片機(jī)只需要相應(yīng)的改變一下地址即可。該軟、硬件系統(tǒng)具有很好的通用性，很高的實(shí)際使用價(jià)值，為廣大的單片機(jī)和音樂愛好者提供了很好的借鑒。 課題意義 音樂盒的起源，可追溯至中世紀(jì)歐洲文藝復(fù)興時(shí)期。當(dāng)時(shí)為使教會的鐘塔報(bào)時(shí)，而將大小的鐘表裝上機(jī)械裝置，被稱為“可發(fā)出聲音的組鐘”。音樂盒有著300多年的發(fā)展歷史，是人類文明發(fā)展的歷史 見證。傳統(tǒng)的音樂盒多是機(jī)械音樂盒，其工作原理是通過齒輪帶動(dòng)一個(gè)帶有鐵釘?shù)蔫F桶轉(zhuǎn)動(dòng) ,鐵桶上的鐵釘撞擊鐵片制成的琴鍵，從而發(fā)出聲音。但是，機(jī)械式的音樂盒體積比較大，比較笨重，且發(fā)音單調(diào)。水、灰塵等外在因素，容易使內(nèi)部金屬發(fā)音條變形，從而造成發(fā)音跑調(diào)。另外，機(jī)械音樂盒放音時(shí)為了讓音色穩(wěn)定 ,必須放平不能動(dòng)搖，而且價(jià)格昂貴，不能實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。 本文設(shè)計(jì)的音樂盒，是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)制作的電子式音樂盒。與傳統(tǒng)的機(jī)械式音樂盒相比更小巧，音質(zhì)更優(yōu)美且能演奏和弦音樂。電子式音樂盒動(dòng)力來源是電池，制作工藝簡單，可進(jìn)行批量 生產(chǎn)，所以價(jià)格便宜?；趩纹瑱C(jī)制作的電子式音樂盒，控制功能強(qiáng)大，可根據(jù)需要選歌，使用方便。根據(jù)存儲容量的大小，可以盡可能多的存儲歌曲。另外，可以設(shè)計(jì)彩燈外觀效果，使音樂盒的功能更加豐富。 設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)一個(gè)基于 AT89C51 系列單片機(jī)的音樂盒，利用按鍵切換演奏出不同的樂曲。蜂鳴器發(fā)出某個(gè)音調(diào)，與之相對應(yīng)的 LED 亮起。使用兩個(gè)按鍵，一個(gè)用來切換歌曲，另一個(gè)切換八路 LED的變化花樣。 研究內(nèi)容 1）電路有兩種工作模式：演奏音樂模式和花樣燈模式。演奏音樂模式：演奏完整的一首的歌曲，八路 LED隨 著音樂變化。花樣燈模式：八路 LED變化出各種花樣，蜂鳴器隨著發(fā)出“嘀嘀”聲 2）按下按鍵 1進(jìn)入演奏音樂模式，再按切換歌曲，共兩首歌曲。 3）按下按鍵 2 進(jìn)入花樣燈模式，再按切換 LED 花樣，共三種花樣。此電路的程 5 序只占用了 1K左右，可編制更多的音樂和 LED花樣，使系統(tǒng)的功能更加強(qiáng)大。 2 系統(tǒng)總體方案介紹 系統(tǒng)組成框圖 音樂盒的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以 AT89C51 單片機(jī)位控制核心，加上 2 個(gè)按鍵、時(shí)鐘復(fù)位電路、蜂鳴器、 LED 模塊組成。單片機(jī)負(fù)責(zé)接收按鍵的輸入，根據(jù)輸入控制音樂播放曲目和音樂花樣燈的顯示樣式以及蜂鳴器發(fā) 音。系統(tǒng)組成框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)組成框圖 音樂盒的功能結(jié)構(gòu)圖 音樂盒有三個(gè)按鍵 key1， key2， key3，其中 key1控制彩燈的樣式，本設(shè)計(jì)有六種彩燈花樣，每按一次變換一種樣式。 Key2 控制音樂播放，本設(shè)計(jì)有五首音樂，每按一次變換到下一首，同時(shí)八路 LED 燈隨音調(diào)不同而閃爍。 Key3 為總開關(guān)用于關(guān)閉音樂跟彩燈。 主要設(shè)計(jì)軟件介紹 本設(shè)計(jì)利用 KEIL 編程軟件對音樂盒源程序進(jìn)行編程并調(diào)試，配合 PROTEUS仿真軟件對硬件進(jìn)行仿真調(diào)試，兩種軟件的簡介如下： PROTEUS 軟件簡介 Proteus軟件是英國 Labcenter electronics 公司出版的 EDA工具軟件（該AT89C51 晶振復(fù)位電路 LED 顯示燈 按鍵輸入 揚(yáng)聲器 6 軟件中國總代理為廣州風(fēng)標(biāo)電子技術(shù)有限公司）。它不僅具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。 Proteus是世界上著名的EDA工具 (仿真軟件 )，從原理圖 布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、 PCB 設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺，其處理器模型支持 805 HC1 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3 AVR、 ARM、 8086 和MSP430等， 2022年即將增加 Cortex和 DSP 系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持 IAR、 Keil 和 MPLAB等多種編譯器。 KEIL 簡介 單片機(jī)開發(fā)中除必要的硬件外 ，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語言源程序要變?yōu)?CPU可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機(jī)器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼，用于 MCS51 單片機(jī)的匯編軟件有早期的 A51，隨著單片機(jī)開發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語言到逐漸使用高級語言開發(fā)，單片機(jī)的開發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， Keil軟件是目前最流行開發(fā) MCS51 系列單片機(jī)的軟件，這從近年來各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持 Keil即可看出。 Keil提供了包括 C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能 強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。運(yùn)行 Keil 軟件需要Pentium或以上的 CPU， 16MB或更多 RAM、 20M 以上空閑的硬盤空間、 WIN9 NT、WIN202 WINXP等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對于使用 51系列單片機(jī)的愛好者來說是十分必要的，如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選（目前在國內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機(jī)也很可能只支持該軟件），即使不使用 C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真 調(diào)試工具也會令你事半功倍。 KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。 7 3 硬件設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)框圖 V C CR PP 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 3 . 1P 3 . 2P 3 . 3X T A L 1X T A L 2E AC 1C 2C 3P 3 . 7 圖 各部分硬件設(shè)計(jì)及其原理 AT89C51 簡介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電 壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8位 CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖 8 圖 AT89C51系列單片機(jī) AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器 ， 128字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工 串行通信 口，片內(nèi)振蕩器及 時(shí)鐘電路 。同時(shí)， AT89C51可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種 軟件 可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU的工作，但允許RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器， 串行通信 口及 中斷系統(tǒng) 繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 在上電或復(fù)位過程中，控制 CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時(shí)間內(nèi)讓 CPU 保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位 完畢就工作，防止 CPU發(fā)出錯(cuò)誤的指令、執(zhí)行錯(cuò)誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無論用戶使用哪種類型的單片機(jī) ,總要涉及到單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)。而單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)的好壞 ,直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計(jì)完單片機(jī)系統(tǒng) ,并在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試成功后 ,在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機(jī)”、“程序走飛”等現(xiàn)象 ,這主要是單片機(jī)的復(fù)位電路設(shè)計(jì)不可靠引起的。 單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，以使 CPU 及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。 89 系列單片機(jī)的復(fù)位信號是從 RST 引腳輸入到芯片內(nèi)的施密特觸發(fā)器中的。當(dāng)系統(tǒng)處于正常工作狀 態(tài)時(shí)，且振蕩器穩(wěn)定后，如果 RST引腳上有一個(gè)高電平并維持 2 個(gè)機(jī)器周期 (24 個(gè)振蕩周期 )以上，則 CPU 就可以響應(yīng)并將系統(tǒng)復(fù)位。單片機(jī)系統(tǒng)的復(fù)位方式有：手動(dòng)按鈕復(fù)位和上電復(fù)位 手動(dòng)按鈕復(fù)位手動(dòng)按鈕復(fù)位需要人為在復(fù)位輸入端 RST上加入高電平。一般采用的辦法是在 RST端和正電源 Vcc之間接一個(gè)按鈕。當(dāng)人為按下按鈕時(shí)，則 Vcc 的 +5V電 9 平就會直接加到 RST 端。手動(dòng)按鈕復(fù)位的電路如所示。由于人的動(dòng)作再快也會使按鈕保持接通達(dá)數(shù)十毫秒，所以，完全能夠滿足復(fù)位的時(shí)間要求 復(fù)位電路的工作原理 ： VCC上電時(shí)，電容充電（充電過 程中會有充電電流，并且在最開始時(shí)電流最大，隨著時(shí)間推移逐漸減小直到電容充滿電后充電電流變?yōu)?0，此時(shí)無充電電流，電容器相當(dāng)于開路，這個(gè)時(shí)候才是真正意義上的隔直，所以在電源接通的一瞬間，是有通交這個(gè)過程的），在電容充電這個(gè)過程中， RST端電壓確正好相反是從 VCC逐漸降低到 0（因?yàn)槌潆婋娏魇菑拇笞冃≈钡?0），此過程中會有一段時(shí)間 VCC 處于高電平狀態(tài)，導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位（時(shí)間常數(shù) t=R*C決定）。但電容不再充電后，無電流通過， RST 恒為 0，單片機(jī)正常工作。 單片機(jī)的第 9腳 RST為硬件復(fù)位端 ,只要將該端持續(xù) 2個(gè)機(jī) 器周期即 2us的高電平即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位 ,復(fù)位后單片機(jī)的各狀態(tài)都恢復(fù)到初始化狀態(tài)，復(fù)位按鈕按下后即可輸入高電平。 C31 0 u FR11 0 k 圖 復(fù)位電路設(shè)計(jì)圖 時(shí)鐘震蕩電路設(shè)計(jì) 晶振電路是由一個(gè) 12MHZ 的電解電容和兩個(gè) 30pF 的電容組成的。T=12*1/12MHZ=1us 充放電電路的時(shí)間 T=RC=10KΩ10μF = 由以上計(jì)算可以得出，充放電電路的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 2us 的機(jī)器周期。 滿足復(fù)位條件 ,所以此電路可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。 開機(jī)的時(shí)候 的 復(fù)位在電路圖中，電容的的大小是 10uF，電阻的大小是 10k。RST 10 所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的 倍（單片機(jī)的電源是 5V，所以充電到 ），需要的時(shí)間是 10K*10UF=。 也就是說在電腦啟動(dòng)的 內(nèi)，電容兩端的電壓時(shí)在 0~ 增加。這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為從 5~（串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓）。所以在 ， RST引腳所接收到的電壓是 5V~。在 5V正常工作的 51單片機(jī)中小于 ，而大于 。所以在開機(jī) 內(nèi)，單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位（ RST 引 腳接收到的高電平信號時(shí)間為）。 復(fù)位鍵 按下的時(shí)候 的 復(fù)位在單片機(jī)啟動(dòng) ，電容 C兩端的電壓持續(xù)充電為 5V，這是時(shí)候 10K 電阻兩端的電壓接近于 0V， RST 處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓