【正文】 硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在選擇的機型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。 該設(shè)計要實現(xiàn)一種由單片機控制的電子琴，單片機工作于 12MHZ 時鐘頻率，使用其定時 /計數(shù)器 T0，工作模式為 1，改變計數(shù)值 TH0 和 TL0 可以產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號。 該設(shè)計具有 8 個音節(jié)的鍵盤，用戶可以根據(jù)樂譜在鍵盤上進行演奏，音樂發(fā)生器會根據(jù)用戶的彈奏，通過揚聲器將音樂播放出來。由于本例實現(xiàn)的音樂發(fā)生器是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。用單片機產(chǎn)生的音頻脈沖直接驅(qū)動揚聲器并不能產(chǎn)生所要實現(xiàn)的音樂，因為它沒有足夠的驅(qū)動能力，這就需要功率放大電路。 本例使用三極管 。 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 按鍵 單片機STC89C51 揚聲器 LED 顯示電路 音頻功放電路 共 頁 第 頁 元件簡介 STC89C51 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash，512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線， 看門狗定時器 ，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路，三個 16 位 定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一 切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35Mhz， 6T/12T 可選。 綜上所述，凌陽單片機雖然性能更好，但價格比較昂貴，且本設(shè)計不需要很復(fù)雜的運算，所以本設(shè)計選用更便宜，更易用的 STC89C52 單片機。 E A /V P31X119X218R E S E T9P 37 / R D17P 36 W R16P 32 / IN T 012P 33 / IN T 113P 34 / T 014P 35 / T 115P 101P 112P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30P 31 / T X D11P 30 / R X D10GND20V C C40U1S T C 8 9 C 5 2 圖 22 STC89C51 引腳圖 DIP 封裝 單片機是美國 STC 公司最新推出的一種新型 51 內(nèi)核的單片機。片內(nèi)含有 Flash 程序存儲器、 SRAM、 UART、 SPI、 PWM 等模塊。 （一） STC89C52 主要功能、性能參數(shù)如下： （ 1）內(nèi)置標準 51 內(nèi)核，機器周期：增強型為 6 時鐘，普通型為 12 時鐘 。 （ 2）工作頻率范圍： 0~40MHZ，相當于普通 8051 的 0~80MHZ。 （ 3） STC89C52RC 對應(yīng) Flash 空間： 4KB。 （ 4）內(nèi)部存儲器（ RAM)： 512B。 （ 5）定時器 \計數(shù)器： 3 個 16 位； 共 頁 第 頁 （ 6）通用異步通信口（ UART） 1 個； （ 7）中斷源 :8 個； （ 8）有 ISP(在系統(tǒng)可編程） \IAP(在應(yīng)用可編程 ),無需專用編程器 \仿真器； （ 9）通用 I\O 口： 32\36 個； （ 10）工作電壓： ~； （ 11）外形封裝： 40 腳 PDIP、 44 腳 PLCC 和 PQFP 等。 （二） STC89C52 單片機的引腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1口： P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口 被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個TTL 門電流，當 P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口： P3口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 I/O 口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器 CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成 的，不需要我們操心， 1然后再實行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯，為什么看上面的圖，如果不對端口置 1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為 0Q端為 0Q^為 1加到場效應(yīng)管柵極的信號為 1，該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗，此時即使引腳上輸入的信號為 1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的 1信號讀入后不一定是 1。若先執(zhí)行置 1 操作，則可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實現(xiàn)正確共 頁 第 頁 的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準備動作，所以這類 I/O 口被稱為準雙向口。89C51 的 P0/P1/P2/P3 口作為輸入時都是準雙向口。 接下來讓我們再看另一個問題，從圖中可以看出這四個端口還有一個差別，除了 P1 口外 P0P2P3 口都還有其他的功能。 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如 想禁止ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 （三） STC89C52 單片機最小系統(tǒng)： 最小系統(tǒng)包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復(fù)位等部件，能使單片機始終處于正常的運行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機能運行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進行存儲器擴展、 A/D 擴展等，使單片機完成較復(fù)雜的功能。 STC89C52 是片 內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用 STC89C52 單片機構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，結(jié)構(gòu)如圖 23 所示，由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。 圖 23 單片機最小系統(tǒng)原理框圖 (1) 時鐘電路 STC89C52 單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖 24 所示。在 STC89C52 單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的 XTAL1(18)和 XTAL2(19)引腳外接石英晶體 (簡稱晶振 )，就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖中電容 C1 和 C2 的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5~30pF，典型值為 30pF。晶振 CYS 的振蕩頻率范圍在 ~12MHz 間選擇，典型值為 12MHz和 6MHz。 時鐘電路 復(fù)位電路 STC89C52 單片機 I/O口 共 頁 第 頁 Y1 H zC230pFC330pF1819 圖 24 STC89C52 內(nèi)部時鐘電路 (2) 復(fù)位電路 當在 STC89C52 單片機的 RST 引腳引入高電平并保持 2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作 (若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài) )。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式 。 最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充放電來實現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。 除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過 RST(9)端與電源 Vcc 接通而實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位電路見圖 25。時鐘頻率用 時 C 取 10uF,R 取 10kΩ。 R110kC110uFS4V C C9 圖 25 STC89C52 復(fù)位電路 9013 9013 NPN 外延型晶體管 (三極管 ) 9013 是一種最常用的普通三極管。它是一種低電壓 ,大電流 ,小信號的 NPN 型硅三極管 有如下 特性 ： 集電極電流 Ic： Max 500mA 集電極 基極電壓 Vcbo： 40V 工作溫度： 55℃ to +150℃ 功率 (W): 200 ～ 202 主要用途： 開關(guān)應(yīng)用 射頻放大 低噪聲放大管 共 頁 第 頁 圖 26 9013 引腳圖 LED 數(shù)碼管 本次課程設(shè)計的顯示電路采用 LED 數(shù)碼管顯示， LED（ LightEmitting Diode）是一種外加電壓從而流過電流并發(fā)出可見光的器件。 LED 是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。 LED 有單個 LED 和八段 LED 之分，也有共陰和共陽兩種。 常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖下圖所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器 (如圖 b 所示 )，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器 (如圖 c 所示 )。 1 位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中七個發(fā)光二極管 a~g 控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便。 此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數(shù)字來。 （ a）外形 （ b）共陽極 (C)共陰極 圖 27 數(shù)碼管引腳 共 頁 第