【文章內(nèi)容簡介】 部程序存儲器時， P0 口輸出低 8 位地址信息后，將變?yōu)閿?shù)據(jù)總線，以便讀指令碼（輸入）。在取指令期間， “ 控制 ” 信號為 “0” ， V1 管截止，多路開關(guān)也跟著 轉(zhuǎn)向鎖存器反相輸出端 Q非； CPU 自動將 0FFH（ 11111111，即向 D鎖存器寫入一個高電平 ‘1’ ）寫入 P0口鎖存器，使 V2 管截止，在讀引腳信號控制下，通過讀引腳三態(tài)門電路將指令碼讀到內(nèi)部總線，這個過程和 I/O讀引腳過程是一樣的。 在輸入狀態(tài)下，從鎖存器和從引腳上讀來的信號一般是一致的，但也有例外。例如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出低電平后，鎖存器 Q＝ 0， Q 非＝ 1，場效應(yīng)管 T2 開通，端口線呈低電平狀態(tài)。此時無論端口線上外接的信號是低電乎還是高電平，從引腳讀入單片機的信號都是低電平，因而不能正確地讀入端口引腳上的信號。又 如，當(dāng)從內(nèi)部總線輸出高電平后，鎖存器 Q＝ 1， Q非＝ 0，場效應(yīng)管 T2截止。如外接引腳信號為低電平，從引腳上讀入的信號就與從鎖存器讀入的信號不同。為此，8031 單片機在對端口 P0P3 的輸入操作上，有如下約定：凡屬于讀 修改 寫方式的指令，從鎖存器讀入信號，其它指令則從端口引腳線上讀入信號。讀 修改 寫指令的特點是，從端口輸入 (讀 )信號，在單片機內(nèi)加以運算 (修改 )后，再輸出(寫 )到該端口上。這樣安排的原因在于讀 修改 寫指令需要得到端口原輸出的狀態(tài)，修改后再輸出，讀鎖存器而不是讀引腳，可以避免因外部電路的原因而 使原端口的狀態(tài)被讀錯。當(dāng) P0 作為地址 /數(shù)據(jù)總線使用時，在讀指令碼或輸入數(shù)據(jù)前，CPU自動向 P0 口鎖存器寫入 0FFH，破壞了 P0 口原來的狀態(tài)。因此，不能再作為通用的 I/O 端口。在系統(tǒng)設(shè)計時務(wù)必注意，即程序中不能再含有以 P0 口作為操作數(shù)（包含源操作數(shù)和目的操作數(shù)）的指令。 11 P1端口的結(jié)構(gòu)及工作原理 P1 端口與 P0端口的主要差別在于， P1 端口用內(nèi)部上拉電阻 R代替了 P0 端口的場效應(yīng)管 T1，并且輸出的信息僅來自內(nèi)部總線。由內(nèi)部總線輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)鎖存器反相和場效應(yīng)管反相后，鎖存在端口線上，所以， P1 端口是具有 輸出鎖存的靜態(tài)口。要正確地從引腳上讀入外部信息，必須先使場效應(yīng)管關(guān)斷，以便由外部輸入的信息確定引腳的狀態(tài)。為此，在作引腳讀入前，必須先對該端口寫入l。具有這種操作特點的輸入 /輸出端口，稱為準(zhǔn)雙向 I/O口。 8051 單片機的 PP P3 都是準(zhǔn)雙向口。 P0 端口由于輸出有三態(tài)功能，輸入前，端口線已處于高阻態(tài)，無需先寫入 l 后再作讀操作。單片機復(fù)位后，各個端口已自動地被寫入了1，此時，可直接作輸入操作。如果在應(yīng)用端口的過程中，已向 P1P3 端口線輸出過 0，則再要輸入時，必須先寫 1后再讀引腳，才能得到正確的信息。此外 ，隨輸入指令的不同， P1端口也有讀鎖存器與讀引腳之分。 P2端口的結(jié)構(gòu)及工作原理 P2 端口在片內(nèi)既有上拉電阻，又有切換開關(guān) MUX，所以 P2 端口在功能上兼有 P0 端口和 P1 端口的特點。這主要表現(xiàn)在輸出功能上，當(dāng)切換開關(guān)向下接通時，從內(nèi)部總線輸出的一位數(shù)據(jù)經(jīng)反相器和場效應(yīng)管反相后，輸出在端口引腳線上；當(dāng)多路開關(guān)向上時，輸出的一位地址信號也經(jīng)反相器和場效應(yīng)管反相后，輸出在端口引腳線上。 對于 8031 單片機必須外接程序存儲器才能構(gòu)成應(yīng)用電路（或者我們的應(yīng)用電路擴展了外部存儲器），而 P2 端口就是用來 周期性地輸出從外存中取指令的地址 (高 8 位地址 )，因此， P2 端口的多路開關(guān)總是在進(jìn)行切換，分時地輸出從內(nèi)部總線來的數(shù)據(jù)和從地址信號線上來的地址。因此 P2 端口是動態(tài)的 I/O 端口。輸出數(shù)據(jù)雖被鎖存，但不是穩(wěn)定地出現(xiàn)在端口線上。其實，這里輸出的數(shù)據(jù)往往也是一種地址，只不過是外部 RAM 的高 8位地址。 在輸入功能方面， P2 端口與 P0 和 H端口相同，有讀引腳和讀鎖存器之分，并且 P2 端口也是準(zhǔn)雙向口。 可見， P2 端口的主要特點包括： 1） 不能輸出靜態(tài)的數(shù)據(jù)； 12 2） 自身輸出外部程序存儲器的 高 8位地址； 3） 執(zhí)行 MOVX 指令時，還輸出外部 RAM 的高位地址，故稱 P2端口為動態(tài)地址端口。 P2 作為 I/O 端口使用時的工作過程 ： 當(dāng)沒有外部程序存儲器或雖然有外部數(shù)據(jù)存儲器，但容易不大于 256B，即不需要高 8 位地址時（在這種情況下，不能通過數(shù)據(jù)地址寄存器 DPTR 讀寫外部數(shù)據(jù)存儲器）， P2口可以 I/O 口使用。這時，控制信號為 “0” ，多路開關(guān)轉(zhuǎn)向鎖存器同相輸出端 Q，輸出信號經(jīng)內(nèi)部總線 → 鎖存器同相輸出端 Q→ 反相器 →V2 管柵極 →V2 管 9漏極輸出。由于 V2漏極帶有上拉電阻，可以提供一定的上拉電流，負(fù)載能力 約為 8 個 TTL 與非門；作為輸出口前，同樣需要向鎖存器寫入 “1” ，使反相器輸出低電平， V2 管截止，即引腳懸空時為高電平，防止引腳被鉗位在低電平。讀引腳有效后，輸入信息經(jīng)讀引腳三態(tài)門電路到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線。 P2 作為地址總線使用時的工作過 程： P2 口作為地址總線時， “ 控制 ” 信號為 ‘1’ ，多路開關(guān)車向地址線（即向上接通），地址信息經(jīng)反相器 →V2 管柵極→ 漏極輸出。由于 P2 口輸出高 8 位地址，與 P0 口不同，無須分時使用，因此P2口上的地址信息（程序存儲器上的 A15~A8）功數(shù)據(jù)地址寄存器高 8 位 DPH 保存時間長，無須鎖存。 P3端口的結(jié)構(gòu)及工作原理 P3 口是一個多功能口，它除了可以作為 I/O 口外，還具有第二功能 P3端口和 Pl 端口的結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別僅在于 P3 端口的各端口線有兩種功能選擇。當(dāng)處于第一功能時，第二輸出功能線為 1，此時，內(nèi)部總線信號經(jīng)鎖存器和場效應(yīng)管輸入 /輸出，其作用與 P1端口作用相同，也是靜態(tài)準(zhǔn)雙向 I/O 端口。當(dāng)處于第二功能時，鎖存器輸出 1，通過第二輸出功能線輸出特定的內(nèi)含信號，在輸入方面，即可以通過緩沖器讀入引腳信號，還可以通過替代輸入功能讀入片內(nèi)的特定第二功能信號。由于輸出信號鎖存并且有雙重功能，故 P3 端 口為靜態(tài)雙功能端口。 使 P3 端 口 各線處于第二功能的條件是 : 1） 串行 I/O 處于運行狀態(tài) (RXD,TXD)。 2） 打開了處部中斷 (INT0,INT1)。 3） 定時器 /計數(shù)器處于外部計數(shù)狀態(tài) (T0,T1) 13 4） 執(zhí)行讀寫外部 RAM 的指令 (RD,WR) 在應(yīng)用中 ,如不設(shè)定 P3端口各位的第二功能 ,則 P3端口線自動處于第一功能狀態(tài)，也就是靜態(tài) I／ O 端口的工作狀態(tài)。在更多的場合是根據(jù)應(yīng)用的需要，把幾條端口線設(shè)置為第二功能，而另外幾條端口線處于第一功能運行狀態(tài)。在這種情況下，不宜對 P3 端口作字節(jié)操作，需采用位操作的形式。 驅(qū)動能力 P0 端口能驅(qū)動 8個 LSTTL 負(fù)載。如需增加負(fù)載能力，可在 P0總線上增加總線驅(qū)動器。 P1， P2， P3 端口各能驅(qū)動 4 個 LSTTL 負(fù)載。由于 P0P3 端口已映射成特殊功能寄存器中的 P0P3 端口寄存器，所以對這些端口寄存器的讀／寫就實現(xiàn)了信息從相應(yīng)端口的輸入／輸出。 3 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 STC89C51 單片機位控制核心，加上 2 個按鍵、時鐘復(fù)位電路、蜂鳴器、 LED 模塊組成。單片機負(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 14 音樂發(fā)生器的功能結(jié)構(gòu)圖 音樂盒的功能結(jié)構(gòu)如圖 所示。 Key1 負(fù)責(zé)切換播放歌曲，播放歌曲共 2首，分別是揮著翅膀的女孩和寂寞沙洲冷。 Key2 負(fù)責(zé)切換 LED 顯示花樣，顯示花樣共 3種，第一種順序顯示，第二種由兩邊向中間移動然后向兩邊移動，第三種循環(huán)顯示。 圖 音樂盒功能結(jié)構(gòu)圖 主要設(shè)計軟件介紹 本設(shè)計利用 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，還能仿真單片機及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學(xué)的教師、致力于單片機開發(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)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB 設(shè)計，真正 實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、 PCB 設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計平臺，其處理器模型支持 805 HC1 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3 AVR、 ARM、 8086 和MSP430 等， 2020 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 15 單片機開發(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)行的機器 碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機器匯編是通過匯編軟件將源程序變?yōu)闄C器碼，用于 MCS51 單片機的匯編軟件有早期的 A51，隨著單片機開發(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 系列單片機的軟件，這從近年來各仿真機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、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起。運行 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、WIN20 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、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。 Keil C51 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)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語 言的優(yōu)勢。 16 4 硬件設(shè)計 總體設(shè)計框圖 圖 各部分硬件設(shè)計及其原理 STC89C51 簡介 STC89C51是一種帶 4K字節(jié)閃存 的低電壓高性能的 可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory），俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用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芯片中， STC89C51是一種高效微控制器 。 STC89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖 所示 ： 17 圖 STC89C51系列單片機 LED 顯示電路設(shè)計與原理 LED 顯示電路是由 8 個 LED 發(fā)光二極管組成，連接方式為共陽極， LED 接到單片機的 P1 口，若為低電平，可使 LED 亮起。發(fā)光二極管的亮、滅由內(nèi)部程序控制， 8個 LED 發(fā)光二極管分別對應(yīng)不同的音階，所以 LED 會隨著音階的變化按規(guī)律亮、滅。 時鐘振蕩電路 STC89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者陶瓷諧振器一起構(gòu)成自然振蕩器。外接石英晶體及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容 C1， C2 雖然沒有什么嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，我們推薦電容使用 30PF 18 10PF，而如果使用陶瓷振蕩器建議選擇 40PF 10PF。用戶也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖示。這種情況下，外部時鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2 則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個 2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。振蕩器電路圖如下： 圖 單片機內(nèi)部、外部振蕩電路 硬件電路圖及功能