【文章內(nèi)容簡介】 延遲來控制發(fā)音時間的長短 ,即可控制音調(diào)中的節(jié)拍 .把樂譜中的音符對應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)換為定時常數(shù) ,把相應(yīng)的節(jié)拍變換為定時常數(shù) ,然后作成表格存放在儲存器中 ,由程序查表得到定時常數(shù)和延時常數(shù) ,分別用以控制定時器產(chǎn)生方波的頻率和該頻率方波的持續(xù)時間 .當(dāng)延遲常數(shù)到時 ,再查下一個音符的定時常數(shù)和延遲常數(shù) .依次進行下去 ,就可演奏悅耳動聽的音樂。 其電路圖見附錄 1 所示。 主控器 AT89C51的結(jié)構(gòu)及工作原理 AT89C51單片機的結(jié)構(gòu) 一、 單片機的主要性能特點 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機采用高性能的靜態(tài) 80C51 設(shè)計，欲先進工藝制造，并帶有非易失性 FLASH 程序儲存器。它是一它是一種高性能，低功耗的 8位 CMOS微處理芯片。主要性能特點有： ● 8KB Flash ROM，可以擦除 1000次以上。數(shù)據(jù)保存 10年， ● 256字節(jié)內(nèi)部 RAM ●電源控制模式：時鐘可停止和恢復(fù)；空閑模式；掉電模式。 ● 6個中斷源 ● 4個中斷優(yōu)先級 ● 4個 8位 I/O 口 ●全雙工增強型 UART ● 3個 16位定時 /計數(shù) 器， T9， T1和增加的 T2 顯示電路 （ 89C51） 主控模塊 鍵掃描電路 發(fā)聲電路 ●全靜態(tài)工作方式： 0~24MHz 二 、單片機的引腳功能 89C51單片機的引腳圖見圖 ,其中有 2條主電源引腳 ,2條外接晶體引腳 ,4條控制或其他電源復(fù)用引腳 ,32條 I/O引腳。下面分別敘述這些引腳的功能。 圖 89C51單片機的引腳圖 ● VCC（ 40腳）：接電源 +5V。 ● VSS（ 20腳）：接地 也就是 GND。 ● XTAL1 （ 19 腳） 和 XATL2（ 18 腳）：接振蕩電路，單片機是一種時序電路 必須有脈沖信號才能工 作 在它的內(nèi)部有一個時鐘產(chǎn)生電路。 ● PSEN（ 29 腳）：片外 ROM 選通信號 ,低電平有效 .他同樣可以驅(qū)動 8 個 LSTTL輸入。 ● ALE/PROG（ 30 腳）：地址鎖存信號輸出端 /EPROM 編程脈沖輸入端。為了使地址與數(shù)據(jù)不混淆 ,通常是先送地址再傳送數(shù)據(jù)。 ALE 將 P0口輸出的低 8位地址鎖存 ,從而實現(xiàn)低位地址與數(shù)據(jù)的分離。 ● RST/VPD（ 9 腳）：復(fù)位信號輸入端 /備用電源輸入端。當(dāng)振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平，將使單片機復(fù)位。 VCC掉電期間 ,此引腳可以接上備用電源 ,以保存內(nèi)部 RAM的數(shù)據(jù)不丟失 。當(dāng) VCC低于規(guī)定水平時 ,VPD向內(nèi)部 RAM提供備用電源。 ● EA/VPP（ 31）：內(nèi) /外部 ROM 選擇端。當(dāng) EA 端保持高電平時，不管是否有內(nèi)部程序存儲器，只訪問外部程序存儲器。當(dāng) EA端保持低電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器。 ● P0 口（ ~ 共 8個引腳 ,既 3932 腳）：雙向 三態(tài) I/O 口。在訪問外部存儲器時 ,可分別用低 8 位地址線和 8位數(shù)據(jù)線 。P0口可以驅(qū)動 8個 LSTTL P1 輸入。 ● P1 口（ ~ 共 8 個引腳 ,既 18 腳） P1 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位 雙向 I/0 口 ,在 EPROM 編程和程序驗證時 ,它接受低 8 位地址 ,能驅(qū)動 4 個 LSTTL 輸入。 ● P2 口（ ~ 共 8 個引腳 ,既 2128 腳）： P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/0 口 , 在 EPROM編程和程序驗證時 ,它接受高 8位地址 ,能驅(qū)動 4個 LSTTL輸入。 ● P3 口 （ ~ 共 8個引腳 ,既 1017 腳）： P3口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 口。他是個多用途口。在這 8 個引腳里，其中 的第二功能是外部中斷 0申請輸入端； 的第二功能是外部中斷 1申請輸入 端； 的第二功能是定時器 0申請輸入端。 三 、單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組成結(jié)構(gòu) 單片機是由中央處理器（ CPU）、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）、片內(nèi)程序存儲器（ ROM）和輸入輸出接口（ I/O口）四大部分組成： ⑴ CPU是單片機的核心部分。其作用是讀入和分析每條指令，根據(jù)指令要求控制各個部件執(zhí)行相應(yīng)的操作，它包括運算器和控制器兩大部分：一是運算器包括算術(shù)／邏輯部件 (ALU)、累加器 A、暫存寄存器、寄存器 B、程序狀態(tài)寄存器（ PSW），十進制調(diào)整電路等。運算器主要用于實現(xiàn)算術(shù) /邏輯運算及位操作運算。二是控制器包括時鐘發(fā) 生器 ,定時控制邏輯 ,指令寄存器 ,指令譯碼器 ,程序計數(shù)器 PC,程序地址寄存器 ,數(shù)據(jù)指令寄存器 DPTR 和堆棧指針 SP 等?？刂破魇怯脕斫y(tǒng)一指揮和控制計算機進行工作的部件。 ⑵ 單片機存儲器 ，單片機在物理上有 4 個存儲空間 :片內(nèi)程序存儲器和片外程序存儲器 , 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器 .8051片內(nèi)有 4KB的程序存儲器和 256B數(shù)據(jù)存儲器。下面分別介紹程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序存儲器用于存放編好的程序、表格和常數(shù)。 8051 單片機內(nèi)部有 4KB 的片內(nèi) ROM 和 64KB 的片外 ROM,兩者是統(tǒng)一編址的。 數(shù)據(jù)存儲器 8051內(nèi)部有 256B RAM,片外最多可以擴展 64KB RAM。片內(nèi) 256 KB RAM按其功能劃分兩部分 :低 128B位片內(nèi)數(shù)據(jù) RAM區(qū) ,地址空間為 00H~7FH。高 128B位特殊功能寄存器的區(qū)域 .地址空間為 80H~FFH。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器低 128 單元， 8051 內(nèi)部低128B RAM 是真正的 RAM,可用于暫存運算結(jié)果及標(biāo)志位等 .按其用途可以分為三部分 :工作寄存器區(qū) 。位尋址區(qū) 。用戶 RAM 區(qū)。內(nèi)部 RAM 的高于 128 單元是供給特殊功能寄存器使用，因此稱特殊功能寄存器： ① 指令寄存器 IR 和指令譯碼器 ID。指令寄存器是存放 指令代碼的地方。當(dāng)執(zhí)行指令時， CPU 把從程序存儲器中讀取的指令代碼送入指令寄存器，然后指令譯碼器譯碼后由定時控制電路發(fā)生相應(yīng)的控制信號，最終完成指令所規(guī)定的操作。 ② 程序計數(shù)器 PC是一個 16位的計數(shù)器。用于存放將要執(zhí)行的指令地址 ,CPU每讀取指令的一個字節(jié) PC便自動加 1,指向本指令的下一個字節(jié)或下一條指令地址 ,PC可以尋址 64KB范圍 ROM。 ③ 累加器是一個最常用的 8 位特殊功能寄存器 ,它可以用于存放操作數(shù) ,也沒有用于來存放運算結(jié)果。 ④ 寄存器 B是一個 8位寄存器 ,主要用于乘法和除法的運算 , ⑤ 狀態(tài)字寄 存器 PSW 是 8 位寄存器 ,用于存放程序運行狀態(tài)信息 ,其格式如下圖 。 圖 程序狀態(tài)字 PSW CY（ ）：進位標(biāo)志位。在進行加法（或減法）運算時，若運算結(jié)果最高位有進位或借位，則 CY 自動置 “1” ，否則 CY 置 “0” ，在進行布爾操作運算時， CY（簡稱 C）作為布爾處理器。 AC()：輔助進位標(biāo)志位。當(dāng)進行加法或減法時，若低 4位向高 4 位有進位（或借位）時， AC被置 “1” ，否則 AC被置 “0” 。在十進制調(diào)整指令中 AC 還作為十進制調(diào)整的判別位。 F0()：用戶標(biāo) 志位。用戶可用軟件對 F0 位置 “1” 或清 “0” 以決定程序的流向。 OV(())：溢出標(biāo)志位，當(dāng)運算結(jié)果溢出時 OV為 “1” ，否則為 “0” ，此標(biāo)志位反映了運算結(jié)果是否溢出。 P（ ）：奇偶標(biāo)志位。 MCS51 單片機采用的是偶校驗。當(dāng)累加器 A 中 “1”的個數(shù)為奇數(shù)時， P置 “1” ，否則 P置 “0” 。此位反映累加器 A中內(nèi)容 “1” 的奇偶性，它常常用于機間通信。 RS1()、 RS0()：工作寄存器區(qū)選擇位。用來選擇當(dāng)前工作的寄存器區(qū)。用戶通過改變 RS1 、 RS0 的內(nèi)容來選擇當(dāng)前工作寄存器區(qū) 。 ⑥ 堆棧指針 SP ⑦ 數(shù)據(jù)指針寄存器 DPTR 是一個 16 位寄存器 ,由高位字節(jié) DPH 和低位字節(jié) DPL 組成 ,用來存放 16位數(shù)據(jù)存儲器的地址 ,以便對外部數(shù)據(jù)存儲器 RAM數(shù)據(jù)進行讀寫。 ⑶ 工作寄存器 MCS51 有 32 個工作寄存器，分為四個區(qū)（或組）每個區(qū)為 8 個寄存器 R0、 RR R R R R R7，每一時刻只有一個區(qū)工作。由 PSW 寄存器中的 RS RS0的值來決定當(dāng)前的工作區(qū)： 當(dāng) RS1 RS0＝ 00時， 0區(qū)為工作區(qū)， RS1 RS0＝ 01時， 1區(qū)為工作區(qū) RS1 RS0＝ 10時， 2區(qū)為工作區(qū) RS1 RS0＝ 11時， 3區(qū)為工作區(qū) 這 32 個工作寄存器不但有它們的名稱和區(qū)號，而且還有地址。 00H1FH 共 32 個單元。 00H～ 07H 為 0區(qū)，分別對應(yīng) R0～ R7 08H～ 0FH 為 1區(qū)，分別對應(yīng) R0～ R7 10H～ 17H 為 2區(qū)，分別對應(yīng) R0～ R7 18H～ 1FH 為 3區(qū)，分別對應(yīng) R0～ R7 這 32 個單元為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（即片內(nèi) RAM）的 00H～ 1FH 存貯空間，這與普通微機中的通用寄存器基本相同，所不同的是，普通微機的通用寄存器只有名稱，不占有 RAM空間，因此只有名字，沒有對應(yīng)的地址；而 MCS51 單片機的工作寄存器 R0～ R7 既可以用名字也可以用它的地址來表示。其中 R0、 R1 寄存器除做工作寄存器外還常做間址尋址的地址指針 ⑷單片機的輸入 /輸出端口 C51中有 4個８位并行輸入 /輸出端口記為 P0、 P P P3共 32根線。每個并行I/O口都可以用作輸入 /輸出 ,所以稱它們?yōu)殡p向 I/O口。 ● P0 口有８位， P0 口有兩個用途 ,一是作為普通 I/O 口使用 。二是作為地址 /數(shù)據(jù)總線使用。 P0口作為普通 I/O口使用 : 當(dāng)控制線 C=0時 , MUX開關(guān)向下 , P0口作通用I/O口。這時與門輸入為 0,場效應(yīng)管 VT1截止。 P0口作為分時復(fù)用的地址 /數(shù)據(jù)總線 : P0口一般是作為地址 /數(shù)據(jù)總線 ,這時控制線 C=1,MUX開關(guān)向上 ,使數(shù)據(jù) /地址經(jīng)反向器與場效應(yīng)管 VT2接通 ,當(dāng)數(shù)據(jù)輸入時 ,數(shù)據(jù)信號從引腳通過輸入緩沖器 2進入內(nèi)部總線。 ● P1口是一個專用的 8位準(zhǔn)雙向 I/O口，只具有通用輸入 /輸出口功能，每一位都能設(shè)定為輸入或輸 出。 P1口的驅(qū)動部分與 P0口不同 ,內(nèi)部有上拉電阻。 ● P2 口是一個 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，具有兩種功能。一是作通用 I/O 口用，與 P1口相同。二是作擴展系統(tǒng)的高 8位地址總線。 ● P3 口也是一個 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，不但可以作通用 I/O 口使用，還具有第二功能。當(dāng)工作在第二功能時，每位都具有新的功能，當(dāng) P3 口作通用 I/O 口時，與 P1 口相同。 一、 振蕩器與時鐘電路 時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號。 AT89C51的時鐘產(chǎn)生方法有以下兩種： ⑴內(nèi)部時鐘方式 利用芯片內(nèi)部的振蕩 器，然后在引腳 XTAL1 和引腳 XTAL2兩端接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時鐘電路，如圖 （在圖中的外接線，上面的外接線接引腳 XTAL1，下面的外接線接引腳 XTAL2）外接晶振時， C1和 C2的值通常選擇我 30pF左右；外接陶瓷諧振器時 C1和 C2的值大約為 47pF。C C2對頻率有微調(diào)作用，晶體或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 ~12MHz 之間選擇。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近。 圖 單片機外接振蕩電路 ⑵外部時鐘方式 此方式是利用外部振蕩脈沖接入 XTAL1 或 XTAL2。 CHMOS(互補金屬氧化物 HMOS)是 CMOS和 HMOS(高密度溝道 MOS工藝 )的結(jié)合 ,除了保持 HMOS高速度和高密度之外 ,還有 CMOS低功耗的特點 .兩類器件的功能是完全兼容的 ,區(qū)別在 CHMOS器件具有低功耗的特點 .它所消耗的電流比 HMOS 器件少很多 ,主要在于其采用了兩種降低功耗的方式 :空閑方式和掉電方式 .CHMOS 器件在掉電方式 (CPU 停止工作 ,片內(nèi) RAM 的數(shù)據(jù)繼續(xù)保持 ) 下時 ,消耗的電流可低于 10μ CHMOS 的器件在編號中用一個 C 來加以區(qū)別 : 如80C51,80C31等 . 外部時鐘信號通過一個二分頻的觸發(fā)器而成為內(nèi)部的時鐘信號，要求高、低電平的持續(xù)時間都大于 20ns，一般為頻率低于 12Hz 的方波。這種方式適用于多塊芯片同時工作，便于同步。片內(nèi)時鐘發(fā)生器就是上述的二分頻觸發(fā)器，它向芯片提供了一個 2 節(jié)拍的時鐘信號。 根據(jù)以上兩種方式的特點，在次設(shè)計中從而采用了第一種方式。第一種方式比第二種更簡潔為次設(shè)計而變的簡單化。其圖 就是本次設(shè)計中時鐘信號產(chǎn)生的外部電路圖。其中電容值所選用的是 30Pf，為了提高秒計時的精確度，采用 12MHZ 的晶振。 二、 單片機的工作方式 單片機有三種工作方式：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式以及節(jié)電工作方式。 ⑴單片機復(fù)位方式 : 單片機復(fù)位方式有上簡單復(fù)位電路和采用專用復(fù)位電路芯片構(gòu)成復(fù)位電路兩種。簡單復(fù)位電路有上電復(fù)位和手動復(fù)位。不管那種方式都要保證在 RESET 引腳上提供10ms以上的穩(wěn)定高電壓。本次設(shè)計中采用的是按鍵式復(fù)位電路。 ⑵程序執(zhí)行方式： （ a）連續(xù)執(zhí)行方式 （ b）單步執(zhí)行方式 ⑶節(jié)電工作方式： （ a） HMOS單片機的掉電工作方式 （ b） CHMOS單片機的節(jié) 電工作方式 三 、單片機外部并行擴展原理 單片微機是通過芯片的引腳進行系統(tǒng)擴展的。 80C51 系列帶總線的單片微機芯片引腳可以構(gòu)成圖 8－ 1 所示的三總線結(jié)構(gòu)．即地址總線（ AB）數(shù)據(jù)總線（ DB）和控制總線（ CB）。具有總線的外部芯片都通過這三組總線進行擴展。 （ 1）地址總線（ AB） 地址總線由單片微機 P0口提供 低 8位地址 A0～ A7， P2口提供高 8位地址 A8～ A15。P0 口是地址總線低 8 位和 8 位數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，只能分時用作地址線。故 P0 口輸出的低 8位地址 A0～ A7必須用鎖存器鎖存。 鎖存器的鎖存控制信號 為單片微機 ALE 引腳輸出的控制信號。在 ALE 的下降沿將P0 口輸出的地址 A0～ A7 鎖存。 P0、 P2 口在系統(tǒng)擴展中用做地址線后便不能作為一般I/O口使用。由于地址總線寬度為 16位，故可尋址范圍為 64 KB。 （ 2）數(shù)據(jù)總線（ DB） 數(shù)據(jù)總線由 P0 口提供，用 D0～ D7表示。 P0口為三態(tài)雙向 口為三態(tài)雙向口，是應(yīng)用系統(tǒng)中使用最為頻繁的通道。所有單片微機與外部交換的數(shù)據(jù)、指令、信息，除少數(shù)可直接通過 P1口外，全部通過 P0口傳送。 數(shù)據(jù)總線是并連到多個連接的外圍芯片的數(shù)據(jù)線上，而在同一時間里只能夠有一個是有 效的數(shù)據(jù)傳送通道。哪個芯片的數(shù)據(jù)通道有效，則由地址線控制各個芯片的片選線來選擇。 (3)控制總線（ CB） 控制總線包括片外系統(tǒng)擴展用控制線和片外信號對單片微機的控制線。 MCS— 51 系列中．有 5 個中斷源 (或 6 個中斷源 )，如圖所示。它們可分為 2 個優(yōu) 先級．其中每一個中斷源的優(yōu)先級都可以由程序排定。 5 個中斷源的中斷要求是否會得到響應(yīng)，受允許中斷寄存器 IE中各位的控制；它們的優(yōu)先級分別由中斷優(yōu)先級寄存器 IP的各位確定；同 — 優(yōu)先級內(nèi)的各中斷源同時要求中斷時，還要靠內(nèi)部的查詢邏輯來確定響應(yīng)的次序，不同的中斷源有不 同的中斷向量。 52子系列的中斷系統(tǒng)與此類同，只不過增加了一個中斷源。 IE (1)EA(IE． 7＞總允許位。 EA=0．禁止一切中斷。 EA＝ l，則每個中斷源是允許還是禁止，