【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強(qiáng)大。例如精密的測(cè)量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。 （ 2） 在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說(shuō)，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī) 控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門(mén)，無(wú)所不在。 （ 3） 在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機(jī)可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)等。 單片機(jī)現(xiàn)在可以說(shuō)是百花齊放，百家爭(zhēng)鳴的時(shí)期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機(jī)，從 8 位、 16 位到 32 位，數(shù)不勝數(shù)，應(yīng)有盡有，有與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補(bǔ)，為單片機(jī)的應(yīng)用提供了廣闊的天地。 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 縱觀單片機(jī)的發(fā)展過(guò)程，可以預(yù)示單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，大致有： （ 1） 微型單片化 現(xiàn)在常規(guī)的單片機(jī)普遍都是將中央處理器（ CPU）、隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（ RAM）、只讀程序存儲(chǔ)器（ ROM）、并行和串行通信接口，中斷系統(tǒng)、定時(shí)電路、時(shí)鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強(qiáng)型的單片機(jī)集成了如 A/D 轉(zhuǎn)換器、PMW（脈寬調(diào)制電路）、 WDT（看門(mén)狗）、有些單片機(jī)將 LCD（液晶）驅(qū)動(dòng)電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機(jī)包含的單元電路就更多，功能就越強(qiáng)大。甚至單片機(jī)廠商還可以根據(jù)用戶的要求量身定做，制造出具有自己特 色的單片機(jī)芯片。 此外，現(xiàn)在的產(chǎn)品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機(jī)除了功能強(qiáng)和功耗低外，還要求其體積要小?，F(xiàn)在的許多單片機(jī)都具有多種封裝形式，其中SMD（表面封裝）越來(lái)越受歡迎，使得由單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)正朝微型化方向發(fā)展。 （ 2） 低功耗 CMOS 化 MCS51 系列的 8031 推出時(shí)的功耗達(dá) 630mW，而現(xiàn)在的單片機(jī)普遍都在100mW 左右，隨著對(duì)單片機(jī)功耗要求越來(lái)越低，現(xiàn)在的各個(gè)單片機(jī)制造商基本都采用了 CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝）。像 80C51 就采用了 HMOS（即 5 高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝）和 CHMOS（互補(bǔ)高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝）。 CMOS 雖然功耗低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CMOS則具備了高速和低功耗的特點(diǎn)，這些特征，更適合于要求低功耗像電池供電的應(yīng)用場(chǎng)合。所以這種工藝將是今后一段時(shí)期單片機(jī)發(fā)展的主要途徑。 開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 隨著單片機(jī)的不斷發(fā)展，以 C 為主流的單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言也不斷被更多的單片機(jī)愛(ài)好者和工程師所喜愛(ài)。使用 C 語(yǔ)言肯定要使用到 C 編譯器，以便把寫(xiě)好的 C 程序編譯為機(jī)器碼 ,這樣單片機(jī)才能執(zhí)行編寫(xiě)好的程序。 KEIL uVISION2 是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件中優(yōu)秀的軟件之 一，它支持眾多不同公司的 MCS51 架構(gòu)的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體 ,同時(shí)還支持， PLM，匯編和 C 語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，它的界面和常用的微軟 VC++的界面相似 ,界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。 本系統(tǒng)采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境為 KEIL uVISION2，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境主界面見(jiàn)圖 21。 圖 21 KEIL uVISION2 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境主界面 Proteus 是英國(guó) Labcenter 公司開(kāi)發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿 真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是： （ 1） 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù) 6 字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232 動(dòng)態(tài)仿真、 I2C 調(diào)試器、 SPI 調(diào)試器、鍵盤(pán)和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。 （ 2 ） 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52 系列、 AVR 系列、 PIC10/12/16/18 系列、 HC11 系列以及多種外圍芯片。 （ 3） 提供軟 件調(diào)試 功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision MPLAB 等軟件。 （ 4） 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。 系統(tǒng)仿真，圖 22 是 Proteus 的仿真圖。 圖 22 Proteus 的仿真圖 設(shè)計(jì)框圖 7 圖 23 設(shè)計(jì)框圖 該系統(tǒng)硬件連接框 圖如圖 24 所示。其整個(gè)工作過(guò)程為： MCU 控制 USB 接口芯片與計(jì)算機(jī)通訊，將從計(jì)算機(jī)上下載的文件存儲(chǔ)于 SDcard。播放時(shí)， MCU控制從 SDcard 讀取文件并傳送給解碼芯片，通過(guò)總線控制其解碼，解碼后的數(shù)字音頻 信號(hào)在 MCU 的控制下通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬音頻信號(hào)，放大，輸出到揚(yáng)聲器。演奏時(shí)， MCU 掃描判斷摁鍵工作情況，并產(chǎn)生相應(yīng)頻率方波，轉(zhuǎn)換，放大，輸出。錄音時(shí)，在 MCU 的控制下聲源由 MIC 存儲(chǔ)到 SDcard 卡里。 本系統(tǒng)以單片機(jī) AT89C51 為核心，主要負(fù)責(zé)控制各個(gè)部分協(xié)調(diào)工作。在其外圍接上：電源 、通信電路、復(fù)位電路、控制電路、存儲(chǔ)電路、顯示電路、音頻處理電路及外放電路 。 主程序流程圖 通訊接口 存儲(chǔ)器 SD card 液晶顯示 LCD1602 矩形鍵盤(pán) Key board MCU 89C51 MP3 解碼器 VS1003 功率放大器 LM386 D/A轉(zhuǎn)換器 CS4334 揚(yáng)聲器 MIC 8 圖 24 主程序流程圖 電子琴模式演奏 單片機(jī)電子琴演奏音樂(lè)基本都是單音頻率，它不包含相應(yīng)幅度的諧波頻率，因此單片機(jī)奏樂(lè)只需弄清楚每個(gè)樂(lè)音的音調(diào)，即相應(yīng)的發(fā)聲頻率。在電子琴模式中，有矩形鍵盤(pán)輸入高低不同的脈沖信號(hào)通過(guò) AT89C51 來(lái)控制蜂鳴器發(fā)音。要想產(chǎn)生音頻脈沖信號(hào)，需要算出某一音頻的周期 (1/頻率 )，然后將此周期除以 2，即為半周期的時(shí)間。利用單片 機(jī)定時(shí)器計(jì)時(shí)這個(gè)半個(gè)周期時(shí)間，每當(dāng)計(jì)時(shí)到后就將輸出脈沖的 I/O 口反相，然后重復(fù)計(jì)時(shí)此半周期時(shí)間再對(duì) I/O 口反相，這樣就能在此 I/O 口上得到此頻率的脈沖。一首樂(lè)曲是由音階和節(jié)拍兩大要素構(gòu)成，不同音階分別對(duì)應(yīng)不同的頻率，發(fā)出不同的音調(diào)，而節(jié)拍則控制發(fā)出音調(diào)時(shí)間的長(zhǎng)短；若將樂(lè)曲的音調(diào)連續(xù)發(fā)出，并使其按相應(yīng)的節(jié)拍變化，即可演奏一首樂(lè)曲。一般說(shuō)來(lái)，常采用的方法就是通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器定時(shí)中斷，將單片機(jī)上對(duì)應(yīng)蜂鳴器的 I/0 口來(lái)回取反，或者說(shuō)來(lái)回清零，置位，從而讓讓單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音。為了讓單片機(jī)發(fā)出不同頻率的聲音， 只需將定時(shí)器予置不同的定時(shí)值就可實(shí)現(xiàn)。關(guān)于確定一個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的定時(shí)器的定時(shí)值，有以下對(duì)應(yīng)關(guān)系 ： t= T／ 2 = 1/2f (21) 這個(gè)時(shí)間 t 也就是單片機(jī)上定時(shí)器應(yīng)有的中斷觸發(fā)時(shí)間。一般情況下，單片機(jī)奏樂(lè)時(shí)，其定時(shí)器為工作方式 1，它以振蕩器的十二分頻信號(hào)為計(jì)數(shù)脈沖。設(shè)振蕩器頻率為 0f ,則定時(shí)器的予置初值由 下式來(lái)確定 : END 開(kāi)始 單片機(jī)初始化 啟動(dòng)播放 中斷 模式切換 ?□ MP3 模式 電子琴模式 繼續(xù)？ 9 t =12? ( ALLT HLT ) ∕ of (22) 式中 ALLT = 162 =65536 ， HLT 為定時(shí)器待確定的計(jì)數(shù)初值。因此定時(shí)器的高低計(jì)數(shù)器的初值為： TH= HLT ∕ 256 =( ALLT t ? of ∕ 12)∕ 256 (23) TL= HLT % 256 =( ALLT t ? of ∕ 12)% 256 (24) 3 硬件電路設(shè)計(jì) AT89C51 功能簡(jiǎn)介 自從 1971 年微型計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致微型計(jì)算機(jī)正向兩個(gè)主要方向發(fā)展：一是高速度、高性能、大容量的高檔微型機(jī)及其系列化向大、中型計(jì)算機(jī)的挑戰(zhàn)；另一個(gè)是穩(wěn)定可靠、小而廉、能適應(yīng)各種控制領(lǐng)域需要的單片機(jī)。 MCS—51 系列是 Intel 公司在 1980 年推出的高檔 8 位單片機(jī)，具有性能價(jià)格比高、品種多、兼容性強(qiáng)、開(kāi)發(fā)用的仿真機(jī)較完善等優(yōu)點(diǎn)，所以在國(guó)際上和國(guó)內(nèi)的占有率相當(dāng)高。它擁有 8 位微處理器和控制器，內(nèi)含一個(gè)一位布爾運(yùn)算處理器，可 直接對(duì)數(shù)據(jù)的位進(jìn)行操作和運(yùn)算，特別適用于邏輯控制。內(nèi)部含有 4KB的程序 ROM 并且在外部擴(kuò)展了 256K 的存儲(chǔ)空間， 2 個(gè) 16 位的計(jì)數(shù) /定時(shí)器。本次采用的是 AT89C51 單片機(jī)，其電路如 31 所示，它的中斷功能比較強(qiáng)，有 5個(gè)中斷源，即外部中斷 2 個(gè)，定時(shí)器中斷 2 個(gè)，串行中斷 1 個(gè)，有 2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。中斷控制電路主要包括用于中斷控制的四個(gè)寄存器：定時(shí)器控制寄存器TCON，串行口控制寄存器 SCON，中斷允許控制寄存器 IE，中斷優(yōu)先級(jí)控制寄存器 IP 等。內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器，全雙工方式的串行接口（ UART），兩極中斷優(yōu)先權(quán)的 6 個(gè)中 斷源 /5 個(gè)中斷矢量的中斷邏輯。哈佛結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器組織，支持高達(dá)64K 為單周期指令，支持六種尋址方式。最高時(shí)鐘振蕩頻率可達(dá) 12MHZ，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為 1181。s，乘、除指令為 4181。s。 AT89C51 的外形圖及管腳圖 ： 10 圖 31 AT89C51 芯片外形圖及引腳圖 MCS51 系列單片機(jī)采用 40 引腳雙列直插式封裝（ DIP），其引腳排列和邏輯符號(hào)如圖 23 所示， 4 個(gè)并行口共有 32 根引腳，可分別作地址線、數(shù)據(jù)線和I/O 線； 2 根電源線； 2 根時(shí)鐘振蕩電路引腳和 4 根控制線 。 AT89C51 主要特性和引腳功能 主要特性： 與 MCS51 兼容 ； 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ； 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) ； 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 ； 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz； 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ； 1288 位內(nèi)部 RAM； 32 可編程 I/O 線 ； 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ； 5 個(gè)中斷源 ； 可編程串行通道 ； 低功耗的閑置和掉電模式 ； 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ； 管腳說(shuō)明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳第 一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存 11 儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個(gè)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(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 表 31 和 的第二功能表 引腳 號(hào) 功能特性 T2(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 外部計(jì)數(shù)脈沖輸入 ),時(shí)鐘輸出 T2EX(定時(shí) /計(jì)數(shù) 2 捕獲 /重裝載觸發(fā)和方向控制 ) P2 口： P2 口為一個(gè)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(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “ 1” 時(shí)，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(shí)， 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(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “ 1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部 八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， 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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)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，