【導(dǎo)讀】單片機的易用性與多功能性使它廣泛應(yīng)用于各種微控制系統(tǒng)。本文介紹了一種基。器件，采用匯編語言編寫程序，實現(xiàn)音樂播放功能。并在音樂盒基礎(chǔ)上利用單片機閑。置P1口拓展了LED點陣移位顯示功能。整個系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高，測試結(jié)。果滿足設(shè)計要求。本文著重介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計原理，硬件設(shè)計方法與軟件編程思路。

　　

【正文】 _ H QA～ QH輸出無效 L QA～ QH輸出有效 L 清空移位寄存器 L ↑ H 第 1個移位寄存器變?yōu)?L， 其余移位寄存器變?yōu)槠淝耙粋€移位寄存器的上一狀態(tài) H ↑ H 第 1個移位寄存器變?yōu)?H，其余移位寄存器變?yōu)槠淝耙粋€移位寄存器的上一狀態(tài) ↑ 移位寄存器的數(shù)據(jù)存入存儲器 ↓ 存儲器狀態(tài)不改變 ? H－高電平； L－低電平； －任意電平 ? ↑－低到高電平跳變；↓－高到低電平跳變 LED 點陣驅(qū)動設(shè)計電路 74HC595 的 高 7 位輸出端與 7 5LED 點陣的 7 根 行線連接。 74HC595 的第 14 腳 SI 是串行數(shù)據(jù)輸入線， 11 腳 SCK 為串行輸入時鐘控制線，當(dāng) SCK 從低電平跳到高電平時， SI 的一個數(shù)據(jù)移入輸入級移位寄存器。 12 腳 RCK 為輸出級鎖存器的時鐘控制線，當(dāng) RCK 從低電平跳到高電平時，輸入級移位寄存器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到輸出級。 電路中 8 位串入并出移位寄存器 74LS164 的 低 5 位輸出端與點陣列線連接。編程中設(shè)計成將數(shù)據(jù)送至列的形式， 即 每次刷新列數(shù)據(jù)時只須對 8 位的串行移位寄存器74LS164 移入 5 位數(shù)據(jù)即可。 以上三個器件連接好后，除了正 5V 和對地的電源線外，另外 5 根線中有一根行數(shù)據(jù)輸入線 SI 和一根列數(shù)據(jù)輸入線 B，兩根時鐘控制線 74HC595 的 SCK 和 74LS164的 CLK，以及 74HC595 的輸出轉(zhuǎn)移控制線 RCK。根據(jù)編程思想將這 5 根線與單片機相應(yīng)的輸出端口相連。 LED 點陣驅(qū)動電路的實際設(shè)計電路圖見圖 315。 硬件設(shè)計 26 圖 315 LED點陣驅(qū)動電路設(shè)計圖 小結(jié) 通過以上分析，我們得出了完整的硬件電路設(shè)計方案，因此可利用 PROTEL 軟件畫出 PCB 原理圖，并完成布線得到 PCB 電路圖，通過制板，元器件采購，焊接完成硬件電路板的制作。 基于單片機的電子音樂盒 27 第 4 章 軟件設(shè)計 在進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此，軟 件設(shè)計在微機控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。 在進行軟件設(shè)計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設(shè)計方法叫模塊程序設(shè)計法。 模塊程序設(shè)計法的主要優(yōu)點是： 1）單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調(diào)試； 2）模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務(wù)在不同條件下調(diào)用； 3）模塊程序允許設(shè)計者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計者提供方便。 本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑幀掃描子程序、列發(fā)送子程序﹑行發(fā)送子程序、音頻節(jié)拍讀取子程序、 T0 中斷服務(wù)子程序、節(jié)拍延時子程序。 上述子程序按其功能可分為兩大部分： LED 移位顯示部分和音樂盒功能部分， 將兩部分功能程序順序執(zhí)行便是完整程序的主程序。其總體框圖如 41 所示。 圖 41 總體框圖 LED 移位顯示程序 LED 移位顯示程序部分主要包括 LED 移位顯示主程序、幀掃描子程序、列發(fā)送子程序、行發(fā)送子程序。 軟件設(shè)計 28 上一章末尾中圖 315 給出了 LED 驅(qū)動電路與單片機連接的方案。根據(jù)這種連接形式， 在此介紹在 LED 點陣上實現(xiàn)字符移動顯示的原理。此方案是在 7 5LED 點陣上顯示自下向上漂移的字母或圖案。由于電路板的尺寸大小限制，只有 35 只發(fā)光三極管，像素太少，不宜顯示漢字，雖然顯示效果不好看，但工作原理相同。若將點陣擴大，就能夠顯示漢字。 在如圖 42 所示的 LED 移位顯示主程序中，使用 DPTR 地址寄存器作為地址指針，開始時指向數(shù)據(jù)表首地址。第一次循環(huán)時， DPTR 指向第一列，在循環(huán)體中 DPTR 加 1，第二次循環(huán)時，地址指針后移一列。幀掃描子程序每次掃描 LED 點陣 7行數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)串行送至 74LS164 輸出端連 接的 5 根列線。行線作控制開關(guān)使用，由74HC595 輸出端提供控制信號。第一次送出第一個字符最上一行 5 位列數(shù)據(jù)時，行掃描開關(guān)除了置第一行為低外，其余行置高，即打開第一行，關(guān)閉其余行。第二次送出第一個字符第二行 5 位列數(shù)據(jù)，行掃描開關(guān)置第二行為低，其余行置高，打開第二行，關(guān)閉其余行，以后類推。用這樣方式完成一幀掃描。 數(shù)據(jù)表按顯示要求編碼。每一個字節(jié)為 LED 點陣板一行中 5 位相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)。由于只發(fā)送 5 次，所以有效數(shù)據(jù)只在一個字節(jié)的低 5 位。當(dāng)列線為 0 時與行線相交點的發(fā)光二極管關(guān)，列線為 1 時開。數(shù)據(jù)表中一行的 7 個字節(jié) 數(shù)據(jù)為一個字符的編碼信息。 DPTR 在幀掃描子程序外置數(shù)據(jù)表地址的基值， R1 作地址偏移量，以兩者之和對數(shù)據(jù)尋址。 R1 的初值為 0，當(dāng) DPTR 為表首地址時，在子程序的循環(huán)中 R1 從 0 增加到 6，取出第一個顯示字符的全部 7 個字節(jié)并與行開關(guān)配合依次逐行顯示，完成一幀掃描操作。 DPTR 在每次循環(huán)后加 1，使得它所指向的數(shù)據(jù)表地址后移。此后調(diào)用幀掃描子程序時，每幀顯示的字符地址將向后移。例如第二次調(diào)用幀掃描子程序， DPTR 的值為表首地址加 1，此時當(dāng) R1 再從 0 增加到 6 時，取出的是第一個顯示字符后 6個字節(jié)和第二個顯示字符的第 一個字節(jié)，并與行開關(guān)配合依次逐行顯示，完成一幀掃描操作。此時看到的顯示效果為第一個顯示字符向上移動了一行，原第一行從上端移出了屏幕，而第二個顯示字符的第一行從下端進入了屏幕。隨著 DPTR 在每次循環(huán)后加一次次地加 1，每幀顯示都將當(dāng)前顯示字符的一行從上端移出，將 后續(xù)顯示字符的一行從下端移入，形成了所有設(shè)置字符的流水顯示。 基于單片機的電子音樂盒 29 圖 42 LED移位顯示主程序 軟件設(shè)計 30 圖 43 LED點陣幀掃描主程序 DPTR 能增加的最大數(shù)是循環(huán)計數(shù)器 R3 的初值，因此 R3 的初值應(yīng)比數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)總數(shù)少 7，否則 DPTR與 R1 相加后將指到表外。為了保證最后一個字也能移動顯示，DPTR 又要能指向最后一個顯示字符的最后一個編碼字節(jié)。因此將數(shù)據(jù)表最后一行用了全 0 數(shù)據(jù)，結(jié)果以黑屏顯示效果結(jié)束全部字符一場移動顯示。 基于單片機的電子音樂盒 31 每幀反復(fù)循環(huán)掃描的次數(shù)，決定顯示移動速度。在主程序中，移動速度由幀掃描次數(shù)計數(shù)器 R2 中的初值決定。該值要根據(jù)不同晶振的頻率和個人的喜好決定。 在圖 44 所示的列數(shù)據(jù)發(fā)送子程序中， CPU 通過 端口的 5 次串行移位操作，將數(shù) 據(jù)送到 74LS164 的輸出端及 LED 點陣板的 5 根列線。 圖 44 列發(fā)送子程序 LED 點陣按重合法方式顯示，可將數(shù)據(jù)同時送到 5 條列線，然后開啟這 5 列數(shù)據(jù)應(yīng)出現(xiàn)的行線，關(guān)閉其它行。由于只有 7 根行線與 74HC595 的第 0 到 6 位連接，第一次調(diào)用字掃描子程序， CPU 通過 端口的 8 次串行移位操作，將控制字 10111111B送到 74HC595 的輸出端及 LED 點陣的 7 根列線?？刂谱?10111111B 中的數(shù)據(jù) 0 處于輸出端第 6 位，點亮 LED 點陣頂端第一行，其余行關(guān)閉。以后控制字循環(huán)經(jīng)過循環(huán)移位后發(fā)送至 74HC595 輸出端，依次點亮第二行、第三行等等，實現(xiàn)了幀掃描操作。由于 LED 點陣板只有 7 位，所以有一次操作將 0 移出 LED 點陣板，此時屏幕全關(guān)。行發(fā)送子程序如圖 45 所示。 軟件設(shè)計 32 圖 45 行發(fā)送子程序 音樂盒功能程序 音樂盒功能程序部分主要包括音樂盒功能主程序、音頻節(jié)拍讀取子程序、 T0 中斷服務(wù)子程序、節(jié)拍延時子程序。 在建立了音符編碼和節(jié)拍編碼后，編程時，每個音符占用一個字節(jié)，高 4 位是音符編碼，低 4 位是節(jié)拍編碼。根據(jù)上述原則建立樂譜編碼表，以及按照音符順序?qū)?yīng)的 THTL 值表。例如：在《生日快樂歌》中，第一個音 符“ 5”的音符編碼為“ 8” ，對應(yīng)的 THTL 值為 64900，見表 22。第一個音符“ 5”的節(jié)拍是 2/4 拍，節(jié)拍編碼為“ 2”，見表 23。則定義該音符編碼為“ 82H” 。為了聽好兩個同音符，在兩者之間空 1/4 拍，即在 5 5 見加入“ 01H”編碼。同理，整首歌的樂譜編碼表舅可以得出。在程序運行過程中順序取出樂譜編碼，然后查表找到對應(yīng)的 THTL 值。 首先通過對 TMOD 控制字將定時器 0 初始化為工作方式 1，通過控制字 IE 允許基于單片機的電子音樂盒 33 定時器 0 中斷。接著等待選擇按鍵的按下，經(jīng)過按鍵去抖程序確認(rèn)按下之后為按鍵次數(shù)賦初值 0。之后到第一 首歌曲的簡譜碼取簡譜碼。經(jīng)過音頻節(jié)拍讀取子程序?qū)⒐?jié)拍、音頻分別讀取后空音符則直接將定時器 0 暫停，非空音符則通過對音符表的查詢提取T 值后，經(jīng)中斷服務(wù)子程序發(fā)出音頻，后都經(jīng)音頻節(jié)拍子程序完成一個音樂節(jié)拍的輸出。之后將提取簡譜碼的指針加 1，再次循環(huán)上述步驟。音樂盒功能主程序如圖 46所示。 在音頻節(jié)拍讀取子程序中其核心功能為從簡譜碼中將低 4 位的節(jié)拍編碼與高 4 位的音頻編碼分別讀取并存入相應(yīng)寄存器中供后使用。在該子程序中還將完成對一首簡譜碼的結(jié)束標(biāo)志 00H的識別及對是第幾首歌曲的結(jié)束進行判斷以及其后程序步驟的設(shè)計。當(dāng) 判別為 00H 時，停止定時器 0，之后判別按鍵次數(shù)為 1 還是 2，若是其中之一，則等待再次按鍵后將簡譜碼指針指向下一首，并循環(huán)上述音頻節(jié)拍讀取的程序。若按鍵次數(shù)既不是 1 也不是 2，則比為 3，因此三首歌曲全部播放完畢，程序返回至 LED驅(qū)動程序開始再次循環(huán)執(zhí)行。音頻節(jié)拍讀取子程序如圖 47 所示。 圖 46 音樂盒功能主程序 軟件設(shè)計 34 圖 47 音頻節(jié)拍讀取子程序 口輸出音頻，主要通過中斷服務(wù)子程序?qū)Χ〞r器 0 設(shè)置計數(shù)初值，定時對 口取反，形成相應(yīng)頻率的音頻。該子程序先將 A 和 PSW 的值暫存于堆棧以保護現(xiàn)場，之后將 在此前讀取的 T 值裝高地位裝入 TH0 和 TL0，再取回 A 和 PSW 以恢復(fù)現(xiàn)場。最后從中斷返回主程序。如圖 48 所示。 圖 48 T0中斷服務(wù)子程序 基于單片機的電子音樂盒 35 產(chǎn)生的音頻還需要再根據(jù)節(jié)拍持續(xù)相應(yīng)的時間，而節(jié)拍的控制通過延時來完成。在節(jié)拍延時子程序中，設(shè)計了一個 4/4 節(jié)拍的 1/4 拍的單位時間 125ms 的延時程序，之后根據(jù)對存入節(jié)拍編碼的 R5中的值進行減 1判 0 進行循環(huán)以完成一個音節(jié)的節(jié)拍。見圖 49。 圖 49 節(jié)拍延時子程序 小結(jié) 經(jīng)過以上的程序設(shè)計當(dāng)將表中的所有簡譜碼都執(zhí)行之后，音樂盒的功能即完成。并循環(huán)返回至 LED 移位顯示部分的程序中。實現(xiàn)音樂和畫面交相輝映的效果。 按照上文所說的思路，利用匯編語言進行編程，通過 KEIL 軟件調(diào)試編譯后用TOP851 編程器將程序燒錄到單片機內(nèi)，再結(jié)合電路板進行調(diào)試，即可完成程序設(shè)計。 軟硬件調(diào)試 36 第 5 章 軟硬件調(diào)試 在進行方案論證和軟硬件設(shè)計之后，做出的成品要進行系統(tǒng)調(diào)試和測試，并對調(diào)試中產(chǎn)生的問題加以解決和改進。本章介紹軟硬件的調(diào)試。 硬件調(diào)試 系統(tǒng)的硬件調(diào)試主要是排查 PCB 上的連接問題。硬件調(diào)試中主要產(chǎn)生工藝性和設(shè)計性兩類錯誤或缺陷。調(diào)試方法為：首先檢查電路板上元器件的焊接情況，有無虛焊、漏焊或者連焊。然后用萬用表檢查電源，芯片 I/O 口與地有無短路，接著不加芯片接通電源，檢查各焊點的電壓是否正常，最后接上芯片，接通電源，觀測工作電流是否過大。 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試主要以程序調(diào)試為主，排查其錯誤。程序錯誤主要有語法錯誤、邏輯錯誤和功能錯誤。本系統(tǒng)的軟件調(diào)試主要用 KEIL 軟件進行程序調(diào)試與用編程器將程序燒錄進 AT89C2051，并將之插入電路板查看工作情況相結(jié)合來進行，并逐步改正各類錯誤。 當(dāng)程序仿真無錯誤，電路板能正常移位顯示字符后，通過按鍵依次播放三首樂曲，并最終循環(huán)上述功能，即可視為調(diào)試成功。 軟件調(diào)試中出現(xiàn)的錯誤及解決方法： 1）有時會出現(xiàn)程序一點錯誤也沒有，但就是不能正常運行的現(xiàn)象，最后發(fā)現(xiàn)是因為程序中有的指令書寫得不規(guī)范導(dǎo)致的，例如有的 RET 返回指令 一定要按正確格式書寫或在兩行指令間最好不要留空行。 2）程序中的跳轉(zhuǎn)指令的運用很重要，一般都用 LJMP。但是對于 AT89C2051 而言，由于其存儲器空間為 2k字節(jié)， LJMP、 LCALL、 ACALL、 AJUMP、 SJMP、 JUM @A+DPTR 這些分支指令的目的地址必須在程序存儲器大小的物理范圍（ 000H～ 7FFH）內(nèi)，超過物理空間的閑置會出現(xiàn)不可預(yù)知的程序錯誤。我們就遇 到過跳轉(zhuǎn)指令用錯程序無法正常運行的現(xiàn)象。 3）與上面的原因相同， CJNE[?? ]、 DJNZ[?? ]、 JB、 JNB、 JC、 JNC、 JBC、JZ、 JNZ 等條件轉(zhuǎn)移指令的使用也不能超出物理空間的限制。 4）因為 AT89C2051 的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間為 128 字節(jié)，