【正文】 5 AT89C2051引腳排列 基于單片機(jī)的電子音樂盒 15 引腳功能描述： ? I/O P1 口 —— 8 位雙向口 ～ 內(nèi)含上拉電阻， 和 需要外接上拉電阻。 P1 口用作輸出時，輸出緩沖器可驅(qū)動 20mA 的灌電流負(fù)載， 直接驅(qū)動 LED 顯示器。 在 Flash 編程和校驗(yàn)時， P1 口可接收代碼數(shù)據(jù)。 和片內(nèi)與模擬比較器的輸出端相連，不可當(dāng)作通用的 I/O 口那樣訪問。 P3 口用作輸入時，應(yīng)先對端口寫 1，當(dāng)外部輸入信號將其拉為低電平時通過片內(nèi)上拉電阻向外輸出電流。 在 Flash 編程和校驗(yàn)時， P3 口可接收某些控制信號。 每個機(jī)器周期為 12 個振蕩周期。 時鐘與復(fù)位電路 時鐘與復(fù)位電路是單片機(jī)最小系統(tǒng)里不可缺少的部分。 AT89C2051單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。 本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTAL XTAL2 引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有 少許影響， CX CX2 可在 20pF到 40pF 之間取值。 在設(shè)計印刷電路板時，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。 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)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。時鐘頻率用 12MHz時 C 取 22uF， R 取 1k?。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。其中電平復(fù)位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源Vcc 接通而實(shí)現(xiàn)的。時鐘頻率選用 12MHz 時， C 取 220uF，RS取 200?， RK取 1k?。選擇按鍵電路如圖 38 所示，其中 R 選值 1k?。定時 /計數(shù)器 0 計時某一音符的半周期時長，計時結(jié)束 口電平取反，這樣形成該音符相應(yīng)頻率的方波信號。我們選用 LM386 芯片，以其為核心設(shè)計音頻放大電路。 LM386 內(nèi)部電路原理圖如圖 39 所示。 第一級為差分放大電路， T1 和 T T2 和 T4 分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的放大管； T5 和 T6 組成鏡像電流源作為 T1 和 T2 的有源負(fù)載； T3 和 T4 信號從管的基極輸入，從 T2 管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。 第二級為共射放大電路， T7 為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。二極管 D1 和 D2 為輸出級提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。電路由單電源供電，故為 OTL 電路。 電阻 R7 從輸出端連接到 T2 的發(fā)射極，形成反饋通路，并與 R5 和 R6 構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個電路具有穩(wěn)定的電壓增益。引腳 2 為反相輸入端， 3 為同相輸入端； 引腳 5 為輸出端；引腳 6 和 4 分別為電源和地；引腳 1 和 8 為電壓增益設(shè)定端；使用時在引腳 7 和地之間接旁路電容，通常取 10μ F。 LM386 典型應(yīng)用電路 LM386 可通過在 8 引腳之間接入電容來改變其放大增益。圖 311 中分別為增益 200、 50 及低頻提升放大器的典型應(yīng)用電路圖。因此應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 1）通過接在 1 腳、 8 腳間的電容（ 1 腳接電容 +極）來改變增益，斷開 時增益為20。 2） PCB 設(shè)計時，所有外圍元件盡可能靠近 LM386；地線盡可能粗一些；輸入音頻信號通路盡可能平行走線，輸出亦如此。質(zhì)量太差的不要，否則受害的是耳朵；阻值不要太大，10K 最合適，太大也會影響音質(zhì)。好處是“＋”、“－”輸出端可以很好地抵消共模信號，故能有效抑制共模噪聲。實(shí)際應(yīng)用時， BYPASS 端必須外接一個電解電容到地，起濾除噪聲的作用。增大這個電容的容值，減緩直流基準(zhǔn)電壓的上升、下降速度，有效抑制噪聲。 6）減少輸出耦合電容。隔斷直流電壓，直流電壓過大有可能會損壞喇叭線圈；耦合音頻的交流信號。減小該電容值，可使噪聲能量沖擊的幅度變小、寬度變窄； 太低還會使截止頻率 outLc CRf ?21? 提高。 7）電源的處理也很關(guān)鍵。由于電壓不同、負(fù)載不同以及并聯(lián)的去耦電容不同，每組電源的上升、下降時間必有差異。 結(jié)合本次設(shè)計的要求，單片機(jī)產(chǎn)生的音頻均為單一頻率，并且對音質(zhì)無較高要求，因此只要輸出產(chǎn)生單弦音頻即可。 圖 312 音頻放大器實(shí)際電路 硬件設(shè)計 22 LED 點(diǎn)陣電路 在本音樂盒擴(kuò)展的 LED 點(diǎn)陣為 7 5 LED 點(diǎn)陣，它的 7 根行線是相應(yīng)行內(nèi) 5 只發(fā)光二極管的公共負(fù)極端， 5 根列線為相應(yīng)列內(nèi) 7 只發(fā)光二極管的公共正極端，當(dāng)一根列線接 +5V，一根行線接地時，兩線相交處的 發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。結(jié)合上文中論證采取的畫面動態(tài)顯示和數(shù)據(jù)串口輸入，此驅(qū)動電路將采用兩個 8 位移位寄存器。 74LS164 結(jié)構(gòu) 74LS164 是內(nèi)含 8 個 D 觸發(fā)器的串入并出 8 位移位寄存器。 圖 313 74LS164引腳分布 基于單片機(jī)的電子音樂盒 23 引出端符號： ? CLOCK 時鐘輸入端 ? CLEAR______同步清除輸入端 ? A， B 串行數(shù)據(jù)輸入端 ? QA～ QH 輸出端 74LS164 真值表如表表 32 所示。串行數(shù)據(jù)輸入端 A、B 可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、 B 有一個為高電平，則另一個就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定 Q0 的狀態(tài)。 74HC595 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳分布 74HC595 芯片是一款高速硅結(jié)構(gòu) CMOS 器件構(gòu)成，兼容低電壓 TTL 電路，遵守JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)， 8 位串行輸入 /輸出或者并行輸出移位寄存器芯片，在電子顯示屏制作當(dāng)中有廣泛的應(yīng)用。其存儲狀態(tài)寄存器具有三種狀 態(tài)，輸出寄存器可以直接清除，同時具有 100MHz 的移位頻率。數(shù)據(jù)在 SCK 的上升沿輸入移位寄存器，在 RCK 的上升沿進(jìn)入的存儲寄存器中去。移位寄存器有一個串行移位輸入 SI，和硬件設(shè)計 24 一個串行輸出 QH’和一個異步的低電平復(fù)位 G_。 74HC595 引腳分布如圖 314 所示。 基于單片機(jī)的電子音樂盒 25 表 33 74HC595真值表 輸 入 功 能 SI SCK SCLR____ RCK G_ 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(diǎn)陣驅(qū)動設(shè)計電路 74HC595 的 高 7 位輸出端與 7 5LED 點(diǎn)陣的 7 根 行線連接。 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。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。根據(jù)編程思想將這 5 根線與單片機(jī)相應(yīng)的輸出端口相連。 硬件設(shè)計 26 圖 315 LED點(diǎn)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。因此，軟 件設(shè)計在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。 在進(jìn)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。 模塊程序設(shè)計法的主要優(yōu)點(diǎn)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。 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。 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。根據(jù)這種連接形式， 在此介紹在 LED 點(diǎn)陣上實(shí)現(xiàn)字符移動顯示的原理。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。 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。幀掃描子程序每次掃描 LED 點(diǎn)陣 7行數(shù)據(jù)。行線作控制開關(guān)使用，由74HC595 輸出端提供控制信號。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。 數(shù)據(jù)表按顯示要求編碼。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。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。 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。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。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(jìn)入了屏幕。 基于單片機(jī)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(diǎn)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。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。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。 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(diǎn)陣板的 5 根列線。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(diǎn)陣的 7 根列線。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(diǎn)亮第二行、第三行等等，實(shí)現(xiàn)了幀掃描操作。行發(fā)送子程序如圖 45 所示。 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。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。則定義該音符編碼為“ 82H” 。 5 見加入“ 01H”編碼。在程序運(yùn)行過程中順序取出樂譜編碼，然后查表找到對應(yīng)的 THTL 值。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。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。音樂盒功能主程序如圖 46所示。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(jìn)行判斷以及其后程序步驟的設(shè)計。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。 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。最后從中斷返回主程序。 圖 48 T0中斷服務(wù)子程序 基于單片機(jī)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。見圖 49。并循環(huán)返回至 LED 移位顯示部分的程序中。 按照上文所說的思路，利用匯編語言進(jìn)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(jī)內(nèi)，再結(jié)合電路板進(jìn)行調(diào)試，即可完成程序設(shè)計。本章介紹軟硬件的調(diào)試。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。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(diǎn)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。程序錯誤主要有語法錯誤、邏輯錯誤和功能錯誤。 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。 2）程序中的跳轉(zhuǎn)指令的運(yùn)用很重要，一般都用 LJMP。我們就遇 到過跳轉(zhuǎn)指令用錯程序無法正常運(yùn)行的現(xiàn)象。 4）因?yàn)?AT89C2051 的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器空間為 128 字節(jié)，