单片机原理及应用课程设计报告

1 单片机原理及应用课程设计 报告 ， 驱动蜂鸣器 ， 发出不同的音调 ， 从而演奏乐曲（最少 六 首乐曲，每首不少于 30 秒 ）。 2 采用 数码管 显示信息 。 3 可通过功能键选择乐曲，暂停，播放 。 设计方案： 近年来随着计算机在社会领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。现在，在许多领域中，电子音乐盒得到了广泛的应用，比如电子钟、闹钟等等。 设计中我们考虑了两种设计方案，两种设计方案中主要去区别在于硬件 电路的不同，对于本设计通过模拟电路和单片机设计均可以实现，最后根据设计要求、可行性和设计成本的考虑选择了单片机设计的方案。现在一一介绍 ， 论证如下： 案一 以 核心，通过单片机的定时器产生一定长度的方波，方波脉冲驱动蜂鸣器发声。要产生音频脉冲，只需算出某一音频的周期，然后取半周期的时间定时。利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后就将输出脉冲的 I/O 反相，然后重复 2 计时此半周期时间再对 I/O 口反相，就可在 I/O 脚上得到此频率的脉冲。当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器 生 一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。同时在 示歌曲序号和歌曲名称。 案二 采用单片机来设计电路。此电路包括时钟电路、复位电路、音 乐 驱动电路和片机。由石英晶体振荡器产生单片机工作时所必须的时钟信号。 由复位按键使单片机的 系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。由于单片机最大灌入电流为 以选用 ，并要在 基极和发射极加限流电阻。使用单片机 口做显示电路，要在 加上拉电阻（ 510还要加限流电阻，保护单片机。由外部 中断输入和定时 /计数器的外部输入都是低电平有效，可以和复位电路相视，只要将复位电路中的电容去掉即可。 案比较 通过以上两个方案，我们发现，方案二总体比方案一好。首先方案一虽然硬件电路简单，但造价较高，且在编写程序实现所要求的功能时较难，而方案二所用的显示模块是比较熟悉的数码管，编写程序是相对容易，且电路造价不高，因此，综合考虑之后决定采用方案二。 2 硬件单元电路知识及设计 总的设计方案 码管倒计时器以 片机为核心，起着控制作用，另外系统中使用 8255A 芯片作为扩展 I/O 作用。系统包括六位数码管显示电路，按键电路，复位电路，时钟电路以及矩阵键盘电路。音乐播放器的总体框图如下图 1 所示： 3 复 位 电路按 键 电路 模 块晶 振 电路 模 块S T C 8 9 C 52矩 阵键 盘8 2 5 5 器数 码管 显示 电路 模块图 1 音乐播放器总体框图 位电路 本设计是采用上电自动复位，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要 可以实现自动上电复位。时钟频率用 12 取 20 示电路设计 显示电路是一个 8 位共阴极 码管。 单片机的 别与数码管的A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 连接，如图 2 所示。 图 2 8 位共阴极 4 振电路设计 晶振电路由两个 30电容和一个 6晶体振荡器组成。节点 1 与单片机的 连接，节点 2 与单片机的 连接，从而为单片机提供时间信号，为音乐的播放节拍控制提供基本时间单位，晶振电路如图 3 所示。当晶体振荡频率为6时器工作在方式 1 下时，若各音阶相对应的定时器计数初值为 X，则可根据下式计算 X： 1 6 61 / ( 2 ) ( 2 ) 1 2 / ( 6 1 0 ) 图 3 晶振电路 乐播放器主程序流程图 本系统用一个定时器 0 来定时不同音调的频率。程序开始时初始化定时器 0，工作方式为 1， 然后初始化 8255。进入 环，先调用键盘扫描程序，返回一个值 ,例如：若返回的值为 1， 则调用 程序，即播放第一首歌，若在该子程序中设定的 按下，则暂停播放返回主程 序，在主程序中继续调用键盘扫描程序，若返回的值仍然是 1 这继续在原来播放的地方继续播放 5 图 5 音乐播放器主程序流程图 音乐播放器歌曲程序流程图 初始化定时器 0，工作方式 1， 初始化 8255 播放对应的歌曲 在数码管上显示音律 检 查 是 否 有 按键？包括复位，暂停，换曲 初始化化变量及数码管 开 始 Y N 6 图 3 歌曲程序流程图 乐播放器的总体原理图 本系统用一个定时器 0 来定时不同音调的频率。程序开始时初始化定时器 0，工作方式为 1， 然后初始化 8255。进入 环，先调用键盘扫描程序，返回一个值 ,例如，若返回的值为 1， 则调 用 程序，即播放第一首歌，若在该子程序中设定的 按下，则暂停播放返回主程 序，在主程序中继续调用键盘扫描程序，若返回的值仍然是 1 这继续在原来播放的地方继续播放 开始 定时器初始化 取简码 简谱码 =0？ 分离音符码和节拍码 音符码 =0？ 查表取音符码对应的 T 值 给 初值并启动 按节拍码延时 关闭 一曲 Y N N Y 7 图 4 单片机音乐播放器原理图 原理分析： （ 1）原理图说明： 当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器 生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。同时启动定时器 示歌曲号。 . 硬件电路中用 0 1外部中断 0、 1 输入端 别接 2 作为上、下一曲的功能键。 硬件电路中用 部定时 /计数器输入端 别接 为暂停的功能键。 . 用 制七段码 a,b,c,d,e,f， g， . 用 控制喇叭。 . 电路为 12振频率工作，起振电路中 2 均为 30 （ 2）元件介绍 件介绍 一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ 低电压，高性能 微处理器，俗称单片机。 脚的排列、名称、功能和用法 8 用标准双列直插式引脚 规模集成电 路封装。它的引引脚排列如下图所示： 图 5 引脚排列 引脚介绍： 电电压。 地。 ： 为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8电流。当 的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 程时， 作为原码输入口，当 行校验时， 出原码，此时 部必须被拉高。 ： 是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能接收输出4电流。 管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 作为第八位地址接收。 9 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器可接收，输出 4个 电流，当 被写 “ 1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， 的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， 输出地址的高八位。在给出地址 “ 1” 时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， 输出其特殊功能寄存器的内容。 在 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 ： 管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 电流。当 写入 “ 1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 将输出电流（ 是由于上拉的缘故。 也可作为 一些特殊功能口，如下表所示： 管脚 备选功能 : 行输入口） 行输出口） 部中断 0） 部中断 1） 0（记时器 0 外部输入） 1（记时器 1 外部输入） R（外部数据存储器写选通） D（外部数据存储器读选通） 同时 为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 两个机器周期的高电平时间。 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 冲。如想禁止 输出可在 址上置 0。此时， 有在执行 10 令是 起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 止，置位无效。 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个周期两次/效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /号将不出现。 /持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /内部锁定为 /保持高电平时，此间内部程序存储器。在 程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 振荡器特性 : 别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， 不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度 。 单片机产生不同频率脉冲信号的原理 ： 只要算出某一音频的周期 (1/频率 ),然后将此周期除以 2,即为半周期的时间 每当计时到后就将输出脉冲的 I/O 反相 ,然后重复计时此半周期时间再对 I/O 反相 ,就可在 I/O 脚上得到此频率的脉冲 . 2. 利用 8051 的内部定时器使用其工作在计数器模式 ,改变计数值 产生不同频率的方法 . 3. 例如频率为 523周期 T 1/523 1912此只要令计数器计时 95656,在每次计数 956 次时将 I/O 反相 ,就可得到中音 523 计数脉冲值与频率的关系 公式如下 : N N: 计算值 ; 内部计时一次为 1故其频率为 14. 其计数值的求法如下 : T 655366553611 例如 : 设 K 65536, F 1000000 1求低音 61中音 523 高音的 1046计算值 . T 65536655366553665536r 低音 T 6553662 63627 中音 T 6553623 64580 高音 T 65536047 65059 5. C 调各音符频率与计数值 T 的对照表如表 1 所示 . 拍 每个音符使用 1 个字节 ,字节的高 4 位代表音符的高低 ,低 4 位代表音符的节拍 ,表 2 为节拍与节拍码的对照 拍为 ,1/4 拍是 ,只要设定延迟时间就可求得节拍的时间 ,则 1 拍应为 4此类推 拍的 间 ,其余的节拍就是它的倍数 ,如表 3 为 1/4 和 1/8 节拍的时间设定 . 表 1 C 调各音符频率与计 数 值的对照表 音符 频率 (简谱码 (T 值 ) 音符 频率 (简谱码 (T 值 ) 低 1 62 63628 # 4 740 64860 # 1 277 63731 中 5 84 64898 低 2 94 63853 # 5 831 64934 # 2 311 63928 中 6 80 64968 低 3 M 330 64021 # 6 932 64994 低 4 49 64103 中 7 88 65030 # 4 370 64185 高 1 046 65058 低 5 92 64260 # 1 1109 65085 # 5 415 64331 高 2 175 65110 低 6 40 64400 # 2 1245 65134 # 6 466 64463 高 3 M 1318 65157 低 7 94 64524 高 4 397 65178 中 1 23 64580 # 4 1480 65198 # 1 554 64633 高 5 568 65217 12 中 2 87 64684 # 5 1661 65235 # 2 622 64732 高 6 760 65252 中 3 M 659 64777 # 6 1865 65268 中 4 98 64820 高 7 967 表 3 各调 1/4 节拍的时间设定 曲 调 值 调 值 4/4 125 毫秒 调 4/4 62 毫秒 调 3/4 187 毫秒 调 3/4 94 毫秒 调 2/4 250 毫秒 调 2/4 125 毫秒 表 2 节拍与节拍码对照 节 拍 码 节 拍 数 节 拍 码 节 拍 数 1 1/4 拍 1 1/8 拍 2 2/4 拍 2 1/4 拍 3 3/4 拍 3 3/8 拍 4 1 拍 4 1/2 拍 5 1 又 1/4 拍 5 5/8 拍 6 1 又 1/2 拍 6 3/4 拍 8 2 拍 8 1 拍 A 2 又 1/2 拍 A 1 又 1/4 拍 C 3 拍 C 1 又 1/2 拍 F 3 又 3/4 拍 音乐代码实现 乐代码库的建立方法 : 1. 先把乐谱的音符找出 ,然后由表 4 建立 T 值表的顺序 . 2. 把 T 值勤表建立在 成发音符的计数值放在 3. 简谱码 (音符 )为高位 ,节拍为 (节拍数 )为低 4 位 ,音符节拍码放在程序 的 . 13 4 音符节拍码 00H 为音乐结束标记 . 表 4 简谱对应的简谱码 T 值 . 节拍数 简 谱 发 音 简 谱 码 T 值 节 拍 码 节 拍 数 5 低音 64260 1 1/4 拍 6 低音 64400 2 2/4 拍 7 低音 64524 3 3/4 拍 1 中音 64580 4 1 拍 2 中音 64684 5 1 又 1/4 拍 3 中音 64777 6 1 又 1/2 拍 4 中音 64820 8 2 拍 5 中音 64898 A 2 又 1/2 拍 6 中音 64968 C 3 拍 7 中音 65030 F 3 又 3/4 拍 1 高音 65058 2 高音 65110 3 高音 65157 4 高音 65178 5 高音 65217 不发音 0 曲 在一个程序中，需要演奏两首或两首以上的歌曲时，音乐代码库的建立有两种方法： （ 1）将每首歌曲建立相互独立的音符表 T 和发音符计数值 （ 2）在建立公用音符表 T 后，再写每首歌的发音计数值 的代码 不管采用那种方法，每首歌曲结束时，在 均需加上音乐结束符 00H。 14 4. 调试与仿真 系统仿真用的是 件，可通过仿真显示出所设计系统的功能，对于程序的调试等有很大的帮助。 系统仿真时首先在使用 译码器，把所写的程序进行编译，同时在仿真器里设置生成 件，编译无错误进行 真。等所有的原件都连接完成后可以把 编译生成的无错误文件加载到 ，方法是，右键点中器件然后再用左键点击，出来一个对话框在 选择要添加的文件，文件要求必须是 件。然后可以点击运行观察现象，看与自己设置的是否符合，如 果不相符再查找错误进行修改，一般的错误都是程序中的，所以要认真的读取程序的每一个部分。 本系统用一个定时器 0 来定时不同音调的频率。程序开始时初始化定时器 0，工作方式为 1，然后初始化 8255。进入 环，先调用键盘扫描程序，返回一个值，例如，若返回的值为 1，则调用 程序，即播放第一首歌，若在该子程序中设定的 按下，则暂停播放返回主程序，在主程序中继续调用键盘扫描程序，若返回的值仍然是 1 这继续在原来播放的地方继续播放 软件调试 步骤 1、打开软件后 ,在 单 中选择 令，打开一个新项目。保存此项目，输入工程文件名后，并保存工程文件的目录。 2、为项目文件选择一个目标器件，即选择 8051 的类型。 在 表框中选择 “ 9，确定。 3、上述设置好后，创建源程序文件并输入程序代码。输入好代码后点击 “ 文件 /保存 ” 。 4、把源文件添加到项目中 ， 用鼠标指在目标工作区的目标 1，点击右键在弹出 15 的菜单中选择添加文件到源代码组，在弹出的添加文件框中，选择需要添加到项目中的文件 。 5、开始编译，对项目文件进行编译 。 若没有错误 后进行 硬件调试。 能测试与分析 按照设计程序的分析， 码管的动态扫描的频率是 1000实际使用时完全没有闪烁。在程序中，定时器 10断一次，变量 增，中断 100次时，秒的显示自减，用定时器来定时，准确。电路中的五个按键可以分别用来设定倒计时的计数范围。另外，设定外部中断来暂停和重新启动倒计时。当数码管的显示全 0 时，系统自动重新载入初值开始倒计时。系统由 5V 电源来驱动，经过测是试与分析，此系统稳定可用。 16 元器件序号 型号 主要 参数 数量 备注 14 1K 14 1/4w 30 瓷片电容 25 电解电容 12 晶振 8 3 按钮 550 1 极管 无源蜂鸣器 1 单片机 17 设计总结 在设计音乐播放器程设计的过程中，我们深切体会到，实践是理论运用的最好检验。，在演示过程中出现很多问题，刚开始数码管显示正常，却没有声音，我们猜测是音频输出 那里有问题，于是我们用电源检查蜂鸣器是否工作正常，然后我们发现蜂鸣器旁边的盖帽没盖好。 本次设计是对我们这一学期所学知识的一次综合性检测和考验，无论是动手能力还是理论知识运用能力都得到了提高，同时加深了我们对网络资源认识，大大提高了查阅资料的能力和效率，使我们能有更多的时间去设计软件部分。本系统要求我们要有丰富的编程经验，还要能会看单片机开发板原理图，能熟悉那些 I/O 口的作用，且能够准确的运用数电等多方面的知识。在软件调试过程中，我们学会不少的东西，掌握一些调试软件的方法。在设计仿真图和设计电路图中，对 且所设计的基于单片机的倒计时器，精确度高，达到了应用要求 这次课程设计使我掌握了很多实践知识，在老师和同学的帮助下对单片机有了进一步的了解。 18 致谢 当然能完成本次设计，更离不开 方智文老师和岳舟 老师辛勤地指导，老师能在百忙中来指导我，每当我遇到了棘手的问题，老师总能给我最好的建议，教我改进得方法，不厌其烦地指出我在设计中存在的问题和错误，使我能更好地完成设计。正是老师不厌其烦的指导和每天下午的讲解，让我们的设计思路越发 清晰，明朗，清除了应该从哪些方面着手，工作。同时还要感谢在课程设计中给我们提供的帮助的同学，是你们让我们能更好的完成这次设计。 这次课程设计对我来说有着深远的意义，让我对未来的路又看得清楚了些。在此我要深深的感谢那些传授我知识的老师们，是你们无私的奉献，才会有如今掌握一定知识的我们；还要感谢同学对我的鼓励，感谢搭档对我的认可，让我能尽情的发挥我的能力，激扬去验证自己的想法。 在此，谨向所有帮助过我们的表示最衷心的感谢！同时在课题进行期间，也感谢学院为我们提供了良好的学习和设计环境。 19 参考文献 1 张鑫 M子工业出版社， 2 祁伟 , 杨亭 . 单片机 序设计教程与实验 M京航空航天大学出版社， 2006. 3 楼然苗 ,李光飞 (B)空航天大学出版社 ,2007 4 李凤霞 ,刘桂山 , 薛庆 言程序设计 (第二版 )2008 5 邱关源 ,罗先觉 M等教育出版社 ,20 附录 附录 # /*定义 8255 相应端口地址 */ # # 33; 1=; ; a=1,PC,m=0,s; =0 0 /*15时子程序，用于节拍 */ n) i; i=0;i=80) /唱完后返回主程序，重新播放音乐 m=0; a=1; /数值是 关表中的元素数量 ) ; 1=0) /暂停音乐和换歌前暂停音乐 ; a=m; /取音符 s=m; /取节拍 * /把音调的频率赋