单片机原理及应用课程设计报告.doc

单片机原理及应用课程设计报告1.利用I/O口产生一定频率的方波，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。1.方案论证与对比设计方案： 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：1.1 方案一以STC89C52为核心，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T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。同时在LCD显示歌曲序号和歌曲名称。1.2 方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MCS-51单片机。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CPU和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3.2mA，所以选用PNP管，并要在PNP的基极和发射极加限流电阻。使用单片机P0端口做显示电路，要在P0口加上拉电阻（510k）。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。1.3 方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2.1 总的设计方案LED数码管倒计时器以STC89C52单片机为核心，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：图1 音乐播放器总体框图2.2 复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Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。时钟频率用12MHZ时C取20PF。2.3显示电路设计显示电路是一个8位共阴极LED数码管。 单片机的P0.0-P0.7分别与数码管的A、B、C、D、E、F、G、DP相连接，如图2所示。图2 8位共阴极LED灯2.4晶振电路设计晶振电路由两个30pF的电容和一个6Mhz的晶体振荡器组成。节点1与单片机的XTAL2相连接，节点2与单片机的XTAL1相连接，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6MHz,定时器工作在方式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：图3 晶振电路3.软件设计3.1音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while循环，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play1子程序，即播放第一首歌，若在该子程序中设定的S1键按下，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play1。 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YN 图5 音乐播放器主程序流程图3.2 音乐播放器歌曲程序流程图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T0赋初值并启动按节拍码延时关闭T0下一曲YNNY 图3 歌曲程序流程图3.3 音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while循环，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play1子程序，即播放第一首歌，若在该子程序中设定的S1键按下，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play1。 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T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。同时启动定时器T1,显示歌曲号。.硬件电路中用、（外部中断0、1输入端P3.2 P3.3）分别接S1、S2作为上、下一曲的功能键。硬件电路中用T1（外部定时/计数器输入端P3.5）分别接S3作为暂停的功能键。.用P0.0-P0.7控制七段码a,b,c,d,e,f，g，Dp。.用P2.3口控制喇叭。.电路为12MHZ晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为30pf。（2）元件介绍.STC89C52元件介绍STC89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。.STC89C52引脚的排列、名称、功能和用法STC89C52采用标准双列直插式引脚DIP-40大规模集成电路封装。它的引引脚排列如下图所示：图5 STC89C52的引脚排列引脚介绍：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能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FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口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FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“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，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口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，P2口输出地址的高八位。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，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“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，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，如下表所示： P3口管脚 备选功能: P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外部中断0） P3.3 INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端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ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：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/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性:XTAL1和XTAL2分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，XTAL2应不接。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。3.4 单片机产生不同频率脉冲信号的原理：1.要生产音频脉冲,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.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MODE1下,改变计数值THO及TLO以产生不同频率的方法.3. 例如频率为523Hz,其周期T1/5231912us,因此只要令计数器计时956us/1us956,在每次计数956次时将I/O反相,就可得到中音DO (523Hz).计数脉冲值与频率的关系公式如下:NFi2Fr N: 计算值; Fi: 内部计时一次为1us, 故其频率为1MHz;4. 其计数值的求法如下:T65536-N65536-Fi2Fr例如: 设K65536, F1000000Fi1MHz, 求低音DO(261Hz).中音DO (523Hz). 高音的DO (1046Hz)的计算值.T65536-N65536-Fi2Fr65536-10000002Fr65536-500000/Fr低音DO的 T65536-500000/26263627中音DO的 T65536-500000/52364580高音DO的 T65536-500000/1047650595. C调各音符频率与计数值T的对照表如表1所示.3.4.1节拍每个音符使用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.如果1拍为0.4秒,1/4拍是0.1秒,只要设定延迟时间就可求得节拍的时间.假设1/4拍为1DELAY,则1拍应为4DELAY,以此类推.所以只要求得1/4拍的DELAY时间,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(HZ)简谱码(T值)音符频率(HZ)简谱码(T值)低 1 DO26263628# 4 FA#74064860# 1 DO#27763731中 5 SO78464898低 2 RE29463853# 5 SO#83164934# 2 RE#31163928中 6 LA88064968低 3 M33064021# 693264994低 4 FA34964103中 7 SI98865030# 4 FA#37064185高 1 DO104665058低 5 SO39264260# 1 DO#110965085# 5 SO#41564331高 2 RE117565110低 6 LA44064400# 2 RE#124565134# 646664463高 3 M131865157低 7 SI49464524高 4 FA139765178中1 DO52364580# 4 FA#148065198# 1 DO#55464633高 5 SO156865217中 2 RE58764684# 5 SO#166165235# 2 RE#62264732高 6 LA176065252中 3 M65964777# 6186565268中 4 FA69864820高 7 SI1967表3 各调1/4节拍的时间设定 曲 调 值DELAY曲 调 值DELAY调 4/4125 毫秒调 4/462 毫秒调 3/4187 毫秒调 3/494 毫秒调 2/4250 毫秒调 2/4125毫秒表2 节拍与节拍码对照节 拍 码节 拍 数节 拍 码节 拍 数11/4 拍11/8 拍22/4 拍21/4 拍33/4 拍33/8 拍41 拍41/2 拍51又1/4 拍55/8 拍61又1/2 拍63/4 拍82 拍81 拍A2又1/2 拍A1又1/4 拍C3 拍C1又1/2 拍F3又3/4 拍3.5 音乐代码实现3.5.1音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TABLE1,构成发音符的计数值放在TABLE.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TABLE处.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 SO16426011/4 拍6低音 LA26440022/4 拍7低音 TI36452433/4 拍1中音 DO46458041 拍2中音 RE56468451又1/4 拍3中音 MI66477761又1/2 拍4中音 FA76482082 拍5中音 SO864898A2又1/2 拍6中音 LA964968C3 拍7中音 TIA65030F3又3/4 拍1高音 DOB650582高音 REC651103高音 MID651574高音 FAE651785高音 SOF65217不发音03.5.2选曲在一个程序中，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TABLE。（2）在建立公用音符表T后，再写每首歌的发音计数值TABLE中的代码不管采用那种方法，每首歌曲结束时，在TABLE中均需加上音乐结束符00H。4. 调试与仿真系统仿真用的是Proteus软件，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Keil C 译码器，把所写的程序进行编译，同时在仿真器里设置生成HEX文件，编译无错误进行Proteus仿真。等所有的原件都连接完成后可以把Keil C编译生成的无错误文件加载到STC89C52中，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program file后选择要添加的文件，文件要求必须是HEX文件。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while循环，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play1子程序，即播放第一首歌，若在该子程序中设定的S1键按下，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play1。4.1 软件调试步骤1、打开软件后,在Project菜单中选择New Project命令，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Data base 列表框中选择“ATML 89C52”，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。4.2 性能测试与分析按照设计程序的分析，LED数码管的动态扫描的频率是1000HZ，在实际使用时完全没有闪烁。在程序中，定时器10ms中断一次，变量 count100自增，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。5.详细仪器清单元器件序号型号主要参数数量备注R1R141K141/4wC1、C230pF2瓷片电容C325uF1电解电容Y112MHz1晶振S4 S8 S123按钮Q185501PNP三极管LS1无源蜂鸣器U1STC89C521单片机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Proteus、Keil和Protel等软件掌握的更加牢固，而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。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。参考文献1 张鑫.单片机原理及应用M.北京：电子工业出版社，2005.8 2 祁伟, 杨亭. 单片机C51程序设计教程与实验M.北京：北京航空航天大学出版社，2006. 3 楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导.(B).北京航空航天大学出版社,20074 李凤霞,刘桂山, 薛庆.C语言程序设计(第二版).北京理工大学出版社,20085 邱关源,罗先觉.电路M.北京：高等教育出版社,2006.5附录附录1.详细程序#include#include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define a8255A XBYTE0xd1ff /*定义8255相应端口地址*/#define a8255B XBYTE0xd2ff #define a8255C XBYTE0xd4ff#define a8255CON XBYTE0xd6ff sbit SPK=P33; sbit S1=P32; uint tone1,tone2;uchar keyscan();uchar a=1,num=7,PC,m=0,s;uchar display_code8=0xA0,0xBB,0x62,0x2A,0x39,0x2C, 0x24,0xBA;/*15ms延时子程序，用于节拍*/void delay(uint n) while(n-) uchar i; for(i=0;i=80) /唱完后返回主程序，重新播放音乐 m=0; a=1; return; /数值是shengri相关表中的元素数量 void play2(void) while(1) TR0=0; if(S1=0)/暂停音乐和换歌前暂停音乐 num=7; break; a=wangshi_tonem; /取音符 s=wangshi_beatm; /取节拍 tone1=yindiao2*a-2; /把音调的频率赋值给定时器 tone2=yindiao2*a-1; TR0=1; while(s-) shumaguan(); m+; if(m=66) /唱完后返回主程序，重新播放音乐 m=0; a=1; return; /数值是shengri相关表中的元素数量 void play3(void) while(1) TR0=0; if(S1=0)/暂停音乐和换歌前暂停音乐 num=7; break; a=yueliang_tonem; /取音符 s=yueliang_beatm; /取节拍 tone1=yindiao2*a-2; /把音调的频率赋值给定时器 tone2=yindiao2*a-1; TR0=1; while(s-) shumaguan(); m+; if(m=38) /唱完后返回主程序，重新播放音乐 m=0; a=1; return; /数值是shengri相关表中的元素数量 void play4(void) while(1) TR0=0; if(S1=0)/暂停音乐和换歌前暂停音乐 num=7; break; a=shebude_tonem; /取音符 s=shebude_beatm; /取节拍 tone1=yindiao2*a-2; /把音调的频率赋值给定时器 tone2=yindiao2*a-1; TR0=1; while(s-) shumaguan(); m+; if(m=50) /唱完后返回主程序，重新播放音乐 m=0; a=1; return; /数值是shengri相关表中的元素数量 void play5(void) while(1) TR0=0; if(S1=0)/暂停音乐和换歌前暂停音乐 num=7; break; a=yanhuayileng_tonem; /取音符 s=yanhuayileng_beatm; /取节拍 tone1=yindiao2*a-2; /把音调的频率赋值给定时器 tone2=yindiao2*a-1; TR0=1; while(s-) shumaguan(); m+; if(m=50) /唱完后返回主程序，重新播放音乐 m=0; a=1; return; /数值是shengri相关表中的元素数量 void play6(void) while(1) TR0=0; if(S1=0)/暂停音乐和换歌前暂停音乐 num=7; break; a=aiqingzhuanyi_tonem; /取音