基于C51单片机矩阵键盘控制蜂鸣器的应用

学校代码10126学号科研创新训练论文题目基于C51单片机的蜂鸣器和流水灯的应用院系内蒙古大学鄂尔多斯学院专业名称自动化年级2013级学生姓名高乐指导教师高乐奇2015年06月20日基于C51单片机的蜂鸣器和流水灯的应用摘要当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。本文介绍了单片机的发展及应用，和基于单片机的蜂鸣器和流水灯的知识及应用，还介绍了此次我所设计的课题。关键词C51单片机，控制系统，流水灯，蜂鸣器，程序设计THEAPPLICATIONOFBUZZERANDFLOWINGWATERLIGHTBASEDONC51MCUAUTHORGAOLETUTORGAOLEQIABSTRACTTHISAGEISANEWTECHNOLOGYEMERGEINENDLESSLYERA,INTHEELECTRONICFIELDESPECIALLYAUTOMATIONINTELLIGENTCONTROLFIELD,THETRADITIONALSCHISMCOMPONENTSORDIGITALLOGICCIRCUIT,ISCOMPOSEDOFCONTROLSYSTEMWITHUNPRECEDENTEDSPEEDWASREPLACEDBYMICROCONTROLLERINTELLIGENTCONTROLSYSTEMSCMHASSMALL,STRONGFUNCTION,LOWCOST,ETC,ITCANBESAIDTHATWIDEAPPLICATION,INTELLIGENTCONTROLANDAUTOMATICCONTROLCOREISTHEMICROCONTROLLERTHISARTICLEINTRODUCESTHEMCUDEVELOPMENTANDAPPLICATION,THEKNOWLEDGEANDAPPLICATIONOFBUZZERANDFLOWINGWATERLIGHTBASEDONMCU,THENINTRODUCESTHETASKIHAVEDESIGNEDTHISTIMEKEYWORDC51MICROCONTROLLER,CONTROLSYSTEM,FLOWINGWATERLIGHT,BUZZER,PROGRAMMING目录第一章绪论第二章概述21什么是单片机22单片机的发展23单片机的应用第三章硬件31单片机流水灯电路原理图及工作原理32单片机蜂鸣器电路原理图及工作原理33STC51单片机的硬件结构第四章单片机应用系统的软件设计第五章结论致谢参考文献附录内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第1页第一章绪论在单片机的应用过程中，单片机只是应用系统的一个核心部件，为把单片机系统应用于不同的领域，只掌握单片机的基础知识是远远不够的，要想构成一个完善的应用系统，还要熟悉执行机构及硬件接口电路的应用特性，同时，还应该掌握系统的结构布局、印刷电路板的结构布局及软件的设计技巧这些书本上学不到的知识，因此为设计出完善的应用系统，必须在实际工作中勤于实践，逐步积累这方面的经验。当今时代是一个新技术层出不穷的时代，在电子领域尤其是自动化智能控制领域，传统的分立元件或数字逻辑电路构成的控制系统，正以前所未见的速度被单片机智能控制系统所取代。单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。目前，一个学习与应用单片机的高潮正在工厂、学校及企事业单位大规模地兴起。学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，介绍了其软件编程方法。电子技术课程设计是电子技术课程的实践性环节，是对所学的电子技术基本理论知识的综合运用。课程设计是根据某一课题技术指标或逻辑功能的要求，进行电路的独立设计，实验安装和调试，在实验板上进行电子产品的制作和写出实验总结报告。根据这次课程设计的内容和要求，我首先进行了整体方案的构思，通过在图书馆和上网查阅资料，并分析和比较，选取了一种简单而且可行性高的方案。此方案主要由延时电路、定时计数电路、主控电路、程序译码驱动电路等组成。通过查阅有关书籍、上网和综合已学机以及电子技术的知识，并考虑到电路的工作稳定性，设计成本低，电路简单，功耗低等因素，同时还留有余地用于电路的功能扩展，鉴于此选用了比较常见的元器件来构成各单元电路，选取所须的元件后，对各电路元件的参数进行了计算，然后进实验室进行电路的安装和调试。经过几天紧张的电路安装和调试，期间还进行了部分方案的的单片修改和改进，实现了课程设计的主要任务和具体要求。内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第2页第二章概述21什么是单片机单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成（如图1所示）。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上22单片机的发展单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器CPUCENTRALPROCESSINGUNIT、随机存储器RAMRANDOMACCESSMEMORY、只读存储器ROMREADONLYMEMORY、中断系统、定时/计数器和多种I/O口（INPUT/OUTPUTPORTS）的一个不带外部设备的微型计算机。它具有计算机的基本属性，所以可以称它为单片微型计算机SINGLECHIPMICROCOMPUTER，简称单片机。1976年INTEL公司推出了第一代8位单片机的代表产品MCS48系列单片机8048，它将CPU、串行口、定时器和128BRAM集成在一块芯片内，使用的是NMOS工艺。在MCS48成功的刺激下，出现了第二代单片机产品。在第二代单片机中，INTELMCS51进入中国市场最早，过渡到CMOS工艺的80C51要迟一些。1983年INTEL公司推出的MCS96系列单片机就是其中的典型代表之一。23单片机的应用在生产和生活的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第3页出现。单片机的应用有利于产品小型化、多功能化和智能化，而且抗干扰能力强，可在各种恶劣的环境下可靠的工作，成本也较低。所以单片机的应用已极为广泛，它在工业自动化、工业测控、智能仪器仪表、家用电器、信息与通信、军事装备等方面都在发挥着“微电脑控制”的作用。较高档的单片机都有通信接口，因而为单片机在计算机网络与通信设备中的应用创造了很好的条件。在微波通信、短波通信、载波通信、光纤通信和程控交换等设备、仪器中都能找到单片机的应用，如通信系统中的监控、自适应控制系统，频率合成，声像处理，数字滤波，自动拨号无线电话网，自动呼叫应答设备及程控调度电话分机等。内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第4页第三章硬件31单片机流水灯电路原理图及工作原理按照单片机系统扩展与系统配置状况，单片机应用系统可分为最小系统、最小功耗系统及典型系统等。AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，具有丰富的内部资源4KB闪存、128BRAM、32根I/O口线、2个16位定时/计数器、5个向量两级中断结构、2个全双工的串行口，具有425550V的电压工作范围和024MHZ工作频率，使用AT89C51单片机时无须外扩存储器。因此，本流水灯实际上就是一个带有八个发光二极管的单片机最小应用系统，即为由AT89C51单片机、7407单片机、电阻、发光二极管、晶振、复位、电源等电路和必要的软件组成的单个单片机。其具体的电路原理图组成如下所示单片机流水灯的电路原理图从原理图中可以看出，如果要让接在P10口的LED1亮起来，那么只要把P10口的电平变为高电平就可以了；相反，如果要接在P10口的LED1熄灭，就要把P10口的电平变为低电平；同理，接在P11P17口的其他7个LED的点亮和熄灭的方法同LED1。因此，要实现流水灯功能，我们只要将发光二内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第5页极管LED1LED8依次点亮、熄灭，8只LED灯便会一亮一暗的做流水灯了。在此我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们在控制二极管灯亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到“流水”效果了。32单片机蜂鸣器电路原理图及工作原理电磁式蜂鸣器的结构原理电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。33STC51单片机的硬件结构89C51单片机主要特性与MCS51兼容4K字节可编程闪烁存储器全静态工作0HZ24HZ三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路STC51系列单片机的内部结构框图如下图所示内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第6页从上图可知，它主要由8个部件通过片内总线连接而成。部件有中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、并行输入/输出口、串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。STC51单片机的封装有两种形式，一种是双列直插式（DIP）封装的形式，另一种是方形封装形式。HMOS工艺的8051单片机采用40引脚的DIP封装，而CHMOS工艺的单片机除采用DIP封装外，还采用方形封装形式，其中4个NC为空引脚。采用40引脚DIP封装的8051单片机引脚排列如图1所示。8051单片机是高性能的单片机，由于受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有两种功能，我们用斜线加以区分。单片机的管脚除了电源端VCC、接地端VSS、复位端RST、晶振接入端的内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第7页XTAL1、XTAL2及通用I/O口的P10P17外，其于的管脚都是为现实系统扩展而设置的。用这些管脚可构成单片机的三总线形式。它们分别是地址总线、数据总线和控制总线。CPU由运算器、控制器和若干特殊功能寄存器（如累加器A、寄存器B、程序状态字寄存器PSW、数据指针寄存DPTR等）组成。运算器包括算术逻辑运算部件ALU、位处理器、累加器A、寄存器B、暂存寄存器几程序状态字寄存器PSW等。控制器是单片机的神经中枢，它是指挥控制部件。所谓程序，就是为了完成某项工作将一系列指令有序的组合，而指令则是要求单片机执行某种操作的命令。指令分为操作码和地址码两个部分，操作码部分规定了单片机操作类型，而地址码部分一般是直接或间接地给出了参与操作的数据的存放地址，所以地址码也可以直接称之为操作数。STC51单片机存储器可分为五类，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器、特殊功能存储器和片外数据存储器。STC51单片机存储器的地址空间可分为3个，在访问这3个不同的地址空间时，采用不同形式的指令。STC51单片机存储器结构有两个重要的特点一是把数据存储器和程序存储器截然分开；二是存储器有内、外只分。80C51单片机有四个8位的双向输入/输出端口，每个端口均可按字节输入、输出，也可按位进行输入、输出，一个端口占8个引脚，共占32个引脚。在每个端口中都包括有一个锁存器、一个输出驱动器和输入缓冲器。通常把四个端口笼统地表示为P0、P1、P2、P3。内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第8页第四章单片机应用系统的软件设计软件设计是应用系统研制中工作量最大最重要也是最困难的任务，它可以分为两部分一是用于管理单片机系统工作的监控管理程序；二是用于执行完成实际具体任务的功能程序。而功能程序通常应包括数据采集和处理程序、控制算法实现程序、人机联系程序和数据管理程序。监控程序是控制单片机系统按预定操作方式运转的程序，它的任务是1在系统投入运行的最初时刻，应对系统进行自检和初始化。当用户操作键盘时，必须对键盘操作进行解释，调用相应的功能模块，完成预定的任务，并通过显示等方式给出执行的结果，即完成处理键盘命令的任务。2对于具有遥控通信接口的单片机系统，监控程序还应包括通信解释程序，即具有处理接口命令的功能。3单片机系统在运行时也能被某些预定的条件触发而完成规定的操作，这类条件中有定时信号、外部触发信号等，监控程序也应考虑处理条件触发并完成显示的功能。其中本人所设计的程序要求为让蜂鸣器在第1秒响一下，第二秒响两下，第三秒响三下直到最后响声连成一片听不出间隔，伴随着流水灯同蜂鸣器有节奏的一直闪烁，然后以此为循环继续下去，后续附录里给出了程序。内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第9页第五章结论通过这次设计我主要了解了单片机控制流水灯和蜂鸣器的工作原理，使我认识到了单片机的重要性。在设计中，我们可以写出各种各样的程序，使实验现象看起来更加漂亮。在这次设计中，不但使我学到了许多理论上的知识，而且还提高了我的动手实践能力。撰写论文时首先要做的就是对资料的收集，它们主要来自于一些参考文献和元器件功能的介绍。下一步就是把资料组织成一篇具有逻辑的文章，从整个论文的撰写中，使我学会了对资料的组织能力。内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第10页致谢在这大学两年的生活里,要谢谢学校以及老师们的教育培养，在老师的细心教导下，我学到了很多的知识。这次设计能够完成离不开老师指教和同学的合作，首先我要感谢我们的指导老师高乐奇老师，您能够在百忙之中给我指导，耐心解答我的疑难问题如果没有你的教导我是很难做出来这个设计的。比如电路的分析、元件的选购、调试等，都是离不开您的耐心的教导。最后，我向所有关心过我，支持过我的老师，同学以及朋友表示由衷的感谢。解，这次设计使我受益匪浅。内蒙古大学鄂尔多斯学院13级自动化专业科研创新训练论文第11页参考文献1徐煜明，韩雁单片机原理及接口技术M北京电子工业出版社，200512万光毅，严义，邢春香单片机实验与实践教程M北京北京航空航天大学出版社，200643例说51单片机（C语言版）人民邮电出版社张义和等编著4单片机原理及接口技术清华大学出版社北京交通大学出版社梅丽凤等551单片机应用从零开始清华大学社杨欣王玉凤刘湘黔编著651单片机应用系统