基于单片机的音乐发生器设计_毕业设计(编辑修改稿)

基于单片机的音乐发生器设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

部程序存储器时， P0 口输出低 8 位地址信息后，将变为数据总线，以便读指令码（输入）。 在取指令期间， “ 控制 ” 信号为 “0” ， V1 管截止，多路开关也跟着 转向锁存器反相输出端 Q非； CPU 自动将 0FFH（ 11111111，即向 D锁存器写入一个高电平 ‘1’ ）写入 P0口锁存器，使 V2 管截止，在读引脚信号控制下，通过读引脚三态门电路将指令码读到内部总线，这个过程和 I/O读引脚过程是一样的。 在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。 例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器 Q＝ 0， Q 非＝ 1，场效应管 T2 开通，端口线呈低电平状态。 此时无论端口线上外接的信号是低电乎还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。 又 如，当从内部总线输出高电平后，锁存器 Q＝ 1， Q非＝ 0，场效应管 T2截止。 如外接引脚信号为低电平，从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。 为此，8031 单片机在对端口 P0P3 的输入操作上，有如下约定：凡属于读 修改 写方式的指令，从锁存器读入信号，其它指令则从端口引脚线上读入信号。 读 修改 写指令的特点是，从端口输入 (读 )信号，在单片机内加以运算 (修改 )后，再输出(写 )到该端口上。 这样安排的原因在于读 修改 写指令需要得到端口原输出的状态，修改后再输出，读锁存器而不是读引脚，可以避免因外部电路的原因而 使原端口的状态被读错。 当 P0 作为地址 /数据总线使用时，在读指令码或输入数据前，CPU自动向 P0 口锁存器写入 0FFH，破坏了 P0 口原来的状态。 因此，不能再作为通用的 I/O 端口。 在系统设计时务必注意，即程序中不能再含有以 P0 口作为操作数（包含源操作数和目的操作数）的指令。 11 P1端口的结构及工作原理 P1 端口与 P0端口的主要差别在于， P1 端口用内部上拉电阻 R代替了 P0 端口的场效应管 T1，并且输出的信息仅来自内部总线。 由内部总线输出的数据经锁存器反相和场效应管反相后，锁存在端口线上，所以， P1 端口是具有 输出锁存的静态口。 要正确地从引脚上读入外部信息，必须先使场效应管关断，以便由外部输入的信息确定引脚的状态。 为此，在作引脚读入前，必须先对该端口写入l。 具有这种操作特点的输入 /输出端口，称为准双向 I/O口。 8051 单片机的 PP P3 都是准双向口。 P0 端口由于输出有三态功能，输入前，端口线已处于高阻态，无需先写入 l 后再作读操作。 单片机复位后，各个端口已自动地被写入了1，此时，可直接作输入操作。 如果在应用端口的过程中，已向 P1P3 端口线输出过 0，则再要输入时，必须先写 1后再读引脚，才能得到正确的信息。 此外 ，随输入指令的不同， P1端口也有读锁存器与读引脚之分。 P2端口的结构及工作原理 P2 端口在片内既有上拉电阻，又有切换开关 MUX，所以 P2 端口在功能上兼有 P0 端口和 P1 端口的特点。 这主要表现在输出功能上，当切换开关向下接通时，从内部总线输出的一位数据经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上；当多路开关向上时，输出的一位地址信号也经反相器和场效应管反相后，输出在端口引脚线上。 对于 8031 单片机必须外接程序存储器才能构成应用电路（或者我们的应用电路扩展了外部存储器），而 P2 端口就是用来 周期性地输出从外存中取指令的地址 (高 8 位地址 )，因此， P2 端口的多路开关总是在进行切换，分时地输出从内部总线来的数据和从地址信号线上来的地址。 因此 P2 端口是动态的 I/O 端口。 输出数据虽被锁存，但不是稳定地出现在端口线上。 其实，这里输出的数据往往也是一种地址，只不过是外部 RAM 的高 8位地址。 在输入功能方面， P2 端口与 P0 和 H端口相同，有读引脚和读锁存器之分，并且 P2 端口也是准双向口。 可见， P2 端口的主要特点包括： 1） 不能输出静态的数据； 12 2） 自身输出外部程序存储器的 高 8位地址； 3） 执行 MOVX 指令时，还输出外部 RAM 的高位地址，故称 P2端口为动态地址端口。 P2 作为 I/O 端口使用时的工作过程 ： 当没有外部程序存储器或虽然有外部数据存储器，但容易不大于 256B，即不需要高 8 位地址时（在这种情况下，不能通过数据地址寄存器 DPTR 读写外部数据存储器）， P2口可以 I/O 口使用。 这时，控制信号为 “0” ，多路开关转向锁存器同相输出端 Q，输出信号经内部总线 → 锁存器同相输出端 Q→ 反相器 →V2 管栅极 →V2 管 9漏极输出。 由于 V2漏极带有上拉电阻，可以提供一定的上拉电流，负载能力 约为 8 个 TTL 与非门；作为输出口前，同样需要向锁存器写入 “1” ，使反相器输出低电平， V2 管截止，即引脚悬空时为高电平，防止引脚被钳位在低电平。 读引脚有效后，输入信息经读引脚三态门电路到内部数据总线。 P2 作为地址总线使用时的工作过 程： P2 口作为地址总线时， “ 控制 ” 信号为 ‘1’ ，多路开关车向地址线（即向上接通），地址信息经反相器 →V2 管栅极→ 漏极输出。 由于 P2 口输出高 8 位地址，与 P0 口不同，无须分时使用，因此P2口上的地址信息（程序存储器上的 A15~A8）功数据地址寄存器高 8 位 DPH 保存时间长，无须锁存。 P3端口的结构及工作原理 P3 口是一个多功能口，它除了可以作为 I/O 口外，还具有第二功能 P3端口和 Pl 端口的结构相似，区别仅在于 P3 端口的各端口线有两种功能选择。 当处于第一功能时，第二输出功能线为 1，此时，内部总线信号经锁存器和场效应管输入 /输出，其作用与 P1端口作用相同，也是静态准双向 I/O 端口。 当处于第二功能时，锁存器输出 1，通过第二输出功能线输出特定的内含信号，在输入方面，即可以通过缓冲器读入引脚信号，还可以通过替代输入功能读入片内的特定第二功能信号。 由于输出信号锁存并且有双重功能，故 P3 端 口为静态双功能端口。 使 P3 端 口 各线处于第二功能的条件是 : 1） 串行 I/O 处于运行状态 (RXD,TXD)。 2） 打开了处部中断 (INT0,INT1)。 3） 定时器 /计数器处于外部计数状态 (T0,T1) 13 4） 执行读写外部 RAM 的指令 (RD,WR) 在应用中 ,如不设定 P3端口各位的第二功能 ,则 P3端口线自动处于第一功能状态，也就是静态 I／ O 端口的工作状态。 在更多的场合是根据应用的需要，把几条端口线设置为第二功能，而另外几条端口线处于第一功能运行状态。 在这种情况下，不宜对 P3 端口作字节操作，需采用位操作的形式。 驱动能力 P0 端口能驱动 8个 LSTTL 负载。 如需增加负载能力，可在 P0总线上增加总线驱动器。 P1， P2， P3 端口各能驱动 4 个 LSTTL 负载。 由于 P0P3 端口已映射成特殊功能寄存器中的 P0P3 端口寄存器，所以对这些端口寄存器的读／写就实现了信息从相应端口的输入／输出。 3 系统总体方案介绍 系统组成框图 音乐盒的系统结构以 STC89C51 单片机位控制核心，加上 2 个按键、时钟复位电路、蜂鸣器、 LED 模块组成。 单片机负责接收按键的输入，根据输入控制音乐播放曲目和音乐花样灯的显示样式以及蜂鸣 器发音。 系统组成框图如图 所示。 图 系统组成框图 14 音乐发生器的功能结构图 音乐盒的功能结构如图 所示。 Key1 负责切换播放歌曲，播放歌曲共 2首，分别是挥着翅膀的女孩和寂寞沙洲冷。 Key2 负责切换 LED 显示花样，显示花样共 3种，第一种顺序显示，第二种由两边向中间移动然后向两边移动，第三种循环显示。 图 音乐盒功能结构图 主要设计软件介绍 本设计利用 KEIL 编程软件对音乐盒源程序进行编程并调试，配合 PROTEUS仿真软件对硬件进行仿真调试，两种软件的简介如下： PROTEUS 软件简介 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。 它不仅具有其它 EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。 它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。 虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus 是世界上著名的EDA工具 (仿真软件 )，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到 PCB 设计，真正 实现了从概念到产品的完整设计。 是目前世界上唯一将电路仿真软件、 PCB 设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持 805 HC1 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC3 AVR、 ARM、 8086 和MSP430 等， 2020 年即将增加 Cortex 和 DSP 系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。 在编译方面，它也支持 IAR、 Keil 和 MPLAB 等多种编译器。 KEIL 简介 15 单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为 CPU 可以执行的机器 码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。 机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于 MCS51 单片机的汇编软件有早期的 A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展， Keil 软件是目前最流行开发 MCS51 系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持 Keil 即可看出。 Keil 提供了包括 C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（ uVision）将这些部份组合在一起。 运行 Keil 软件需要Pentium 或以上的 CPU， 16MB 或更多 RAM、 20M 以上空闲的硬盘空间、 WIN9 NT、WIN20 WINXP 等操作系统。 掌握这一软件的使用对于使用 51 系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用 C 语言编程，那么 Keil 几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用 C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。 Keil C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。 在开发大型软件时更能体现高级语 言的优势。 16 4 硬件设计 总体设计框图 图 各部分硬件设计及其原理 STC89C51 简介 STC89C51是一种带 4K字节闪存 的低电压高性能的 可编程可擦除只读存储器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory），俗称单片机。 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。 该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51 指令集和输出管脚相兼容。 由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， STC89C51是一种高效微控制器。 STC89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 外形及引脚排列如图 所示 ： 17 图 STC89C51系列单片机 LED 显示电路设计与原理 LED 显示电路是由 8 个 LED 发光二极管组成，连接方式为共阳极， LED 接到单片机的 P1 口，若为低电平，可使 LED 亮起。 发光二极管的亮、灭由内部程序控制， 8个 LED 发光二极管分别对应不同的音阶，所以 LED 会随着音阶的变化按规律亮、灭。 时钟振荡电路 STC89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自然振荡器。 外接石英晶体及电容 C C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。 对外接电容 C1， C2 虽然没有什么严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。 如果使用石英晶体，我们推荐电容使用 30PF 18 10PF，而如果使用陶瓷振荡器建议选择 40PF 10PF。 用户也可以采用外部时钟。 采用外部时钟的电路如图示。 这种情况下，外部时钟脉冲接到 XTAL1 端，即内部时钟发生器的输入端， XTAL2 则悬空。 由于外部时钟信号是通过一个 2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。 振荡器电路图如下： 图 单片机内部、外部振荡电路 硬件电路图及功能。