不是燕山大學(xué)的單片機(jī)課程設(shè)計(jì)PAGEPAGE4第一章概述在電子音樂領(lǐng)域，自從20世紀(jì)末期MIDI（樂器數(shù)字化接口）推出和逐步規(guī)范化后，各種樂器及眾多數(shù)碼音視頻產(chǎn)品中采用MIDI技術(shù)已逐漸成為一種潮流。但是當(dāng)前各廠商的電子琴產(chǎn)品通常使用自己設(shè)計(jì)的專用音源，并且軟硬件均不對外公開，阻礙了MIDI技術(shù)的交流。作者在開發(fā)基于MIDI模塊的音樂發(fā)生器的過程中，進(jìn)行了用單片機(jī)控制通用MIDI音源模塊的相關(guān)功能制作電子琴的實(shí)踐，制作出具有8個(gè)按鍵的MIDI電子琴，該琴支持單音和復(fù)音彈奏，單片機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的MIDI波特率傳送信息，通過串口連接蜂鳴器，從而獲得優(yōu)美的樂音。設(shè)計(jì)任務(wù)技術(shù)指標(biāo)本次設(shè)計(jì)提出了用89C51單片機(jī)為核心控制元件,設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的電子琴.本方案以89C51單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤、揚(yáng)聲器等模塊組成核心主控制模塊在主控模塊上設(shè)有16個(gè)按鍵和揚(yáng)聲器.根據(jù)使用者的操作隨意彈奏想要表達(dá)的音樂。一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當(dāng)然對于單片機(jī)來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號。利用所給鍵盤的1，2，3，4，5，6，7，8八個(gè)鍵，能夠發(fā)出8個(gè)不同的音調(diào)，并且要求按下按鍵發(fā)聲，松開延時(shí)一段時(shí)間停止，中間再按別的鍵則發(fā)另一音調(diào)的聲音。當(dāng)系統(tǒng)掃描到鍵盤上有鍵被按下，則快速檢測出是哪一個(gè)鍵被按下，然后單片機(jī)的定時(shí)器被啟動，發(fā)出一定頻率的脈沖，該頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動電路放大濾波后，就會發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)。如果在前一個(gè)按下的鍵發(fā)聲的同時(shí)有另一個(gè)鍵被按下，則啟用中斷系統(tǒng)，前面鍵的發(fā)音停止，轉(zhuǎn)到后按的鍵的發(fā)音程序，發(fā)出后按的鍵的音。第二章總體設(shè)計(jì)思想本系統(tǒng)采用單片機(jī)89C51為電子琴的控制核心，系統(tǒng)主要包括播放模塊、按鍵控制模塊。下面對各模塊的設(shè)計(jì)逐一進(jìn)行論證比較。2.1簡易電子琴基本原理播放模塊是喇叭構(gòu)成。它幾乎不存在噪聲，音響效果較好。而且由于所需驅(qū)動功率較小，且價(jià)格低廉，所以，被廣泛應(yīng)用。電子琴設(shè)有8個(gè)按鍵，其中7個(gè)作為音符輸入，另外1個(gè)作為模式轉(zhuǎn)換按鍵，實(shí)現(xiàn)用戶自彈作曲。7個(gè)按鍵分別代表7個(gè)音符，包括中音段的全部音符。通過軟硬件設(shè)計(jì)，模式轉(zhuǎn)換按鍵觸發(fā)外部中斷，中斷使程序跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，啟動電子琴。然后通過查詢電子琴所按下的按鍵，讀取電子琴輸入狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的程序人口，實(shí)現(xiàn)自編歌曲。當(dāng)需要取消電子琴編曲功能時(shí)，再次按下模式轉(zhuǎn)換按鍵引起外部中斷即可退出電子琴功能而返回原來按鍵播放處。2.2系統(tǒng)總框圖按鍵控制模塊播放模塊喇叭按鍵控制模塊播放模塊喇叭中心控制模塊AT89C51按鍵狀態(tài)按鍵狀態(tài)一、引言隨著人們生活水平的提高，如何實(shí)現(xiàn)家庭防盜這一問題也變的尤其的突出，傳統(tǒng)的機(jī)械鎖由于其構(gòu)造的簡單，被撬的事件屢見不鮮，電子鎖由于其保密性高，使用靈活性好，安全系數(shù)高，受到了廣大用戶的親呢。設(shè)計(jì)本課題時(shí)構(gòu)思了兩種方案：一種是用以AT89s51為核心的單片機(jī)控制方案；另一種是用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路控制方案。考慮到數(shù)字電路方案原理過于簡單，而且不能滿足現(xiàn)在的安全需求，所以本文采用前一種方案。二、方案論證與比較方案一：采用數(shù)字電路控制。其原理方框圖如圖1－1所示。圖2－1數(shù)字密碼鎖電路方案采用數(shù)字密碼鎖電路的好處就是設(shè)計(jì)簡單。用以74LS112雙JK觸發(fā)器構(gòu)成的數(shù)字邏輯電路作為密碼鎖的核心控制，共設(shè)了9個(gè)用戶輸入鍵，其中只有4個(gè)是有效的密碼按鍵，其它的都是干擾按鍵，若按下干擾鍵，鍵盤輸入電路自動清零，原先輸入的密碼無效，需要重新輸入；如果用戶輸入密碼的時(shí)間超過40秒（一般情況下，用戶不會超過40秒，若用戶覺得不便，還可以修改）電路將報(bào)警80秒，若電路連續(xù)報(bào)警三次，電路將鎖定鍵盤5分鐘，防止他人的非法操作。電路由兩大部分組成：密碼鎖電路和備用電源(UPS)，其中設(shè)置UPS電源是為了防止因?yàn)橥ｋ娫斐傻拿艽a鎖電路失效，使用戶免遭麻煩。密碼鎖電路包含：鍵盤輸入、密碼修改、密碼檢測、開鎖電路、執(zhí)行電路、報(bào)警電路、鍵盤輸入次數(shù)鎖定電路。方案二：采用一種是用以AT89S51為核心的單片機(jī)控制方案。利用單片機(jī)靈活的編程設(shè)計(jì)和豐富的IO端口，及其控制的準(zhǔn)確性，不但能實(shí)現(xiàn)基本的密碼鎖功能，還能添加調(diào)電存儲、聲光提示甚至添加遙控控制功能。其原理如圖1－2所示。89S51單片機(jī)89S51單片機(jī)矩陣鍵盤控制輸入錯(cuò)誤鎖定鍵盤輸入錯(cuò)誤鎖定鍵盤延時(shí)報(bào)警控制電路延時(shí)報(bào)警控制電路AT24C02掉電存儲開鎖控制電路AT24C02掉電存儲開鎖控制電路指示電路串口顯示電路指示電路串口顯示電路圖2－2單片機(jī)控制方案通過比較以上兩種方案，單片機(jī)方案有較大的活動空間，不但能實(shí)現(xiàn)所要求的功能而且能在很大的程度上擴(kuò)展功能，而且還可以方便的對系統(tǒng)進(jìn)行升級，所以我們采用后一種方案。三、電路的功能單元設(shè)計(jì)1．開鎖機(jī)構(gòu)通過單片機(jī)送給開鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電路驅(qū)動電磁鎖吸合，從而達(dá)到開鎖的目的。其原理如圖2－1所示。單片機(jī)微控制器單片機(jī)微控制器開鎖驅(qū)動電路電磁鎖密碼正確？Y返回N圖3－1密碼鎖開鎖機(jī)構(gòu)示意圖當(dāng)用戶輸入的密碼正確而且是在規(guī)定的時(shí)間（普通用戶要求在12s內(nèi)輸入正確的密碼，管理員要求在5s輸入正確的密碼）輸入的話，單片機(jī)便輸出開門信號，送到開鎖驅(qū)動電路，然后驅(qū)動電磁鎖，達(dá)到開門的目的。其實(shí)際電路如圖2－2所示。電路驅(qū)動和開鎖兩級組成。由D5、R1、T10組成驅(qū)動電路，其中T10可以選擇普通的小功率三極管如9014、9018都可以滿足要求。D5作為開鎖的提示；由D6、C24、T11組成。其中D6、C24是為了消除電磁鎖可能產(chǎn)生的反向高電壓以及可能產(chǎn)生的電磁干擾。T11可選用中功率的三極管如8050，電磁鎖的選用要視情況而定，但是吸合力要足夠且由一定的余量。在本次設(shè)計(jì)中，基于節(jié)省材料的原則，暫時(shí)用發(fā)光二極管代替電磁鎖，發(fā)光管亮，表示開鎖；滅，表示沒有開鎖。 圖3－2密碼鎖開鎖機(jī)構(gòu)電路圖2．按鍵電路設(shè)計(jì)由于設(shè)計(jì)要求使用矩陣鍵盤，所以本設(shè)計(jì)就采用行列式鍵盤，同時(shí)也能減少鍵盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的I/O線的數(shù)目，在按鍵比較多的時(shí)候，通常采用這樣方法。其原理如圖2－3所示。89s5189s51D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D105.1KX45.1KX4VCC圖3－3行列式鍵盤原理電路圖每一條水平（行線）與垂直線（列線）的交叉處不相通，而是通過一個(gè)按鍵來連通，利用這種行列式矩陣結(jié)構(gòu)只需要N條行線和M條列線，即可組成具有N×M個(gè)按鍵的鍵盤。在這種行列式矩陣鍵盤非鍵盤編碼的單片機(jī)系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行等待按鍵并確認(rèn)有無按鍵按下的程序段。當(dāng)確認(rèn)有按鍵按下后，下一步就要識別哪一個(gè)按鍵按下。對鍵的識別通常有兩種方法：一種是常用的逐行掃描查詢法；另一種是速度較快的線反轉(zhuǎn)法。對照圖2－3所示的44鍵盤，說明線反轉(zhuǎn)個(gè)工作原理。首先辨別鍵盤中有無鍵按下，有單片機(jī)I/O口向鍵盤送全掃描字，然后讀入行線狀態(tài)來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部列線置為低電平，然后將列線的電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會有一根行線電平被拉至低電平從而使行線不全為1。判斷鍵盤中哪一個(gè)鍵被按下使通過將列線逐列置低電平后，檢查行輸入狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。方法是：依次給列線送低電平，然后查所有行線狀態(tài)，如果全為1，則所按下的鍵不在此列；如果不全為1，則所按下的鍵必在此列，而且是在與零電平行線相交的交點(diǎn)上的那個(gè)鍵。按鍵的操作面板如圖圖2－3所示。共計(jì)數(shù)字鍵10個(gè)，功能鍵6個(gè)。鍵盤上還有3個(gè)指示燈和一個(gè)蜂鳴器。CLRCLR01EN69F448F337F226F1L1L2L3圖3－4按鍵操作面板示意圖10個(gè)數(shù)字鍵用來輸入密碼，另外6個(gè)功能鍵分別是：CLR、EN、F1、F2、F3、F4。其中CLR鍵的功能是當(dāng)輸入密碼錯(cuò)誤的時(shí)候，清除前面已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)，重新輸入。EN鍵的功能是確認(rèn)輸入的密碼。F1是管理模式切換鍵，當(dāng)用戶不小心三次輸入密碼都沒有正確，鍵盤被鎖定，這個(gè)時(shí)候就可以啟動管理模式，使用管理員的密碼來開門。F2是用來進(jìn)入修改密碼的狀態(tài)。F3用來關(guān)閉顯示器，一來可以節(jié)省電量，另外也可以防止不法分子偷窺密碼。F4用來作電鈴。上面的3個(gè)指示燈L1、L2、L3是用來指示操作的狀態(tài)：L1鎖定及輸入指示狀態(tài)燈，正常的情況下顯示紅色，當(dāng)鍵盤動作的時(shí)候，L1燈開始閃動，當(dāng)鍵盤處于鎖定狀態(tài)時(shí)，指示燈也顯示紅色。L2開門指示燈，當(dāng)用戶在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正確的輸入了密碼，此燈轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，表示開門，否則不顯示。L3是管理員狀態(tài)指示燈，當(dāng)按下F1后，指示燈自動點(diǎn)亮。面板上還有一個(gè)蜂鳴器，其中一個(gè)功能是用來指示操作的按鍵是否在成功的按下；另外一個(gè)功能是當(dāng)用戶輸入密碼錯(cuò)誤的次數(shù)超過了3次，鳴笛以示報(bào)警。3．顯示電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示電路是為了給使用者以提示而設(shè)置的。考慮到為了節(jié)約單片機(jī)的口資源，本系統(tǒng)的顯示采用串行顯示的方式，只使用單片機(jī)的兩個(gè)串行口，就可以完成單片機(jī)的顯示功能，顯示電路的電路原理圖如圖2－5所示。電路設(shè)定：當(dāng)程序檢測在5分鐘內(nèi)沒有按鍵操作的時(shí)候，就關(guān)閉顯示。這個(gè)功能使用程序來實(shí)現(xiàn)的，一旦沒有按鍵動作就啟動一個(gè)定時(shí)器，檢測在5分鐘內(nèi)沒有按鍵動作的時(shí)候，啟動一個(gè)程序，關(guān)閉顯示，這樣可以達(dá)到節(jié)省電能的目的。從單片機(jī)串口輸出的信號先送到左邊的移位寄存器（74HC164）,由于移位脈沖的作用，使數(shù)據(jù)向右移，達(dá)到顯示的目的。移位寄存器74HC164還兼作數(shù)碼管的驅(qū)動，插頭1（header1）接電源，插頭2（header2）接數(shù)據(jù)和脈沖輸出端。電路中的三個(gè)整流管D1~D3的作用是降低數(shù)碼管的工作電壓，增加其使用壽命。圖3－5顯示器原理圖顯示器主顯示幾個(gè)字符，給用戶提供指示見圖2－6所示。2--OFF--2--OFF--圖3－6a關(guān)閉狀態(tài)1--888--1--888--圖3－6b開鎖狀態(tài)圖3－6c密碼輸入及修改狀態(tài)SRERROSRERRO圖3－6d密碼輸入錯(cuò)誤后的提示--K--LOC--K--LOC圖3－6e密碼在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輸入錯(cuò)誤次數(shù)超過3次后的鎖定狀態(tài)4．AT24C02掉電存儲單元的設(shè)計(jì)掉電存儲單元的作用是在電源斷開的時(shí)候，存儲當(dāng)前設(shè)定的單價(jià)信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字節(jié)的電可擦除存儲芯片，采用兩線串行的總線和單片機(jī)通訊，電壓最低可以到2.5V，額定電流為1mA，靜態(tài)電流10Ua(5.5V)，芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存40年以上，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。其電路如圖2－5所示。圖3－7掉電存儲電路原理圖圖中R8、R10是上拉電阻，其作用是減少AT24C02的靜態(tài)功耗，由于AT24C02的數(shù)據(jù)線和地址線是復(fù)用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL（移位脈沖）和SDA（數(shù)據(jù)/地址）與單片機(jī)傳送數(shù)據(jù)。每當(dāng)設(shè)定一次單價(jià)，系統(tǒng)就自動調(diào)用存儲程序，將單價(jià)信息保存在芯片內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)重新上電的時(shí)候，自動調(diào)用讀存儲器程序，將存儲器內(nèi)的單價(jià)等信息，讀到緩存單元中，供主程序使用。5．密碼鎖的電源電路設(shè)計(jì)為了防止停電情況的發(fā)生，本電路后備了UPS電源，它包括市電供電電路，停電檢測電路，電子開關(guān)切換電路，蓄電池充電電路和蓄電池組成。電源電路圖如圖2－8所示。圖3－8市電供電電路220V市電通過變壓器降壓成12V的交流電,再經(jīng)過整流橋整流,7805穩(wěn)壓到5V送往電子切換電路，由于本電路功耗較少，所以選用10W的小型變壓器。由R8，R9，R6，R7及IC14構(gòu)成電壓比較器，正常情況下，V+<V-IC14輸出高電平，繼電器的常閉觸點(diǎn)和市電相連；當(dāng)市電斷開，V+>V-IC14輸出高電平，由T3，T4構(gòu)成的達(dá)林頓管使繼電器J開啟，將其常開觸電將蓄電池和電路相連，實(shí)現(xiàn)市電和蓄電池供電的切換，保證電子密碼鎖的正常工作（視電池容量而定持續(xù)時(shí)間）。其電路圖如下圖6所示：圖3－9停電檢測及電子開關(guān)切換電路T1，T2構(gòu)成的蓄電池自動充電電路，它在電池充滿后自動停止充電，其中D1亮為正在充電，D2為工作指示。由R4，R5，T1構(gòu)成電壓檢測電路，蓄電池電壓低，則T1，T2導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)對其充電；充滿后，T1，T2截止，停止充電，同時(shí)D1熄滅，電路中C4的作用是濾除干擾信號。其電路圖如圖7所示：圖3－10蓄電池自動充電電路6．設(shè)計(jì)總框圖矩陣鍵盤矩陣鍵盤控制89S51單片機(jī)輸入錯(cuò)誤鎖定鍵盤輸入錯(cuò)誤鎖定鍵盤電源電路及UPS電路延時(shí)報(bào)警控制電路電源電路及UPS電路延時(shí)報(bào)警控制電路AT24C02掉電存儲開鎖控制電路AT24C02掉電存儲開鎖控制電路指示電路串口顯示電路指示電路串口顯示電路圖3－11總體設(shè)計(jì)框圖7．設(shè)計(jì)總體電路圖圖3－12總體電路圖四、程序設(shè)計(jì)1．模塊介紹該計(jì)程計(jì)價(jià)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)模塊：(1)主程序模塊主程序主要完成初始化、設(shè)置中斷向量、檢查有無按鍵按下、以及調(diào)用顯示等等。主程序的流程圖如下所示。(2)鍵盤掃描及識別子程序鍵盤采用查詢的方式，放在主程序中，當(dāng)沒有按鍵按下的時(shí)候，單片機(jī)循環(huán)主程序，一旦有按鍵按下，便轉(zhuǎn)向相應(yīng)的子程序處理，處理結(jié)束再返回。其程序流程如圖所示.(3)調(diào)電存儲服務(wù)程序當(dāng)比較密碼的時(shí)候，需要讀AT24C02程序，將存儲在芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)讀到RAM中，然后和輸入的密碼相比較。當(dāng)修改密碼的時(shí)候，需要把輸入的密碼保存到AT24C02中，其程序流程如圖所示.(4)顯示子程序由于是分屏顯示數(shù)據(jù)，所以就要用到5個(gè)顯示子程序，分別是：關(guān)閉狀態(tài)顯示子程序（DIS_A）、開鎖狀態(tài)顯示子程序（DIS_B）、密碼輸入及修改狀態(tài)顯示子程序(DIS_C)、密碼輸入錯(cuò)誤后的提示子程序(DIS_D)。密碼在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)輸