基于單片機(jī)的激光豎琴設(shè)計(jì).doc

本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)基于MCU的簡(jiǎn)易激光電子琴設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Design And Implementation OfThe Simple Laser Electronic OrganBased On MCU教學(xué)單位 _ XXXXXXXXXXX _姓 名 _ XXX _ _學(xué) 號(hào) _XXXXXXXXXXXX _年 級(jí) _ XXXXXX_ _專(zhuān) 業(yè) _ XXX_ _指導(dǎo)教師 _ XXX_ _職 稱(chēng) _ _XXX_ _2012 年 04 月目 錄摘 要IABSTRACTII第一章 引 言11.1 課題背景11.2 研究目的及意義1第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案論證22.1 總體設(shè)計(jì)方案22.2 設(shè)計(jì)方案的論證及選擇22.2.1 主控制系統(tǒng)22.2.2 傳感器系統(tǒng)42.2.3 發(fā)聲系統(tǒng)52.2.4 電源系統(tǒng)6第三章 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)83.1 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路83.2 外觀設(shè)計(jì)元素83.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9第四章 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)104.1 硬件設(shè)計(jì)方案104.2 各模塊電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)104.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)104.2.2 激光發(fā)射模塊134.2.3 激光接收模塊144.2.4 音響發(fā)聲模塊14第五章 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)165.1 軟件設(shè)計(jì)方案165.2 各模塊程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)175.2.1 硬件資源配置175.2.2 端口信號(hào)檢測(cè)195.2.3 數(shù)據(jù)處理195.3 軟件開(kāi)發(fā)工具介紹19第六章 軟件仿真調(diào)試216.1 仿真軟件介紹216.1.1 Protues的功能特點(diǎn)216.1.2 Protues各功能模塊特點(diǎn)216.1.3 Protues仿真的意義236.2 Protues仿真方案設(shè)計(jì)236.3 Protues電路仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)246.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)仿真電路246.3.2 獨(dú)立按鍵和虛擬儀器仿真電路設(shè)計(jì)256.3.3 仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)方案可行性分析25第七章 總結(jié)和展望28參考文獻(xiàn)29附 錄I附錄A 硬件電路原理圖I附錄B 硬件電路PCBVI附錄C 程序流程圖VIII附錄D 程序源代碼IX附錄E 實(shí)物圖XI致 謝I摘 要本文提出了一個(gè)基于8051內(nèi)核單片機(jī)的激光電子琴的設(shè)計(jì)方案。從原理介紹到實(shí)物實(shí)現(xiàn)，從硬件設(shè)計(jì)到軟件調(diào)試等都做了詳盡的介紹。該系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上以宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52RC型單片機(jī)為核心控制芯片，基于8051內(nèi)核單片機(jī)最小系統(tǒng)，以半導(dǎo)體激光發(fā)射管和接收管為傳感器，利用半導(dǎo)體激光發(fā)射管發(fā)出的光束模擬電子琴的琴弦，控制芯片對(duì)接收管電路輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集和處理，實(shí)現(xiàn)中音區(qū)八音階穩(wěn)定發(fā)音。在軟件設(shè)計(jì)上，我們采用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序源代碼。此外，在系統(tǒng)的外觀結(jié)構(gòu)上我們采用強(qiáng)度較低的PVC工業(yè)塑料和強(qiáng)度較高的輕質(zhì)合金片搭配設(shè)計(jì)制作，既保證了外觀上的美觀性又確保了結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性。我們?cè)谙到y(tǒng)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先，基于澳大利亞Altium公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件Altium Designer 6進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)。然后，基于美國(guó)Keil Software公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境uVision3進(jìn)行軟件結(jié)構(gòu)和程序流程圖的設(shè)計(jì)，并以C語(yǔ)言編寫(xiě)源程序代碼。接著，基于英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的EDA工具軟件Protues 7進(jìn)行從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路的協(xié)同仿真調(diào)試。最后，基于Altium Designer 6軟件，結(jié)合所設(shè)計(jì)的電路原理圖進(jìn)行PCB Layout設(shè)計(jì)，并根據(jù)所設(shè)計(jì)PCB電路板的尺寸、形狀進(jìn)行產(chǎn)品外觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法更大程度上體現(xiàn)了靈活性、美觀性和創(chuàng)新性。在功能上擁有較高的可移植性和擴(kuò)展性，方便用戶(hù)根據(jù)自己的需求和愛(ài)好擴(kuò)展新的功能?！娟P(guān)鍵字】：電子琴 單片機(jī) 軟件仿真 PCBABSTRACTIn this paper, a laser Electronic Organ design method based on 8051 microcontroller core . Principle to the physical implementation , from hardware design to software debugging and so do the detail.The system hardware design in order to the macro crystal production STC89C52RC type microcontroller as the core control chip , the smallest single-chip system based on the 8051 core semiconductor laser launch tube and receiver tube for the sensor , the use of semiconductor laser emission the tube beam emitted analog keyboard piano string , the control chip the receiver tube circuit output digital signal acquisition and processing, to achieve the tenor octave stability in pronunciation . In software design , we are . In addition, the appearance of the structure of the system , we use the lower strength PVC industrial plastics and high strength light alloy film with design , both to ensure the aesthetics and appearance to ensure the stability of the structure .In the complete design process from concept to product , first , the development and design of computer-aided design software based on Altium Australia - Altium Designer schematic circuit design . Then, based on integrated development environment - uVision2 , United States Keil Software development and design of software architecture design and program flow chart , and C language source code . Then, the design and development of British Labcenter company Electronics EDA software - Based on Protues 7 from the schematic layout, debugging code to collaborative simulation debugging MCU and peripheral circuit. Finally, based on the Altium Designer 6 software, combined with the circuit diagram designed by PCB Layout design, and design and manufacture of the appearance of the product structure according to the design of the PCB circuit board size, shape.The system is designed to a greater extent reflects the flexibility , aesthetics and innovation . High portability and scalability , user-friendly function to extend the functionality according to their needs and preferences.【Keywords】: Electronic Organ MCU Software simulation PCB第一章 引 言1.1 課題背景科技的飛速發(fā)展使得人類(lèi)生活日益變得豐富多彩。電子琴是現(xiàn)代電子科技與人類(lèi)對(duì)音樂(lè)訴求完美結(jié)合的產(chǎn)物。MCU(Micro Control Unit)中文名稱(chēng)為微控制單元，又稱(chēng)單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)或者單片機(jī)。單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)，但發(fā)展十分迅猛。它的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，自1971年美國(guó)Intel公司首先推出4位微處理器以來(lái)，它的發(fā)展到目前為止大致經(jīng)歷了以下五個(gè)階段：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)展的初級(jí)階段、低性能單片機(jī)階段、高性能單片機(jī)階段、16位單片機(jī)階段、單片機(jī)在集成度等全方位向更高水平發(fā)展階段。單片機(jī)可以構(gòu)成單機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)?，F(xiàn)在已經(jīng)逐步應(yīng)用到測(cè)控系統(tǒng)、智能儀表、機(jī)電一體化產(chǎn)品、智能接口、智能民用產(chǎn)品、功能集散系統(tǒng)、并行多機(jī)控制系統(tǒng)、局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等各個(gè)領(lǐng)域。相信隨著單片機(jī)性能的不斷提高，它的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。1.2 研究目的及意義基于MCU的簡(jiǎn)易激光電子琴設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)這一課題是單片機(jī)在單機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)學(xué)習(xí)中的一典型應(yīng)用。整個(gè)系統(tǒng)涉及到電路分析、數(shù)字電路、模擬電路、傳感器原理及應(yīng)用、C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等方面，基本上囊括了本科階段所學(xué)的主要課程。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單，但表現(xiàn)形式豐富，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是一個(gè)從理論學(xué)習(xí)到實(shí)踐應(yīng)用的完整體現(xiàn)，既可以充分鞏固所學(xué)可課程內(nèi)容，又鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，拓寬了視野，提升了參與到學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)中的興趣，更重要的是可以提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，在高校單片機(jī)課程中這一課題是極好的選擇。該系統(tǒng)可以進(jìn)行單片機(jī)相關(guān)功能的擴(kuò)展，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)中音區(qū)、八音符的準(zhǔn)確發(fā)音。其商品化設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)或正在出現(xiàn)基于該設(shè)計(jì)技術(shù)的電子琴、電子吉他等產(chǎn)品。隨著單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及工業(yè)生產(chǎn)工藝的提高，基于該設(shè)計(jì)技術(shù)的電子產(chǎn)品會(huì)更加豐富多彩的走入人類(lèi)的生活。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及方案論證2.1 總體設(shè)計(jì)方案我們所設(shè)計(jì)的電子琴共分為四大系統(tǒng)：主控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、發(fā)聲系統(tǒng)、電源系統(tǒng)（如圖2.1所示）。電源系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)主控制系統(tǒng)發(fā)聲 系統(tǒng)圖2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖傳感器系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)唯一的數(shù)據(jù)采集部分起著至關(guān)重要的作用，它將完成系統(tǒng)對(duì)外部觸發(fā)信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換，其輸入給單片機(jī)數(shù)據(jù)端口的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確將直接決定整個(gè)系統(tǒng)是否能正常工作；主控制系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，好比是人的大腦，時(shí)刻控制著各個(gè)系統(tǒng)有序、穩(wěn)定地運(yùn)行；發(fā)聲系統(tǒng)接收來(lái)自主控制系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將主控制系統(tǒng)發(fā)送來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為人耳可聽(tīng)的聲音信號(hào)；電源系統(tǒng)猶如人的心臟，負(fù)責(zé)向整個(gè)系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的電源，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)完成之后，我們接下來(lái)將對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)提出的不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析論證，以選定最佳的設(shè)計(jì)方案。2.2 設(shè)計(jì)方案的論證及選擇我們依次對(duì)主控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、發(fā)聲系統(tǒng)、電源系統(tǒng)作出性能需求分析，并就分析結(jié)果提出不同的解決方案，然后從中論證出最佳的設(shè)計(jì)方案。2.2.1 主控制系統(tǒng)主控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)控制其他子模塊穩(wěn)定工作。綜合分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)我們知道，主控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收來(lái)自傳感器系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)主控制芯片對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)字信號(hào)輸出給發(fā)聲系統(tǒng)，也就是說(shuō)主控制系統(tǒng)只需要采集、處理、輸出數(shù)字信號(hào)而不需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換或DA轉(zhuǎn)換。再考慮到人耳有聽(tīng)覺(jué)反應(yīng)的聲音頻率在20Hz20KHz之間，并且我們的設(shè)計(jì)要求是實(shí)現(xiàn)頻率分布在500Hz1KHz之間的中音區(qū)基本音符的發(fā)音，由此判斷，我們?cè)谥骺刂菩酒倪\(yùn)算速度上要求不高，不需要考慮選擇具有高速處理能力的主控制芯片。常見(jiàn)的數(shù)據(jù)處理與控制芯片主要分為四大類(lèi)：微處理器/微控制器（MPU/MCU）、數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）、全定制專(zhuān)用計(jì)算/控制芯片（ASIC）、復(fù)雜可編程邏輯器件/現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（CPLD/FPGA）。它們都可以作為簡(jiǎn)易電子琴的主控制芯片。下面我們就基于各種控制芯片所構(gòu)成的主控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。方案一：基于微處理器/微控制器（MPU/MCU）的主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)微處理器與微控制器的主要區(qū)別在于前者是一個(gè)單芯片的中央處理器而后者是一個(gè)具有CPU、存儲(chǔ)器等部件的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，前者通常應(yīng)用于大型運(yùn)算工具或嵌入式系統(tǒng)中而后者通常應(yīng)用于低成本消費(fèi)電子業(yè)、工業(yè)控制及與控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理等領(lǐng)域。常見(jiàn)的中高端微處理器/微控制器有Intel的x86平臺(tái)、PowerPC平臺(tái)以及ARM平臺(tái)等，低端的微處理器/微控制器有8051系列、AVR系列、Freescale系列和MSP430系列等。中高端微處理器以ARM11為例，它擁有最高1GHz的時(shí)鐘頻率和強(qiáng)大的指令集，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出簡(jiǎn)易電子琴所需的設(shè)計(jì)要求，但是它的學(xué)習(xí)和應(yīng)用較為復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期太長(zhǎng)且價(jià)格較為昂貴，設(shè)計(jì)成本過(guò)高。低端微處理器以8051系列為例，它具有23個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，128字節(jié)片內(nèi)RAM、32位并行I/O口、57個(gè)中斷源，完全可以滿(mǎn)足我們所需的設(shè)計(jì)要求。此外，8051系列微處理器簡(jiǎn)單易學(xué)，開(kāi)發(fā)周期較短，價(jià)格便宜，設(shè)計(jì)成本低廉。方案二：基于數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）的主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)字信號(hào)處理芯片常見(jiàn)的有TI公司的TMS320系列和AD公司的ADSP2100系列。它的內(nèi)部采用程序總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)分開(kāi)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專(zhuān)門(mén)的硬件乘法器，廣泛采用流水線(xiàn)操作，提供特殊的DSP指令，可以用來(lái)快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法，顯然在簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)中綽綽有余。但是它也有成本太高、功耗較大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。方案三：基于全定制專(zhuān)用計(jì)算/控制芯片（ASIC）的主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)全定制專(zhuān)用計(jì)算/控制芯片具有時(shí)序控制精準(zhǔn)、可靠性高、性能卓越、保密性較強(qiáng)、低功耗和大批量生產(chǎn)成本較低的優(yōu)點(diǎn)，但是在小批量生產(chǎn)時(shí)成本過(guò)高、開(kāi)發(fā)效率較低、開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)大、定型后靈活性差等缺點(diǎn)，顯然這在我們非商品話(huà)設(shè)計(jì)階段是不適用的。方案四：基于可編程邏輯器件/現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（CPLD/FPGA）的主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可編程邏輯器件和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的主要區(qū)別在于前者是以乘積項(xiàng)的結(jié)構(gòu)方式構(gòu)成邏輯行為的器件，內(nèi)部布線(xiàn)均勻連續(xù)，所以他的時(shí)序延遲是均勻可預(yù)測(cè)的。而后者是以查表法結(jié)構(gòu)方式構(gòu)成邏輯行為的器件，分段式內(nèi)部布線(xiàn)的結(jié)構(gòu)決定了它的時(shí)序延遲是不均勻的不可預(yù)測(cè)的。CPLD一般采用EEPROM或Flash工藝，掉電后不會(huì)丟失內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，所以不需要外加ROM進(jìn)行配置，保密性好，F(xiàn)PGA一般采用SRAM工藝，掉電后內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)丟失，所以需要使用外部ROM在上電后對(duì)其進(jìn)行配置，保密性較差。不過(guò)，F(xiàn)PGA有比CPLD集成度高、耗電量小的優(yōu)點(diǎn)?？傮w來(lái)說(shuō)，這兩種器件的靈活性都比較高，功能野都都比較強(qiáng)，但是它們也同樣面臨著價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)成本高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的難題。根據(jù)以上分析，我們了解到各種控制芯片都具有各自獨(dú)特的特點(diǎn)，也都有各自不同的適用領(lǐng)域，充分考慮我們系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，綜合不同控制芯片的各自特點(diǎn)以及開(kāi)發(fā)周期及開(kāi)發(fā)成本等因素的限制，我們最終選擇了價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)方便、性能優(yōu)良、符合設(shè)計(jì)要求的8051系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片。2.2.2 傳感器系統(tǒng)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，傳感器系統(tǒng)的作用是識(shí)別外部觸發(fā)行為是否發(fā)生并將檢測(cè)結(jié)果以電信號(hào)的形式輸出給主控制系統(tǒng)進(jìn)行處理。在該系統(tǒng)中我們對(duì)傳感器系統(tǒng)性能的要求著重體現(xiàn)在靈敏度、抗干擾性和可靠性上，此外，我們還要求所選用的傳感器器件具有成本低、壽命長(zhǎng)、低故障率的特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上所見(jiàn)到的半導(dǎo)體激光發(fā)射管的不同之處大多體現(xiàn)在額定功率、發(fā)光波長(zhǎng)、封裝形式上，針對(duì)我們自身的需求，只要選擇一款性?xún)r(jià)比高、有品質(zhì)保證的產(chǎn)品即可。此處值得探討之處在于激光接收器件的選用，激光接收器件的選用和性能將直接決定著傳感器模塊的設(shè)計(jì)方案和工作質(zhì)量。對(duì)于激光接收器件的選擇，我們初步有兩種設(shè)計(jì)方案：基于光敏電阻的接收電路設(shè)計(jì)和基于半導(dǎo)體激光接收二極管的接收電路設(shè)計(jì)。下面我們就所提出的的兩種設(shè)計(jì)方案展開(kāi)討論和論證。方案一：基于光敏電阻的接收電路設(shè)計(jì)光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管。光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)設(shè)計(jì)的一種電阻值隨光照強(qiáng)弱變化而迅速改變的電阻器，其特點(diǎn)是光照增強(qiáng)，電阻減小，光照減弱，電阻增大。光敏電阻常用的制作材料為硫化鎘、硫化鋁、硫化鉍等材料，這些材料具有在特定波長(zhǎng)的光的照射下，其阻值迅速減小的特性。通過(guò)上述的介紹我們知道光敏電阻對(duì)光照強(qiáng)度變化十分敏感，這就造成了一個(gè)難題，那就是不同環(huán)境下自然光照對(duì)光敏電阻的影響。舉個(gè)例子，我們?cè)诎滋鞂㈦娐氛{(diào)試好，系統(tǒng)正常工作，但到了晚上由于沒(méi)有了白天自然光照的存在，自然環(huán)境因素的變化對(duì)于光敏電路來(lái)說(shuō)影響是極大的，這就使得白天調(diào)試好的系統(tǒng)在晚上出現(xiàn)無(wú)法正常工作的情況。顯然這是我們無(wú)法接受的，也是一件合格產(chǎn)品所不能容忍的。但是光敏電阻具有價(jià)格低廉、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。方案二：基于半導(dǎo)體激光接收二極管的接收電路設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光接收二極管是專(zhuān)門(mén)接收特定頻率激光的器件。其工作原理是激光經(jīng)光學(xué)透鏡校準(zhǔn)，被光電二極管接收，光電二極管接收光照后，隨光照強(qiáng)度不同會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的光生電流，經(jīng)準(zhǔn)換電路輸出電信號(hào)，其輸出的電信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。半導(dǎo)體激光接收二極管分為常低態(tài)和常高態(tài)兩種型號(hào)。常低態(tài)激光接收二極管在受到激光照射時(shí)輸出高電平，沒(méi)有受到激光照射時(shí)則輸出低電平；常高態(tài)激光接收二極管與之相反。半導(dǎo)體激光接收二極管十分敏感，具有較低的門(mén)檻激光光照強(qiáng)度，從工作狀態(tài)來(lái)看，其只有接收到激光和沒(méi)有接收到激光兩種確定的、對(duì)立的狀態(tài)，而不存在中間狀態(tài)。這種工作特點(diǎn)是我們所希望的，因?yàn)槲覀冎恍枰孀R(shí)撥動(dòng)琴弦和沒(méi)有撥動(dòng)琴弦兩種情況。此外，一款激光接收二極管只能接收與之配對(duì)頻率的激光束，這就完全避免了外界環(huán)境光照變化所造成的干擾了。綜合以上分析，為了充分保證系統(tǒng)在各種外界環(huán)境下能夠穩(wěn)定、可靠的工作，我們選擇了半導(dǎo)體激光接收管作為傳感器模塊的器件。2.2.3 發(fā)聲系統(tǒng)發(fā)聲系統(tǒng)的任務(wù)就是將主控制系統(tǒng)輸出的數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為人耳能聽(tīng)到的聲音信號(hào)。為了滿(mǎn)足不同環(huán)境、不同人群的不同需求，我們期望所設(shè)計(jì)的發(fā)聲系統(tǒng)在保證發(fā)聲質(zhì)量的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)音量可調(diào)的功能。此外，我們還期望發(fā)聲系統(tǒng)具有自成一體、裝配靈活、方便更換等設(shè)計(jì)特點(diǎn)。就上述所談到的設(shè)計(jì)期望和要求，我們提出兩種方案：采用揚(yáng)聲器自制發(fā)聲系統(tǒng)、采用市場(chǎng)成品迷你型音響。接下來(lái)我們就所提出的的兩種方案進(jìn)行討論并選出最合適的方案。方案一：采用揚(yáng)聲器自制發(fā)聲系統(tǒng)采用揚(yáng)聲器自制的發(fā)聲系統(tǒng)就是自行挑選某一功率的揚(yáng)聲器搭配一定的外觀設(shè)計(jì)而制作的發(fā)聲模塊。這種設(shè)計(jì)可以直接將揚(yáng)聲器接到主控制系統(tǒng)進(jìn)行工作，也可以在此基礎(chǔ)上另外設(shè)計(jì)制作一個(gè)功率放大電路與之配套進(jìn)行工作。前者設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉，但不能實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)；后者需要設(shè)計(jì)特定的電源系統(tǒng)供電，設(shè)計(jì)繁瑣，成本需求相對(duì)更高，但能實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)。方案二：采用市場(chǎng)成品迷你型音響我們這里所指的市場(chǎng)成品迷你型音響是專(zhuān)指供筆記本電腦、MP3等電子設(shè)備使用的，采用3.5mm標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)接口的小型音響，而非家庭影院、劇場(chǎng)等使用的，具有復(fù)雜接口的大型音響。這種設(shè)計(jì)由于采用了具有高度質(zhì)量保證的商業(yè)化產(chǎn)品，充分保證了系統(tǒng)發(fā)音的質(zhì)量。由于商業(yè)化產(chǎn)品具有高度統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，使得發(fā)聲系統(tǒng)可以具備極高的靈活性和可替換性，而且采用商業(yè)化的產(chǎn)品也使系統(tǒng)整體的美觀度得到極大提高。結(jié)合上述內(nèi)容，綜合考慮我們的整體設(shè)計(jì)要求，為了保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、高質(zhì)量地工作，同時(shí)為了便于功能的升級(jí)和擴(kuò)展以及增大用戶(hù)的自主選擇性，我們最終決定選擇使用市場(chǎng)已有的成品音響作為該設(shè)計(jì)的發(fā)聲系統(tǒng)。2.2.4 電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的源動(dòng)力。電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與否將直接影響到整體系統(tǒng)能否正常、穩(wěn)定地工作。提到供電時(shí)我們很自然地想到電池供電和電源適配器供電兩種供電方式。方案一：電池供電隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，諸如手機(jī)、照相機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品日新月異。所有的電子產(chǎn)品都需要電源來(lái)維持工作，而絕大多數(shù)的手持或便攜式電子產(chǎn)品都采用電池供電。眾所周知，電池可分為不可充電電池和可充電電池。不可充電電池只能使用一次，電量耗盡之后不能繼續(xù)使用，現(xiàn)在的使用不可充電電池的電子產(chǎn)品已經(jīng)越來(lái)越少了，更多的時(shí)候不可充電電池只是作為電量不足、斷電等突發(fā)情況的應(yīng)急之用?？沙潆婋姵乜梢栽陔娏亢谋M之后經(jīng)充電后繼續(xù)使用，可以重復(fù)多次使用，是現(xiàn)階段絕大多數(shù)電子產(chǎn)品的首要選擇。雖然可充電電池可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)多次充電，但是可充電電池也是有一定使用壽命限制的。電池作為現(xiàn)階段電子產(chǎn)品發(fā)展不可或缺的重要產(chǎn)物同樣存在著它的弊端。首先，不管是不可充電還是可充電電池都因?yàn)槠渲谱髟牧现泻杏卸窘饘僭囟豢杀苊獾慕o自然環(huán)境和人類(lèi)健康帶來(lái)一定的污染和危害。其次，雖然現(xiàn)階段電子技術(shù)已經(jīng)在增大電池電量、延長(zhǎng)電池使用壽命等方面取得了極大的進(jìn)步，但電池仍未在這些技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)飛躍性的突破，人們?cè)谑褂秒姵氐倪^(guò)程中仍然要面對(duì)電池電量不足、使用壽命短的問(wèn)題。方案二：電源適配器我們這里所講的電源適配器確切地講應(yīng)該叫做直流電源適配器。所謂直流電源適配器就是指將交流電源經(jīng)過(guò)降壓、整流、穩(wěn)壓后以直流電的形式輸出的供電系統(tǒng)。筆記本電腦的交換式電源供電器就是典型的直流電源適配器。電源適配器通常用在需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供電、不需要隨時(shí)移動(dòng)的供電目標(biāo)上。電源適配器的工作特點(diǎn)是供電穩(wěn)定可靠、可以勝任長(zhǎng)時(shí)間供電任務(wù)，并且隨著電子技術(shù)和生產(chǎn)工藝的發(fā)展，電源適配器的生產(chǎn)成本越來(lái)越低。但是，同一款電源適配器的輸出電壓、額定功率都是固定不可調(diào)整的，不能像電池一樣通過(guò)相互間串聯(lián)實(shí)現(xiàn)調(diào)整輸出電壓、額定功率的目的。考慮到我們所設(shè)計(jì)的電子琴通常在固定的地方進(jìn)行操作而不需要隨身攜帶到處移動(dòng)，而且為了保證電子琴能夠長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定工作，我們最終決定選用電源適配器作為整個(gè)系統(tǒng)的供電系統(tǒng)。第三章 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含外觀結(jié)構(gòu)選材、外形設(shè)計(jì)等內(nèi)容，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮選材的強(qiáng)度、硬度等因素，要從是否方便加工、是否能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面入手。外觀結(jié)構(gòu)直接決定了整個(gè)系統(tǒng)作品的尺寸大小以及各個(gè)部分的大小和布局。我們首先對(duì)外殼材料進(jìn)行論證。首先，電子琴的外殼必須具有較高的強(qiáng)度，以確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。其次，考慮到電子琴外觀的美觀性，我們需要外殼材料易于加工。再次，我們需要考慮設(shè)計(jì)成本的可控、可降，外殼材料的安全、環(huán)保。3.1 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路綜合我們先前對(duì)外殼材料提出的各項(xiàng)要求，我們需要一種低密度、高強(qiáng)度、易于加工、價(jià)格低廉且安全、環(huán)保的材料。我們首先想到PVC工業(yè)塑料。這種材料密度低，價(jià)格低廉，便于切割加工，可以手工加工出漂亮的形狀，滿(mǎn)足了我們對(duì)易于加工和控制成本的要求。但該種材料強(qiáng)度太低，易損壞、易變形，顯然這種材料不能完全滿(mǎn)足我們對(duì)外觀設(shè)計(jì)的要求。為了彌補(bǔ)PVC工業(yè)塑料在我們?cè)O(shè)計(jì)中的不足之處，我們考慮采用PVC工業(yè)塑料作為整個(gè)設(shè)計(jì)的外觀材料，同時(shí)選用高強(qiáng)度、低密度的鋁合金作為整個(gè)設(shè)計(jì)的支撐框架。這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)外觀結(jié)構(gòu)既美觀又堅(jiān)固的目的。整體外觀結(jié)構(gòu)PVC材料外殼鏤空祥云圖標(biāo)鋁合金框架結(jié)構(gòu)圖3.1 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖3.2 外觀設(shè)計(jì)元素為了增加外觀設(shè)計(jì)的美觀性，我們?cè)陔娮忧偾癙VC面板上設(shè)計(jì)了一組祥云圖標(biāo)，并且通過(guò)美工刀進(jìn)行切割、雕刻，使之呈現(xiàn)為鏤空狀。祥云圖標(biāo)與電子琴相結(jié)合，既體現(xiàn)了設(shè)計(jì)外觀的美感又簡(jiǎn)約大方不失華麗，使傳統(tǒng)元素與音樂(lè)完美結(jié)合，讓人賞心悅目。3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要充分考慮所設(shè)計(jì)的PCB電路板的尺寸和形狀，以及PCB電路板在外觀框架上具體安裝的位置和不同PCB電路板間導(dǎo)線(xiàn)的布線(xiàn)方向。第四章 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 硬件設(shè)計(jì)方案在外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，我們需要結(jié)合外觀結(jié)構(gòu)的尺寸要求展開(kāi)對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)。我們對(duì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是可靠、簡(jiǎn)單、高效?？煽啃允钦w系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件，所以我們?cè)谟布娐吩O(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)中都充分考慮了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)的簡(jiǎn)單、高效是指硬件系統(tǒng)在具有較高可靠性的基礎(chǔ)上盡量簡(jiǎn)化硬件電路并提高硬件的性能，從而達(dá)到簡(jiǎn)單高效的目的。在可靠、簡(jiǎn)單、高效的原則下，不僅方便元器件的選型和硬件電路的設(shè)計(jì)，也可以減少一些不必要的電路，從而減少了一些不確定因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。我們的硬件電路系統(tǒng)共分為五個(gè)子模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、音頻驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊。各子模塊間框架關(guān)系見(jiàn)圖4.1。單片機(jī)最小系統(tǒng)激光發(fā)射模塊激光接收模塊音頻驅(qū)動(dòng)模塊電源模塊圖4.1 硬件系統(tǒng)框架圖4.2 各模塊電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上一節(jié)中我們已經(jīng)初步介紹了整個(gè)硬件電路系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，在這一節(jié)中我們將著重介紹硬件電路各個(gè)子模塊的構(gòu)成、功能及PCB電路板設(shè)計(jì)。我們接下來(lái)依次按照單片機(jī)最小系統(tǒng)、激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、音頻驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊的順序?qū)Ω髯幽K作出介紹。4.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。它把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件：中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、可編程存儲(chǔ)器EPROM、并行及串行輸入輸出I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器等部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)【1】。在本設(shè)計(jì)中，我們首先需要搭建一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)來(lái)保證單片機(jī)能夠正常穩(wěn)定工作。在單片機(jī)最小系統(tǒng)中，包含四個(gè)部分：STC89C51RC、復(fù)位電路、振蕩電路、I/O接口。復(fù)位電路振蕩電路I/O接口STC89C51RC圖4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成圖(1) 復(fù)位電路通過(guò)某種方式，使單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱(chēng)為復(fù)位。STC89C51RC單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在RST/V端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作（一般復(fù)位正脈沖寬度大于10ms）。復(fù)位電路分為上電復(fù)位和外部復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位是在單片機(jī)接通電源時(shí)，自動(dòng)對(duì)單片機(jī)復(fù)位。外部復(fù)位是通過(guò)外部手動(dòng)進(jìn)行的復(fù)位。在這里我們?cè)O(shè)計(jì)的復(fù)位電路是上電/外部復(fù)位電路，既可以進(jìn)行上電自動(dòng)復(fù)位，也可以外部手動(dòng)復(fù)位。圖4.2 復(fù)位電路(2) 振蕩電路單片機(jī)的定時(shí)控制功能是由片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來(lái)完成的，而片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，也就是內(nèi)部振蕩器方式和外部振蕩器方式。采用內(nèi)部時(shí)鐘方式時(shí)，片內(nèi)的高增益反相放大器通過(guò)XTAL1、XTAL2外接作為反饋元件的片外晶體振蕩器（呈感性）與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，一般晶體可在1.212MHz之間任選，電容可在530pF之間選擇，電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小的影響，可起頻率微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，外部振蕩信號(hào)通過(guò)XTAL2端直接接至內(nèi)部時(shí)鐘電路，這時(shí)內(nèi)部反相放大器的輸入端XTAL1端應(yīng)接地。通常外接振蕩信號(hào)為低于12MHz的方波信號(hào)。在這里，我們采用內(nèi)部時(shí)鐘方式設(shè)計(jì)振蕩電路，外部晶體振蕩器（晶振）選用12MHz，電容選用30pF。圖4.3 振蕩電路(3) 單片機(jī)和I/O接口我們采用了由宏晶公司設(shè)計(jì)的STC89C51RC型單片機(jī)。它是一款基于8051內(nèi)核的，采用了CMOS生產(chǎn)工藝，具有低功耗特點(diǎn)的高性能8位單片機(jī)。它具有4個(gè)8位并行輸入輸出I/O接口：P0、P1、P2、P3（共32線(xiàn)），用于輸入或輸出數(shù)據(jù)。此外，它還具有1個(gè)串行I/O接口、2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5級(jí)中斷系統(tǒng)等【2】。本設(shè)計(jì)中，使用到的單片機(jī)資源有一個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)8位并行輸入輸出I/O口。對(duì)于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器來(lái)說(shuō)，不管是獨(dú)立的定時(shí)器芯片還是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，大都有以下特點(diǎn)：a) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器有多種工作方式，可以是計(jì)數(shù)方式也可以是定時(shí)方式。b) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是可變的，當(dāng)然對(duì)技術(shù)的最大值有一定限制，這取決于級(jí)數(shù)器的位數(shù)。計(jì)數(shù)的最大值也就限制了定時(shí)的最大值。c) 可以按照規(guī)定的定時(shí)或計(jì)數(shù)值，在定時(shí)時(shí)間到或者計(jì)數(shù)終止時(shí)，發(fā)出中斷申請(qǐng)，以便實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制。 STC89C51RC單片機(jī)的定時(shí)器是可編程定時(shí)器，其工作方式、啟動(dòng)、停止、溢出標(biāo)志等都是可編程控制的，只需通過(guò)設(shè)置寄存器TMOD、TCON、TH0、TL0、TH1和TL1就可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)設(shè)置了定時(shí)器的工作方式并啟動(dòng)定時(shí)器工作后，定時(shí)器就以設(shè)定的工作方式獨(dú)立工作，不再占用CPU，當(dāng)計(jì)數(shù)器記滿(mǎn)溢出時(shí)自動(dòng)向CPU中斷系統(tǒng)申請(qǐng)中斷，中斷的執(zhí)行將占用CPU資源。Tx THxTFxTLxTRxINTx定時(shí)計(jì)數(shù) 加1計(jì)數(shù)器圖4.4 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖4.2.2 激光發(fā)射模塊半導(dǎo)體激光發(fā)射器是使用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，不同種類(lèi)工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的具體過(guò)程比較特殊。半導(dǎo)體激光發(fā)射器的工作原理是激勵(lì)方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)在能帶間躍遷發(fā)光，用半導(dǎo)體晶體的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大，從而輸出激光。本設(shè)計(jì)采用的激光發(fā)射器是工業(yè)級(jí)25mW小功率外調(diào)焦半導(dǎo)體激光發(fā)射器,如圖3激光發(fā)射電路原理圖所示，激光發(fā)射電路中的調(diào)制管J2在上電時(shí)發(fā)出頻率為180KHz，占空比在20%30%的方波信號(hào)，使三極管Q2以180KHz的頻率導(dǎo)通/截止，從而對(duì)激光發(fā)射器進(jìn)行了頻率調(diào)制，使其發(fā)出頻率為180KHz的激光束【3】。這是由于我們所采用的激光接收管只能接收180KHz頻率激光。 圖4.5 激光發(fā)射管和調(diào)制管圖 圖4.6 激光發(fā)射電路電路原理圖4.2.3 激光接收模塊激光接收電路的作用是檢測(cè)激光接收管是否接收到特定頻率的激光束，并通過(guò)激光接收電路向單片機(jī)P2口發(fā)送相應(yīng)高、低電平信號(hào)，以此作為控制信號(hào)達(dá)到控制小型音響發(fā)出特定頻率音頻信號(hào)的目的。在激光接收電路中采用了常低態(tài)的激光接收管。當(dāng)激光接收管接收到激光發(fā)射電路發(fā)出的180KHz的激光束時(shí)，激光接收管管腳2將表現(xiàn)為高電平，與之相反，如果沒(méi)有接收到激光束則表現(xiàn)為低電平。由于在設(shè)計(jì)中采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)方式，即一只激光接收管能且只能接收一只激光發(fā)射器發(fā)出的激光束，故當(dāng)人體阻斷某只激光發(fā)射器發(fā)出的激光束時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的激光接收管將因接收不到激光束而表現(xiàn)出低電平，除此之外的情況均表現(xiàn)為高電平，這就構(gòu)成了我們所需要的控制信號(hào)低電平信號(hào)。在圖4.7激光接收電路原理圖中發(fā)光二極管D10的作用是指示該組激光接收電路是否接收到激光束。如果接收到的話(huà)，則發(fā)光二極管不亮；如果接收不到激光束（有人體阻斷激光發(fā)射電路發(fā)出的激光束），則發(fā)光二極管點(diǎn)亮。圖4.7激光接收電路原理圖4.2.4 音響發(fā)聲模塊我們?cè)诒驹O(shè)計(jì)中沒(méi)有采用驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的方案，而是直接使用3.5mm標(biāo)準(zhǔn)音頻接口外接小型音響的方案。這樣一來(lái)簡(jiǎn)化了硬件電路，也增強(qiáng)了音頻質(zhì)量。圖4.8 音頻驅(qū)動(dòng)及接口電路原理圖如圖4.8所示，J19表示一個(gè)3.5mm標(biāo)準(zhǔn)音頻接口。當(dāng)單片機(jī)P36、P37按程序指令發(fā)出特定頻率的方波信號(hào)時(shí)，三極管Q9、Q10也將按此頻率導(dǎo)通/截止【4】，從而將該方波信號(hào)傳遞到小型音響并在外接5V直流電源VCC作用下驅(qū)動(dòng)小型音響發(fā)出聲音。 圖4.9 3.5mm標(biāo)準(zhǔn)音頻接口 圖4.10 小型音響第五章 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)5.1 軟件設(shè)計(jì)方案繼上一章對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的介紹之后，我們將在本章就系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分進(jìn)行介紹。音符是如何產(chǎn)生的呢？人耳能聽(tīng)到的聲音頻率為20Hz20KHz，豎琴音符頻率當(dāng)然也在這個(gè)范圍內(nèi)。不同的音符，有著自己特定的頻率，通過(guò)51單片機(jī)自帶的16位定時(shí)器就可以產(chǎn)生不同頻率的音頻。例如豎琴的標(biāo)準(zhǔn)音la的頻率為440Hz，只要通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生440Hz的方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)音響發(fā)聲模塊就可以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)音la了，其他音符也是這樣產(chǎn)生的。在程序設(shè)計(jì)上，我們通過(guò)51單片機(jī)自帶的16定時(shí)器，以定時(shí)器中斷的形式來(lái)產(chǎn)生具有不同頻率的方波信號(hào)。整個(gè)程序共包含1個(gè)主函數(shù)、1個(gè)初始化函數(shù)、1個(gè)定時(shí)器中斷函數(shù)。在主函數(shù)中，我們通過(guò)if語(yǔ)句【4】來(lái)檢測(cè)單片機(jī)P2端口值，即檢測(cè)P2的哪一位出現(xiàn)低電平觸發(fā)。初始化函數(shù)init()主要內(nèi)容是初始化定時(shí)器0和開(kāi)中斷。定時(shí)器中斷函數(shù)則負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)P36、P37對(duì)不同頻率方波的輸出。如表5.1所示，我們列出了程序中所實(shí)現(xiàn)的各音符所對(duì)應(yīng)的頻率和簡(jiǎn)譜碼。表5.1 音階對(duì)照表音符頻率/Hz簡(jiǎn)譜碼中 1 do52364580中 2 re58764684中 3 mi65964777中 4 fa69864820中 5 so78464898中 6 la88064968中 7 si98865030高 1 do104665058如圖5.1所示，我們的軟件設(shè)計(jì)可以分為硬件資源配置、端口信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理三個(gè)子部分。在整個(gè)程序執(zhí)行的流程中，首先對(duì)單片機(jī)的硬件資源進(jìn)行配置，然后檢測(cè)單片機(jī)相應(yīng)端口信號(hào)是否發(fā)生變化，當(dāng)單片機(jī)端口信號(hào)發(fā)生變化時(shí)則根據(jù)端口的信號(hào)表現(xiàn)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理操作，待數(shù)據(jù)處理操作結(jié)束后返回到端口信號(hào)檢測(cè)，再次等待端口信號(hào)發(fā)生變化。硬件資源配置端口信號(hào)檢測(cè)數(shù)據(jù)處理圖5.1 程序結(jié)構(gòu)圖5.2 各模塊程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上一節(jié)中我們介紹了軟件設(shè)計(jì)的整體方案，在本節(jié)中我們將依次按照硬件資源配置、端口信號(hào)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理的順序分別介紹各個(gè)子模塊程序具體是如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的。5.2.1 硬件資源配置(1) 我們對(duì)硬件資源的配置主要是對(duì)單片機(jī)定時(shí)器各個(gè)寄存器的參數(shù)配置。STC89C51RC型單片機(jī)有兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，兩者均可作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器使用。在前面的第4.2章節(jié)我們已經(jīng)對(duì)STC89C51RC型單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，在此我們不再贅述，只針對(duì)程序設(shè)計(jì)的需要介紹該如何配置單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0工作在定時(shí)器模式下，以及該如何通過(guò)C程序?qū)Χ〞r(shí)器T0的各個(gè)寄存器進(jìn)行初始化配置。(1) 定時(shí)器工作方式寄存器TMOD定時(shí)器工作方式寄存器TMOD用于選擇定時(shí)器的工作方式，它的高4位控制定時(shí)器T1，低4位控制定時(shí)器T0。TMOD中各位的定義如下：表5.1 TMOD寄存器各位定義其中：C/：T/C功能選擇位，當(dāng)C/=1時(shí)為計(jì)數(shù)方式；當(dāng)C/=0時(shí)為定時(shí)方式。M1M0：T/C工作方式定義位，其具體定義方式如下表5.1所示。M1M0工作方式方式說(shuō)明00013位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器01116位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器102可自動(dòng)重裝入的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器113T0分為2個(gè)8位定時(shí)器，T1無(wú)此方式表5.2 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式GATE：門(mén)控制位，用于控制定時(shí)器的啟動(dòng)是否受外部中斷源信號(hào)的影響。GATE=0時(shí)，與外部中斷無(wú)關(guān)，由TCON寄存器中的TRx位控制啟動(dòng)。GATE=1時(shí)，由控制位TRx和引腳共同控制啟動(dòng)，只有在沒(méi)有外部中斷請(qǐng)求信號(hào)的情況下（即外部中斷引腳=1時(shí)），才允許定時(shí)器啟動(dòng)。TMOD寄存器在復(fù)位時(shí)被清零。(2) 定時(shí)器控制寄存器TCONTCON控制寄存器各位的定義如下：表5.3 TCON寄存器各位定義其中：TF0/TF1：為T(mén)0/T1定時(shí)器溢出中斷標(biāo)志位。當(dāng)T0/T1計(jì)數(shù)溢出時(shí)，由硬件置位，并在允許中斷的情況下，發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)CPU響應(yīng)中斷轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時(shí)，由硬件自動(dòng)將該位清零。TR0/TR1：為T(mén)0/T1運(yùn)行控制位。當(dāng)TR0/TR1=1時(shí)啟動(dòng)T0/T1；TR0/TR1=0時(shí)關(guān)閉T0/T1。該位由軟件進(jìn)行設(shè)置。TCON的低4位與外部中斷有關(guān)，TCON寄存器在復(fù)位時(shí)也被清零。由于STC89C51RC單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是可編程的，因此在使用之前需要進(jìn)行初始化設(shè)置。在編程時(shí)主要注意兩點(diǎn)：第一要能正確寫(xiě)入控制字；第二能進(jìn)行計(jì)數(shù)初值的計(jì)算。一般情況下，包括以下幾個(gè)步驟：(1) 確定工作方式，即對(duì)TMOD寄存器進(jìn)行賦值。(2) 計(jì)算計(jì)數(shù)初值，并寫(xiě)入寄存器TH0、TL0或TH1、TL1中。(3) 根據(jù)需要，置位ETx允許T/C中斷。(4) 置位EA使CPU開(kāi)中斷（需要時(shí)）。(5) 置位TRx啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)初值的計(jì)算方法如下：由于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器是以加1的方式計(jì)數(shù)，因此同常用的減1計(jì)數(shù)器的算法不同。在定時(shí)方式下：假定時(shí)間常數(shù)為T(mén)，定時(shí)時(shí)間為T(mén)，而T= TT，則時(shí)間常數(shù)為： T= （5-1）其中T為機(jī)器周期，即12/晶振頻率。應(yīng)裝入定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的初值為：X=2- T （n為計(jì)數(shù)器的位數(shù)） （5-2）在計(jì)數(shù)方式下：假定計(jì)數(shù)值為N，則應(yīng)裝入的計(jì)數(shù)初值為： X=2-N （n為計(jì)數(shù)器的位數(shù)） （5-3）綜合上述分析，我們編寫(xiě)定時(shí)器T0初始化程序如下：/*初始化函數(shù)*/void init() TMOD=0x01; /定時(shí)器0 工作在方式1EA=1; /開(kāi)總中斷ET0=1; /開(kāi)定時(shí)器0中斷amplifier_L=1; /關(guān)音響amplifier_R=1; 可以看到我們?cè)谶@里并沒(méi)有對(duì)定時(shí)器T0裝入初始值，也沒(méi)有在初始化定時(shí)器T0時(shí)就允許定時(shí)器工作，這是因?yàn)槲覀円蠖〞r(shí)器T0在需要的時(shí)候才開(kāi)始工作，而且要求定時(shí)器T0采用查表的方式在不同需要的情況下裝入不同的初始值。5.2.2 端口信號(hào)檢測(cè)這里所謂的端口信號(hào)檢測(cè)就是判斷單片機(jī)8位并行輸入輸出I/O口P2的端口值是多少。在這里我們通過(guò)在主函數(shù)中使用if語(yǔ)句來(lái)判斷P2端口值是否等于我們?cè)O(shè)定的特定值，然后根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)變量music_note賦值。我們?cè)O(shè)定了8個(gè)特定值，當(dāng)單片機(jī)P2端口值表現(xiàn)為一個(gè)特定值時(shí)，就說(shuō)明此時(shí)單片機(jī)P2端口的某一位電平為低電平，其他7位則均為高電平。也就是說(shuō)我們端口信號(hào)檢測(cè)程序的實(shí)質(zhì)就是找出某一時(shí)刻單片機(jī)P2端口中有且僅有哪一位為低電平。5.2.3 數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理是在端口信號(hào)檢測(cè)結(jié)束之后進(jìn)行的，也就是根據(jù)端口信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果（變量music_note的值）執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理操作。我們這里數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容主要是根據(jù)端口信號(hào)檢測(cè)的結(jié)果（變量music_note的值），計(jì)算并裝入單片機(jī)定時(shí)器T0的初始值。其具體實(shí)現(xiàn)如下：temp_TH0=music_tabmusic_note/256; /為T(mén)0高8位預(yù)裝入初始值temp_TL0=music_tabmusic_note%256; /為T(mén)0低8位預(yù)裝入初始值可以看到，我們?cè)谶@里并沒(méi)有直接將運(yùn)算得到的初始值裝入定時(shí)器，而是暫時(shí)裝入到一個(gè)臨時(shí)變量temp_TH0和temp_TL0，這是由我們整體程序設(shè)計(jì)所決定的。在這里我們也有一個(gè)查表的操作，通過(guò)變量music_note的值查找數(shù)組music_tab8的對(duì)應(yīng)元素，并將其分離后分別裝入臨時(shí)變量temp_TH0和temp_TL0，供定時(shí)器T0做初始值使用。5.3 軟件開(kāi)發(fā)工具介紹我們是基于美國(guó)Keil Software公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境uVision3進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的。uVision3集成開(kāi)發(fā)環(huán)境包括C編譯器、宏匯編器、連接器、庫(kù)管理器和仿真調(diào)試器，其內(nèi)部構(gòu)成框架如圖5.4所示。圖5.2 uVision3內(nèi)部構(gòu)成框架第六章 軟件仿真調(diào)試我們?cè)谕瓿捎布到y(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)之后，需要在具體實(shí)施制作之前進(jìn)行相關(guān)的軟件仿真調(diào)試，以便測(cè)試硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)是否合理、可行，以保證最低風(fēng)險(xiǎn)的達(dá)到實(shí)物系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行的目的。接下來(lái)我們將從仿真軟件介紹、原理圖布圖、仿真電路與程序聯(lián)調(diào)三個(gè)方面對(duì)軟件仿真調(diào)試的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行介紹。6.1 仿真軟件介紹我們整個(gè)仿真過(guò)程是基于英國(guó)Labcenter Electronics公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的EDA工具軟件Protues 7進(jìn)行的。Protues是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真、一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。Protues是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30、DSPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其他系列處理器模型。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和編譯器。當(dāng)然，Protues軟件的仿真精度有限，而且也不是所有的器件都有相應(yīng)的仿真模型。6.1.1 Protues的功能特點(diǎn)Proteus