單片機(jī)數(shù)字音樂盒設(shè)計(jì)說明書文檔及源代碼

本次設(shè)計(jì)是一個(gè)基于AT89C51單片機(jī)的音樂盒，該音樂盒主要由按鍵電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、蜂鳴器以及顯示電路組成。使用其中兩個(gè)按鍵來控制播放和暫停另外兩個(gè)按鍵用來控制換曲。利在液晶上顯示曲目的更換，共三首音樂，蜂鳴器每播放一首歌時(shí)液晶上顯示相對(duì)應(yīng)的歌曲次序。系統(tǒng)組成框圖如圖2-1。

直流電機(jī)PWM控制模塊：這部分電路主要由89C51單片機(jī)的I/O端口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、外部中斷擴(kuò)展等控制直流電機(jī)的加速、減速以及電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速，還可以方便的讀出電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小和了解電機(jī)的轉(zhuǎn)向，能夠很方便的實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制。

此外，還包括直流電機(jī)的直接清零、啟動(dòng)（置數(shù)）、暫停、連續(xù)功能。其間是通過89C51單片機(jī)產(chǎn)生脈寬可調(diào)的脈沖信號(hào)并輸入到L298驅(qū)動(dòng)芯片來控制直流電機(jī)工作的。

  （a）設(shè)計(jì)輸入部分：這一模塊主要是利用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤來實(shí)現(xiàn)。

  （c）設(shè)計(jì)控制部分：主要由89C51單片機(jī)的外部中斷擴(kuò)展電路組成。

  （b）設(shè)計(jì)顯示部分：是直接采用SM410564四位共陽數(shù)碼管組成顯示模塊。

   主要由一些二極管、電機(jī)和L298直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。

圖2-1  直流電機(jī)PWM調(diào)速方案

直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為控制核心，由命令輸入模塊、LED顯示模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。采用帶中斷的獨(dú)立式鍵盤作為命令的輸入，單片機(jī)在程序控制下，定時(shí)不斷給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送PWM波形，H型驅(qū)動(dòng)電路完成電機(jī)正，反轉(zhuǎn)控制；同時(shí)單片機(jī)不停的將從鍵盤讀取的數(shù)據(jù)送到LED顯示模塊去顯示，從中不僅能讀取其速度，而且能知道它的轉(zhuǎn)向。

    AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦出只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能 CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集合輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價(jià)的方案。

    復(fù)位電路和時(shí)鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊。

兩種常用復(fù)位電路：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。

其中：上電復(fù)位，如圖3-1所示；手動(dòng)復(fù)位，如圖3-2所示。

             圖3-1 上電復(fù)位                        圖3-2 手動(dòng)復(fù)位

有時(shí)系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動(dòng)復(fù)位。所以本次設(shè)計(jì)選用手動(dòng)復(fù)位。

高頻率的時(shí)鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有利于實(shí)現(xiàn)更高的信號(hào)采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是高速對(duì)系統(tǒng)的要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻�？紤]到單片機(jī)本身用于控制，而并非高速信號(hào)采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對(duì)于選頻信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處。

本次設(shè)計(jì)選取12.0M無源晶振接入XTAL1和XTAL2引腳。并聯(lián)2個(gè)30pF陶瓷電容幫助起振。單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-3所示：

                             圖3-3  單片機(jī)最小系統(tǒng)

直流穩(wěn)壓電源的基本原理：直流穩(wěn)壓電源一般有電源變壓器T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如圖3-4所示。

圖3-4 直流電源原理

    將220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui，變壓器副邊與原邊的功率比為P2/P1=n，式中n是變壓器的效率。

   整流電路將交流電壓Ui變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的波紋成分，輸出波紋較小的直流電壓U1。常用的整流濾波電路有全波整流濾波、橋式整流濾波等。

   各濾波電路C滿足RL-C=（3~5）T/2，式中T為輸入交流信號(hào)周期，RL為整流濾波電路的等效負(fù)載電阻。

   常用的穩(wěn)壓電路有兩種形式：一是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，二是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。二者的工作原理有所不同。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會(huì)引起其電流有較大變化這一特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。它一般適用于負(fù)載電流變化較小的場(chǎng)合。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路是利用電壓串聯(lián)負(fù)反饋的原理來調(diào)節(jié)輸出電壓的。集成穩(wěn)壓電源事實(shí)上是串聯(lián)穩(wěn)壓電源的集成化。

由于單片機(jī)P3口輸出的電壓最高才有5V，難以直接驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。所以我們需要使用恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

本設(shè)計(jì)所采用的L298N，可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接4.5～7V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2.5～46V，輸出電流可達(dá)2.5A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。

L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，連接于OUT1和OUT2端口之間（電動(dòng)機(jī)在子圖中未畫出）。

此外，5，7腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。同時(shí)，需要加四個(gè)二極管在電機(jī)的兩端，防止電機(jī)反轉(zhuǎn)的時(shí)候產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電流燒壞電機(jī)。具體直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖3-5所示。

                                 圖3-5 驅(qū)動(dòng)電路

本次設(shè)計(jì)顯示模塊直接采用的是SM410564 四位共陽數(shù)碼管顯示。又因?yàn)閱纹瑱C(jī)的輸出端口輸出的電流較小，點(diǎn)亮數(shù)碼管的能力不大，所以需要采用三極管對(duì)輸出電流進(jìn)行放大，此次三極管采用的是C9013，具體放大電路如圖3-6所示：

                                圖3-6 放大電路

正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、急停、加速、減速五個(gè)開關(guān)分別與單片機(jī)的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，P1.4相連，然后再與地相連。急停實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的停轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的反轉(zhuǎn)，加速實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的加速，減速實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的減速，其電路如圖3-7所示。

     圖3-7 控制按鈕電路

  （a）變壓器選擇：變壓器選擇雙15V變壓，考慮到電流不需要太大，最大電流為1A，實(shí)際選擇變壓器輸出功率為10W，可以很好的滿足要求。

  （b）整流橋：考慮到電路中會(huì)出現(xiàn)沖擊電流，整流橋的額定電流是工作電流的2~3倍。選取RS301（100V，3A）即可，實(shí)際購買過程中選擇了RS30（700V，3A）也符合設(shè)計(jì)要求。

  （c）濾波電容：考慮到對(duì)紋波電壓要求比較高，故選擇了2200μF耐壓值為25V以及100μF耐壓值50v的電解電容。

  （d）去耦電容：去耦電容的選擇是7812及7805芯片要求的，查手冊(cè)可知分別為0.01μF，用來濾除高頻分量防止產(chǎn)生自激。

  （e）電解電容：為了防止負(fù)載產(chǎn)生沖擊電流，故在輸出端加入2200μF、耐壓值為25V的電解電容。

  （f）7805支路的元件參數(shù)基本相同。

直流電源產(chǎn)生電路:12V如圖3-7所示、5V如圖3-8所示:

                                圖3-7 12V電源

                                 圖3-8 5V電源

利用P3口，編制程序輸出一串脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，改變輸出脈沖的電平的持續(xù)時(shí)間，達(dá)到使電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速、減速、停轉(zhuǎn)等目的。由軟件編程從P3.0/P3.1管腳產(chǎn)生PWM 信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路輸出給電機(jī)，從而控制電機(jī)得電與失電。軟件采用延時(shí)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。單片機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入準(zhǔn)備狀態(tài)。當(dāng)按動(dòng)啟動(dòng)按鈕后，根據(jù)P3.0為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，P3.1為高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。根據(jù)不同的加減速按鈕，調(diào)整P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的占空比，從而可以控制P3.0/ P3.1輸出高低電平時(shí)的有效值，進(jìn)而控制電機(jī)的加減速。

P3.0/P3.1脈沖寬度調(diào)制器(PWM) 通道,它們產(chǎn)生可由編程決定寬度和間隔的脈沖。脈沖的間隔周期是由一個(gè)FOR循環(huán)控制,來產(chǎn)生不同的占空比。單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī),這就需要設(shè)計(jì)合適的驅(qū)動(dòng)電路，用以可以間接地驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使其能夠正常運(yùn)行。為此，我們可借助于恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N來完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。具體的設(shè)計(jì)方法是通過Keil C編程，Proteus聯(lián)合仿真來實(shí)現(xiàn)的。

Proteus是一種低投資的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，提供Schematic Drawing，SPICE仿真與PCB設(shè)計(jì)功能，這一點(diǎn)Proteus與multisim比較類似，只不過它可以仿真單片機(jī)和周邊設(shè)備，可以仿真51系列、AVR，PIC等常用的MCU，與Keil和MPLAB不同的是它還提供了周邊設(shè)備的仿真，只要給出電路圖就可以仿真，例如373，led，示波器，Proteus提供了大量的元件庫有RAM，ROM，鍵盤，馬達(dá)，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件，編譯方面支持Keil和MPLAB，里面有大量的例子參考。

   （a）Proteus可提供的仿真元件資源Proteus軟件提供了可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個(gè)元件庫；

   （b）Proteus可提供的仿真儀表資源虛擬儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量，是衡量仿真軟件實(shí)驗(yàn)室是否合格的一個(gè)關(guān)鍵因素。在Proteus軟件中，理論上同一種儀器可以在一個(gè)電路中隨意的調(diào)用；

   （c）除了現(xiàn)實(shí)存在的儀器外，Proteus還提供了一個(gè)圖形顯示功能，可以將線路上變化的信號(hào)，以圖形的方式實(shí)時(shí)地顯示出來；

   （d）Proteus還提供了比較豐富的測(cè)試信號(hào)用于電路的測(cè)試。這些測(cè)試信號(hào)包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。

2）Keil

    Keil是德國(guó)開發(fā)的一個(gè)51單片機(jī)開發(fā)軟件平臺(tái)，最開始只是一個(gè)支持C語言和匯編語言的編譯器軟件。后來隨著開發(fā)人員的不斷努力以及版本的不斷升級(jí)，使它已經(jīng)成為了一個(gè)重要的單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)，不過KEIL的界面并不是非常復(fù)雜，操作也不是非常困難，很多工程師的開發(fā)的優(yōu)秀程序都是在KEIL的平臺(tái)上編寫出來的�？梢哉f它是一個(gè)比較重要的軟件，熟悉他的人很多很多，用戶群極為龐大，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過偉福等廠家軟件用戶群，操作有不懂的地方只要找相關(guān)的書看看，到相關(guān)的單片機(jī)技術(shù)論壇問問，很快就可以掌握它的基本使用了。

  （a）Keil的UVision2可以進(jìn)行純粹的軟件仿真(仿真軟件程序，不接硬件電路)，也可以利用硬件仿真器，搭接上單片機(jī)硬件系統(tǒng)，在仿真器中載入項(xiàng)目程序后進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真；

  （b）可以使用UVision2的內(nèi)嵌模塊Keil Monitor-51，在不需要額外的硬件仿真器的條件下，搭接單片機(jī)硬件系統(tǒng)對(duì)項(xiàng)目程序進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真；

  （c）uVision2調(diào)試器具備所有常規(guī)源極調(diào)試，符號(hào)調(diào)試特性以及歷史跟蹤，代碼覆蓋，復(fù)雜斷點(diǎn)等功能。DDE界面和shift語言支持自動(dòng)程序測(cè)試。

使用Keil 軟件工具時(shí)，項(xiàng)目開發(fā)流程和其它軟件開發(fā)項(xiàng)目的流程極其相似。

1）創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目，從器件庫中選擇目標(biāo)器件，配置工具設(shè)置；

2）用C語言或匯編語言創(chuàng)建源程序；

3）用項(xiàng)目管理器生成應(yīng)用；

4）修改源程序中的錯(cuò)誤；

5）測(cè)試，連接應(yīng)用。

如圖5-1所示：

1）半速運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行結(jié)果如圖5-1所示：

      圖5-1 電機(jī)半速運(yùn)行

圖5-2 電機(jī)停止運(yùn)行

3）按下加速鍵，加速運(yùn)行如圖5-3所示：

圖5-3 電機(jī)加速運(yùn)行

4）按下減速鍵，減速運(yùn)行如5-4所示：

圖5-4 電機(jī)減速運(yùn)行

圖5-5 電機(jī)反向運(yùn)行

這次設(shè)計(jì)，運(yùn)用AT89C51單片機(jī)為核心硬件，設(shè)計(jì)了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了對(duì)直流電機(jī)的停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等多種控制功能，基本滿足設(shè)系統(tǒng)計(jì)的要求。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)芯片和電動(dòng)機(jī)的連接之間我有加入續(xù)流二極管，在電機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行續(xù)流，避免燒壞電機(jī)及其他元件。在此設(shè)計(jì)中P0口作為輸出端口，我們?cè)赑0口接入了排阻使電路復(fù)位后P0口輸出的為高電平。

通過本次設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)與掌握了AT98C51單片機(jī)的基本原理及其各種應(yīng)用，對(duì)它的各種硬件接口與軟件設(shè)計(jì)方法有較深入的認(rèn)識(shí)。對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能及其控制有了一定的認(rèn)識(shí)。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于應(yīng)用，因此在設(shè)計(jì)過程中使自己的動(dòng)手能力得到鍛煉，同時(shí)提高了解決實(shí)際問題的能力

感謝兩周以來每一位指導(dǎo)過自己的人，謝謝他們給自己的知識(shí)，以及在專業(yè)知識(shí)和學(xué)習(xí)方法方面給我的許多的指導(dǎo)和啟發(fā)，使我受益匪淺。謝謝他們的教導(dǎo)，謝謝他們幫我成長(zhǎng)。

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