电子产品工艺设计方案.docx
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电子产品工艺设计方案
1、绪论
1.1单片机概述
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。
MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品,与MCS-48单片机相比,它的结构更先进,功能更强,在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条,MCS-51单片机可以算是相当成功的产品,一直到现在,MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品,各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。
MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。
DP-51S单片机仿真实验仪是由广州致远电子有限公司设计的DP系列单片机仿真实验仪之一,是一种功能强大的单片机应用技术学习、调试。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分为如下几个范畴:
一、在智能仪器仪表的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。
二、在家用电器中的应用
可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
三、在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
单片机现在可以说是百花齐放,百家争鸣的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,有与主流C51系列兼容的,也有不兼容的,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供了广阔的天地。
纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势,大致有:
一、微型单片化
现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。
甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。
此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。
现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
二、低功耗CMOS化
MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。
像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。
CMOS虽然功耗低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。
所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
1.2课题概述
基于单片机的音乐播放器可应用于mp3,MP4,扩音器等很多方面,并可作为很多系统的辅助功能,作为单片机的重要硬件资源之一,利用定时器可以产生各种固定频率的方波信号,也可以产生包括"Do"、"Re"、"Me"--等音阶在内的各种频率声音。
将各个音阶连接在一起,便可组成一支曲子或是演奏一段旋律。
基于这个思想,我设计了一款特殊的"音乐播放器",本播放器可实现播放、暂停、复位等功能。
为了体现乐曲播放过程中的动态效果,增加了1只LED,作随机闪烁以指示旋律的节奏。
由于时间及条件限制,本设计实现了一种简单的音乐播放器,其核心器件采用AT89C51单片机,本播放器具有电路简单,功能强大,易于拓展等特点。
在此基础上,可以添加按键,LED显示屏等模块,实现切换歌曲,歌名显示,动感音乐屏等功能。
2、系统硬件原理及设计
2.1核心器件AT89C51介绍
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
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ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51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,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C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
图2-1AT89C51外形图及引脚序列
主要特性:
●与MCS-51兼容
●4K字节可编程闪烁存储器
●寿命:
1000写/擦循环
●数据保留时间:
10年
●全静态工作:
0Hz-24MHz
●三级程序存储器锁定
●128×8位内部RAM
●32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
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器,因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求,但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
芯片擦除:
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合,并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中,代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前,该操作必须被执行。
此外,AT89C51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下,CPU停止工作。
但RAM,定时器,计数器,串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下,保存RAM的内容并且冻结振荡器,禁止所用其他芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
2.2硬件电路设计
2.2.1设计目的
设计一个音乐播放器,有三个按键及控制按钮:
播放/暂停、下一曲、上一曲;通过控制按钮控制单片机,播放所要求的音乐,并通过放大电路和喇叭输出声音。
同时通过LED灯显示器,用来显示所选曲目,该显示器在音乐播放中关闭,一曲演奏结束时,或选曲时才显示曲目信息,从而利于操作。
2.2.2电路设计原理
图2-2-2电路设计原理图
2.2.3总体电路设计
图2-2-3总体电路图
2.2.4单片机电路设计
89C51单片机拥有4KB的片内ROM和128B的片内RAM。
ROM和RAM的片外寻址范围都为64KB。
单片机拥有32个并行口和1个串行口。
在89C51单片机中存在5个中断源,其中有两个外部中断源、两个内部中断源和一个串行中断源。
图2-2-489C51单片机
通过TXAL1与TXAL2输入时钟信号,通过p1.0~p1.7输出控制现实控制信号的显示,有p3.2、p3.3与p3.5分别作为上一曲、下一曲和开始暂停的控制输入。
2.2.5显示电路设计
显示电路是一个8位共阴极LED数码管。
单片机的P0.0-P0.7分别与数码管的A、B、C、D、E、F、G、DP相连接。
图2-2.58位共阴极LED灯
2.2.6晶振时间电路设计
晶振电路由两个30pF的电容和一个6Mhz的晶体振荡器组成。
节点1与单片机的XTAL2相连接,节点2与单片机的XTAL1相连接,从而为单片机提供时间信号,为音乐的播放节拍控制提供基本时间单位:
当晶体振荡频率为6.MHz,定时器工作在方式1下时,若各音阶相对应的定时器计数初值为X,则可根据下式计算X:
图2-2-6晶振电路
2.2.7控制电路设计
控制电路,键一与p3.2相连、键二与p3.3相连、键3与p3.5相连。
当电键按下时接口接低电平,从而实现对音乐播放器的控制。
键一联通实现上一曲更换,键二联通实现下一曲更换,键三联通实现开始暂停操作。
图2-2-7复位电路
2.2.8输出电路设计
发声电路由数字扬声器连接p2.0接口实现音乐的输出,由控制电路发出操作指令后,单片机调用相应程序,并将音乐信号由p2.0口输出,通过驱动扬声器发出美妙的音乐。
图2-2-8输出电路
3.系统软件设计
3.1总体流程图
主程序实现对单片机进行初始化后,进入曲目识别子程序,进行歌曲曲目判断。
确定歌曲曲目后,数码管再进行显示。
然后,子程序对是否播放进行循环判断,得到播放中断的指令后再进行播放。
执行播放后,关闭数码管显示并调用查表子程序进行播放音乐。
在播放音乐的过程中,查表子程序循环判断音乐是否结束。
当音乐结束时,程序跳转回曲目识别子程序。
图3-1总体流程图
3.2单片机音阶代码实现
音调的高低用音阶表示,不同的音阶对应不同的频率。
因此,不同频率的方波就可以产生音阶,音阶与频率的关系见表1。
由于频率的倒数是周期,因此可由单片机中的定时控制方波周期,当定时器计数溢出时产生中断。
将与扬声器连接的P1.7取反后就可得到方波的周期,从而达到了控制频率,即音阶的目的。
音阶与频率的关系及如下表:
表3-2方式1下定时器的初值(注:
0表示简谱中的空拍)
音阶
频率(Hz)
定时器初值
音阶
频率(Hz)
定时器初值
音阶
频率(Hz)
定时器初值
1
2
3
4
5
6
7
0
131
147
165
175
196
220
247
0
0F85EH
0F933H
0F9F0H
0FA49H
0FAE6H
0FB74H,
0FBF4H
0100H
1
2
3
4
5
6
7
0
262
294
330
349
392
440
494
0
0FC2FH
0FC99H
0FCF8H
0FD22H
0FD73H
0FDBAH
0FDFAH
0100H
1
2
3
4
5
6
7
0
523
587
659
698
784
880
988
0
0FE17H
0FE4CH
0FE7CH
0FE91H
0FEB9H
0FEDDH
0FEFDH
0100H
低八度音
中音
高八度音
当晶体振荡频率为6.144MHz,定时器工作在方式1下时,若各音阶相对应的定时器计数初值为X,则可根据下式计算X:
音调的长短用节拍数表示(例如1/4拍、2/4拍、……),不同节拍数的不同音符的组合形成乐谱。
程序中,音的节拍可由延时子程序实现。
延时子程序设定为四分之一拍,节拍值只能是它的整数倍。
3.3单片机产生不同频率脉冲信号的原理:
(1)要产生音频脉冲,只要算出某一音频的脉冲(1/频率),然后将此周期除以2,即为半周期的时间,利用定时器计时这个半周期的时间,每当计时到后就将输出脉冲的I/O反相,然后重复计时此半周期的时间再对I/O反相,就可以在I/O脚上得到此频率的脉冲。
(2)利用8051的内部定时器使其工作在计数器模式MODE1下,改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法如下:
例如,频率为523Hz,其周期天/523S=1912uS,因此只要令计数器计时956uS/1us=956,在每计数956次时就将I/O反接,就可得到中音DO(532Hz)。
计数脉冲值与频率的关系公式如下:
N=Fi/2/Fr
(N:
计数值,Fi:
内部计时一次为1uS,故其频率为1MHz,Fr:
要产生的频率)
(3)其计数值的求法如下:
T=65536-N=65536-Fi/2/Fr
计算举例:
设K=65536,F=1000000=Fi=1MHz,求低音DO(261Hz)、中音DO(523Hz)、高音DO(1046Hz)的计数值。
T=65536-N=65536-Fi/2/Fr=65536-1000000/2/Fr=65536-500000/Fr
低音DO的T=65536-500000/262=63627
中音DO的T=65536-500000/523=64580
高音DO的T=65536-500000/1047=65059
(4)C调个音符频率与计数值T的对照表如下表所示:
音符
频率(Hz)
简谱码(T值)
音符
频率(Hz)
简谱码(T值)
低1DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#1DO#
277
63731
中5SO
784
64898
低2RE
294
63835
#5SO#
831
64923
#2RE#
311
63928
中6LA
880
64968
低3M
330
64103
#6
932
64994
低4FA
349
64204
中7SI
988
65030
#4FA#
370
64260
高1DO
1046
65058
低5SO
392
64261
#1DO#
1109
65085
#5SO#
415
64400
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64443
#2RE#
1245
65124
#6
466
64524
高3M
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64331
#4FA#
1480
65189
表3-3-1C调各音符频率与计数值T的对照表
(5)每个音符使用1个字节,字节的高4位代表音符的高低,低4位代表音符的节拍,下表为节拍码的对照。
但如果1拍为0.4秒,1/4拍是0.1秒,只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。
假设1/4节拍为1DELAY,则1拍应为4DELAY,以此类推。
所以只要求得1/4拍的DELAY时间,其余的节拍就是它的倍数,如下表为1/4和1/8节拍的时间设定。
表3-2-2节拍码对照表
1/4节拍
1/8节拍
节拍码
节拍数
节拍码
节拍数
1
1/4拍
1
1/8拍
2
2/4拍
2
1/4拍
3
3/4拍
3
3/8拍
4
1拍
4
1/2拍
5
1又1/4拍
5
5/8拍
6
1又1/2拍
6
3/4拍
7
1又3/4拍
7
7/8拍
8
2拍
8
1拍
9
2又1/4拍
9
1又1/8拍
A
2又1/2拍
A
1又1/4拍
B
2又3/4拍
B
1又3/8拍
C
3拍
C
1又1/2拍
D
3又1/4拍
D
1又5/8拍
E
3又1/2拍
E
1又3/4拍
F
3又3/4拍
F
1又7/8拍
表3-3-3各调节拍的时间设定表
1/4节拍
1/8节拍
曲调值
DELAY
曲调值
DELAY
调4/4
125毫秒
调4/4
62毫秒
调3/4
187毫秒
调3/4
94毫秒
调2/4
250毫秒
调2/4
125毫秒
四分之一拍延时代码设计:
1/4拍的延迟时间=187毫秒
DELAY:
MOVR7,#2
D2:
MOVR4,#187
D3:
MOVR3,#248
DJNZR3,$
DJNZR4,D3
DJNZR7,D2
RET
3.4音乐代码实现
3.4.1音乐代码库的建立方法
(1)先找出乐曲的最低音和最高音范围,然后确定音符表T的顺序。
(2)把T值表建立在TABLE1,构成发音符的计数值放在“TABLE”。
(3)简谱码(音符)为高位,节拍为(节拍数)为低4位,音符节拍码放在程序的“TABLE”处。
(4)音符节拍码00H为音乐结束标记。
3.4.2选曲
在一个程序中,需要演奏两首或两首以上的歌曲时,音乐代码库的建立有两种方法:
(1)将每首歌曲建立相互独立的音符表T和发音符计数值TABLE。
(2)在建立公用音符表T后,再写每首歌的发音计数值TABLE中的代码
不管采用那种方法,每首歌曲结束时,在TABLE中均需加上音乐结束符00H。
3.4.3歌曲的设计
下面以歌曲《军港之夜》的设计为例,讲述歌曲在单片机中的实现。
曲谱如下图所示
图3-4-3《军港之夜》乐谱
从歌中可看出,最低音为低7Si,最高音为高1Do。
根据音乐软件的设计方法,简谱对应的简谱码、T值、节拍数如表所示:
表3-4-3简谱对应的简谱码、T值、节拍数
简谱
发音
简谱码
T值
节拍码
节拍数
低7
低音Si
1
64524
1
1/4
1
中音Do
2
64580
2
2/4
2
中音Re
3
64684
3
3/4
3
中音Mi
4
64777
4
1
4
中音Fa
5
64820
5
1+1/4
5
中音So
6
64898
6
1+1/2
6
中音La
7
64968
8
2
7
中音Ti
8
65030
A
2+1/2
高1
高音Do
9
65058
C
3
低6
低音La
A
64400
F
3+3/4
低5
低音So
B
64260
《军港之夜》代码实现如下:
SONG1:
DB04H;1=C2/4军港之夜
DB32H,54H,52H,32H,54H,52H,32H,12H,12H,32H,32H,54H,52H,32H,52H,52H,32H,32H,21H,31H,24H,0E2H,0D1H,0E1H,0D2H,0C2H,14H,14H
DB0C2H,32H,32H,12H,21H,31H,24H,32H,34H,0D2H,0C2H,14H,14H,32H,52H,52H,32H,52H,54H,32H,34H,31H,21H,12H,24H,24H
DB34H,0E2H,0C2H,0D1H,0E1H,0D4H,12H,0E2H,32H,32H,0E2H,0D1H,0E1H,0D4H,0D2H,0E2H,32H,32H,0E2H,0E2H,0D1H,0E1H,0D4H
DB22H,0D1H,11H,0E2H,0D2H,0C4H,0C4H,32H,52H,52H,32H,62H,5H,61H,54H,31H,52H,31H,12H,31H,31H,32H,54H,52H,32H,52H,52H,32H
DB32H,21H,31H,24H,0E2H,0D1H,0E1H,0D2H,0C2H,34H,34H,32H,52H,52,32H,62H,51H,61H,54H,31H,52H,31H,12H,32H,12H,32H,32H,54H,52H
DB32H,52H,52H,31H,31H,32H,21H,31H,24H,0E2H,0D1H,0E1H,0D2H,0C2H,14H,14H
DB32H,52H,52H,32H,32H,21H,31H,24H,0E2H,0D1H,0E1H,0D2H,0C2H,14H,14H
DB0C2H,32H,32H,12H,21H,31H,24H,32H,34H,0D2H,0C2H,14H,14H,32H,52H,52H,32H,52H,54H,32H,34H,31H,21H,12H,24H,24H
DB34H,0E2H,0C2H,0D1H,0E1H,0D4H,12H,0E2H,32H,32H,0E2H,0D1H,0E1H,0D4H,0D2H,0E2H,32H,32H,0E2H,0E2H,0D1H,0E1H,0D4H
DB22H,0D1H,11H,0E2H,0D2H,0C4H,0C4H,32H,52H,52H,32H,62H,5H,61H,54H,31H,52H,31H,12H,31H,31H,32H,54H,52H,32H,52H,52H,32H
DB32H,21H,31H,24H,0E2H,0D1H,0E1H,0D2H,0C2H,34H,34H,32H,52H,52,32H,62H,51H,61H,54H,31H,52H,31H,12H,32H,12H,32H,32H,54H,52H
DB32H,52H,52H,31H,31H,32H,21H,31H,24H,0E2H,0D1H,0E1H,0D2H,0C2H,14H,14H
DB32H,52H,52H,32H,32H,21H,31H,24H,74H,0D2H,0C2H,14H,14H,14H,14H
DB00H
TABLE2:
DW63835,64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777
DW64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178
3.5键控子程序
键控子程序主要由播放/暂停子程序、上一曲子程序、下一曲子程序组成,分别由一个计数器中断和两个外部中断实现。
3.5.1播放/暂停子程序
播放/暂停在程序利用内部中断T0口。
将T0口设为计数中断并工作在方式2下。
标识符初值赋值为R1=00H,计数初值设为TH0=0FFH,TL0=0FFH。
当按键第一次产生中断信号时,播放/暂停子程序改变标志符R1,将其赋值为01H。
此时播放器由暂停状态进入播放状态。
当按键第二次产生中断信号时,播放/暂停子程序判断R1是否为02H后,将R1再次赋值为00H。
此时,播放器由播放状态进入暂停状态。
图3-5-1播放/暂停子程序流程图
代码实现如下:
POPDPL;恢复现场
POPDPH
POPACC
SETBEA
RETI;中断返回
START_PAUSE:
CPLF0;开始/暂停中断处理程序,将标置位取反
JBF0,RETURN;为1返回
SETBTR0;为0则播放
RETURN:
RETI;中断返回
DELAY:
MOV27H,26H;音符演奏时间控制
D2:
MOV28H,#125
D3:
MOV29H,#248
DJNZ29H,$
DJNZ28H,D3
DJNZ27H,D2
DJNZR2,DELAY
RET
3.5.2曲目选择子程序
曲目选择子程序分为上一曲子程序和下一曲子程序。
上一曲和下一曲功能实现方式类似,分别由外部中断
和外部中断
。
下面以实现上一曲功能为例:
首先设置标识符R7初始值为00H。
当按键产生中断信号,上一曲中断子程序改变标识符R7的值为01H并改变曲目R0的值。
播放子程序判断出标识符R7改变后,先将R7赋值为00H,
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