單片機(jī)典型案例開發(fā)（三） - 全文

　　一、基于單片機(jī)的多功能防醉駕系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)

　　基于ATmega16超低功耗單片機(jī)的2J2001A型數(shù)碼酒精探測控制儀，探測傳感器安裝在汽車內(nèi)，分別在主駕駛車位上的頭頂上、方向盤上、每一個(gè)車門的邊上安裝，當(dāng)駕駛?cè)藛T進(jìn)入駕駛座位后，可以自動(dòng)對酒精濃度進(jìn)行探測，當(dāng)系統(tǒng)通過對5個(gè)酒精測試儀的數(shù)據(jù)分析后，會(huì)判定出駕駛員是否是飲酒駕車和醉酒駕車，并分別采取對應(yīng)的措施，以確保行車和駕駛員的安全。系統(tǒng)可以根據(jù)檢測到的酒精含量是否超標(biāo)控制汽車點(diǎn)火器打開或者關(guān)閉，如果超標(biāo)，則駕駛?cè)藛T無法啟動(dòng)汽車同時(shí)安全帶會(huì)自動(dòng)收緊，而且系統(tǒng)會(huì)呼叫相應(yīng)的人員過來幫助駕駛員，因此從根本上杜絕了酒后駕車的出現(xiàn)。該系統(tǒng)具有性價(jià)比高，智能化程度高，工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　系統(tǒng)采用超高靈敏度酒精傳感器用旁熱型半導(dǎo)體式酒精氣敏元件MQ3，超低功耗ATmega16單片機(jī)系統(tǒng)，自動(dòng)探測酒精濃度的方法，可以防止駕駛?cè)藛T逃避檢測，以判斷駕駛員是否是酒后開車，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。主機(jī)電路包括8個(gè)模塊，分別是酒精傳感電路模塊、電源模塊、GPS定位模塊、鍵盤控制模塊、液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、語音呼叫模塊、繼電器控制模塊。該系統(tǒng)放置在汽車儀表盤位置，當(dāng)司機(jī)打開車門時(shí)，酒精探測控制儀啟動(dòng)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)處于被鎖狀態(tài)，汽車無法啟動(dòng)。酒精傳感器加熱后，探測控制儀對酒精傳感器探測的氣體信號進(jìn)行檢測。由于酒精含量與酒精傳感器檢測后產(chǎn)生的電壓信號成特定的比例關(guān)系，因而可根據(jù)電壓信號進(jìn)行酒精含量的判斷。檢測到的信號經(jīng)過放大和濾波之后，通過單片機(jī)內(nèi)置的12位ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機(jī)對此信號進(jìn)行處理判斷，假設(shè)酒精含量沒有超標(biāo)，LCD顯示屏幕顯示當(dāng)前酒精濃度，同時(shí)綠色指示燈（正常）亮起，控制繼電器不起作用，汽車隨之啟動(dòng);反之紅色指示燈（不正常）亮起并進(jìn)行聲光報(bào)警，控制繼電器切斷點(diǎn)火裝置電源，同時(shí)安全帶收緊，系統(tǒng)啟動(dòng)呼叫緊急聯(lián)系人裝置，通過GPRS導(dǎo)航儀測定當(dāng)前位置并以語音或短信“我現(xiàn)在在XX方位，我喝醉了，請速來”告訴給緊急聯(lián)系人，此時(shí)駕駛?cè)藛T無法啟動(dòng)汽車，從根本上實(shí)現(xiàn)控制酒后駕車。汽車啟動(dòng)后，控制儀隨即進(jìn)入低功耗狀態(tài)，只有酒精濃度探測電路一直工作，一旦駕駛?cè)藛T駕駛過程中飲酒，控制儀立即恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

　　2 系統(tǒng)主要電路設(shè)計(jì)

　?。?）主控電路

　　本控制儀采用了由Atmel公司研發(fā)出的新一代高性能、低功耗、高集成化的8位微處理器，具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令的執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期增強(qiáng)型ATmega16單片機(jī)，它的工作電壓為4.5～5.5 V，工作頻率為0～16 MHz，支持JTAG端口仿真和編程，仿真效果比傳統(tǒng)仿真更真實(shí)有效。它的高度集成不但大大降低了故障率，而且在成本、體積、穩(wěn)定性方面都有明顯優(yōu)勢。系統(tǒng)主控電路如圖2所示，包含晶振電路、復(fù)位電路等。

　?。?）酒精檢測電路

　　酒精傳感器采用旁熱型半導(dǎo)體式酒精氣敏元件MQ3，探測范圍為10～1000ppm。酒精檢測電路由高精度酒精傳感器、信號調(diào)理放大電路、濾波電路和單片機(jī)內(nèi)置12位ADC等組成，主要功能是檢測酒精含量，判斷其是否超標(biāo)，如圖3所示。

　?。?）指示燈電路

　　指示燈電路有紅綠黃三個(gè)指示燈，紅燈是電源指示燈，工作時(shí)亮;綠燈是檢測提示燈，因?yàn)榫凭筋^需要一定時(shí)間加熱，才能達(dá)到理想的靈敏度，加熱時(shí)間到，綠燈亮，表示可以進(jìn)行濃度探測;黃燈為報(bào)警指示燈，黃燈不亮，表示可以行車;當(dāng)黃燈亮?xí)r，表示酒精濃度超標(biāo)，不可以駕駛，同時(shí)黃燈閃爍的頻率越高，酒精濃度越高。如圖4所示。

　　（4）液晶顯示電路

　　此系統(tǒng)選用的是廣州瑞通科技有限公司的SED1335圖形點(diǎn)陣LCD模塊。這是一款低功耗的點(diǎn)陣圖形式LCD，可以工作在3.3 V供電的情況下，顯示格式為128（列）×64（行），具有多功能指令，內(nèi)部帶有中文字庫，既可以工作于串行方式又可以工作于并行方式，很容易與16位的單片機(jī)相連。本系統(tǒng)中與單片機(jī)的連接采用并行工作模式，以液晶顯示控制芯片ATmega16的異步串行通信端USART為外部數(shù)據(jù)或控制指令的輸入斷口，如圖5所示。

　?。?）GPS導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)置電路

　　本設(shè)計(jì)在系統(tǒng)終端采用了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)模塊作為開發(fā)平臺，當(dāng)酒精檢測系統(tǒng)發(fā)出醉酒超標(biāo)信號時(shí)，該模塊就會(huì)將所在地點(diǎn)的信息發(fā)到語音呼叫模塊上。在平時(shí)無醉酒（飲酒）情況下，該模塊就充當(dāng)GPS實(shí)時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)，為駕駛員提供必要的信息。

　?。?）繼電器控制電路

　　控制繼電器有兩個(gè)主要部分，一個(gè)是控制系統(tǒng)，另一個(gè)是被控制系統(tǒng)。其起動(dòng)機(jī)的工作原理如圖6所示。

　?。?）語音呼叫系統(tǒng)控制電路

　　語音呼叫系統(tǒng)是繼酒精檢測電路發(fā)出超標(biāo)信號后，該系統(tǒng)讀取GPS模塊傳送過來的信息并通過語音呼叫系統(tǒng)把飲酒者所在地點(diǎn)信息傳給其最近聯(lián)系人，讓他過來幫忙，如：“我現(xiàn)在在XX方位，我喝醉了，請速來”。其電路如圖7所示。

　?。?）報(bào)警和鍵盤電路

　　利用蜂鳴器作為報(bào)警器，當(dāng)酒精含量超標(biāo)時(shí)，發(fā)出禁止行車警告音;不超標(biāo)時(shí)發(fā)出允許行車提示音。由單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件部分根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行模塊化編程。控制儀主程序流程圖如圖8所示，實(shí)現(xiàn)酒精含量檢測、酒精含量是否超標(biāo)判別、酒精含量顯示、聲光報(bào)警等功能。系統(tǒng)初始化后，對酒精傳感器進(jìn)行加熱，自動(dòng)進(jìn)入測量狀態(tài)，然后采集酒精含量電壓信號，與設(shè)定的精度濃度進(jìn)行比較，如果高于這個(gè)濃度，則顯示該濃度，并進(jìn)行聲光報(bào)警，同時(shí)切斷點(diǎn)火電路，駕駛?cè)藛T不能發(fā)動(dòng)汽車;如果低于這個(gè)濃度，則顯示所測的濃度，同時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　通過電路中預(yù)留的JTAG接口調(diào)試程序，依據(jù)檢測系統(tǒng)不同功能的需要，采用模塊化的設(shè)計(jì)，將程序分成幾個(gè)主要的功能模塊：氣體檢測、工作電壓設(shè)置、采樣數(shù)據(jù)上傳。

　　4 結(jié)語

　　酒精監(jiān)控系統(tǒng)是為預(yù)防或杜絕醉酒駕車引發(fā)交通事故發(fā)生而設(shè)計(jì)的。通過對各個(gè)電路功能及軟件工作流程的研究與制作，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)具有自動(dòng)測量、智能化程度高、功耗低等特點(diǎn)，對預(yù)防酒后駕車具有很好的效果，在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的推廣價(jià)值。

　　二、智能電飯煲中單片機(jī)的應(yīng)用

　　1 引言

　　微電腦或電腦控制的智能電飯煲符合現(xiàn)代人的要求，人性化的界面設(shè)計(jì)，使得人們一眼看出當(dāng)前工作狀態(tài)，讓您更安心，各種烹調(diào)過程全部由電腦自動(dòng)控制，并且大多的智能電飯煲采用太空“黑晶”內(nèi)膽，超硬耐磨，恒久美觀，所有的這些特點(diǎn)符合現(xiàn)代人的省時(shí)、省力、耐用的觀念。

　　本文主要介紹利用SPMC65P2404A芯片來對電飯煲的過程進(jìn)行控制，SPMC65P2404A是凌陽公司的8位元單片機(jī)，最高工作頻率為8MHz，工作電壓2.5V~5V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，有23個(gè)可編程IO口，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2通道8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2通道16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)12位PWM輸出口，有低電壓、上電、看門狗、外部信號、錯(cuò)誤地址復(fù)位，并且有一個(gè)蜂鳴器輸出口。

　　2 總體方案介紹

　　利用凌陽8位MCU設(shè)計(jì)的智能電飯煲控制系統(tǒng)原理框圖如圖2-1所示，通過按鍵來選擇功能模式、顯示電路完成顯示當(dāng)前狀態(tài)和定時(shí)時(shí)間;通過溫度傳感器來對溫度進(jìn)行采樣;通過MCU的控制最終實(shí)現(xiàn)對繼電器的控制，從而來控制對加熱盤的加熱與否，電源部分完成對單片機(jī)系統(tǒng)和外圍電路提供5V電源，并且對加熱盤進(jìn)行加熱。

　　圖2-1 控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1、由單片機(jī)SPMC65P2404A控制的電飯煲的硬件原理圖如圖3-1所示，它包括按鍵輸入部分，溫度檢測輸入電路，復(fù)位和晶振電路，PA6、PA7完成對頂蓋和底盤的溫度的檢測，PA5完成對繼電器的控制，SPMC65P2404A是系統(tǒng)的核心部分。

　　圖3-1 電飯煲的電路原理圖

　　芯片特性簡介

　　SPMC65P2404A是凌陽公司的8位元單片機(jī)，最高工作頻率為8MHz，工作電壓2.5V~5V，有192字節(jié)的RAM和4K字節(jié)的OTP ROM，有23個(gè)可編程IO口，8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，2通道8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，2通道16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)12位PWM輸出口，有低電壓、上電、看門狗、外部信號、錯(cuò)誤地址復(fù)位，并且有一個(gè)蜂鳴器輸出口……。利用這些資源，能夠?qū)崿F(xiàn)電飯煲的功能。

　　2、顯示電路：

　　顯示電路由共陽極數(shù)碼管和10個(gè)LED組成，通過單片機(jī)位選和所送的數(shù)據(jù)來點(diǎn)亮相應(yīng)的LED和數(shù)碼管的顯示狀態(tài)。其電路原理圖如圖3-2所示：

　　圖3-2 顯示電路

　　3、電源電路：

　　電源部分為單片機(jī)提供+5V的直流穩(wěn)壓源，并且通過降壓、整流、濾波之后的+14V電壓對繼電器進(jìn)行供電，通過控制三極管射極的導(dǎo)通與否來控制繼電器的工作狀態(tài)。電源電路原理圖如圖3-3所示

　　圖3-3 電源電路

　　4、溫度采集部分電路圖：

　　J2和J3是溫度傳感器的兩個(gè)接口，其中J2和J3分別是頂蓋和底盤溫度傳感器的接口，單片機(jī)檢測的信號實(shí)際上是與溫度傳感器分壓的電阻的電壓值，因?yàn)闇囟葌鞲衅鞯碾娮柚禃?huì)隨溫度的上升而減小，所以分壓電阻的電壓值間接反映了某一時(shí)刻的溫度，電路原理圖如圖3-4所示：

　　圖3-4 溫度傳感器電路

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 主程序流程

　　從樣機(jī)分析中大致設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)輸入包括2個(gè)溫度傳感器，5個(gè)按鍵;輸出包括2位七段數(shù)碼管、10個(gè)發(fā)光二極管、繼電器控制信號等。根據(jù)控制功能，將程序設(shè)計(jì)為幾個(gè)主要的模塊，程序主流程見圖4-1所示：

　　程序主流程圖

　　4.2 子程序介紹

　　1、 診斷子程序

　　診斷程序主要進(jìn)行溫度采集并判斷傳感器是否良好，主要對2個(gè)溫度傳感器連續(xù)檢測20次，若測到的數(shù)據(jù)不在范圍內(nèi)（溫度范圍：-10℃~160℃），則表明傳感器短路或斷路錯(cuò)誤，數(shù)碼顯示“E”，并禁止按鍵操作。

　　2、 鍵盤掃描子程序

　　程序每循環(huán)一次掃描一次鍵盤，如果掃描到有鍵按下，則暫存鍵值，如果連續(xù)5次掃描到的鍵值都一樣，則認(rèn)為是穩(wěn)定的鍵值。

　　3、 系統(tǒng)共有5個(gè)按鍵，在不同的狀態(tài)下，每個(gè)鍵只要輕按一次就有效。系統(tǒng)的五個(gè)鍵接于PA1 、PA3、PA2 、PA0、PA4，如果按鍵值有效則返回值的相應(yīng)位為0，否則相應(yīng)位為1。

　　4、 溫度采集子程序

　　熱敏電阻靈敏度高，為了防止干擾及其它原因?qū)е聹y出的溫度值變化太快，引起控制部件頻繁動(dòng)作，溫度采集采用滑動(dòng)平均值濾波方法。即在同一個(gè)通道上連續(xù)采集三個(gè)數(shù)據(jù)，取其中的中間值。

　　5、 顯示子程序

　　系統(tǒng)共有2位七段數(shù)碼管顯示及10個(gè)發(fā)光二極管顯示。數(shù)碼管主要有6種狀態(tài)需要顯示：待機(jī)狀態(tài)、出錯(cuò)顯示、燜飯、保溫、煮飯中及定時(shí)時(shí)間顯示。發(fā)光二極管顯示所選擇的功能、開始及保溫狀態(tài)。功能顯示需采用輪循方式，在按下開始鍵之前，開始燈閃爍。進(jìn)入保溫狀態(tài)后，保溫指示燈亮。LED顯示程序由位碼掃描子程序及數(shù)碼顯示狀態(tài)選定子程序組成。

　　三、STC單片機(jī)自動(dòng)下載系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　引言

　　STC單片機(jī)下載程序不需要編程器燒寫，可以通過串口下載。美中不足的是，STC單片機(jī)下載時(shí)必須進(jìn)行冷啟動(dòng)，即下載信號加到單片機(jī)串口以后必須對單片機(jī)斷電再上電，這給用戶帶來了一些不便。尤其是反復(fù)調(diào)試程序需要多次下載時(shí)，顯得更加繁瑣。

　　為了解決這一問題，有必要研制一種STC單片機(jī)專用的自動(dòng)下載系統(tǒng)，使系統(tǒng)接收到上位機(jī)發(fā)往單片機(jī)的下載信號后，自動(dòng)冷啟動(dòng)STC單片機(jī)，完成下載任務(wù)。

　　1 原理分析

　　STC單片機(jī)下載時(shí)，需要使用宏晶公司提供的STCISP軟件。下載開始時(shí)，上位機(jī)軟件首先向單片機(jī)發(fā)出下載命令。自動(dòng)下載系統(tǒng)收到上位機(jī)對單片機(jī)發(fā)出的下載命令后，實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的斷電、上電冷啟動(dòng)操作。單片機(jī)經(jīng)冷啟動(dòng)后，收到命令數(shù)據(jù)流后作出回應(yīng)，開始下載程序。需要注意的是，單片機(jī)在正常工作中，串口有可能接收數(shù)據(jù)，由于自動(dòng)下載系統(tǒng)與單片機(jī)串口連接，因而系統(tǒng)必須具有自動(dòng)判斷接收的數(shù)據(jù)流是否為下載命令的能力，保證及時(shí)冷啟動(dòng)目標(biāo)單片機(jī)。

　　為了檢測下載程序的命令數(shù)據(jù)流，可以采用如下方法：從PC的串口引出連接線，接至PC的另一個(gè)串口，用串口調(diào)試助手打開;用STC-ISP軟件發(fā)送下載命令，可以檢測到在波特率為9 600 bps的情況下，該軟件持續(xù)向單片機(jī)發(fā)送十六進(jìn)制的0x80;當(dāng)自動(dòng)下載系統(tǒng)連續(xù)接收到足夠數(shù)量的0x80時(shí)，即可判定接收到了下載命令數(shù)據(jù)流，從而進(jìn)入冷啟動(dòng)程序。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 主控芯片STC15F104E簡介

　　自動(dòng)下載系統(tǒng)需要接收上位機(jī)發(fā)往目標(biāo)單片機(jī)的下載命令程序流，并對目標(biāo)單片機(jī)進(jìn)行冷啟動(dòng)。STC15F104E是宏晶公司研發(fā)的一款單片機(jī)，具有省去一些外部電路而功能較全面的優(yōu)點(diǎn)。

　　該單片機(jī)的特點(diǎn)有：

　　◆內(nèi)部集成了可靠復(fù)位，省去了外部復(fù)位電路。

　　◆內(nèi)部集成了R/C時(shí)鐘（在常溫下僅有5‰溫漂），省去了外部晶振。

　　◆內(nèi)部集成了2個(gè)16位可重裝載定時(shí)器，與普通8051單片機(jī)兼容。

　　◆為DIP8/SOP8封裝，體積較小，功耗較低。

　　◆增強(qiáng)型8051內(nèi)核，單時(shí)鐘周期，信號處理速度快，實(shí)時(shí)性較好。

　　由于STC15F104E可以省去傳統(tǒng)單片機(jī)的復(fù)位電路、外部晶振電路，且采用貼片封裝，因此占用電路板面積非常小，適合集成在電路板上，因而作為本系統(tǒng)的主控芯片。

　　2.2 主控電路

　　如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)以STC15F104E為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。STC15F104E的P3.0腳與目標(biāo)單片機(jī)STC89C52RC的串口接收端相連，即將發(fā)往目標(biāo)單片機(jī)的信號連接到自動(dòng)下載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號的獲取和處理。由丁自動(dòng)下載系統(tǒng)不需要發(fā)出任何信息，STC15F104E的P3.1引腳懸空，不與目標(biāo)單片機(jī)相連。

　　對目標(biāo)單片機(jī)進(jìn)行冷啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)斷電、再上電，可以用三極管作為電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)。必須注意到的是，三極管的最大可通過電流不要小于單片機(jī)電路的所需電流。如果三極管僅作為單片機(jī)供電的開關(guān)，由于STC89系列單片機(jī)的正常丁作模式功耗為2～7 mA，90系列三極管通常情況下可以滿足需求。但在某些情況下，單片機(jī)的串口上電后會(huì)給單片機(jī)供電，使單片機(jī)各引腳電平處于不確定的狀態(tài)，因而必須對目標(biāo)電路板整體進(jìn)行冷啟動(dòng)，三極管必須滿足目標(biāo)電路板的總電流需求。由于三極管8550的最大可通過電流為1.5 A，可以滿足絕大多數(shù)電路的供電需求。所以選擇三極管8550連接到目標(biāo)單片機(jī)STC89C52RC的VCC腳，作為對其冷啟動(dòng)的開關(guān)。

　　如圖1所示，D1為指示燈，其亮滅可以通過STC15F104E的P3.3腳控制。在程序中加入相應(yīng)的語句即可實(shí)現(xiàn)燈的亮滅與閃爍，以顯示系統(tǒng)的狀態(tài)。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　STC單片機(jī)自動(dòng)下載系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。在初始化后，系統(tǒng)循環(huán)檢測是否接收到下載信號;經(jīng)過判斷證實(shí)接收到下載信號后，就切斷目標(biāo)單片機(jī)電源;等待適當(dāng)?shù)臅r(shí)間后，再給目標(biāo)單片機(jī)上電。單片機(jī)正常工作期間，系統(tǒng)接收到發(fā)往目標(biāo)單片機(jī)串口的非下載命令程序，經(jīng)自動(dòng)判斷后不作任何動(dòng)作。

　　3.1 串口模擬程序

　　由于STC15F104E沒有串口，因而必須利用定時(shí)器模擬串口。其方法是，定義一個(gè)常量，根據(jù)所需要的波特率對該常量賦值，并將該常量值賦到定時(shí)所用的寄存器中。在模擬外部晶振為11.059 2 MHz、波特率為9 600 bps的情況下，設(shè)置常量BAUD為0xFE80，并將該常量賦值到TL1、TH1兩個(gè)寄存器中，實(shí)現(xiàn)定時(shí)。每到相應(yīng)時(shí)間觸發(fā)定時(shí)中斷程序，將外部引腳的狀態(tài)讀入并存入預(yù)先設(shè)定的數(shù)組中，完成模擬串口讀入字節(jié)的任務(wù)。

　　3.2 下載命令檢測程序

　　在STC上位機(jī)軟件發(fā)出的下載命令中，波特率為9 600 bps時(shí)數(shù)據(jù)流為連續(xù)的0x80。由于在單片機(jī)正常工作時(shí)也有可能接收0x80，下載系統(tǒng)只有嚴(yán)格檢測到連續(xù)多個(gè)0x80時(shí)，才能判斷為接收到了下載命令。如果其中有一個(gè)不是0x80，則重新檢測計(jì)數(shù)。這里設(shè)定為當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)接收到200個(gè)0x80時(shí)，判定為接收到了下載命令。

　　3.3 冷啟動(dòng)操作和指示燈程序

　　接收到下載命令后，STC15F104E首先關(guān)閉定時(shí)器中斷，停止模擬串口的接收工作。之后將P3.4置1，切斷目標(biāo)單片機(jī)的電源。延遲1～2 s后置0，恢復(fù)對目標(biāo)單片機(jī)的供電?？紤]到STC上位機(jī)下載軟件從發(fā)送下載命令到單片機(jī)開始下載大約需要1～2 s的時(shí)間，恢復(fù)供電后需要繼續(xù)延遲5 s，保證目標(biāo)單片機(jī)已經(jīng)開始下載后再啟動(dòng)定時(shí)器中斷。

　　STC單片機(jī)接收到下載命令后，必須作出回應(yīng)才能進(jìn)行下載。上位機(jī)發(fā)出的下載信號同時(shí)發(fā)送到目標(biāo)單片機(jī)和自動(dòng)下載系統(tǒng)，自動(dòng)下載系統(tǒng)中的單片機(jī)的P3.1腳懸空，而目標(biāo)單片機(jī)的P3.1與上位機(jī)串口相連。這樣，只有目標(biāo)單片機(jī)能夠回應(yīng)下載命令實(shí)現(xiàn)下載，自動(dòng)下載系統(tǒng)中的單片機(jī)不能回應(yīng)下載命令，避免了對上位機(jī)的干擾。

　　結(jié)語

　　STC單片機(jī)自動(dòng)下載系統(tǒng)省去了操作人員手動(dòng)開關(guān)電源的不便，避免了相應(yīng)的機(jī)械損耗，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

　　四、Proteus的單片機(jī)演奏系統(tǒng)

　　當(dāng)前的很多用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)音樂演奏的系統(tǒng)都是利用開發(fā)板結(jié)合仿真器實(shí)現(xiàn)的，這種方法不是很復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)也較方便，但是調(diào)試不是很方便，且成本也較高。 本文提出的一種基于Proteus 的單片機(jī)演奏音樂的方法，非常簡單實(shí)用，且該方法基于軟件來實(shí)現(xiàn)的，所以成本非常低，調(diào)試方便，效果也很不錯(cuò)，適合于愛好音樂的單片機(jī)學(xué)習(xí)者。 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分兩大部分：硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　硬件部分比較簡單，如果在開發(fā)板上做實(shí)驗(yàn)可仿下面圖1 電路連接。

　　AT89C51 單片機(jī)的P2.5 口控制一個(gè)8550 的三極管，三極管控制電磁蜂鳴器的電源通斷。

　　如果用Proteus 軟件來仿真的話，電路更加簡單，見圖2。

　　圖2 在Proteus 環(huán)境下用單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)聲的原理圖。

　　需要的關(guān)鍵元件：單片機(jī)和蜂鳴器。

　　為了便于軟件編程，先要了解單片機(jī)唱歌的基本原理。

　　什么是聲音呢？聲音是空氣的振蕩，不同的振蕩頻率我們就可以聽到不同聲調(diào)的聲音。 音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲。

　　其次，如何讓蜂鳴器發(fā)聲？蜂鳴器有很多種類，但大致分為兩類：有源式（直流電就發(fā)聲，但頻率單一）;無源式（根據(jù)輸入方波頻率而發(fā)出不同的聲音）。 這里選擇無源式蜂鳴器。

　　單片機(jī)唱歌的基本原理：利用程序來控制單處機(jī)某個(gè)口線出一定頻率的方波到蜂鳴器，蜂鳴器就可以發(fā)出一定音調(diào)的聲音，若再利用不同的延時(shí)程序改變輸出頻率，就可以改變音調(diào)，進(jìn)而就可讓單片機(jī)發(fā)出“1”、“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”的音樂。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　通過軟件延時(shí)或者定時(shí)器延時(shí)來的方式以不同頻率改變口線的的高低電平狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。 如果只是讓蜂鳴器發(fā)聲這已經(jīng)夠了。 但是我們要的是唱歌，所以還有一些工作需要作。

　　2.1 音調(diào)

　　輸出不同頻率的方波，以實(shí)現(xiàn)1、2、3、4 等的不同音調(diào);比如，發(fā)出200HZ 的音頻，其周期為1/200s，即5ms. 這樣，當(dāng) P2.5 的高電平或低電平的持續(xù)時(shí)間為2.5ms 時(shí)，就能發(fā)出200HZ 的音調(diào)。 我們可以寫一個(gè)延時(shí)子程序，用R3 來提供參數(shù)，R3=1 時(shí)，延時(shí)為20us，那么R3 取2500/20=125（7DH）時(shí)，就可以發(fā)出200Hz 的音調(diào)，提供不同的R3 常數(shù)，可以得到不同的音調(diào)變化。

　　利用通用發(fā)聲程序可以編寫樂曲演奏程序，樂曲是按照一定的高低，長短和強(qiáng)弱的關(guān)系組成的音調(diào)，在一首樂曲中，每音符的音高和音長與頻率和節(jié)拍有關(guān)（如圖3 所示）。

　　圖3 音符的音高和音長與頻率的關(guān)系

　　圖3 畫出了兩個(gè)音階（一個(gè)音階是8 個(gè)音符）的鋼琴鍵和每個(gè)鍵的音符名及其頻率（HZ），低音階以低C（130.8Hz）到中C（261.7Hz）高音階以中C 到高C（523.3Hz）黑鍵比它旁邊的白鍵高半個(gè)音或低半個(gè)音。 組成樂曲的每個(gè)音符的頻率和持續(xù)時(shí)間是樂曲程序發(fā)聲所需要的兩個(gè)重要數(shù)據(jù)。 頻率可以從圖中得到，音符的持續(xù)時(shí)間可根據(jù)樂曲速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)來確定，是可以從樂譜中得到的。

　　2.2 節(jié)拍

　　控制一個(gè)音符輸出的時(shí)間，比如1 拍、1/4 拍。 在4/4（四四拍）中，四分音符為一拍，每小節(jié)4 拍，全音符持續(xù)4 拍，二分音符持續(xù)2 拍，四分音符持續(xù)1 拍，八分音符持續(xù)半拍。 而全音符需要1s 的時(shí)間，則二分音符持續(xù)時(shí)間為0.5s（50×10ms），四分音符的持續(xù)時(shí)間為0.25s（25×10ms），八分音符持續(xù)時(shí)間為0.125s（12.5×10ms）。

　　知道了音調(diào)與頻率和時(shí)間的關(guān)系，就可以按照樂曲的曲譜將每個(gè)音符的頻率和持續(xù)時(shí)間定義成兩個(gè)數(shù)據(jù)表，然后編寫程序依次取出表中的時(shí)間值和頻率值。

　　僅上所敘還不夠，要準(zhǔn)確奏出一首曲子，必須準(zhǔn)確地控制樂曲節(jié)奏，即一音符的持續(xù)時(shí)間。 例如，一首曲子的節(jié)奏為每分種94 拍，那么一拍就為60/94=0.64s.

　　音樂的節(jié)拍我們可用定時(shí)器來控制，簡單的說，一個(gè)一拍的音符唱0.64s，我們就設(shè)置一個(gè)定時(shí)器定時(shí)0.64s，時(shí)間一到就換下一個(gè)音符。 但是，由于單片機(jī)的T0，在12MHz 晶振下最大定時(shí)時(shí)間只能為65ms，因此不可能直接用改變T0 的時(shí)間初值來實(shí)現(xiàn)不同節(jié)拍。 如何定時(shí)一個(gè)更大的時(shí)間，我們可以用T0 來產(chǎn)生10ms 的時(shí)間基準(zhǔn)，然后設(shè)置 一個(gè)中斷計(jì)數(shù)器，通過判別中斷計(jì)數(shù)器的值來控制節(jié)拍時(shí)間的長短。

　　例如對1/4 拍音符，定時(shí)時(shí)間為0.16s，相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)（中段計(jì)數(shù)器）為16（即10H）;對3 拍音符，定時(shí)時(shí)間為1.92s，相應(yīng)時(shí)間長數(shù)為192（即C0H）。

　　2.3 電路實(shí)現(xiàn)

　　因?yàn)橐皇浊硬恢挂粋€(gè)音符，我們不可能對每一個(gè)音符的音階都去“手工”的提供時(shí)間常數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)的簡化，我們編制一個(gè)將每一音符的時(shí)間常數(shù)和其相應(yīng)的節(jié)拍常數(shù)作為一組，按順序?qū)非械乃谐?shù)排列成的表格，在程序里用查表指令依次查出每一個(gè)音符的頻率和對應(yīng)節(jié)拍時(shí)間，產(chǎn)生音符并控制節(jié)奏，就可以實(shí)現(xiàn)演奏效果。

　　此外，結(jié)束符和體止符可以分別用代碼00H 和FFH 來表示，若查表結(jié)果為00H，則表示曲子終了;若查表結(jié)果為FFH，則產(chǎn)生相應(yīng)的停頓效果。

　　為了產(chǎn)生手彈的節(jié)奏感，在某些音符（例兩個(gè)相同音符）音插入一個(gè)時(shí)間單位的頻率略有不同的音符。

　　程序框圖如下圖4. 本程序演奏的是民歌“八月桂花遍地開”，C 調(diào)，節(jié)奏為94 拍/min。

　　用Keil 對程序進(jìn)行編譯，見圖5，具體方法可文獻(xiàn)［5］，編譯無誤后生成。hex 文件，然后雙擊Proteus環(huán)境下的原理圖中的AT89C51，找到這個(gè)。 hex 文件，然后點(diǎn)按鈕Play，這時(shí)單片機(jī)控制的蜂鳴器就可以開始播放音樂了。

　　圖4 程序流程圖

　　圖5 在Keil 環(huán)境下對程序進(jìn)行編譯

　　3 結(jié)論

　　以上介紹的方法已通過測試，運(yùn)行良好。 對初學(xué)單片機(jī)者有一定的啟示作用。 讀者也可以自行找出一首歌，將樂曲翻譯成碼表輸入單片機(jī)，而程序不變。 本實(shí)驗(yàn)方法簡便，即使不懂音樂的人，也可方便地將一首陌生的曲子翻譯成代碼。