基于STC89C52單片機(jī)的蜂鳴器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐 敏

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫旅游商貿(mào)分院 信息工程系，江蘇 無錫 214000)

0 引言

單片機(jī)是智能制造和智能服務(wù)的基礎(chǔ)技術(shù)，具有集成度高、可控力強(qiáng)、適應(yīng)度高、功耗低、擴(kuò)展靈活等優(yōu)勢。蜂鳴器是傳感器的一種，它是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，在生活的方方面面都有應(yīng)用，例如在計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時(shí)器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。

1 STC89C52單片機(jī)

本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用STC89C52 型號(hào)，它是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS八位微控制器，使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，同時(shí)也做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)的51單片機(jī)不具備的功能，為嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活有效的解決方案[1]。STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)有復(fù)位、時(shí)鐘、電源3部分電路組成：復(fù)位電路的作用是初始化，再次使用時(shí)可以重新開始；時(shí)鐘電路使單片機(jī)具有自我把控時(shí)間的功能，進(jìn)而準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；電源電路主要起到為整體電路供電作用[2]。

1.1 STC89C52的功能及參數(shù)

STC89C52的時(shí)鐘機(jī)器周期有兩種，分別為：6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期；工作電壓為5.5 V～3.3 V或3.8 V～2.0 V；工作頻率范圍為0～40 MHz；用戶應(yīng)用程序空間為8 k字節(jié)Flash，512字節(jié)的RAM，32 位I/O口線；內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，兼容傳統(tǒng)51單片機(jī)的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART。另外，STC89C52可降至0 Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持可選擇節(jié)電模式。工作溫度范圍分為工業(yè)級(jí)和商業(yè)級(jí)，工業(yè)級(jí)為-40～85 ℃，商業(yè)級(jí)為0～75 ℃。最高運(yùn)作頻率為35 MHz，6T/12T可選。系統(tǒng)可編程ISP與應(yīng)用可編程IAP可通過串口(RxD/P3.0，TxD/P3.1)直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成，無需專用編程器或?qū)Ｓ梅抡嫫?。封裝形式可采用LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。

1.2 STC89C52單片機(jī)的工作模式

STC89C52RC單片機(jī)的工作模式有正常工作模式、掉電模式和空閑模式三種。其中正常工作模式下，單片機(jī)處于正常執(zhí)行程序的狀態(tài)，典型功耗為4 mA～7 mA；掉電模式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行源程序，掉電模式的典型功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.1 μA；空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作，典型功耗為2 mA[3]。

1.3 STC89C52串口結(jié)構(gòu)

STC89C52串口有兩個(gè)物理上獨(dú)立的接收、發(fā)送緩沖器SBUF，它們占用同一地址99H；接收器是雙緩沖結(jié)構(gòu)；發(fā)送緩沖器，因?yàn)榘l(fā)送時(shí)CPU是主動(dòng)的，不會(huì)產(chǎn)生重疊錯(cuò)誤。STC89C52串口結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 STC89C52串口結(jié)構(gòu)

2 開發(fā)環(huán)境

2.1 KEIL集成開發(fā)環(huán)境

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境μVision將這些部分組合在一起。Keil軟件可在WIN98，NT，WIN2000，WINXP等操作系統(tǒng)下運(yùn)行。

2.2 STC-ISP 燒錄軟件

STC-ISP燒錄軟件用于單片機(jī)下載編程燒錄程序，是針對STC系列單片機(jī)而設(shè)計(jì)的，可下載STC89系列、12C2052系列和12C5410等系列的STC單片機(jī)。

STC-ISP燒錄軟件有串口助手、Keil仿真設(shè)置、定時(shí)器計(jì)算器、波特率計(jì)算器等功能模塊。本項(xiàng)目中，主要運(yùn)用串口助手對程序進(jìn)行燒錄。通過選擇單片機(jī)型號(hào)、串口號(hào)及波特率將編譯程序下載，根據(jù)485通信協(xié)議，發(fā)送并接收指令及數(shù)據(jù)。

3 蜂鳴器設(shè)計(jì)

3.1 蜂鳴器原理

本設(shè)計(jì)由電磁式有源蜂鳴器，由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。

蜂鳴器連接到了STC89C52的P05口，I/O口為低電平時(shí)打開，高電平時(shí)關(guān)閉。通過對 I/O 口取 0/1 電平來引發(fā)蜂鳴器電壓的通斷，就可讓蜂鳴器產(chǎn)生振動(dòng)頻率。

3.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本設(shè)計(jì)硬件采用STC89C52開發(fā)板、Micro數(shù)據(jù)線、485串口模塊、杜邦線和PC機(jī)。軟件包括Windows7及以上系統(tǒng)、KEIL C51開發(fā)環(huán)境、STC-ISP燒寫助手。

3.3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.3.1 延時(shí)處理

傳感器在數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于要和485串口服務(wù)器進(jìn)行通信，所以需要一定的配置來滿足485串口采集器的實(shí)時(shí)采集功能。(1)定義延時(shí)處理函數(shù)，設(shè)置280 ms，40 ms，50 ms，100 ms的延時(shí)。(2)設(shè)置配置系統(tǒng)標(biāo)志位為全局變量 glb_sts.system_flag = FALSE，它是主函數(shù)中是否進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的核心變量。(3)設(shè)置定時(shí)器文件，用來準(zhǔn)確計(jì)算時(shí)間，定時(shí)的時(shí)間達(dá)到了以后，glb_sts.system_flag = TRUE，相當(dāng)于告訴單片機(jī)可以去執(zhí)行要執(zhí)行的程序。

3.3.2 數(shù)據(jù)包接收與校驗(yàn)方法

串口服務(wù)器通信的數(shù)據(jù)包接收與校驗(yàn)方法中，定義最大包長為20，設(shè)置串口波特率為9 600，配置485 控制引腳為P43。定義串口初始化、串口發(fā)送字節(jié)、485發(fā)送字符串以及控制485芯片位發(fā)送模式4個(gè)函數(shù)。進(jìn)行串口初始化：配置串口為模式1，清零T1的控制位，配置T1為模式2，計(jì)算T1重載值，當(dāng)初值等于重載值時(shí)，禁止T1中斷并使串口中斷，啟動(dòng)T1。在串口發(fā)送字節(jié)函數(shù)中，置發(fā)送中斷標(biāo)志為1，然后發(fā)送數(shù)據(jù)并且等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。485發(fā)送字符串函數(shù)，檢查發(fā)送的數(shù)據(jù)是否正確，并發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)。控制485芯片位發(fā)送模式包括485芯片發(fā)送和讀寫模式。

串口中斷服務(wù)函數(shù)的程序設(shè)計(jì)，如圖2所示。(1)首先清除接收中斷；(2)當(dāng)數(shù)據(jù)已接收并未處理的情況下，則不再接收數(shù)據(jù)；(3)當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)超過數(shù)據(jù)包大小，接收數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)清零，將讀取的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)包里；(4)校驗(yàn)數(shù)據(jù)包頭是否正確，不正確則重新接收數(shù)據(jù)；(5)將讀取的485數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)包內(nèi)；(6)清除發(fā)送中斷，清除串口發(fā)送標(biāo)志。

圖2 串口中斷服務(wù)函數(shù)流程

3.3.3 控制蜂鳴器的打開與關(guān)閉

首先進(jìn)行外設(shè)初始化，包括定時(shí)器初始化、串口初始化、全局函數(shù)初始化，并將485總線設(shè)置為讀模式。當(dāng)系統(tǒng)標(biāo)志復(fù)位成功，表示10 ms的周期到了，清除標(biāo)志位。判斷串口數(shù)據(jù)是否讀取成功，清除串口讀取完成標(biāo)志位。數(shù)據(jù)包校驗(yàn)，如果失敗則清除接收到的數(shù)據(jù)；讀取addr位是不是蜂鳴器的標(biāo)志，如果讀取的字符為0，表示關(guān)閉蜂鳴器；如果讀取的字符為1，表示打開蜂鳴器；如果讀取的字符為0XFF，表示讀取當(dāng)前蜂鳴器的狀態(tài)。設(shè)置包尾為0XBB，發(fā)送485數(shù)據(jù)包。相關(guān)代碼如下：

……

if(uart_sts.recv_buf[1] ==ADDR)//485addr

{

P44 = !P44;

TX_BUF[0] =PACK_HEAD;

TX_BUF[1] =ADDR;

TX_BUF[2] = 0x00;

TX_BUF[3] = 1;

if(uart_sts.recv_buf[4] == 0)

{

P05 = CLOSE; //關(guān)閉蜂鳴器

TX_BUF[4]= 0; //將蜂鳴器狀態(tài)設(shè)置為0

}

elseif(uart_sts.recv_buf[4]== 1)

{

P05 = OPEN; //打開蜂鳴器

TX_BUF[4] = 1; //將蜂鳴器狀態(tài)設(shè)置為1

}

elseif(uart_sts.recv_buf[4] == 0xff)

{

if(P05 == 1 )

{

TX_BUF [4] = 0; //返回狀態(tài)-->關(guān)閉

}

else

{

TX_BUF [4] = 1; //返回狀態(tài)-->打開

}

}

}

……

3.3.4 按鍵控制

機(jī)械觸點(diǎn)式按鍵開關(guān)，其主要功能是把機(jī)械上的通斷轉(zhuǎn)換為電氣上的邏輯關(guān)系。當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下子斷開。因而在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動(dòng)。為了不產(chǎn)生這種現(xiàn)象而做的措施就是按鍵消抖。按鍵消抖是指按鍵按下時(shí)刻抖動(dòng)的波形，讀取這一時(shí)刻之后20 ms左右的按鍵信息，此時(shí)波形已平穩(wěn)，這樣可以防止一次按鍵被誤讀多次。

根據(jù)上面的原理描述，即可對按鍵的輸入管腳進(jìn)行邊沿檢測，當(dāng)檢測到輸入信號(hào)變化后，計(jì)數(shù)清零并開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到20 ms時(shí)進(jìn)行采樣；再對每次采樣的值進(jìn)行下降沿檢測，檢測的結(jié)果作為按鍵消抖的脈沖輸出，每次檢測到下降沿時(shí)讓狀態(tài)翻轉(zhuǎn)并輸出。

理想波形與實(shí)際波形之間是有區(qū)別的，實(shí)際波形在按下和釋放的瞬間都有抖動(dòng)的現(xiàn)象，抖動(dòng)時(shí)間的長短和按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5～10 ms，如圖3所示。通常采用手動(dòng)按鍵然后釋放，這個(gè)動(dòng)作中穩(wěn)定閉合的時(shí)間超過了20 ms。因此，單片機(jī)在檢測按鍵是否按下時(shí)都要加上去抖動(dòng)操作，有專用的去抖動(dòng)電路，也有專門的去抖動(dòng)芯片，但通常采用軟件延時(shí)的方法解決抖動(dòng)問題。

圖3 按鍵消抖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用KEIL開發(fā)環(huán)境打開實(shí)驗(yàn)例程，單擊option按鈕，勾選生成hex文件；打開stc-isp燒錄軟件選擇單片機(jī)型號(hào)STC89C/LE52RC。將MICRO-USB線插入電腦的USB口，查看并識(shí)別串口號(hào)。單擊打開程序文件按鈕，選擇剛剛生成的hex文件。插入485-USB串口給STC89C52供電，然后單擊下載/編程按鈕，再按下單片機(jī)的電源供電按鈕，等待單片機(jī)程序下載成功。

3.4.1 485通信協(xié)議

485通信協(xié)議是傳感器進(jìn)行通信的一種合約，傳感器模塊在接收到485通信指令的時(shí)候進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并返回結(jié)果。每次數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)包都由包頭+包體+包尾組成，如圖4所示。其中，包頭包括起始字節(jié)、地址編碼、指令值和包體長度；起始字節(jié)固定為0xaa，地址編碼為485地址編碼，不同的傳感器接入在固定的地址上。蜂鳴器被定義為0x44，指令值為0時(shí)，表示獲取傳感器狀態(tài)；為1時(shí)表示設(shè)置狀態(tài)/開關(guān)，長度是指數(shù)據(jù)包體的字節(jié)數(shù)。包尾固定為一個(gè)字節(jié)，值為0xbb。

圖4 485通信協(xié)議指令與數(shù)據(jù)傳輸過程

打開串口調(diào)試助手，選擇16進(jìn)制發(fā)送，分別輸入對應(yīng)的指令，觀察能否控制蜂鳴器的打開與關(guān)閉。根據(jù)485的協(xié)議包，控制并測試蜂鳴器打開、關(guān)閉以及查看蜂鳴器的當(dāng)前狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4.2 按鍵控制

置P40為開關(guān)鍵，當(dāng)P40為低電平時(shí)，蜂鳴器開；當(dāng)P40為高電平時(shí)，蜂鳴器關(guān)。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用的有源蜂鳴器只能發(fā)出一個(gè)調(diào)，為了呈現(xiàn)的發(fā)音效果更豐富，可以采用無源蜂鳴器，只需要給其加上脈沖信號(hào)就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)。蜂鳴器在日常生活的方方面面都有所應(yīng)用，例如：主板蜂鳴器、機(jī)箱蜂鳴器、打印機(jī)控制板蜂鳴器、警報(bào)蜂鳴器、電子玩具音樂蜂鳴器、汽車電子設(shè)備中的車載蜂鳴器、倒車蜂鳴器等，還可應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控等行業(yè)。

本設(shè)計(jì)中，蜂鳴器是一種執(zhí)行器，它屬于控制類型模塊，是根據(jù)指令來執(zhí)行控制命令的；除此之外，風(fēng)扇控制器、繼電器控制器、RGB燈控制器的設(shè)計(jì)也是運(yùn)用相同的原理來實(shí)現(xiàn)的。