1、摘要傳統的磁帶語音錄放系統因其體積大、使用不便,在電子與信息處理的使用中受到許多限制。本文提出的體積小巧，功耗低的數字化語音存儲與回放系統將完全可以替代它。數字化語音存儲與回放系統的基本原理是對語音的錄音與放音的數字化控制。其中，關鍵技術在于，為了增加語音存儲時間，提高存儲器的利用率，采用了非失真壓縮算法對語音信號進行壓縮后再存儲，而在回放時再進行解壓縮，同時,對輸入語音信號進行數字濾波以抑制雜音和干擾,從而確保了語音回放的可靠質量。 該系統對語音信號分別采用了數據采集直寸直取,欠抽樣采樣和自相似增量調制等三種方法,完成了對語音信號32.7s、65.5s、147.4s的存儲與回放。前直agc將

2、語音信號控制在a/d轉換器可控制的范圍之內以保證話音信號采樣不失真。帶通濾波器合理的通帶范圍有效的濾除了帶外噪聲，減小了混疊失真。通過后級補償電路對輸出的語音信號進行了的校正，回放語音清晰。系統具有自動錄音、手動錄音、錄放音時間顯示以及掉電后保護語音信號等功能。關鍵詞：數字化存儲，回放，數字濾波，采樣，模/數轉換，校正 abstracttraditional tape record system because of heavy using inconvenient volume their, receive a lot of restrictions in the use of the el

3、ectron and information processing. the volume that this text puts forward is small and exquisite， the digitized pronunciation of the low power dissipation can substitute it with the playback system to store. digitized pronunciation store systematic basic principle recording and to put sound in pronu

4、nciation digital control with playback. among them, key technology lies in : for increase pronunciation store time , raise utilization ratio of memory , adopt non- distorted to compress algorithm go on after compressing storing to pronunciation signal, decompress in the playback ; meanwhile, to inpu

5、t pronunciation signal carry on figure strain wave by suppressing noising and interfering, thus guaranteed the reliable quality of the playback of the pronunciation. introducing the direct store & access of data collection， and agc on acoustic signal respectively ，this system implements the storage

6、an playback of acoustic signal which lasts for 32.7 seconds ,65.5sends or 147.4 seconds ; to insure the undistorted sampling of speech signal, the pre-agc limits the speech signal within the range that can be processed by a/d converter; the reasonable handwidth of hang-pass filter removes the out-ha

7、nd noise efficiently and decrease the overlap distortion; with the emendation by latter compensable circuit ， the playback voice is very clear; beside all above ， this system also realize the following funcitions: automatic recording manually recording manually recording ,record , record/play time d

8、isplay and the saving of speech signal when power-off .keywords: digital store，playback digital filter，sample， a/d convert，correct 畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，

9、均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內容。作者簽名： 日 期： 學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的

10、成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日指導教師評閱書指導教師評價：一、撰寫（設計）過程1、學生在論文（設計）過程中的治學態度

11、、工作精神 優 良 中 及格 不及格2、學生掌握專業知識、技能的扎實程度 優 良 中 及格 不及格3、學生綜合運用所學知識和專業技能分析和解決問題的能力 優 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性 優 良 中 及格 不及格5、完成畢業論文（設計）期間的出勤情況 優 良 中 及格 不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規范？ 優 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優 良 中 及格 不及格三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優 良 中 及格 不及格2、論文

12、的觀念是否有新意？設計是否有創意？ 優 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現的整體水平 優 良 中 及格 不及格建議成績： 優 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內畫“”）指導教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日評閱教師評閱書評閱教師評價：一、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規范？ 優 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優 良 中 及格 不及格二、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創意？ 優 良 中 及格 不及格3

13、、論文（設計說明書）所體現的整體水平 優 良 中 及格 不及格建議成績： 優 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內畫“”）評閱教師： （簽名） 單位： （蓋章）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學系意見教研室（或答辯小組）評價：一、答辯過程1、畢業論文（設計）的基本要點和見解的敘述情況 優 良 中 及格 不及格2、對答辯問題的反應、理解、表達情況 優 良 中 及格 不及格3、學生答辯過程中的精神狀態 優 良 中 及格 不及格二、論文（設計）質量1、論文（設計）的整體結構是否符合撰寫規范？ 優 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設計）任務（包括裝訂及附件）？ 優 良 中 及格 不及格

14、三、論文（設計）水平1、論文（設計）的理論意義或對解決實際問題的指導意義 優 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設計是否有創意？ 優 良 中 及格 不及格3、論文（設計說明書）所體現的整體水平 優 良 中 及格 不及格評定成績： 優 良 中 及格 不及格（在所選等級前的內畫“”）教研室主任（或答辯小組組長）： （簽名）年 月 日教學系意見：系主任： （簽名）年 月 日目 錄摘要iabstractii1 緒言1.1課題背景1.2課題研究的目的和意義1.3國內外概況2方案比較與論證2.1方案一2.1.1語音編碼方案：2.1.2 a/d、d/a及存儲芯片的選擇2.2方案二2.2.1控制方

15、式2.2.2放大器及a/d、d/a芯片的選擇2.3方案三3系統總體結構4 電路設計4.1拾音器4.2放大器的設計4.3有源帶通濾波器設計4.4可調穩壓電源的設計4.5 mcs51系列單片機4.6 d/a、a/d轉換器4.6.1 d/a轉換器dac0832的介紹4.6.2 a/d轉換器ad574介紹4.6.3 單片機at89c51和ad574 的接口原理4.6.4 存儲器的選取5 軟件設計6 總結與展望7 致 謝8 參考文獻附錄 緒言 本文闡述了數字化語音存儲與回放系統的研究背景、現狀及發展方向，明確指出了傳統的語音存儲與回放系統的缺陷和面臨的問題，以及數字化語音存儲與回放系統的優點和發展前景。

16、1.1課題背景數字化語音存儲與回放系統，以微處理芯片為核心，具有語音可控、 回放靈活、無磨損、可靠簡單等特點。因而在各類公共設施、智能儀表、家用電子產品等領域有著廣泛的應用1。該系統目前有多種方案可以實現，其中采集成語音芯片是一種較簡單通用的方案，但該方案智能性較差，如音量不能放大、錄音時間固定等。本系統采用另外一種方案，以at89c51單片機為核心，設計了一套可靈活實現錄、放音，音量自動控制的新的語音存儲與回放系統。1.2課題研究的目的和意義目前，廣為流傳的語音存儲手段為磁帶記錄，其體積大、使用不便,在電子與信息處理的使用中受到許多限制。所以數字化存儲方式是未來發展的趨勢。我們在這里將語音信

17、號的存儲建立在數字化的基礎上，同時為了降低噪聲提高語音質量和音量的穩定性采用了帶通濾波器和自動增益控制電路2。1.3國內外概況自從愛迪生1877年發明留聲機以來，音響技術已有百余年的發展歷史，這期間，記錄存儲各種聲音的載體，傳輸與播放語音技術的發展可謂日新月異。該系統采用單片機對錄音、放音、快進、暫停等功能實現控制，用dsp技術對語音信息進行處理，用flash rom 技術進行存儲，提高了語音的回放質量和延長了存儲時間，與盒式磁帶錄音機相比避免了機械傳動噪音，音質好，功耗低，具有時鐘功能，而且人機界面友好，又用中斷方式控制錄音、放音的過程，實現了語音存儲與回放的數字化3。2方案比較與論證2.1

18、方案一2.1.1語音編碼方案：人耳能聽到的聲音是一種頻率范圍為20 hz20000 hz ,而一般語音頻率最高為3400 hz。語音的采集是指語音聲波信號經麥克風和高頻放大器轉換成有一定幅度的模擬量電信號,然后再轉換成數字量的全過程。根據“奈奎斯特采樣定理”, 采樣頻率必須大于模擬信號最高頻率的兩倍， 由于語音信號頻率為3003 400 hz ,所以把語音采集的采樣頻率定為8 khz。從語音的存儲與壓縮率來考慮，模型參數表示法明顯優于信號波形表示法4。但要將之運用于單片機，顯然信號波形表示法相對簡單易實現。基于這種思路的算法，除了傳統的一些脈沖編碼調制外，目前已使用的有vq技術及一些變換編碼和

19、神經網絡技術，但是算法復雜，目前的單片機速度底，難以實現。結合實際情況，提出以下幾種可實現的方案。（1）短時平均跨零記數法 該方案通過確定信號跨零數，將語音信號編碼為數字信號，常用于語音識別中。但對于單片機，由于處理數據能力底，該方法不易實現。（2）實時副值采樣法 采樣過程如圖2.1所示。抽樣量化存儲圖2.1 采樣過程 具體實現包括直存取法、欠抽樣采樣法、自相似增量調制法等三種基本方法。其中第三種實現方法最具特色，該方法可使數據壓1：4.5，既有調制的優點，又同時兼有pcm編碼誤差較小的優點，編碼誤差不向后擴散。2.1.2 a/d、d/a及存儲芯片的選擇單片機語音生成過程,可以看成是語音采集過

20、程的逆過程,但又不是原封不動地恢復原來的語音,而是對原來語音的可控制、可重組的實時恢復。在放音時,只要依原先的采樣直經d/ a 接口處理,便可使原音重現。（1）a/d轉換芯片的選擇 根據題目要求采樣頻率fs=8khz，字長=8位，可選擇轉換時間不超過125s的八位a/d轉換芯片。目前常用的a/d轉換實現的方法有多種，鑒于轉換速度的要求，我們采用a/d轉換芯片ad574。該芯片是高速12位逐次比較型a/d轉換器，內置雙極性電路構成的混合集成轉換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉換功能，只需外接少量的阻容件即可構成一個完整的a/d轉換5。（2）d/a轉換芯片的

21、選擇 d/a轉換芯片的作用是將存儲的數字語音信號轉換為模擬語音信號，由于一般的模擬轉換器都能達到1s的轉換速率，足夠滿足題目的要求，故我們在此選用了通用d/a轉換器dac0832。（3）數據存儲器的選擇 當采樣頻率s=8khz，字長為8位時，一秒鐘的語音需要8k字節的存儲空間，則存儲器至少需要有80k容量。在這里我們選用閃速存儲器at29c040作為存儲器，一片該芯片可存儲60秒鐘的語言。2.2方案二 系統采用mcs-51系列單片機，擴展256kb的外部ram數據存儲區（采用分頁存儲技術），采用dpcm方式壓縮數據，另外采用了兩只立體聲話筒作輸入，經差分放大，用性能良好的五階契比雪夫帶通濾波器

22、，及校正電路的使用6。2.2.1控制方式控制器采用單片機實現，單片機人機界面好，并且具有一定的可編程能力 對于語音信號（最高頻率約為3.4khz，8khz采樣頻率），6mhz晶振頻率的8031以足以勝任（每個采樣周期125，相當于125/2=62個機器周期，平均執行31條指令）。2.2.2放大器及a/d、d/a芯片的選擇 為減少系統噪音電平，增加系統動態范圍，防止阻塞失真等，本放大器中設置自動增益控制電路。其有模擬和數字兩種實現方式。數字式精度高，控制范圍大但比模擬試復雜，因此本方案采用傳統的模擬試agc來實現。采用tda2030a作為功率放大可驅動喇叭發聲，并具有一定的功率余量7。a/d,d

23、/a及存儲芯片的選擇：由于題目要求語音信號的最高頻率為4khz，根據nyquist定理，采樣頻率取=8khz（周期=125）,即可無失真的恢復原語音。在無特殊要求下，字長選取八位即可，但考慮到系統的可擴展性所以采用了轉換時間為此35的ad574。根據同樣的分析，變換頻率選取8khz，采用dac0832。存儲器采用256kb ram可用628256實現。2.3方案三該方案以單片機8031為核心器件，以128kbram陣列為數據存儲器。8031的典型時鐘為6mhz指令周期為可以在要求的125采樣間隔執行系統工作還可同時對a/d轉換器輸出的數字語音信號進行增量調制或差分脈碼調制8。和dpcm是兩種語

24、音壓縮編碼技術，可分別將語音速率由64kb/s壓縮到8kb/s和32kb/s。另外，為加長錄音與回放時間，我們利用四片622526組成ram陣列，借助8031的p1口參與地址選擇，采用分頁存儲模式，可將系統的數據存儲空間擴展至128kb，以128kb空間存儲pcm碼、和dpcm碼，語音回放時間可達16s、32s和128s，達到題目要求。以上三種方案均有其可取和不足之處，考慮到其易行性、簡便性等多種因素決定采取第一種方案。3系統總體結構數字化語音存儲與回放系統的基本思想是通過拾音器將聲音信號轉化成電信號，再經過放大器放大，然后通過帶通濾波器濾波，模擬語音信號通過模數轉換（a/d）轉換成數字信號，

25、再通過單片機控制將數據從存儲器中讀出，然后通過數模轉換（d/a）轉換成模擬信號，經放大再揚聲器或耳機上輸出。整個系統框架圖如圖3.1所示：a/d轉換電路帶通濾波器d/a轉換電路帶通濾波器輸出放大器耳機電源電路89c51單片機鍵盤設定存儲器數據顯示增益放大器拾音器圖3.1 整體框圖 系統組成如圖所示,由輸入通道、at89c51單片機和輸出通道三部分組成。輸入通道部分由拾音器、前置放大電路和帶通濾波器組成；輸出通道由帶通濾波器、后級放大電路組成9。拾音器輸出的毫伏信號實測其范圍約為2025mv，此電信號太小不能夠進行采樣，后級a/d轉換輸入信號的動態范圍為05v，語音信號的范圍與采樣范圍的比較得出

26、放大器的放大倍數應為200倍左右，此處將信號通過一增益為46db的放大器，將其放大到伏特量級，輸出級放大電路亦采用這種電路，兩級放大電路都采用增益可調的典型電路。考慮到語音信號的固有特點，將低于300hz和高于3.4khz的分量濾掉后語音質量仍然良好。此處將其通過一增益為46db的放大器，因此，將帶通濾波器設計為典型的300hz3.4khz,輸出級帶通濾波器亦為300hz3.4khz,這樣既可濾掉低頻分量又可濾掉d/a轉換帶來的高頻分量，很好的濾除掉噪聲。根據奈奎斯特抽樣定理知欲使采樣信號無失真，抽樣頻率最低為6.8khz，考慮到留有一定的余地，這樣就足夠保證語音質量。經量化后，微處理器將數據

27、存到處理器，需要時再將其回放，存入與放出由開關通過微處理器來控制實現。存儲器的容量選擇視所存語音信號的時間長短而定。為了使a/d的輸入信號穩定在其動態范圍內，在輸入級加上了自動增益控制電路，同時也使音量穩定。4 電路設計4.1拾音器拾音器是一種聲傳感器，聲傳感器是把外界聲場中的聲信號轉換成電信號的傳感器。它在通訊、噪聲控制、環境檢測、音質評價、文化娛樂、超聲檢測、水下探測和生物醫學工程及醫學方面有廣泛的應用10。它的種類很多，按其特點和頻率等，將它劃分為超聲傳感器、聲壓傳感器和聲表面波傳感器等。單純的磁性拾音器工作的電學原理為當聲音在銅絲繞制的線圈內震動切割被該線圈所纏繞的磁芯產生的磁感線時，

28、線圈內感應出電信號并流出。感應電流的強弱取決于切割磁感線的多寡（振幅）、切割頻率（震動頻率）和磁感線自身的強弱。 拾音器包括拾音頭（換能裝置、唱針）和音臂等附件。其換能裝置主要有壓電式、電磁式、電容式以及半導體等11。電磁式拾音頭，用電磁感應原理，將機械振動變換成電信號的幅度響應拾音頭。主要由線圈和磁鋼等組成。唱針耦合在線圈上的稱動圈式，耦合在磁鋼上的稱動磁式。此外，也有將唱針耦合在銜鐵上的稱為動鐵式，也稱可變磁阻式。在本設計中決定采用動圈式拾音器4.2放大器的設計（） 增益放大器拾音器輸出的毫伏信號實測其范圍約為2025mv此電信號太小不能夠進行采樣，后級a/d轉換輸入信號的動態范圍為05v

29、，語音信號的范圍與采樣范圍的比較得出放大器的放大倍數應為200倍左右，此處將信號通過一增益為46db的放大器，將其放大到伏特量級，輸出級放大電路亦采用這種電路，兩級放大電路都采用增益可調的典型電路12。為了將從拾音器獲得的微弱語音信號放大,采用兩極高輸入阻抗的同向放大器,電路圖如圖所示,每級放大器的放大倍數按下式計算:圖4.1 增益放大器（）輸出放大器經帶通濾波器輸出的聲音回放信號，其幅度為05v，足以用耳機來接收聽，可不接任何放大器。但考慮到實際中經常回用到喇叭外放，故在本系統中增加外放功能，前端放大器采用通用型音頻功率放大器lm386來完成13。電路如圖4.1。該電路增益為50200，連續

30、可調，最大不失真功率為325mw。輸出端接c4、r9串聯電路，以校正喇叭的頻率特性，防止高頻自激腳7接220uf去偶電容，以消除低頻自激為便于該功放在高增益情況下工作，這里將不使用輸入端腳2對地短路圖4.2 輸出放大器4.3有源帶通濾波器設計濾波器是一種能使有用頻率信號通過同時抑制(或大為衰減)無用頻率信號的電子裝置。工程上常用它來作信號處理、數據傳輸和抑制干擾等。這里主要討論模擬濾波器。以往這種濾波電路主要采用無源元件r、l和c組成，60年代以來，集成運放獲得了迅速發展，由它和r、c組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優點14。此外，由于集成運放的開環電壓增益和輸入阻抗都很高，

31、輸出阻抗又底，構成有源濾波電路后還具有一定的電壓放大和緩沖作用。但是，集成運放的帶寬有限，所以目前有源濾波電路的工作頻率難以作的很高，這是它的不足之處。對于幅頻響應，通常把能夠通過的信號頻率范圍定義為通帶，而把受阻和衰減的信號頻率范圍定義為阻帶，理想濾波電路在通帶內應具有零衰減的幅頻響應和線形的相位響應，而在阻帶內應具有無限大的幅度衰減（）。按照通帶和阻帶的相互位置不同，濾波器可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器。通常用幅頻響應來表征一個濾波器的特征，欲使信號通過濾波器的失真很小，則相位和延時響應亦須考慮。當相位響應作線性變化，即時延響應為常數時，輸出信號才可能避免失真。濾波電

32、路 圖4.3， (s=)這里為傳遞函數的模，為其相位角。延時向量： 聲音信號經動圈拾音器轉有源濾波器換成電壓信號，通過前級放大，在對其進行數據采集之前，有必要經過帶通濾波器除帶外雜波，選定該濾波器的通帶范圍為300hz3.4khz.其作用是： 保證3003400hz的語音信號不失真的通過濾波器； 濾除帶外的低頻信號，以減少帶外功頻等分量的干擾，大大減少噪聲影響，該下限頻率可下延到270hz左右； 便于濾除帶外的高次諧波，以減少因8khz采樣率而引起的混疊失真，根據實際情況，該上限頻率可在2700hz左右，帶通濾波器按品質因數q的大小為窄帶濾波器（10）和帶通濾波器（10兩種，本題中，上限頻率f

33、h=3400hz,通帶濾波器中心頻率f0與品質因數分別為f0=1010hz q=顯然，q10，故該帶通濾波器為寬帶帶通濾波器帶寬帶通濾波器由高通和低通濾波器級聯構成，鑒于butterworth濾波器帶內平坦的響應特性，我們選用二階butterworth帶通濾波器，電路如圖4.3所示實驗證明，該濾波器能有效的濾除低頻分量，大大減少噪聲干擾，與之同時也綠除了多余的高頻分量，消除了高頻失真，性能足以滿足要求15。圖4.4 帶通濾波器4.4可調穩壓電源的設計這里介紹的穩壓電源，采用三端可調穩壓集成電路lm317，外圍電路十簡單，便于制作。該穩壓電源，電壓可調范圍1.525v,最大負載電流1.5a16。

34、電路如圖4.4所示：220v交流電經變壓器t降壓,得到24v交流電,再經vd1vd4組成的全橋整流,由c1濾波后得到33v左右的直流電壓17。該電壓經集成電路lm317后得穩壓輸出,調節電位器rp,即可連續調節輸出電壓。圖中c2用以消除寄生振蕩,c3的作用是抑制紋波,c4是用以改善穩壓電源的的暫態響應,vd6、vd7在輸出端電容漏電或調整端短路時起保護作用。vd5為本電源的工作指示燈，電阻r1是限流電阻。輸出端接微型電壓表pv，可以直觀的指示輸出電壓值。各元件具體參數如圖所標。圖4.5 可調直流穩壓電源4.5 mcs51系列單片機單片微型計算機（sing-chip microcomputer）

35、簡稱單片機。它是在一塊芯片上集成中央微處理器（central processing unit, cpu）、隨機存取存儲器（random access memory, ram）、只讀存儲器（read only memory, rom）、定時/計數器及i/o（input/output）接口電路等部件，構成一個完整的微型計算機。它的特點是：高性能，高速度，體積小，價格低廉，穩定可靠，應用廣泛18。正是由于單片機具有上述顯著的特點，使單片機的應用范圍日益擴大。單片機的應用打破了人們傳統設計思想，原來很多用模擬電路、脈沖數字電路和邏輯部件來實現的功能，現在均可以使用單片機，使用軟件來實現。使用單片機具有

36、體積小、可靠性高、性能價格比高和容易產品化的優點。4.5.1 89c51簡介89c51是一種帶4k字節片內程序存儲器，且是高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機19。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖4.6 89c51引腳圖89c51有40個引腳，4個8位并行輸入/輸出（i/o）端口：p0、p1、p2、p3，其中，p1是完整的8位準雙向i/o口，兩個外中斷，2個16位可編程定時/計

37、數器，兩個全雙向串行通信口，一個模擬比較放大器。此外，89c51的時鐘頻率可為零，即具備可用軟件設置的睡眠省電功能，系統的喚醒方式有ram、定時/計數器、串行口和外中斷口，系統喚醒后即進入工作狀態，省電模式中，片內ram將被凍結，時鐘停止震蕩，所有功能停止工作，直至系統被硬件系統復位方可繼續工作2. 引腳介紹vcc：接+5v電源正端gnd：接地。p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，

38、p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。p2口：p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，p2口輸

39、出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為89c51的一些特殊功能口，如下表4.1所示：表4.1 p3口管腳的特殊功能引腳第 二 功 能p3.0p3.0p2.0p3.3p3.4p3.5p3.6p3.7rxd (串行輸入口)

40、txd (串行輸出口)into (外部中斷0請求輸入端)int1 (外部中斷1請求輸入端)t0 (定時器/計數器0記數脈沖輸入端)t1 (定時器/計數器1記數脈沖輸入端)wr (片外數據存儲器寫選通信號輸出端)rd (片外數據存儲器讀選通信號輸出端)rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用

41、作外部數據存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ale禁止，置位無效。psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現。ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在flas

42、h編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。3. 主要性能指標a.與mcs-51兼容b.4k字節可編程閃爍存儲器c.壽命：1000寫/擦循環數據保留時間：10年d.全靜態工作：0hz-24hze.三級程序存儲器鎖定f.128*8位內部ramg.32可編程i/o線h.兩個16位可編成定時器/計數器i.5個中斷源j.可編程串行通道k.低功耗的閑置和掉電模式l.片內振蕩器和時鐘電路,時鐘頻率1.212mhz;可有時鐘輸出m.有強的位尋址位處理能力4. 89c51單片機的主要組成部分(1) cpucp

43、u是單片機的核心部分,他的作用是讀入和分析每條指令,根據每條指令的功能要求,控制各個部件執行相應的操作。89c51單片機內部有一個8位的cpu，它是由運算器和控制器組成。運算器 運算器主要包括算術、邏輯運算部件alu、累加器acc、寄存器b、暫存器ymp1、ymp2、程序狀態寄存器psw、布爾處理器及十進制調整電路等。運算器主要用來實現數據的傳送、數據的算術運算、邏輯運算和位變量處理等。控制器 控制器包括時鐘發生器、定時控制邏輯、指令寄存器指令譯碼器、程序計數器pc、程序地址寄存器、數據指針寄存器dptr和堆棧指針sp等。控制器是用來統一指揮和控制計算機進行工作的部件。它的功能是從程序存儲器中

44、提取指令，送到指令寄存器，再進入指令譯碼器進行譯碼，并通過定時和控制電路，在規定的時刻發出各種操作所需要的全部內部控制信息及cpu外部所需要的控制信號，如ale、psen、rd、wr等，使各部分協調工作，完成指令所規定的各種操作。(2)存儲器程序存儲器 程序存儲器用于存放編好的程序、表格和常數。程序存儲器的尋址范圍可以有64kb與此相應, 程序存儲器的編址自0000h開始,最大可至ffffh。程序存儲器的編址規律為；先片內、后片外，片內、片外連續，兩者一般不作重疊。對于片內有程序存儲器的芯片，cpu的控制器專門提供一個控制信號ea來區分，當ea為無高電平時，復位后單片機先執行片內有程序存儲器中

45、程序，當程序計數器的內容超過offfh時，將自動轉去執行片外程序存儲器的程序而當指令，當ea為低電平時，將強行執行片外程序存儲器中的程序。此時多在片外程序存儲器中存放調試程序，使計算機工作在調試狀態。這里應該注意的是，片外程序存儲器存放調試程序的部分，其編址與片內程序存儲器的編址是可以重疊的，就借ea的換接可實現分別訪問。在程序存儲器中，有7個單元具有特殊用途。0000h0002h：是所有執行程序的入口地址，89c51單片機復位后，cpu總是從0000h單元開始執行程序。0003h：外部中斷0入口。000bh：定時/計數器0溢出中斷入口。0013h：外部中斷1入口。001bh：定時/計數器1溢

46、出中斷入口。0023h：串行口中斷入口。002bh：定時器/計數器2溢出或t2ex端負跳變。使用時，通常在這些入口地址處存放一條絕對跳轉指令，使程序跳轉到用戶安排的中斷程序起始地址，或者從0000h起始地址跳轉到用戶設計的初始程序上。數據存儲器 片內數據存儲器有16位，尋址范圍也可達64kb。故片外數據存儲器的容量可大到與程序存儲器一樣，其編址自0000h開始,最大可至ffffh。89c51單片機數據存儲器有片內數據存儲器ram和特殊功能寄存器sfr：前者有128個字節，其編址為00hffh，可以讀、寫任何數據；后者也占128個字節，其編址位80hffh；兩者連續而不重疊。片內數據存儲器的容量

47、很小，常需擴展片外數據存儲器。如擴展少量片外數據存儲器，容量不超過256個單元，則也可按8位二進制數編址，自00h開始，最大可至ffh。表4.2 不同存儲器與所用指令及其尋址方式的對應關系存儲器訪問性質所用指令及尋址方式rom依次取指執行程序根據pc值自動訪問程序轉移程序轉移類指令用戶訪問movc指令片內ram訪問整個字節主要為mov指令，借工作寄存器間接尋址訪問20h2fh單元中的某位位操作類指令，借位地址尋址sfr訪問整個字節主要為mov類指令，直能借直接尋址字節尋址訪問sfr中的可尋址位位操作類指令，借位地址尋址片外ram如容量不大于256單元monx指令，借工作寄存器間接尋址如容量大于

48、256單元monx指令，借數據指針寄存器間接尋址片內數據存儲器又可分為工作寄存區、位尋址區、數據緩沖器區等三個區域。工作寄存器區在低128b的內部ram中，前32個單元（地址為00h1fh）為通用工作寄存器區，共分為四組（寄存器0組、1組、2組、3組），每組8個工作寄存器由r0r7組成，共占32個 單元。選用哪一組由程序狀態字psw中的rs1、rs0這兩位的設置決定，若程序并不需要四個4組工作寄存器，那么剩下的工作寄存器可作一般的存儲器來使用。位尋址區20h2fh的16個單元為位尋址區，該區的每個單元都被賦予了一個位地址，每個單元8位，共128位。其位尋址范圍為00h7fh。位尋址區的每一位都

49、可當作軟件觸發器，由程序直接進行處理。程序中通常把各種程序狀態標志、位控變量設在位尋址區。同樣，位尋址區的ram單元也可作為一般的數據存儲器按字節單元使用。數據緩沖區30h7fh是數據緩沖區，用戶ram區，共80個單元。(3)特殊功能寄存器累加器a 累加器a是一個最常用的8位特殊功能寄存器，它既可用于存放操作數，也可用于存放運算的中間結果。大部分單操作數指令的操作數就取自累加器。用acc表示a的符號地址。寄存器b 寄存器b是一個8位寄存器，主要用于乘法和除法的運算。乘法運算時，b中存放乘法，乘法操作后，乘積的高8位又存于b中；除法運算時，b中存放除數，出發操作后，b中又存放余數。在其他指令中，

50、寄存器b可作為一般的寄存器使用，用于暫存數據。5. 定時器/計數器主要特性a.89c51單片機有兩個可編程的定時器/計數器定時器/計數器0與定時器/計數器1，可有程序選擇作為定時器用或作為計數器用，定時時間或記數值也可由程序設定。b.每一個定時器/計數器具有4種工作方式，可用程序選擇。c.任一定時器/計數器在定時時間到或記數值到時，可有程序安排產生中斷請求信號或不產生中斷請求信號。定時/計數器0和1的控制和狀態寄存器特殊功能寄存器tmod和tcon分別是定時/計數器0和1的控制和狀態寄存器，用于控制和確定各定時/計數器的功能和工作模式。模式控制寄存器tmodtmod用于控制t0和t1的工作方式

51、和4種工作模式。其中低4位用于控制t0，高4位用于控制t1。其值可用程序決定，其格式如下：gate m1 m0gate m1 m0gate位：門控位。當gate=1時，只有或引腳為高電平且tr0或tr1置1時，相應的定時/計數器才被選通工作；當gate=0，則只要tr0和tr1置1，定時/計數器就被選通，而不管或的電平是高還是低位：計數/定時功能選擇位。=0，設置為定時器方式，計數器的輸入是內部時鐘脈沖，其周期等于機器周期。=1，設置為計數器方式，計數器的輸入來自t0（p3.4）或t1（p3.5）端的外部脈沖。m1、m0位：工作模式選擇位。2位可形成4中編碼，對應4種工作模式，見下表：表4.3

52、 m1、m0工作模式m1 m0功 能 描 述00方式0：13位定時器/計數器01方式1：16位定時器/計數器10方式2：具有自動重裝初值的8位定時器/計數器11方式3：定時/計數器0分為兩個8位定時/計數器，定時/計數器1在此方式無實用意義控制寄存器tcontcon用來控制t0和t1的啟、停，并給出相應的控制狀態，高4位用于控制定時器0、1的運行；低4位用于控制外部中斷。格式如下：tf1 tr1 tf0 tr0 ie1it1ie0 it0tf1：定時器1溢出標志。當定時器1溢出時，由硬件置1。使用查詢方式時，此位做狀態位供查詢，查詢有效后需由軟件清零；使用中斷方式時，此位做中斷申請標志，進入中斷服務后被硬件自動清零。tr1位：定時器1運行控制位。該位靠軟件置位或清零，置位時，定時/計數器接通工作，清零時，停止工作。tf0位：定時器溢出標志位，其功能和操作情況類同于tf1。tr0位：定時器0運行控制位，其功能和操作類同于tr1。ie位：外部中斷請求標志位。當cpu采樣到int0非（或int1非）端出現有效中斷請求時，ie0（或ie1）由硬件置1，中斷響應完成后轉向中斷服務時，再由硬件自動清零。it位：外部中斷請求出發方式位。it0（it1）