基于AT89C51單片機(jī)的摩斯電碼播報(bào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張娜 鄧文波

摘要：摩爾斯電碼，又稱為摩斯電碼，是一種時(shí)通時(shí)斷的信號(hào)代碼，這種信號(hào)代碼通過不同的排列順序來表達(dá)不同的英文字母、數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等。該系統(tǒng)硬件以單片機(jī)AT89C51為核心，采用C語言編程，實(shí)現(xiàn)按鍵功能設(shè)置，然后驅(qū)動(dòng)喇叭播放摩爾斯電碼，最后再利用液晶屏同步顯示播放的摩爾斯電碼。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼碼速、方式可調(diào)，具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和意義。

關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī);摩爾斯碼;播報(bào)機(jī);系統(tǒng)設(shè)計(jì);

中圖分類號(hào)：TP391? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：1009-3044（2018）35-0220-04

電報(bào)通信的語言是由電碼符號(hào)組成的，是美國薩繆爾·摩爾斯在1844年發(fā)明的，所以電碼符號(hào)也被叫做摩爾斯電碼（Morse code）。摩爾斯電碼（又稱為摩斯電碼）是一種時(shí)通時(shí)斷的信號(hào)代碼，這種信號(hào)代碼通過不同的排列順序來表達(dá)不同的英文字母、數(shù)字和標(biāo)點(diǎn)符號(hào)等。它是一種早期的數(shù)字化通信形式。由于通信技術(shù)的進(jìn)步，摩爾斯碼已被其他通信編碼所取代，但由于它所占的頻寬最少，又具一種技術(shù)及藝術(shù)的特性，在實(shí)際生活中有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)主要用于航海、遠(yuǎn)航通信等領(lǐng)域。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要包括四部分：51單片機(jī)系統(tǒng)、按鍵檢測模塊、聲音驅(qū)動(dòng)模塊和顯示模塊，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)主要是基于51單片機(jī)的摩爾斯報(bào)播報(bào)系統(tǒng)。通過制作相關(guān)電路板構(gòu)建該系統(tǒng)的硬件實(shí)物平臺(tái)，并采用 Keil軟件編程實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼播報(bào)機(jī)的相關(guān)功能。

本設(shè)計(jì)主要完成的功能：

1） 對(duì)摩爾斯碼播報(bào)機(jī)參數(shù)的設(shè)置。通過對(duì)按鍵電路的檢測，實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼播報(bào)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，主要實(shí)現(xiàn)播報(bào)速度、播報(bào)方式的設(shè)置。

2） 實(shí)現(xiàn)摩爾斯電碼的播報(bào)。設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后，驅(qū)動(dòng)聲音驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼的播報(bào)，同時(shí)利用顯示模塊對(duì)播報(bào)的摩爾斯碼實(shí)時(shí)顯示。

1.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

51單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路組成，如圖2所示所示。晶振電路，又稱為時(shí)鐘電路，是系統(tǒng)的心臟部分，為單片機(jī)的運(yùn)行提供時(shí)鐘脈沖信號(hào)。晶振頻率f為22.1184Mhz，即單片機(jī)執(zhí)行一條機(jī)械指令所需要的時(shí)間為1/f。復(fù)位電路主要用于程序運(yùn)行不正常、死機(jī)或者需要重新復(fù)位運(yùn)行時(shí)對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。正常情況下，單片機(jī)RST端為低電位，單片機(jī)正常運(yùn)行。當(dāng)按鍵按下后松開，單片機(jī)RST端出現(xiàn)短暫的高電位，從而致使單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位操作。

1.3 其他輔助電路

如圖3所示為發(fā)報(bào)機(jī)系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)圖，主要有三部分組成：功能設(shè)置（按鍵電路）、音響播報(bào)（聲響驅(qū)動(dòng)電路）、結(jié)果顯示（液晶顯示電路）。按鍵主要用于測試?yán)鹊囊粜Ш筒?bào)碼數(shù)、播報(bào)方式的設(shè)置;音響電路主要用去驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲，實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼的播報(bào);液晶顯示電路主要用于對(duì)相關(guān)參數(shù)和播報(bào)電碼的顯示。

2 摩爾斯編碼

2.1 摩爾斯碼簡介

摩爾斯電碼（Morse alphabet）是一種時(shí)通時(shí)斷的信號(hào)，這種信號(hào)通過不同的排序來表示不同的英文字母、數(shù)字和符號(hào)等內(nèi)容。它不同于現(xiàn)代的二進(jìn)制代碼，摩爾斯電碼由兩種最基本信號(hào)和不同的間隔時(shí)間組成：短促的點(diǎn)信號(hào)（·，通常讀‘滴）和保持一定時(shí)間的長信號(hào)（—，通常讀為‘噠）。它的代碼主要包括五種： 點(diǎn)（·）、劃（—）、字間點(diǎn)（·）和劃（—）之間的停頓、字符與字符之間的停頓、詞（組）與詞（組）之間的停頓。摩爾斯碼如圖4所示，以一個(gè)點(diǎn)（·）為一基本信號(hào)單位，則有：

1） 一劃（—）的時(shí)間長度為3點(diǎn)（·）的時(shí)間長度。

2） 在一個(gè)字符內(nèi)，點(diǎn)（·）與點(diǎn)（·）、點(diǎn)（·）與劃（—）、劃（—）與劃（—）之間的間隔為一點(diǎn)（·）的時(shí)間長度。

3） 字符與字符之間的間隔為3點(diǎn)（·）的時(shí)間長度。

4） 字（組）與字（組）之間的間隔為5點(diǎn)（·）的時(shí)間長度。

利用點(diǎn)（·）和劃（—）兩個(gè)基本信號(hào)，然后通關(guān)不同的排序來表示對(duì)應(yīng)的字母、數(shù)字和符號(hào)等，如表1、2所示為常用的字母和數(shù)字摩爾斯編碼。

2.2 三進(jìn)制編碼方式

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理通常采用二進(jìn)制編碼，為方便處理，摩爾斯碼在計(jì)算機(jī)處理中必須進(jìn)行數(shù)據(jù)化。當(dāng)利用二進(jìn)制編碼方式對(duì)編碼進(jìn)行處理時(shí)，即點(diǎn)（·）為0、劃（—）為1，則會(huì)出現(xiàn)編碼后不同的字母或者數(shù)字量化結(jié)果相同，無法進(jìn)行區(qū)分，如字母h、i、s和數(shù)字5的編碼結(jié)果都為0。為解決該問題，可采用在編碼前增加一位編碼校驗(yàn)位，該位編碼為1，也可采用其他編碼方式。本設(shè)計(jì)采用三進(jìn)制進(jìn)行編碼，以點(diǎn)（·）為1、劃（—）為2，同時(shí)為方便計(jì)算處理，本文采用倒序編碼，如字母a的摩爾斯編碼為（· —），則三進(jìn)制倒序編碼后為（21）3，編碼結(jié)果為7。表1、2字母和數(shù)字對(duì)應(yīng)三進(jìn)制倒序編碼結(jié)果如表3、4所示。表中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為對(duì)應(yīng)三進(jìn)制編碼結(jié)果。

2.3 電報(bào)播報(bào)方式

常用的摩爾斯碼電報(bào)播報(bào)方式有三種：字母報(bào)、數(shù)字報(bào)和混合報(bào)。其中數(shù)字報(bào)又分為數(shù)字長碼報(bào)和數(shù)字短碼報(bào);混碼報(bào)是常用的發(fā)包方式，是由字母碼與數(shù)字長碼的混合而成。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)整體框圖如圖5所示。硬件初始化后，進(jìn)入摩爾斯碼播報(bào)機(jī)相關(guān)參數(shù)的設(shè)定狀態(tài)。系統(tǒng)對(duì)按鍵狀態(tài)進(jìn)行掃描檢測，實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼播報(bào)碼數(shù)、播報(bào)方式的設(shè)置。播報(bào)碼數(shù)：即單位時(shí)間內(nèi)播報(bào)滴（·）的個(gè)數(shù)。以播報(bào)滴（·）的時(shí)間為一個(gè)基本的時(shí)間單元t，碼數(shù)為V，則一個(gè)基本時(shí)間單元t的時(shí)長為60/V/2秒，公式中除以2是因?yàn)樵诓?bào)中滴（·）與滴（·）之間的間隔剛好為一個(gè)基本時(shí)間單元t。播報(bào)方式的設(shè)定，即對(duì)字母報(bào)、數(shù)字長碼報(bào)、數(shù)字短碼報(bào)或者混合報(bào)播報(bào)方式進(jìn)行選擇。參數(shù)設(shè)定完畢后，系統(tǒng)隨機(jī)產(chǎn)生字母或者數(shù)字，然后播放該字符的摩爾斯碼，同時(shí)實(shí)時(shí)通過液晶顯示所播報(bào)的字碼。當(dāng)需要對(duì)碼數(shù)和播報(bào)方式重新設(shè)定時(shí)，只需要啟動(dòng)復(fù)位按鍵，對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位啟動(dòng)，然后重新對(duì)各參數(shù)進(jìn)行設(shè)定即可。

3.2 按鍵按識(shí)

按鍵識(shí)別程序采用基于按鍵狀態(tài)的掃描設(shè)計(jì)，該方法能有效消除因按鍵抖動(dòng)而產(chǎn)生的短促電位改變致使對(duì)按鍵結(jié)果產(chǎn)生的誤判。程序開始后進(jìn)入按鍵掃描的初始0狀態(tài)，檢測按鍵是否按下。當(dāng)存在按鍵按下時(shí)，進(jìn)入下一狀態(tài)，利用延時(shí)判斷對(duì)按鍵狀態(tài)再次確認(rèn)，如果確實(shí)按下，則轉(zhuǎn)入下一狀態(tài)，否則返回0狀態(tài)繼續(xù)按鍵檢測。當(dāng)確實(shí)有按鍵按下后，進(jìn)入下一狀態(tài)等待按鍵的松開，同樣利用延時(shí)法消除按鍵抖動(dòng)產(chǎn)生的誤判，在按鍵確實(shí)松開后置按鍵標(biāo)志位為高電平。部分程序及注解如下所示：

void key_mainloop（）//按鍵掃描函數(shù)

{ static unsigned char key1_state = 0;//按鍵掃描狀態(tài)號(hào)

static unsigned char key1_count = 0; //計(jì)數(shù)器

switch（key1_state）

{case 0：

{if（key1 == 0）key1_state = 1;}break;//當(dāng)有按鍵按下時(shí)，進(jìn)如1狀態(tài)

case 1：

{if（key1_count++ >=10）//延時(shí)消除抖動(dòng)

{key1_count = 0;

if（key1 == 0） key1_state = 2;

else key1_state = 0;} //確實(shí)存在按鍵按下，則進(jìn)入2狀態(tài)，否則回0狀態(tài)

} break;

case 2：

{if（key1 == 1） key1_state = 3;}//當(dāng)檢測到按鍵松開時(shí)，進(jìn)入3狀態(tài)

case 3：

{if（key1_count++ >= 10） //延時(shí)消除抖動(dòng)

{key1_count = 0;

if（key1 == 1）{key1_state = 0;key1_flag_g = 1;}

else key1_state = 2; }//當(dāng)該按鍵確實(shí)松開后，則把按鍵標(biāo)志位置1，并使程序進(jìn)入0狀態(tài)，繼續(xù)掃描按鍵;否則回到2狀態(tài)繼續(xù)等待按鍵松開。

} break;

}}

當(dāng)按鍵掃描程序獲得按鍵狀態(tài)后，程序通過讀取不同按鍵的按鍵標(biāo)志位狀態(tài)，區(qū)分是否存在按鍵按下和哪一個(gè)按鍵按下，從而執(zhí)行不同的程序段，實(shí)現(xiàn)不同功能按鍵的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)的設(shè)定。

3.3 聲音驅(qū)動(dòng)

音響驅(qū)動(dòng)如圖3（b）所示，當(dāng)單片機(jī)P3-3端口輸出為高電平時(shí)，則此時(shí)三極管導(dǎo)通，音響發(fā)聲，當(dāng)P3-3端口輸出為低電平時(shí)，則此時(shí)三極管斷開，音響靜音狀態(tài)。通過控制輸出端P3-3的電位隨時(shí)間的變化，便可以產(chǎn)生不同的影響效果。

以滴（·）為一個(gè)基本時(shí)間單位t，則噠（—）的時(shí)間為3t，字中滴（·）與噠（—）之間的時(shí)間間隔為1t，字與字之間的時(shí)間間隔為3t，而詞（組）與詞（組）之間的時(shí)間間隔為5t。

單片機(jī)開始播報(bào)后，通過讀取rand（）函數(shù)結(jié)合單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器1低八位數(shù)據(jù)產(chǎn)生隨機(jī)序列，然后讀取對(duì)應(yīng)序號(hào)的三進(jìn)制倒序編碼，執(zhí)行聲音驅(qū)動(dòng)字碼播放程序，過程中執(zhí)行液晶顯示程序，對(duì)播報(bào)的摩爾斯碼字符進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。本文采用倒序三進(jìn)制編碼對(duì)摩爾斯碼進(jìn)行編碼，主要為了方便程序的設(shè)計(jì)。部分代碼如下所示：

switch（Step_flag）

case 0：{Now = （TL1+rand（）） % Z_Num;Now_S = zimu[Now+Z_begin];

Step_flag++; }//產(chǎn)生隨機(jī)序列，并讀取對(duì)應(yīng)序列字碼摩爾斯編碼的三進(jìn)制倒序編碼

case 1：{g = Now_S%3; Step_flag++;}//三進(jìn)制編碼對(duì)3取余

case 2：{if（g==1） speak_1（）;//余數(shù)為1，則播報(bào)（·）

else if（g==2） speak_2（）;//余數(shù)為2，則播報(bào)（—）

if（Sp_flag==1） Step_flag++;

}break;

case 3：{Now_S = Now_S/3;Step_flag++;}//三進(jìn)制編碼除以3取整

case 4：{if（Now_S） Step_flag=1;循環(huán)能，如果數(shù)據(jù)不為0，則繼續(xù)進(jìn)行取余循環(huán)。

3.4 結(jié)果測試

液晶顯示結(jié)果如圖6所示。圖中①V為播報(bào)碼數(shù);②M為播報(bào)方式，其中Z為字母碼播報(bào)，H為混碼播報(bào)，C為數(shù)字長碼播報(bào)，D為數(shù)字短碼播報(bào)。③為組號(hào)，在播報(bào)過程中，每5個(gè)字符劃分為一組。

4 結(jié)論

基于51單片機(jī)的摩爾斯碼播報(bào)系統(tǒng)，是以AT89C51單片機(jī)為主控芯片，利用按鍵、聲響及液晶模塊，實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼的播報(bào)功能，并實(shí)現(xiàn)摩爾斯碼播報(bào)碼數(shù)、播報(bào)方式的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，方便實(shí)現(xiàn)，且體積小、耗電低、造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值和實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 汪滿明. 永遠(yuǎn)的摩爾斯[J].中國海事，2011（9）：71-72.

[2] 韋醒超.摩爾斯短波無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究[M].長沙：湖南大學(xué)，2017：19-30.

[3] 蕭如珀，楊信男. 1844年5月24日：摩爾斯與電報(bào)[J].現(xiàn)代物理知識(shí)，2011（3）：61-62.

[4] 李科文. 別了，“SOS”[J].科學(xué)之友，1999（5）：21.

[通聯(lián)編輯：梁書]