基于51單片機(jī)的電子音樂(lè)盒的課程設(shè)計(jì)報(bào)告

(1) 通過(guò)設(shè)計(jì)，查閱相關(guān)資料，掌握如何利用單片機(jī)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，同時(shí)了解與單片機(jī)有關(guān)的軟件模擬器的使用及取字模塊軟件的使用方法。

(2) 通過(guò)本課程設(shè)計(jì)鞏固并擴(kuò)展單片機(jī)課程的基本概念、基本理論、分析方法和實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)合Proteus和Keil軟件等，學(xué)習(xí)單片機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，有效地將理論和實(shí)際緊密結(jié)合，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和設(shè)計(jì)能力，增強(qiáng)軟件編程實(shí)現(xiàn)能力和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

(3) 學(xué)習(xí)Proteus軟件，掌握Proteus中各種芯片的功能以及模擬。由于Proteus提供了實(shí)驗(yàn)室無(wú)法相比的大量的元器件庫(kù)，提供了修改電路設(shè)計(jì)的靈活性、提供了實(shí)驗(yàn)室在數(shù)量、質(zhì)量上難以相比的虛擬儀器、儀表，因而也提供了培養(yǎng)實(shí)踐精神、創(chuàng)造精神的平臺(tái)。

(1) 利用I/O口產(chǎn)生一定頻率的方波，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，發(fā)出不同的音調(diào)，從而演樂(lè)曲(內(nèi)存四首樂(lè)曲)；

(2) 用LCD顯示歌曲序號(hào)和歌曲名字；

(3) 可通過(guò)功能鍵進(jìn)行選擇歌曲和暫停的操作。

圖1 總體方案圖

以AT89C51為核心，通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生一定長(zhǎng)度的方波，方波脈沖驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。要產(chǎn)生音頻脈沖，只需算出某一音頻的周期（1/音頻），然后取半周期的時(shí)間定時(shí)。利用定時(shí)器計(jì)時(shí)這個(gè)半周期時(shí)間,每當(dāng)計(jì)時(shí)到后就將輸出脈沖的I/O反相,然后重復(fù)計(jì)時(shí)此半周期時(shí)間再對(duì)I/O口反相,就可在I/O腳上得到此頻率的脈沖。當(dāng)鍵盤(pán)有鍵按下時(shí)，判斷鍵值，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0，產(chǎn)生一定頻率的脈沖，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，放出樂(lè)曲。同時(shí)在LCD顯示歌曲序號(hào)和歌曲名稱。

單片機(jī)型號(hào)的選擇是根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價(jià)比、精度和速度等來(lái)決定的。根據(jù)本課題的實(shí)際情況，單片機(jī)型號(hào)的選擇主要從以下兩點(diǎn)考慮；一是要有較強(qiáng)的抗干擾能力。二是要有較高的性價(jià)比。由于51系列在我國(guó)使用最廣，且該系列的資料和能夠兼容的外圍芯片也比較多，特別是ATMEL公司89C系列單片機(jī)，其典型產(chǎn)品AT89C51單片機(jī)，具有較高的性能價(jià)格比。故本系統(tǒng)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)作為電子音樂(lè)盒的核心部件，AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

LCD液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過(guò)電壓對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)全彩色顯示的特點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、PDA移動(dòng)通信工具等眾多領(lǐng)域。

字符型液晶顯示模塊是一種專門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等點(diǎn)陣式LCD，目前常用16×1，16×2，20×2和40×2行等的模塊。LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無(wú)差別，兩者尺寸差別如下圖2所示：

1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：

顯示容量：16×2個(gè)字符；

芯片工作電壓：4.5—5.5V；

工作電流：2.0mA(5.0V)；

模塊最佳工作電壓：5.0V；

字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm。

引腳功能說(shuō)明

LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳（無(wú)背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說(shuō)明如表1所示。

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。

第5腳：R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

第15腳：背光源正極。

第16腳：背光源負(fù)極。

表2 控制命令表

1602液晶模塊的讀寫(xiě)操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過(guò)指令編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。（說(shuō)明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H,光標(biāo)復(fù)位到地址00H位置。

指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。

指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無(wú)效。

指令4：顯示開(kāi)關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開(kāi)與關(guān)，高電平表示開(kāi)顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開(kāi)與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無(wú)光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。

指令5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。

指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線 N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)陣字符。

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。

指令8：DDRAM地址設(shè)置。

指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。

指令10：寫(xiě)數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)。

單片機(jī)需要一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)為各種操作提供秩序，此電路叫時(shí)鐘電路，采用不同的接線方式可以獲得不同時(shí)鐘電路，有內(nèi)部時(shí)鐘電路和外部時(shí)鐘電路，如圖4.3所示，外部時(shí)鐘電路會(huì)使電路復(fù)雜，故采用的是內(nèi)部時(shí)鐘電路。時(shí)鐘電路在單片機(jī)的外部通過(guò)XTAL1,XTAL2這兩個(gè)引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容,構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器.本系統(tǒng)采用的為12MHz的晶振,一個(gè)機(jī)器周期為1us,C1,C2為30uF。

復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)。為可靠起見(jiàn)，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷(xiāo)復(fù)位信號(hào)，以防電源開(kāi)關(guān)或電源插頭分-合過(guò)程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。

復(fù)位電路分為上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位,如圖3所示。RST引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端,復(fù)位信號(hào)是高電平有效.這次采用的是手動(dòng)復(fù)位，復(fù)位通過(guò)電容C3，C4和電阻R1,R2來(lái)實(shí)現(xiàn),按鍵手動(dòng)復(fù)位是圖中復(fù)位鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖 3 晶振與復(fù)位電路

鍵盤(pán)是由一組按壓式或觸摸式開(kāi)關(guān)構(gòu)成的陣列，是一種常用的輸入設(shè)備。鍵盤(pán)可分為編碼式鍵盤(pán)和非編碼式鍵盤(pán)兩種。

1.編碼鍵盤(pán)通過(guò)硬件電路產(chǎn)生被按按鍵的鍵碼，這種鍵盤(pán)所需程序簡(jiǎn)單，但硬件電路復(fù)雜、價(jià)格昂貴通常不被單片機(jī)系統(tǒng)采用。

2.非編碼鍵盤(pán)常用一些按鍵排列成行列矩陣，其硬件邏輯與按鍵編碼不存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而要由所用的程序來(lái)決定。非編碼鍵盤(pán)的硬件接口簡(jiǎn)單，但是要占用較多的CPU時(shí)間，通常采用可編程鍵盤(pán)管理芯片來(lái)克服這個(gè)缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用兩種按鍵，一種是按鍵式非編碼鍵盤(pán)和輕觸式非編碼開(kāi)關(guān)。

LCD的8根數(shù)據(jù)線與P1口相連，RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，RS與P2.0相連，由P2.0控制LCD的寫(xiě)指令或?qū)憯?shù)據(jù)操作。R/W與P2.1相連，由P2.1決定是讀操作還是寫(xiě)操作。E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。E端與P2.2相連。

圖5 LCD顯示電路

一般所指的蜂鳴器是以壓電陶瓷為主要元件的。壓電陶瓷是一類有將壓力與電流相互轉(zhuǎn)換能力的特殊陶瓷。這種能力緣于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓電陶瓷在一定方向上受到一個(gè)壓力使其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變時(shí)，它就會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電流，并且電流的變化與壓力的變化密切相關(guān)。反之亦然。所以利用這一特性，在壓電陶瓷上通過(guò)一定頻率的電流，就會(huì)引起壓電陶瓷微小形變，這一形變帶動(dòng)空氣發(fā)生振動(dòng)，如果頻率適當(dāng)，就可以被人耳所聽(tīng)見(jiàn)，也就是產(chǎn)生了蜂鳴聲。

由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的I/O 口是無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來(lái)放大電流就可以了。

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圖 7 整體電路

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圖 8 主程序流程圖

圖9 音樂(lè)播放程序流程圖

仿真平臺(tái)為Proteus軟件，Proteus軟件是世界上著名的EDA工具(仿真軟件)，能完成原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件，是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。

PROTEUS電路設(shè)計(jì)是在PROTEUS ISIS環(huán)境中繪制的，該編輯環(huán)境具有良好的人機(jī)交互界面，功能強(qiáng)大極易上手。首先通過(guò)桌面進(jìn)入主程序，繪制原來(lái)圖的主要任務(wù)是從元件庫(kù)中選取繪制電路所需要的元件�？梢酝ㄟ^(guò)點(diǎn)擊選擇器頂端左側(cè)的“P”或者通過(guò)命令打開(kāi)，我們常用的是按鈕；在查找到并放置完所有需要的器件后，我們需要接著連接元件，即在PROTEUS ISIS的編輯窗口布線。PROTEUS ISIS中沒(méi)有布線模式，但用戶可以在任意時(shí)刻放置連線和編輯連線。在完成繪制所需的電路圖前，用戶需要放置并連接斷軸。在電路原理圖中放置兩種通用的端子，一種是接地端子一種是電源端子。當(dāng)在PROTEUS ISIS編輯窗口放置元件時(shí)，每一元件都有唯一的元件標(biāo)號(hào)及元件值與之對(duì)應(yīng)。原件號(hào)是PROTEUS ISIS的實(shí)時(shí)注釋功能自動(dòng)標(biāo)注的，這一功能可在菜單中設(shè)置選擇是否開(kāi)啟。PROTEUS ISIS中也支持塊操作，當(dāng)用戶需要對(duì)電路中的某一部分進(jìn)行操作時(shí)，可以使用該功能。系統(tǒng)共支持塊移動(dòng)、塊復(fù)制、塊旋轉(zhuǎn)、塊刪除等實(shí)用功能，充分利用這些功能可以極大的提高我們繪圖的效率。我們繪制完所有的元件后，最后進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)注，PROTEUS ISIS支持注釋功能，可以把我們所繪制的原理圖中的器件根據(jù)我們的需要添加上特殊的注釋，以表示特定的含義。根據(jù)設(shè)計(jì)電路繪制完后的電路圖如圖6.1所示。

圖 10 仿真圖

通過(guò)Protues仿真結(jié)果，這次課程設(shè)計(jì)的要求已全部滿足。