單片機(jī)音樂(lè)盒課程設(shè)計(jì)

1、51單片機(jī)的電子音樂(lè)盒的設(shè)計(jì) 班級(jí)：自動(dòng)化112202H 姓名：王秀芳 學(xué)號(hào)：201122060222前 言隨著科技越來(lái)越發(fā)達(dá)，單片機(jī)技術(shù)也越來(lái)越純熟，單片機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，可以說(shuō)幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。如今，單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域都起著至關(guān)重要的作用1。單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著人類社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)于視聽(tīng)方面

2、的享受提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的音樂(lè)盒大部分是機(jī)械型的，體積龐大，而且沉重，發(fā)音單調(diào)，且不悅耳，不能實(shí)現(xiàn)大批量的生產(chǎn)，所以很難滿足當(dāng)代人們的需求。但是本文設(shè)計(jì)的數(shù)字音樂(lè)盒是以單片機(jī)為核心元件的數(shù)字音樂(lè)盒。單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。因此該數(shù)字音樂(lè)盒也就具有體積小，重量輕，能演奏各種各樣的音樂(lè)，功能多，外觀絢麗多彩，使用非常方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。而且具有一定的開(kāi)發(fā)價(jià)值。1 設(shè)計(jì)目的和要求1.1 設(shè)計(jì)目的(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

3、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)。1.2 設(shè)計(jì)要求 (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

4、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。2、硬件電路設(shè)計(jì)2.1總體方案設(shè)計(jì)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。2.2 器件的選擇2.2.1單片機(jī)的選擇隨著當(dāng)代單片機(jī)技術(shù)的突

5、飛猛進(jìn)，單片機(jī)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大，主要包括：（1）單片機(jī)集成度高；（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，實(shí)現(xiàn)模塊化； （3）單片機(jī)可靠性高，處理功能強(qiáng)，速度快； （4）低電壓，低功耗，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品 ；（5）控制功能強(qiáng)大。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)

6、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。所以本次設(shè)計(jì)采用的是AT89C51單片機(jī)，這是一款性價(jià)比非常高的單片機(jī)。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，

7、高性能CMOS8位微處理器。俗稱單片機(jī)。如圖2：圖 2 AT89C51單片機(jī)實(shí)物圖引腳功能：P0.0-P0.7：為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口；P1.0-P1.7：是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口；P2.0-P2.7：為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口；P3.0-P3.7：管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口；P3.0：RXD（串行輸入口）；P3.1：TXD（串行輸出口）；P3.2：INT0（外部中斷0）；P3.3：INT1（外部中斷1）；P3.4：T0（記時(shí)器0外部輸入）；P3.6：WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）；P3.7：RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）；EA：當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則

8、在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器；P3.5：T1（記時(shí)器1外部輸入）；ALE：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)；P RST：復(fù)位輸入；XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入；XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出；SEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。2.2.2 LCD1602簡(jiǎn)介L(zhǎng)CD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

9、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：圖3 LCD尺寸圖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：4.55.5V；工作電流：2.0mA(5.0V)；模塊最佳工作電壓：5.0V

10、；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。表1 引腳接口說(shuō)明表編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫(xiě)選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號(hào)14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負(fù)極第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

11、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714腳：D0D7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。1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表2所示：表2 控制命令表序號(hào)指令RSR/WD7D6D5D4D3

12、D2D1D01清顯示00000000012光標(biāo)返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開(kāi)/關(guān)控制0000001DCB5光標(biāo)或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符發(fā)生存貯器地址0001字符發(fā)生存貯器地址8置數(shù)據(jù)存貯器地址001顯示數(shù)據(jù)存貯器地址9讀忙標(biāo)志或地址01BF計(jì)數(shù)器地址10寫(xiě)數(shù)到CGRAM或DDRAM）10要寫(xiě)的數(shù)據(jù)內(nèi)容11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容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

13、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

14、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)。與HD44780相兼容的芯片時(shí)序表如下：表 3 芯片時(shí)序圖讀狀態(tài)輸入RS=L，R/W=H，E=H輸出D0D7=狀態(tài)字寫(xiě)指令輸入RS=L，R/W=L，D0D7=指令碼，E=高脈沖輸出無(wú)讀數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=H，E=H輸出D0D7=數(shù)據(jù)寫(xiě)數(shù)據(jù)輸入RS=H，R/W=L，D0D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖輸出無(wú)2.3 單元電路設(shè)計(jì)2.3.1晶振電路單片機(jī)需要一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)來(lái)為各種

15、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。2.3.2復(fù)位電路復(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

16、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 4 晶振與復(fù)位電路2.3.3 鍵盤(pán)部分鍵盤(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

17、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)。圖 5 鍵盤(pán)電路2.3.4 顯示電路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6 LCD顯示電路2.3.5 蜂鳴器部分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

18、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。圖6 蜂鳴器電路2.4 整體電路圖 7 整體電路253.軟件設(shè)計(jì)3.1 主程序流程圖圖 8 主程序流程圖3.2主程序main()uint i;k=8;init(); fo

19、r(i=0;i<15;i+) WriteData(tabi);/LCD寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)寫(xiě)第一行 mydelay(50); mydelay(1000); WriteCMD(0x80+0x40+2);/將指針設(shè)到第二行空兩字符 for(i=0;i<6;i+) WriteData(tab1i); mydelay(50); InitialSound();/發(fā)音初始化程序while(1) Getch();/掃描鍵盤(pán)，獲得鍵值 if(k=0)/若鍵值為0 uint i; init();for(i=0;i<10;i+) WriteData(tab2i);/寫(xiě)第一首歌序號(hào) mydelay(50); mydelay(1000); WriteCMD(0x80+0x40);/轉(zhuǎn)到第二行 for(i=0;i<9;i+) WriteData(tab3i);/寫(xiě)歌名 mydelay(50); Play(Music_Girl,0,3,360);/播放第一首歌Delay1ms(500);break;else if (k=1) /若鍵值為1uint i; init(); for(i=0;i<11;i+) WriteData(tab4i); /寫(xiě)第二首歌序號(hào) mydelay(