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

(2) 通過本課程設(shè)計鞏固并擴展單片機課程的基本概念、基本理論、分析方法和實現(xiàn)方法。結(jié)合Proteus和Keil軟件等，學(xué)習(xí)單片機產(chǎn)品的設(shè)計方法，有效地將理論和實際緊密結(jié)合，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和設(shè)計能力，增強軟件編程實現(xiàn)能力和解決實際問題的能力。

(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提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設(shè)計的靈活性、提供了實驗室在數(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)實踐精神、創(chuàng)造精神的平臺。

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

(2) 用LCD顯示歌曲序號和歌曲名字；

(3) 可通過功能鍵進行選擇歌曲和暫停的操作。

圖1 總體方案圖

以AT89C51為核心，通過單片機的定時器產(chǎn)生一定長度的方波，方波脈沖驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。要產(chǎn)生音頻脈沖，只需算出某一音頻的周期（1/音頻），然后取半周期的時間定時。利用定時器計時這個半周期時間,每當(dāng)計時到后就將輸出脈沖的I/O反相,然后重復(fù)計時此半周期時間再對I/O口反相,就可在I/O腳上得到此頻率的脈沖。當(dāng)鍵盤有鍵按下時，判斷鍵值，啟動計數(shù)器T0，產(chǎn)生一定頻率的脈沖，驅(qū)動蜂鳴器，放出樂曲。同時在LCD顯示歌曲序號和歌曲名稱。

單片機型號的選擇是根據(jù)控制系統(tǒng)的目標(biāo)、功能、可靠性、性價比、精度和速度等來決定的。根據(jù)本課題的實際情況，單片機型號的選擇主要從以下兩點考慮；一是要有較強的抗干擾能力。二是要有較高的性價比。由于51系列在我國使用最廣，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，其典型產(chǎn)品AT89C51單片機，具有較高的性能價格比。故本系統(tǒng)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機作為電子音樂盒的核心部件，AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(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存儲單元，功能強大AT89C51單片機可提供許多高性價比的應(yīng)用場合，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，通過電壓對其顯示區(qū)域進行控制，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、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。

字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式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。

引腳功能說明

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

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。

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

第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(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，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：背光源負極。

表2 控制命令表

1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的。（說明：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，低電平則無效。

指令4：顯示開關(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(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：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標(biāo)。

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

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：讀忙信號和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時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：寫數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)。

單片機需要一個時間基準(zhǔn)來為各種操作提供秩序，此電路叫時鐘電路，采用不同的接線方式可以獲得不同時鐘電路，有內(nèi)部時鐘電路和外部時鐘電路，如圖4.3所示，外部時鐘電路會使電路復(fù)雜，故采用的是內(nèi)部時鐘電路。時鐘電路在單片機的外部通過XTAL1,XTAL2這兩個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,一個機器周期為1us,C1,C2為30uF。

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

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

圖 3 晶振與復(fù)位電路

鍵盤是由一組按壓式或觸摸式開關(guān)構(gòu)成的陣列，是一種常用的輸入設(shè)備。鍵盤可分為編碼式鍵盤和非編碼式鍵盤兩種。

1.編碼鍵盤通過硬件電路產(chǎn)生被按按鍵的鍵碼，這種鍵盤所需程序簡單，但硬件電路復(fù)雜、價格昂貴通常不被單片機系統(tǒng)采用。

2.非編碼鍵盤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格的對應(yīng)關(guān)系，而要由所用的程序來決定。非編碼鍵盤的硬件接口簡單，但是要占用較多的CPU時間，通常采用可編程鍵盤管理芯片來克服這個缺點。本設(shè)計使用兩種按鍵，一種是按鍵式非編碼鍵盤和輕觸式非編碼開關(guān)。

LCD的8根數(shù)據(jù)線與P1口相連，RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。R/W為讀寫信號線，RS與P2.0相連，由P2.0控制LCD的寫指令或?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操作。E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，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壓力使其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生形變時，它就會在內(nèi)部產(chǎn)生一個電流，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，在壓電陶瓷上通過一定頻率的電流，就會引起壓電陶瓷微小形變，這一形變帶動空氣發(fā)生振動，如果頻率適當(dāng)，就可以被人耳所聽見，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，以致于單片機的I/O 口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動，一般使用三極管來放大電流就可以了。

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圖 7 整體電路

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圖 8 主程序流程圖

圖9 音樂播放程序流程圖

仿真平臺為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)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件，是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。

PROTEUS電路設(shè)計是在PROTEUS ISIS環(huán)境中繪制的，該編輯環(huán)境具有良好的人機交互界面，功能強大極易上手。首先通過桌面進入主程序，繪制原來圖的主要任務(wù)是從元件庫中選取繪制電路所需要的元件。可以通過點擊選擇器頂端左側(cè)的“P”或者通過命令打開，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中沒有布線模式，但用戶可以在任意時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，每一元件都有唯一的元件標(biāo)號及元件值與之對應(yīng)。原件號是PROTEUS ISIS的實時注釋功能自動標(biāo)注的，這一功能可在菜單中設(shè)置選擇是否開啟。PROTEUS ISIS中也支持塊操作，當(dāng)用戶需要對電路中的某一部分進行操作時，可以使用該功能。系統(tǒng)共支持塊移動、塊復(fù)制、塊旋轉(zhuǎn)、塊刪除等實用功能，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)計電路繪制完后的電路圖如圖6.1所示。

圖 10 仿真圖

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