基于單片機的簡易電子琴的設計與制作畢業(yè)論文.doc

基于單片機的簡易電子琴的設計與制作畢業(yè)論文目 錄第1章 緒論11.1 論文研究的背景和意義11.1.1 研究背景11.1.2 研究意義11.2 國內(nèi)外研究情況21.3 研究的內(nèi)容21.4 研究的重點難點及研究方法21.4.1 本文的重點21.4.2 本文的難點21.4.3 本文的研究方法2第2章 方案比較與論證4第3章 系統(tǒng)總體框圖及硬件簡介53.1 系統(tǒng)的總體框圖及組成53.2 AT89C51簡介53.3 LM38673.4 揚聲器7第4章 系統(tǒng)軟件設計94.1 音樂相關知識94.2 如何用AT89C51單片機實現(xiàn)音樂中的節(jié)拍94.3 如何用AT89C51單片機產(chǎn)生音頻脈沖104.4 系統(tǒng)程序流程圖124.5 電源電路的工作原理13第5章 各功能模塊原理圖155.1 AT89C51電路原理圖155.1.1 復位電路155.1.2 晶振電路155.1.3 按鍵電路155.2 鍵盤掃描模塊電路原理圖165.3 LCD1602電路原理圖16I5.3.1 液晶顯示原理165.3.2 LCD1602的基本參數(shù)及引腳功能165.4 音頻放大電路原理圖17第6章 PROTEUS仿真196.1 PROTEUS簡介196.2 仿真電路196.3 仿真測試196.3.1 電子琴彈奏仿真196.3.2 電子琴自動播放仿真206.4 仿真結(jié)果216.5 實物圖21第7章 心得體會23致 謝24參考文獻25附錄26附錄一：PROTEUS仿真圖26附錄二：元件清單26附錄三：主要源程序26II西京學院本科畢業(yè)設計（論文）第1章 緒論1.1 論文研究的背景和意義1.1.1 研究背景對于生活在21世紀的我們，電子產(chǎn)品有著越來越重要的地位，簡易電子琴就是其中一個非常典型的代表，它把許許多多的孩子們帶進了音樂的殿堂。因此，我選擇了基于51單片機的簡易電子琴設計這個題目來做，因為它不僅能提高我的動手能力，還與我們的實際生活有著密切的聯(lián)系。通過做基于51單片機來設計簡易電子琴的這個選題，使我能夠更深層次的了解了51單片機技術，在這之前只有課本上的一些理論，但是實踐的機會并不是特別多，所以在做這個選題的過程中，我更加熟練的掌握了單片機芯片的很多應用，同時也了解到，我們以前所學到的很多理論知識存在與實踐脫節(jié)的問題，可以說做完此次畢業(yè)設計，讓我們對單片機有了更多、更深的認識。近幾年來，電子琴的發(fā)展相當迅速，不論是在國外還是在國內(nèi)，不管是在它的制造工藝上和操作程序上，還是在它的演奏技法上都有了很大的發(fā)展。自從八十年代電子琴這種樂器進入到我國以來，它受到了廣大的初學者、音樂愛好者以及音樂家的喜愛，以它獨特的經(jīng)濟適用力和自身強大的功能。可以說目前電子琴在中國的使用率還是挺高的，這不管是對大家音樂素質(zhì)的提高，還是對音樂的發(fā)展都起到了很大的作用。1.1.2 研究意義在目前的音樂領域上已廣泛使用高科技，其中一個典型代表就是電子琴，主要原因是它融合了古典文化和現(xiàn)代文明。它不僅在傳統(tǒng)音樂文化上幫助了我們音樂教師的教育教學工作，而且在現(xiàn)代音樂、電子音樂等方面的教學時，比之前更直接、更方便。隨著現(xiàn)在科技的不斷發(fā)展，又使得電子琴具備現(xiàn)代音樂特別是電子音樂的基本結(jié)構(gòu)特征，它的出現(xiàn)，給音樂老師和孩子們帶來了更多的樂趣。在21世紀到來之際，電子技術的發(fā)展相當迅速，因此它正逐漸影響并改善著人們的學習，工作和生活?；谀壳笆袌錾想娮赢a(chǎn)品的大量需求，而簡易電子琴就是其中一個非常好的應用。因此，希望本論文在研究基于51單片機的簡易電子琴能夠給人們在生活上帶來更多的樂趣，同時可以利用單片機技術來實現(xiàn)簡易電子琴的功能，即利用軟硬件相結(jié)合的方法，來實現(xiàn)它的微型化。簡易電子琴還具有制作簡單，成本低、體積小、控制方便和比傳統(tǒng)的電子琴功能更加完善等優(yōu)點。1.2 國內(nèi)外研究情況自20世紀90年代以來，電子琴的應用已遍及全國，因此對國內(nèi)外電子琴的核心技術，工藝設備、技術應用以及它的發(fā)展趨勢的了解，對于整個企業(yè)在提升產(chǎn)品技術的規(guī)格、提高市場的競爭力上來說非常的關鍵。它在國內(nèi)外也同樣被人們所熟知，所喜愛，被廣泛的研究，并且在這個領域，人們?nèi)〉昧朔浅６嗟牧钊丝上部少R的研究成果。目前，電子琴已被廣泛用于教學當中，因此，它的相關理論和教學體系也在不斷得改進和完善中，以國內(nèi)外雙排電子琴為例，國內(nèi)的雙排電子琴的如今的發(fā)展，主要表現(xiàn)在就業(yè)方面，我國多年來先后培養(yǎng)了很多優(yōu)秀的雙排鍵音樂人才，他們大多在我國的重點音樂學院從事教學工作，為我國的雙排鍵音樂事業(yè)的發(fā)展在一定程度上起到了積極的推動作用。國外（日本）雙排電子琴的發(fā)展現(xiàn)狀，主要表現(xiàn)在兩個方面，一是課程設置上，二是音樂院校的就業(yè)情況。課程設置分必修課和選修課，其中必修課為雙排電子琴專業(yè)課程，雙排電子琴即興演奏，聲樂課程和音樂美學作曲編曲法；選修課為鋼琴專業(yè)課，音樂基礎研究等課程。通過科學和系統(tǒng)的教學，使得學生們在走向社會時，能夠適應各種各樣的工作。所以他們的就業(yè)情況很樂觀，分布也很廣泛，比如說在音樂培訓機構(gòu)教學，在各個藝術團體參加表演，在福利院，療養(yǎng)院等工作。1.3 研究的內(nèi)容用一個AT89C51單片機設計一個簡易電子琴，能夠通過按鍵發(fā)出8種不同音階的音樂，即1、2、3、4、5、6、7（高音），通過每個按鍵的控制使單片機系統(tǒng)輸出不同頻率的脈沖，經(jīng)過揚聲器發(fā)出不同頻率音調(diào)，且能播放多首歌曲。同時還可以選擇播放已存入的音樂，并具有手動演奏和自動播放兩種方式。1.4 研究的重點難點及研究方法1.4.1 本文的重點本課題的重點是如何正確理解和使用AT89C51單片機以及如何用LCD1602來顯示時間。1.4.2 本文的難點本課題難點在于如何編寫程序1讓采集的數(shù)據(jù)正確的顯示在LCD上，以及由51單片機實現(xiàn)聲音的產(chǎn)生和處理。1.4.3 本文的研究方法 從本論文所要達到的設計要求以及所要實現(xiàn)的功能來看，此簡易電子琴的設計主要是以AT89C51為核心控制元件，以實現(xiàn)手動彈奏歌曲和自動播放歌曲功能這兩大部分組成。手動彈奏歌曲是根據(jù)具體的44矩陣鍵盤設置了中高音16個音符按鍵，8個中音模式切換鍵和8個高音模式切換鍵還有兩個功能選擇鍵以及一個停止鍵，自動播放音樂是在單片機的存儲器中通過C語言編程2的方法放置音樂代碼和相關播放程序來實現(xiàn)。從系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)來看，主要用到了51單片機、16個按鍵輸入電路、LCD液晶顯示電路、揚聲器以及功率放大電路等等。在有機的結(jié)合這些硬件電路的基礎上，滿足本論文簡易電子琴設計的基本硬件要求。從系統(tǒng)軟件的設計角度來看，簡易電子琴的設計采用了電路原理圖模塊化的設計方法，本論文分為四大模塊：AT89C51模塊電路原理圖、鍵盤掃描模塊電路原理圖、LCD液晶顯示模塊和功放電路模塊。此外，還采用了程序設計思想，把中斷定時方式和外部按鍵查詢方式結(jié)合起來，從而實現(xiàn)了手動彈奏歌曲到自動播放歌曲的切換。從音樂產(chǎn)生的原理來看，采用控制51單片機定時器的定時時間的方法來產(chǎn)生不同頻率的音頻脈沖，然后經(jīng)過音頻功率放大器LM386，放大后以此驅(qū)動揚聲器，然后發(fā)出不同音樂的聲音。最后節(jié)拍的控制采用延時的方法來控制發(fā)音時間的長短，從而控制節(jié)拍。綜上，根據(jù)上述不同角度的方案設計原理，本文主要從軟件和硬件以及音樂產(chǎn)生的原理，需要實現(xiàn)的功能和要求這幾個部分進行了有計劃有步驟的系統(tǒng)分析與設計，從而確立了最終的總體設計方案。第2章 方案比較與論證方案一：采用靜態(tài)RAM存儲LCD顯示屏的顯示內(nèi)容，靜態(tài)RAM的優(yōu)點是存儲容量大，傳輸速度快等。但它所存儲的數(shù)據(jù)掉電之后就會消失，因此對于長時間不變的數(shù)據(jù)不益于存儲。方案二：采用ROM芯片存儲LCD顯示屏要顯示的信息，ROM芯片存儲信息的時間很長，而且掉電后數(shù)據(jù)不會丟失，這種方式對于不變的數(shù)據(jù)益于存儲。方案三：采用串行EEPROM存儲LCD顯示屏要顯示的信息，串行EEPROM技術是一種不容易丟失信息的存儲技術，它具有所有類型存儲器的不揮發(fā)性、可更新性、高密度、低功耗和高性價比的優(yōu)點，特別適合應用在各類工業(yè)測控系統(tǒng)中。它不但克服了諸如2816、2817、2864等這些常用并行EEPROM器件的價格高、體積大、可靠性低等不足，而且在速度要求不是特別高的情況下，它是人們最理想的選擇。通過比較以上三種方案，可以看出方案三有明顯的優(yōu)點，因此本論文選擇方案三。第3章 系統(tǒng)總體框圖及硬件簡介3.1 系統(tǒng)的總體框圖及組成本系統(tǒng)硬件設計的任務主要是根據(jù)本論文的設計要求，在AT89C51單片機的基礎上，以及系統(tǒng)中所需要用到的一些元器件，把它們根據(jù)電子琴的原理合理的結(jié)合在一起，然后設計出本論文系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。如下圖3.1所示。本論文要求是設計一個由AT89C51單片機控制的簡易電子琴。本文具體用AT89C51單片機，LM386放大器，LCD液晶顯示器，44的矩陣鍵盤，揚聲器，來設計一個簡易電子琴。單片機需工作在12MHZ的時鐘頻率。其中44的矩陣鍵盤是用高、中音各8個音節(jié)組成的，用戶可以在鍵盤上彈奏自己喜愛的歌曲，此時它會根據(jù)用戶的彈奏，通過揚聲器把好聽的歌曲播放出來。本次論文要求實現(xiàn)的功能是:由用戶手動彈奏歌曲和自動播放提前設置好的歌曲。由于單片機自身并沒有足夠的驅(qū)動能力，所以當內(nèi)部定時器的定時時間所產(chǎn)生的音頻脈沖，用它來直接驅(qū)動揚聲器并不能得到本論文所要求的音樂，因此，本論文使用了音頻功率放大電路。本論文采用低壓音頻功率放大器LM386來實現(xiàn)音頻功放電路。此放大器是由美國國家半導體公司生產(chǎn)的。 圖3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.2 AT89C51簡介AT89C51是一種有著字節(jié)為4K的FLASH存儲器的低電壓和高性能CMOS8位微處理器的單片機3。單片機采用的制造技術為ATMEL高密度非易失存儲器制造，并與工業(yè)上標準的MCS-51指令集、輸出管腳相兼容。該器件的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。此單片機還為很多嵌入式的控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價格低廉的方案。是由于該器件能夠把多功能8位的CPU以及閃速存儲器，將他們組合在單個芯片中。 (1)AT89C51的主要特點v 能夠與MCS-51 相兼容v 擁有4K字節(jié)可編程FLASH存儲器v 它的壽命為1000寫/擦循環(huán)v 其數(shù)據(jù)保留時間為10年v 其全靜態(tài)工作為0Hz-24MHzv 有著三級程序的存儲器鎖定v 有著1288位的內(nèi)部RAMv 有著32可編程的I/O線v 有兩個16位的定時器/計數(shù)器v 有著5個中斷源v 擁有可編程的串行通道v 有片內(nèi)振蕩器以及時鐘電路 （2）AT89C51的主要管腳說明VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口是一個8位的雙向I/O口，也是一個漏級開路的雙向I/O口。它的高阻輸入狀態(tài)表現(xiàn)為它的管腳第一次寫入1的時候。P0口在被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位時可以用做外部程序數(shù)據(jù)存儲器。P0口還可以作為原碼輸入口和輸出原碼，前者是在FIASH編程時情況下可以用，后者是在FIASH校驗的情況下。P1口：是一個8位的雙向I/O口，和P0口不同的是，它是一個內(nèi)部提供上拉電阻的雙向I/O口。當P1口作為輸入時，此時管教寫為1且內(nèi)部被上拉為高電平；當P1口作為輸入時，此時管教寫為1且外部被下拉為低電平。它還可當做低8位地址接收，在FIASH編程和校驗的情況下。P2口：和P1口一樣，都是一個8位的內(nèi)部提供上拉電阻的雙向I/O口。當P1口作為輸入時，此時管教寫為1且內(nèi)部被上拉為高電平；P2口被外部下拉為低電平時，將輸出電流。不同的是當它用于外部和數(shù)據(jù)程序存儲器存取時，此時輸出地址的高8位。P2口在地址為1時利用其內(nèi)部的上拉優(yōu)勢，在對地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，它可輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口還可以接收高八位地址信號和控制信號。前者是在FLASH編程時，后者是在FLASH校驗時。P3口：和前三個都不同，它是一個有著8個內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，當P3口作為輸入時，此時管教寫為1且內(nèi)部被上拉為高電平；當P3口作為輸入時，此時管教寫為1且外部被下拉為低電平。3.3 LM386LM386是音頻功率放大器，主要應用于電壓較低的一些消費類產(chǎn)品，此功率放大器是由美國國家半導體公司生產(chǎn)的4。它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386在電池供電的場合特別適用。為了把它所使用的外圍元件降到最少,需要將電壓增益修改為20。但是如果在管腳1和管腳8之間加一只外接電阻或者是電容,就可以將電壓的增益改成任意值,一直可到200。一般情況下輸入端以地作為參考,同時輸出端會自動的偏置其電源電壓的一半,LM386它還是一種音頻集成功放，當它在6V電源電壓下時。自身具有很多優(yōu)點，比如自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、外接元件少等。由P1.0輸出的音頻脈沖，經(jīng)LM386音頻放大器放大，才能推動喇叭放出聲音。喇叭也叫揚聲器。LM386有兩種封裝形式：即塑封8引線的雙列直插式和貼片式。如圖3.2所示。圖3.2 LM386的封裝形式 LM386的特性：v 它的靜態(tài)功耗很低，大約為4mA，能夠用于電池供電。 v 它的工作電壓范圍也寬，約4-12V或5-18V。 v 其外圍元件特別少。 v 其電壓增益可調(diào)為20-200。 v 失真度很低。本論文采用低壓音頻功率放大器LM386來實現(xiàn)音頻功放電路。此放大器是由美國國家半導體公司生產(chǎn)的。其電路以及各參數(shù)如圖5.5所示。3.4 揚聲器揚聲器又叫做“喇叭”。是一種電聲換能器件，其作用是將電信號轉(zhuǎn)換為聲音，在發(fā)聲的電子電氣設備中經(jīng)常能見到它。揚聲器的種類非常多，而且價格相差非常大5。種類可由換能原理和頻率范圍兩個方面來劃分，它也可以分為內(nèi)置和外置揚聲器，我們所熟悉的音箱一般指的是外置揚聲器，Mp3里面的喇叭就是所說的內(nèi)置揚聲器。它的主要性能指標包括靈敏度、頻率響應、額定功率、額定阻抗、指向性以及失真度等。第4章 系統(tǒng)軟件設計4.1 音樂相關知識音樂由音高、音名等組成，其中音名人們又把它叫做唱名。在播放一首歌曲時，若聽起來忽高忽低，這叫做音高。人們通常用C、D、E、F、G、A、B來表示不同音調(diào)的樂音，把這7個字母叫做樂音的音名，一般它們被依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，這7個是歌曲播放時樂音所發(fā)的音，于是把它們叫唱名。其中音高是發(fā)音物體振動頻率的高低所決定的，頻率高則聲音就高，反之頻率低則聲音就低。一首歌曲的時值，一般我們用拍數(shù)表示，而把一首歌曲的音它所持續(xù)的時間的長短定義為時值。音樂是由音符在音樂中所對應的不同的頻率的組合再加上與拍數(shù)相對應的延時兩方面構(gòu)成的。不同的頻率的由來：是因為一首歌曲它是由許許多多不同的音符組成的，然而每個音符又對應著不同的頻率。音樂中的音級即就是音樂中所使用的每一個固定基本頻率，通常用C，D，E，F(xiàn)，G，A，B，c來表示，也就是簡譜中對應的1，2，3，4，5，6，7，i，本論文以C調(diào)為標準，每個音級的頻率可由表查得，如下表4.1所示： 表4.1 C調(diào)各音級頻率 單位：赫茲音級中1DO中2RE 中3MI中4FA中5SO中6LA中7SI頻率523578659698784880988音級高1DO高2RE高3MI高4FA高5SO高6LA高7SI頻率10461175131813971568176019764.2 如何用AT89C51單片機實現(xiàn)音樂中的節(jié)拍在一首音樂中還有一個很關鍵的組成部分那就是節(jié)拍。所以如何實現(xiàn)音樂中的節(jié)拍也是非常重要的。在彈奏時發(fā)出的聲音，以及這個聲音它所持續(xù)的時間長短，就是本論文所說節(jié)拍。在本次論文中采用延時的方法來實現(xiàn)，假設1/4個節(jié)拍它所延長的時間是0.4秒，那么1個節(jié)拍的延長時間就是1.6秒，于是我們只需要知道1/4個節(jié)拍的延長時間，那么其余節(jié)拍的延長時間就是1/4個節(jié)拍的倍數(shù)。本論文所要求實現(xiàn)的功能是：由用戶手動彈奏歌曲和自動播放提前設置好的歌曲。對于51單片機自動播放音樂這部分，則在程序的設計中需要考慮到節(jié)拍的設置問題，但是對于用戶手動彈奏這部分，節(jié)拍可不用程序來控制，而是由用戶自己來掌握，非常的方便。因此，對于不同的曲調(diào)的設置，我們可以采用51單片機的另外一個定時/計數(shù)器來進行設置。 一般情況下，音樂中的音拍是以一個節(jié)拍為單位的（C調(diào)），具體如下表4.2所示：表4.2 音樂節(jié)拍表曲調(diào)值DELAY曲調(diào)值DELAY調(diào)4/4120ms調(diào)4/472ms調(diào)3/4178ms調(diào)3/496ms調(diào)2/4240ms調(diào)2/4135ms4.3 如何用AT89C51單片機產(chǎn)生音頻脈沖音樂的發(fā)聲原理，由前面的音樂知識可知，音樂是由音符在音樂中所對應的不同的頻率的組合再加上與拍數(shù)相對應的延時兩方面構(gòu)成的6。于是就可以根據(jù)這些不同的頻率之間的組合，來構(gòu)成本論文所要求實現(xiàn)的音樂了。要想產(chǎn)生不同的頻率對AT89C51單片機來講非常的方便，所以我們可以利用51單片機內(nèi)部的定時/計數(shù)器T0來得到本論文所需要的方波頻率信號，然后再把它們之間的關系弄正確就可以了（一首歌曲的音階和它們之間所對應頻率）。音頻脈沖的產(chǎn)生方法如下，即我們只需要算出其中某一個音頻的周期，然后把這個周期除以2，就得到半周期的時間。于是可以利用51單片機內(nèi)部定時器T0算出半周期的時間，在每次計時停止后就立即把P1.0反相，然后重復計時再反相，這樣一直循環(huán)，就可以在P1.0引腳上得到本論文中所要求的頻率的脈沖。本論文使AT89C51單片機的內(nèi)部定時器工作在計數(shù)器的模式下，通過改變計數(shù)值和的值，以此來產(chǎn)生不同的頻率，然后得到不同的頻率的脈沖，例如，頻率為，其周期，因此只要令計數(shù)器計時，每計數(shù)956次時將I/O反相，就可得到中音DO（）。計數(shù)脈沖的計數(shù)值和頻率之間的關系式如4.3所示： （4.3）在上式中，是計數(shù)值；是機器頻率（晶體振蕩器為時，其頻率為）；是想要產(chǎn)生的頻率。其計數(shù)初值的算法如4.4所示： （4.4） 例如：設，求低音DO（）、中音DO（）、高音DO（）的計數(shù)值。則值的算法如4.5所示： （4.5）低音DO的的算法如4.6所示： （4.6）中音DO的的算法如4.7所示： （4.7）高音DO的的算法如4.8所示： （4.8）下面為這個音符建立一個表格，然后單片機對照下面這個表，通過查表的方式來獲得相應的數(shù)據(jù)。51單片機使用的是晶振，高中低音符與計數(shù)T0相關的計數(shù)值如表4.9所示。表4.9 音符頻率與計數(shù)值T的對照表音符頻率（HZ）計數(shù)值（T值）音符頻率（HZ）計數(shù)值（T值）低1DO25263528#4FA#75064790#1DO#27563837中5SO79464560低2RE29063735#5SO#82194873#2RE#30163428中6LA87064967低3MI31064221#6LA#93964986低4FA34064183中7SI97865043#4FA#37664165低1DO105765057低SO38364760#1DO#112065090#5SO#41764531高2RE118165122低6LA43064500#2RE#125665137#6LA#45664663高3MI132065187低7SI48964724高4FA138965184中1DO52364530#4FA#147965194#1DO#54464733高5SO156865237中2RE57764833#5SO#168965257#2RE#62064789高6LA177065258中3MI68964654#6LA#187865278中4FA67864789高7SI198965301的值決定了和的值，其關系為：，。4.4 系統(tǒng)程序流程圖圖4.10為主程序流程圖，當系統(tǒng)上電初始化后，即進入按鍵掃描程序，當有相應的按鍵按下時，此時將其對應的值賦給定時器T0的寄存器TH0和TL0，同時開啟T0中斷。每當按鍵釋放時，停止T0工作，反之T0繼續(xù)工作。圖4.11為系統(tǒng)中斷子程序流程圖。當51單片機內(nèi)部定時器T0發(fā)生計數(shù)溢出時，說明定時時間已滿，于是發(fā)出中斷請求，CPU響應中斷同時申請系統(tǒng)進入中斷處理中斷子程序。進入T0中斷后重賦初值，并將P1.0取反后退出中斷。圖4.10 主程序流程圖圖4.11 中斷子程序流程圖歌曲播放流程圖如圖4.12所示：圖4.12 歌曲播放流程圖在電子琴開始工作的時候，此時系統(tǒng)是默認電子琴處于彈奏的狀態(tài)，而歌曲選擇功能鍵目的是把系統(tǒng)提前設置好的歌曲進行選擇（如本系統(tǒng)的第一首歌是“遇見”，第二首是“蘭花草”），在放歌的時候能且只能通過停止鍵來結(jié)束放歌，選歌的時候只能在兩個歌曲選擇功能鍵之間（即鍵1和鍵2）來選擇和切換歌曲。4.5 電源電路的工作原理本系統(tǒng)中的電路主要用到了51單片機的復位電路，晶振電路和按鍵電路，以及集成功放LM386的音頻功放電路，正5伏的電源，44按鍵矩陣電路，LCD電路，C語言程序設計，從而實現(xiàn)了簡易電子琴的基本功能（即自動播放和手動彈奏歌曲），同時使每個按鍵代表一個音符即DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，使得LCD電路，功率放大電路，44按鍵矩陣電路，揚聲器等各功能電路協(xié)調(diào)工作，最終完成本論文所要求的自動播放和手動彈奏的功能，并播放和彈奏出悅耳動聽的琴聲。第5章 各功能模塊原理圖5.1 AT89C51電路原理圖在本論文中主要采用了三種電路，即復位電路、晶振電路、按鍵電路構(gòu)成了單片機主程序模塊。如圖5.1所示。5.1.1 復位電路在本論文系統(tǒng)中采用簡單的按鍵電平復位電路7。本系統(tǒng)采用22uf的電容即可滿足10ms以上的高電平。此復位電路不但可以實現(xiàn)上電復位，而且可以通過按鈕復位。其中上電復位是利用電容器C5充電來實現(xiàn)的，而按鍵復位是通過R6和R16形成的回路，然后使RESET端產(chǎn)生高電平，復位的時間由按鍵的時間決定。5.1.2 晶振電路本論文系統(tǒng)采用12MHz的晶振8。目的是為了方便定時操作。5.1.3 按鍵電路本論文中的按鍵需要加上上拉電阻，在它沒按下的情況下可以維持高電平。同時利用單片機的P1口可對按鍵進行檢測，以此來控制不同的輸出音調(diào)。圖5.1 AT89C51模塊電路原理圖5.2 鍵盤掃描模塊電路原理圖一般的行列式鍵盤其實就是本論文所說的矩陣式鍵盤。把按鍵設置在I/O口線組成行、列結(jié)構(gòu)的行列的交點上。當按下按鍵時就有聲音發(fā)出來，松開后便停止。而每次按下一個鍵的時候，需要用逐行、逐列掃描的方法來判斷是哪個按鍵按下。在本論文中，采用的是行掃描法，0掃描信號通過p20-p23循環(huán)送出，按鍵上的高低電平信息通過p24-p27輸入給51單片機，在程序處理之后，即可判斷出是哪個鍵按下，然后把主程序送到單片機中以實現(xiàn)不同功能。如圖5.2所示。圖5.2 鍵盤掃描模塊電路原理圖5.3 LCD1602電路原理圖5.3.1 液晶顯示原理液晶顯示的原理：從液晶的物理特性出發(fā)，用電壓控制其顯示區(qū)域，然后通上電之后就有顯示，于是就能夠顯示出圖形了9。LCD液晶顯示器目前已經(jīng)在便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域被廣泛應用。同時它還具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路只顯示全彩色的特點。5.3.2 LCD1602的基本參數(shù)及引腳功能LCD1602主要參數(shù)：（1）它的顯示容量為162個字符；（2）其芯片的工作電壓為4.5到5.5V；（3）其工作電流可達到2.0mA(5.0V)；（4）它的模塊最佳的工作電壓為5.0V；（5）其字符尺寸為2.954.35(WH)mm。 LCD1602引腳功能說明：本論文中LCD1602采用的是標準的14腳或16腳的接口，各個引腳的接口說明如下表5.3所示,它的原理圖如下圖5.4所示。表5.3 LCD1602各引腳說明編號符號引腳說明編號符號引腳說明1GND接地9DB2數(shù)據(jù)32VCC電源10DB3數(shù)據(jù)43VO液晶顯示偏壓11DB4數(shù)據(jù)54RS數(shù)據(jù)/命令12DB5數(shù)據(jù)65R/W讀/寫13DB6數(shù)據(jù)76E使能端14DB7數(shù)據(jù)87DB0數(shù)據(jù)115BG VCC背光源接正極8DB1數(shù)據(jù)216BG GND背光源接負極圖5.4 LCD1602原理圖5.4 音頻放大電路原理圖聲音的播放及放大模塊如下圖5.5所示。把這個模塊接到P1.0口上，每當有按鍵按下的時候，它會通過AT89C51中心控制芯片的識別，然后發(fā)出相應的音符。由于51單片機內(nèi)部定時器T0產(chǎn)生的音頻脈沖直接驅(qū)動揚聲器并不能得到本論文所要求的聲音，其自身又沒有足夠的驅(qū)動能力，所以，需要經(jīng)過LM386放大器的放大，然后再通過揚聲器播放，這樣才能達到本論文的要求，得到我們想要的聲音。圖5.5 音頻放大電路原理圖第6章 PROTEUS仿真6.1 PROTEUS簡介PROTEUS是一款電路分析與實物仿真軟件10，它是由英國Labcenter公司開發(fā)的。可以對各種的模擬器件和集成電路進行仿真、分析，該軟件的特點如下： (1) 它能夠結(jié)合單片機仿真和SPICE電路仿真。還有像示波器，邏輯分析儀，信號發(fā)生器等各種的虛擬儀器。單片機仿真包括模擬電路仿真，數(shù)字電路仿真及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真等；SPICE電路仿真包括RS232動態(tài)仿真，I2C仿真，SPI仿真和LCD系統(tǒng)仿真等。(2) 除仿真功能外還具有調(diào)試功能。系統(tǒng)在硬件仿真時，具有的調(diào)試功能有全速、單步、設置斷點等，因此能夠觀察各個變量以及寄存器等的當前狀態(tài)。(3) 繪制原理圖的功能非常強大?？傊丝钴浖δ芊浅Ｖ畯姶?。6.2 仿真電路基于51單片機的簡易電子琴設計的仿真在PROTEUS7.8 SP2運行環(huán)境下進行的。本設計用AT89C51單片機控制的模擬系統(tǒng)如圖6.1所示。圖6.1 仿真電路6.3 仿真測試6.3.1 電子琴彈奏仿真在用戶手動彈奏時，LCD顯示屏將顯示前面所提到的唱名即DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，以及歌曲播放的時間，同時發(fā)出相對應的樂聲，動聽逼真。如圖6.2所示。圖6.2 手動彈奏仿真6.3.2 電子琴自動播放仿真在電子琴自動播放時，只需要點擊自動播放按鈕，電子琴就進入自動播放狀態(tài)，開始播放提前準備好的音樂，聲音洪亮悅耳。并且LCD顯示屏將顯示對應的歌名以及歌曲播放的時間。如圖6.3和6.4所示，其中按鍵1播放的歌曲是“遇見”如圖6.3所示，按鍵2播放的歌曲是“蘭花草”如圖6.4所示。圖6.3 自動播放“遇見”仿真圖圖6.4 自動播放“蘭花草”仿真圖6.4 仿真結(jié)果由仿真的結(jié)果可知，本次畢業(yè)設計基于單片機的簡易電子琴的任務和要求已經(jīng)完成，所要實現(xiàn)的兩大功能也已經(jīng)完成，用戶可隨意彈奏一首喜歡的歌曲，并且時間還能顯示在LCD上，也可以通過切換歌曲功能選擇鍵進行自動播放提前設置好的歌曲，總之，基本上達到了預期的效果。從圖6.2可以看到，手動彈奏時，LCD對應顯示DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，還有彈奏的時間，同樣，在圖6.3和圖6.4中可以看到電子琴分別自動播放“遇見”，“蘭花草”兩首歌曲，以及歌曲播放的時間，可見此仿真很好的驗證了本論文所要實現(xiàn)的功能。6.5 實物圖通過前面的設計與制作，得到最后的實物圖如下圖6.5和6.6所示，其中圖6.5是本論文電子琴的正面圖，圖6.6是電子琴的背面圖。圖6.5 電子琴的正面圖圖6.6 電子琴的背面圖第7章 心得體會總體來說，我在此次的畢業(yè)設計中收獲了很多，即使在寫論文的過程中以及做實物的時候遇到了很多很多的困難與難題，但是最終我還是按時、按要求完成了畢業(yè)設計任務書上所要求的任務。具體來說可以分為以下幾點：首先，我做的不夠細心、不夠嚴謹（比如因為粗心而畫錯電路圖以及焊錯線）；其次，由于對課本理論掌握得不是很好而導致編程出現(xiàn)錯誤；再次，在硬件方面，最開始的時候有的程序模塊還弄的不是很清楚，還不能達到預期的效果，以致于在制作實物的過程中因此而焊了比較多的線，同時對于整個各元器件的布局剛開始也都做的不是很好。不過在老師的指導下和與同學的探討后，各方面都有了不同程度上的改善；最后，在做人方面，我意識到不論我們做什么事情，也不論以后遇到多大的困難，只要我們擁有足夠的毅力和決心以及足夠挑戰(zhàn)困難的勇氣，我們就可以把每件事做成功并且做得很好。在本次的畢業(yè)設計中，我收獲的不光是學習知識方面，更多的是生活方面。我意識到，在我們平日的生活中，應該學會分享：分享知識，分享問題，分享我們的想法，這樣更有助于我們彼此之間的交流，有利于我們大家共同進步，有利于我們對學習養(yǎng)成良好的習慣。而且，通過本次的畢業(yè)設計，使我更深層次的理解并掌握了單片機系統(tǒng)的工作原理，學會了電路的設計以及PROTEUS仿真的方法，與此同時還培養(yǎng)了我一種分析和解決實際問題的能力，學會了應把平日里學到的理論知識多與實際相結(jié)合，這樣才是真正的學以致用。最后，我要感謝帶我畢業(yè)設計的楊老師和給我鼓勵和幫助的同學，感謝你們對我的耐心，感謝你們對我的鼓勵，讓我順利完成了此次畢業(yè)設計?？傊ㄟ^本次畢業(yè)設計讓我認識到自己還有很多的不足之處，因此在以后的工作和生活中我會繼續(xù)學習，從而讓自己充實起來，讓自己變得更強。并且在本次畢業(yè)設計中我還學到了很多課本上沒有的東西，其中有的是我以前沒有學過的知識，也有的是我以前沒有理解透徹、沒有掌握牢固的知識。而且通過這次畢業(yè)設計做實物，使我對自己的動手能力也有了一定的信心。致 謝經(jīng)過了幾個月以來辛苦的查資料，整理資料、修改論文和做實物，終于在今天順利的完成了本次畢業(yè)設計，光陰似箭，四年的努力與付出，隨著畢業(yè)論文的完成，終于讓我的大學生涯畫下了完美的句點。此次論文之所以這么順利的完成，是因為有太多人需要感謝，首先，就是要感謝此次畢業(yè)設計的指導老師楊亞東老師，因為整個畢業(yè)論文從最開始的開題報告，到初稿，到定稿，再到后面的終稿全都是在楊老師的悉心指導下完成的。這里面傾注了楊老師大量的心血，在這期間楊老師還不時的了解我論文的進展情況，在此，謹向楊老師表示崇高的敬意和衷心的感謝！其次，我要感謝幫助過我的其他老師，以及我的同學，因為在寫論文的過程中，遇到了很多難題，是在他們的幫助下完成的，在此，我要向你們說聲謝謝！最后，我要感謝實驗室的老師，在我做實物的時候，是他幫我開門，有的時候不會的也有請教他，所以在這里，我也要向他表達我的感謝！本次論文得以順利完成，當然也離不開其他的各位老師、同學的關心和幫助，因此，在這我要感謝在大學期間所有傳授我知識的老師，是因為有您們的悉心教導才讓我有了良好的專業(yè)課知識，這也是我論文得以順利完成的基礎。我在完成畢業(yè)設計的同時，還把近四年來所學到的專業(yè)知識做了一次系統(tǒng)的復習總結(jié)，并且對畢業(yè)后所從事的工作以及相關的領域有了一定的了解和認識，從中獲益匪淺。最后再一次對幫助過我的老師，同學致以我最衷心的感謝，謝謝你們！參考文獻1 謝維成，楊加國單片機原理與應用及C51程序設計M北京：清華大學出版 社，20062 張義和，王敏男，袁彩霞，等例說51單片機(C語言版)M北京：人民郵電 出版社，20083 李廣弟單片機基礎M北京：北京航空航天大學出版社，20014 樓然苗，李光飛51系列單片機設計實例M北京：北京航空航天大學出版 社，20045 潘永河，沙河，劉向陽，等電子線路CAD實用教程M西安：西安電子科技大學出版社，20016 余錫存，曹國華單片機原理及接口技術M西安：西安電子科技大學出版 社，20007 張毅剛MCS-51單片機應用設計M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社， 20048 李光飛單片機課程設計實例指導M西安：西安電子科技大學出版社， 20029 淑齊淺析LCD1602的編程技巧J內(nèi)江科技，2009，5（11)：23-2710 汪寧PROTEUS軟件的單片機仿真方法J山東輕工業(yè)學院學報，2007， 21（1）：24-2711 R.L.Geiger,P.E.Allen,N.R.Strafer.VLSI.DLSI Design Techniques for Analog And Digital CircuitsM.USA:McGrann-Hill Inc,1990.12 N.R.Malik.Electronic Circuits Analysis Simulation and DesignM. USA:Prentice Hall,1995.附 錄附錄一：PROTEUS仿真圖 附錄二：元件清單LCD16021揚聲器1單片機（AT89C51）1按鈕19電阻4電容4開關1電源（5V）1附錄三：主要源程序#include #include #define unit unsigned int #define char unsigned charobit speaker=P37;/揚聲器obit k1=P30;/表示歌曲遇見obit k2=P31;/表示歌曲蘭花草obit k3=P32;/表示歌曲停止char xiansi= ;char times=00:00;/用來顯示時間數(shù)組char data,sea,mon;/接口定義-obit ldRs= P25;obit ldRe= P26;obit ldEn = P27;Ser dbport =0x80;/P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.#define porte P1bit flag,AA,BB,CC,DD; unsigned char k,gq;unit N=0;char data,sea,mon;unsigned char time0h,time0l,timer,bf=0;void key scan();/檢測本論文矩陣鍵盤程序void dally(unit z) Unit A,B; for(A=Z;A0;A-) for(B=120;B0;B-);unsigned char ld_Wait(void)/表示內(nèi)部等待函數(shù)-ld Rs=0;ld Re=1;_mop_();ld En=1;_mop_(); ld En=0;return dbport;/下面的程序是向LCD寫入命令或數(shù)據(jù)-#define ld_command0 / 命令#define ld_date1 / 數(shù)據(jù)#define ld_clear_screen0x01 / 清除屏幕#define ld_homing 0x02 / 把光標返回到原點void ld_Write(bit style, unsigned char input)ldEn=0;ldRs=style;ldRe=0;_mop_();dbPort=input;_mop_(); /注意順序ldEn=1;_mop_(); /注意順序ldEn=0;_mop_();ld_Wait();/以下程序是設置顯示模式-#define ld_show0x04 /表示打開#define ld_hide0x00 /表示關閉 #define ld_cursor0x02 /光標#define ld_no_cursor0x00 /沒有光標 #define ld_flash0x01 /表示光標閃動#define ld_no_flash0x00 /表示光標不閃動void ld_Set Display(unsigned char Display Mode)ld_Write(ld_command, 0x08|Display Mode);/以下程序是設置輸入模式-#define ld_ac_up0x02#define ld_ac_down0x00 / 默認#define ld_move0x01 / 表示畫面可以平移#define ld_no_move0x00 /默認void ld_Set Input(unsigned char Input Mode)ld_Write(ld_command, 0x04|Input Mode);/下面程序是用來初始化LCD-void ld_Initial()ld En=0;ld_Write(ld_command,0x38); /顯示2行的8位數(shù)據(jù)端口dally(5);ld_Write(ld_command,0x38);dally(5);ld_Set Display(ld_show|ld_no_cursor); /把顯示打開沒有光標dally(5);ld_Write(ld_command,ld_clear_screen); /清除屏幕dally(5);ld_Set Input(ld_ac_up|ld_no_move); /按照AC增加, 畫面沒有影響dally(5);/下面程序表示的是字符輸入的位置-void Roto XY(unsigned char x, unsigned char y)if(y=0)ld_Write(ld_command,0x80|x);if(y=1)ld_Write(ld_command,0x80|(x-0x40);/以下是把字符輸出然后在液晶上顯示-void Print(unsigned char *str)while(*str!=0)ld_Write(ld_data,*str);str=str+1;dally(1);code unsigned char Szy