数字音乐盒设计单片机设计报告.doc

单片机课程设计 题目 数字音乐盒设计 要求 存放 4 首以上乐曲 能选曲或循环播放 班级 13 电信卓越 学号 130803012 姓名 黄赵 完成日期 2015 年 01 月 01 日 指导老师 刘小燕老师 目 录 引言 1 1 概述 2 1 1 课题意义 2 1 2 设计方案 2 1 3 研究内容 2 2 系统总体方案介绍 3 2 1 系统组成框图 3 2 2 音乐盒的功能结构图 3 2 3 主要设计软件介绍 3 2 3 1 PROTEUS 软件简介 3 2 3 2 KEIL 简介 4 3 硬件设计 5 3 1 总体设计框图 5 3 2 各部分硬件设计及其原理 5 3 2 1 AT89C51 简介 5 3 2 2 LED 显示电路设计与原理 6 3 2 3 时钟振荡电路 6 3 3 硬件电路图及功能 6 4 软件设计 8 4 1 音调 节拍以及编码的确定方法 8 4 1 1 音调的确定 8 4 1 2 节拍的确定 9 4 1 3 编码 10 4 2 软件程序设计 11 4 2 1 程序流程图及相应代码块 11 4 2 2 程序源代码 见附录 A 15 5 调试 16 5 1 检查硬件连接 16 5 2 检查软件系统 16 5 3 测试结果 16 5 3 1 总体运行图 16 5 3 2 花样灯 3 种花样图 17 6 总 结 18 致谢 19 参考文献 20 科技外文文献 21 中文译文 24 附录 A 程序源代码及注释 26 1 1 实验要求 用单片机 at89c51 设计一个数字音乐盒 要求音乐盒能够存放 4 首歌 曲 并且能够进行按键切歌 以及按键暂停功能 1 2 设计方案 设计一个基于 AT89C51 系列单片机的音乐盒 利用按键切换演奏出不同的乐曲 蜂鸣器发出 某个音调 与之相对应的 LED 亮起 使用两个按键 一个用来切换歌曲 1 3 研究内容 1 电路有两种工作模式 演奏音乐模式和花样灯模式 演奏音乐模式 演奏完整的一首的歌曲 八路 LED 随着音乐变化 花样灯模式 八路 LED 变化出各种花样 蜂鸣器随着发出 嘀嘀 声 2 按下按键 1 进入演奏音乐模式 再按切换歌曲 共两首歌曲 3 按下按键 2 进入花样灯模式 再按切换 LED 花样 共三种花样 此电路的程序只占用了 1K 左右 可编制更多的音乐和 LED 花样 使系统的功能更加强大 2 系统总体方案介绍 2 1 系统组成框图 音乐盒的系统结构以 AT89C51 单片机位控制核心 加上 2 个按键 时钟复位电路 蜂鸣器 LED 模块组成 单片机负责接收按键的输入 根据输入控制音乐播放曲目和音乐花样灯的显示样式 以及蜂鸣器发音 系统组成框图如图 2 1 所示 图 2 1 系统组成框图 2 2 音乐盒的功能结构图 音乐盒的功能结构如图 2 2 所示 Key1 负责切换播放歌曲 播放歌曲共 2 首 分别是挥着翅膀 的女孩和寂寞沙洲冷 Key2 负责暂停 3 硬件设计 3 1 总体设计框图 图 3 1 总体设计框图 3 2 各部分硬件设计及其原理 3 2 1 AT89C51 简介 AT89C51 是 一 种 带 4K 字 节 闪 存 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的 低 电 压 高 性 能 CMOS 8 位 微 处 理 器 俗 称 单 片 机 AT89C2051 是 一 种 带 2K 字 节 闪 存 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 的 单 片 机 单 片 机 的 可 擦 除 只 读 存 储 器 可 以 反 复 擦 除 100 次 该 器 件 采 用 ATMEL 高 密 度 非 易 失 存 储 器 制 造 技 术 制 造 与 工 业 标 准 的 MCS 51 指 令 集 和 输 出 管 脚 相 兼 容 由 于 将 多 功 能 8 位 CPU 和 闪 烁 存 储 器 组 合 在 单 个 芯 片 中 ATMEL 的 AT89C51 是 一 种 高 效 微 控 制 器 AT89C2051 是 它 的 一 种 精 简 版 本 AT89C51 单 片 机 为 很 多 嵌 入 式 控 制 系 统 提 供 了 一 种 灵 活 性 高 且 价 廉 的 方 案 外 形 及 引 脚 排 列 如 图 3 2 所 示 图 3 2 AT89C51 系列单片机 3 2 2 LED 显示电路设计与原理 LED 显示电路是由 8 个 LED 发光二极管组成 连接方式为共阳极 LED 接到单片机的 P1 口 若为低电平 可使 LED 亮起 发光二极管的亮 灭由内部程序控制 8 个 LED 发光二极管分别对 应不同的音阶 所以 LED 会随着音阶的变化按规律亮 灭 3 2 3 时钟振荡电路 AT89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是 该放大器的输入端和输出端 这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成 自然振荡器 外接石英晶体及电容 C1 C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路 对外接电 容 C1 C2 虽然没有什么严格的要求 但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低 振荡器工作 的稳定性 起振的难易程序及温度稳定性 如果使用石英晶体 我们推荐电容使用 30PF 10PF 而如果使用陶瓷振荡器建议选择 40PF 10PF 用户也可以采用外部时钟 采用外部时钟的电路如 图示 这种情况下 外部时钟脉冲接到 XTAL1 端 即内部时钟发生器的输入端 XTAL2 则悬空 由于外部时钟信号是通过一个 2 分频触发器后作为内部时钟信号的 所以对外部时钟信号的占空比 没有特殊要求 但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求 振荡 器电路图如下 图 3 3 单片机内部 外部振荡电路 3 3 硬件电路图及功能 总体硬件电路实现功能如下 如图 3 4 所示 1 电路中用 P3 2 P3 3 控制按键 2 P1 0 P1 7 控制 LED 3 P2 3 控制蜂鸣器 4 电路为 12MHZ 晶振频率工作 起振电路中 C1 C2 均为 30PF 图 3 4 硬件电路图 4 软件设计 在本程序中设置了两个标志 count1 和 count2 分别初始化为 1 和 0 按键 1 使得 count1 在 1 和 2 之间切换 按键 2 使得 count2 在 1 4 之间切换 程序检测 count1 的值 count1 等于 1 时播放 第一首歌曲 等于 2 时播放第二首 另一方面根据 count2 的值来切换 LED 的花样 count1 和 count2 的值是互斥的 设置 count1 等于 1 2 时 count2 同时设置为 0 设置 count2 等于 1 4 时 count1 也同时设置为 0 4 1 音调 节拍以及编码的确定方法 一般说来 单片机演奏音乐基本都是单音频率 它不包含相应幅度的谐波频率 也就是说不能 像电子琴那样能奏出多种音色的声音 因此单片机奏乐只需弄清楚两个概念即可 也就是 音调 和节拍表示一个音符唱多长的时间 4 1 1 音调的确定 不同音高的乐音是用 C D E F G A B 来表示 这 7 个字母就是音乐的音名 它们一般 依次唱成 DO RE MI FA SO LA SI 即唱成简谱的 1 2 3 4 5 6 7 相当于汉字 多 来米发梭拉西 的读音 这是唱曲时乐音的发音 所以叫 音调 即 Tone 把 C D E F G A B 这一组音的距离分成 12 个等份 每一个等份叫一个 半音 两个音之间 的距离有两个 半音 就叫 全音 在钢琴等键盘乐器上 C D D E F G G A A B 两音之间隔着一个黑键 他们之间的距离就是全音 E F B C 两音之间没有黑键相隔 它们之 间的距离就是半音 通常唱成 1 2 3 4 5 6 7 的音叫自然音 那些在它们的左上角加上 号 或者 b 号的叫变化音 叫升记号 表示把音在原来的基础上升高半音 b 叫降记音 表示在原来 的基础上降低半音 例如高音 DO 的频率 1046Hz 刚好是中音 DO 的频率 523Hz 的一倍 中 音 DO 的频率 523Hz 刚好是低音 DO 频率 266 Hz 的一倍 同样的 高音 RE 的频率 1175Hz 刚好是中音 RE 的频率 587Hz 的一倍 中音 RE 的频率 587Hz 刚好是低音 RE 频 率 294 Hz 的一倍 1 要产生音频脉冲 只要算出某一音频的周期 1 频率 然后将此周期除以 2 即为半周期 的时间 利用定时器计时这半个周期时间 每当计时到后就将输出脉冲的 I O 反相 然后重复计时 此半周期时间再对 I O 反相 就可在 I O 脚上得到此频率的脉冲 2 利用 AT89C51 的内部定时器使其工作在计数器模式 MODE1 下 改变计数值 TH0 及 TL0 以产生不同频率的方法 此外结束符和休止符可以分别用代码 00H 和 FFH 来表示 若查表结果为 00H 则表示曲子终 了 若查表结果为 FFH 则产生相应的停顿效果 3 例如频率为 523Hz 其周期 T 1 523 1912us 因此只要令计数器计时 956us 1us 956 在每 次技术 956 次时将 I O 反相 就可得到中音 DO 523Hz 计数脉冲值与频率的关系公式如下 N Fi 2 Fr N 计算值 Fi 内部计时一次为 1us 故其频率为 1MHz 4 其计数值的求法如下 T 65536 N 65536 Fi 2 Fr 例如 设 K 65536 F 1000000 Fi 1MHz 球低音 DO 261Hz 中音 DO 523Hz 高音的 DO 1046Hz 的计算值 T 65536 N 65536 Fi 2 Fr 65536 1000000 2 Fr 65536 500000 Fr 低音 DO 的 T 65536 500000 262 63627 低音 DO 的 T 65536 500000 523 64580 低音 DO 的 T 65536 500000 1047 65059 5 C 调各音符频率与计数值 T 的对照表如表 4 1 所示 表 4 1 C 调各音符频率与计数值 T 的对照表 低音 频率 T 参数 中音 频率 T 参数 高音 频率 T 参数 Do 262 1908 229 Do 523 956 115 Do 1046 57 57 Do 277 1805 217 Do 554 903 108 Do 1109 54 54 Re 294 1701 204 Re 587 852 102 Re 1175 51 51 Re 311 1608 193 Re 622 804 97 Re 1245 48 48 Mi 330 1515 182 Mi 659 759 91 Mi 1318 45 45 Fa 349 1433 172 Fa 698 716 86 Fa 1397 43 43 Fa 370 1351 162 Fa 740 676 81 Fa 1480 41 41 So 392 1276 153 So 784 638 77 So 1568 38 38 So 415 1205 145 So 831 602 72 So 1661 36 36 La 440 1136 136 La 880 568 68 La 1760 34 34 La 464 1078 129 La 932 536 64 La 1865 32 32 Si 494 1012 121 Si 988 506 61 Si 1976 30 30 4 1 2 节拍的确定 若要构成音乐 光有音调是不够的 还需要节拍 让音乐具有旋律 固定的律动 而且可以 调节各个音的快满度 节拍 即 Beat 简单说就是打拍子 就像我们听音乐不自主的随之拍手 或跺脚 若 1 拍实 0 5s 则 1 4 拍为 0 125s 至于 1 拍多少 s 并没有严格规定 就像人的心跳 一样 大部分人的心跳是每分钟 72 下 有些人快一点 有些人慢一点 只要听的悦耳就好 音持 续时间的长短即时值 一般用拍数表示 休止符表示暂停发音 一首音乐是由许多不同的音符组成的 而每个音符对应着不同频率 这样就可以利用不同的频 率的组合 加以与拍数对应的延时 构成音乐 了解音乐的一些基础知识 我们可知产生不同频率 的音频脉冲即能产生音乐 对于单片机来说 产生不同频率的脉冲是非常方便的 利用单片机的定 时 计数器来产生这样的方波频率信号 因此 需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率 以及单片 机定时计数的关系 表 4 2 节拍与节拍码对照 节拍码 节拍数 节拍码 节拍数 1 1 4 拍 1 1 8 拍 2 2 4 拍 2 1 4 拍 3 3 4 拍 3 3 8 拍 4 1 拍 4 2 1 拍 5 1 又 1 4 拍 5 5 8 拍 6 1 又 1 2 拍 6 3 4 拍 8 2 拍 8 1 拍 A 2 又 1 2 拍 A 1 又 1 4 拍 C 3 拍 C 1 又 1 2 拍 F 3 又 3 4 拍 每个音符使用 1 个字节 字节的高 4 位代表音符的高低 低 4 位代表音符的节拍 图 5 2 为节 拍码的对照 如果 1 拍为 0 4 秒 1 4 拍实 0 1 秒 只要设定延迟时间就可求得节拍的时间 假设 1 4 拍为 1DELAY 则 1 拍应为 4DELAY 以此类推 所以只要求得 1 4 拍的 DELAY 时间 其余 的节拍就是它的倍数 如图 5 3 为 1 4 和 1 8 节拍的时间设定 表 4 3 1 4 和 1 8 节拍的时间设定 曲调值 DELAY 曲调值 DELAY 调 4 4 125 毫秒 调 4 4 62 毫秒 调 3 4 187 毫秒 调 3 4 94 毫秒 调 2 4 250 毫秒 调 2 4 125 毫秒 4 1 3 编码 do re mi fa so la si 分别编码为 1 7 重音 do 编为 8 重音 re 编为 9 停顿编为 0 播放长度以十 六分音符为单位 在本程序中为 165ms 一拍即四分音符等于 4 个十六分音符 编为 4 其它的播 放时间以此类推 音调作为编码的高 4 位 而播放时间作为低 4 位 如此音调和节拍就构成了一个 编码 以 0 xff 作为曲谱的结束标志 举例 1 音调 do 发音长度为两拍 即二分音符 将其编码为 0 x18 举例 2 音调 re 发音长度为半拍 即八分音符 将其编码为 0 x22 歌曲播放的设计 先将歌曲的简谱进行编码 储存在一个数据类型为 unsigned char 的数组中 程序从数组中取出一个数 然后分离出高 4 位得到音调 接着找出相应的值赋给定时器 0 使之定 时操作蜂鸣器 得出相应的音调 接着分离出该数的低 4 位 得到延时时间 接着调用软件延时 表 4 4 简谱对应的简谱码 T 值 节拍数 简谱 发音 简谱码 T 值 节拍码 节拍数 5 低音 SO 1 64260 1 1 4 拍 6 低音 LA 2 64400 2 2 4 拍 7 低音 TI 3 64524 3 3 4 拍 1 中音 DO 4 64580 4 1 拍 2 中音 RE 5 64684 5 1 又 1 4 拍 3 中音 MI 6 64777 6 1 又 1 2 拍 4 中音 FA 7 64820 8 2 拍 5 中音 SO 8 64898 A 2 又 1 2 拍 6 中音 LA 9 64968 C 3 拍 7 中音 TI A 65030 F 3 又 3 4 拍 1 高音 DO B 65058 2 高音 RE C 65110 3 高音 MI D 65157 4 高音 FA E 65178 5 高音 SO F 65217 4 2 软件程序设计 4 2 1 程序流程图及相应代码块 主程序流程图 开始 初始化 标志位 C o u n t 0 标志位 C o u n t 1 标志位 C o u n t 2 标志位 C o u n t 3 播放音乐 Y e s N o 花样灯 1 花样灯 1 花样灯 1 Y e s Y e s Y e s N o N o N o 图 4 1 主程序流程图 图 4 2 播放音乐子程序流程图 5 调试 5 1 检查硬件连接 在 PROTUES 检查各硬件管脚是否连接正确 线路逻辑是否正确 例如 晶振电路的连接 复位 电路是否设计正确 5 2 检查软件系统 1 根据系统的原理结构检查各流程图是否正确 再根据流程图来检查程序是否也正确 2 将所有程序组织起来 在软件环境下运行 检查程序是否正确 通过对硬件和软件系统的 认真检查 反复测试 如果没有出现问题即可把源程序编译成 HEX 文件装载到单片机中 对硬件进 行仿真 5 3 测试结果如上图所示 6 总结 单片机的设计至今为止已经进入了令人鼓舞的阶段 在进行了长达两个多月的时间的摸索与实 验 使我不仅仅是对于单片机入门软件与硬件的常用设计与功能 还使我对于一项设计研究的制作 过程所需要的详细步骤和具体的实现方法的力度的掌握 当然在这次宝贵的毕业设计活动中 经验才是对于我们最大的收获 而且还增强了自身对未知 问题以及对知识的深化认识的能力 用受益匪浅这个词语来概括这次难忘的活动我觉得再合适不过 了 但是 光是完成了作品还是不可以自我满足的 在从一开始的时候就怀着将作品制作得更加人 性化 更加令人满意 更加地使功能完美又方便地被应用领域这个最终目的下 随着对单片机这门 学科的认识加深 到达了拓展的程度 我想这个目的将在不远的时期内被实现 总之 这次设计从软件编写 调试到软硬件联机调试 我倾注了大量的时间和心血 真是曾经 为程序的编写而冥思查找过 曾经为无法找出错误而郁闷苦恼过 也曾经为某一功能不能实现而犹 豫彷徨过 但最终我成功了 附录 A 程序源代码及注释 include define uchar unsigned char define uint unsigned int sbit duan P2 6 sbit key1 P3 2 按 key1 可切换花样 sbit key2 P3 3 按 key2 可切换歌曲 sbit fm P3 7 蜂鸣器连续的 IO 口 sbit P34 P3 4 矩阵键盘的一列 uchar code huayang1 0 x7f 0 xbf 0 xdf 0 xef 0 xf7 0 xfb 0 xfd 0 xfe 0 xfd 0 xfb 0 xf7 0 xef 0 xdf 0 xbf 花样 1 uchar code huayang2 0 x7f 0 xfe 0 xbf 0 xfd 0 xdf 0 xfb 0 xef 0 xf7 0 xef 0 xfb 0 xdf 0 xfd 0 xbf 0 xfe 花样 2 uchar code huayang3 0 x7f 0 x3f 0 x1f 0 x0f 0 x07 0 x03 0 x01 0 x0 0 x80 0 xc0 0 xe0 0 xf0 0 xf8 0 xfc 0 xfe 0 xff char code huayang4 0 x55 0 xaa 0 xcc 0 x33 0 x99 0 x66 0 x0f 0 xf0 uchar count1 花样标志 uchar count2 歌曲标志 uchar timeh timel i 编程规则 字节高位是简谱 低位是持续时间 代表多少个十六分音符 1 7 代表中央 C 调 8 E 代表高八度 0 代表停顿 最后的 0 是结束标志 uchar code qnzl 千年之恋 0 x12 0 x22 0 x34 0 x84 0 x74 0 x54 0 x38 0 x42 0 x32 0 x22 0 x42 0 x34 0 x84 0 x72 0 x82 0 x94 0 xA8 0 x08 前奏 0 x32 0 x31 0 x21 0 x32 0 x52 0 x32 0 x31 0 x21 0 x32 0 x62 0 xff uchar code jmszl 寂寞沙洲冷 0 x12 0 x12 0 x22 0 x32 0 x31 0 x22 0 x21 0 x22 自你走后心憔悴 0 x21 0 x31 0 x51 0 x52 0 x31 0 x52 0 x61 0 x15 0 x14 白色油桐风中纷飞 0 xff uchar code znpa 祝你平安 0 x26 0 x20 0 x20 0 x20 0 x20 0 x20 0 x26 0 x10 0 x20 0 x10 0 x20 0 x80 0 x26 0 x20 0 x30 0 x20 0 x30 0 x20 0 x39 0 x10 0 x30 0 x10 0 x30 0 x80 0 x26 0 x20 0 xff uchar code lbdya 路边的野花不要采 0 x30 0 x1C 0 x10 0 x20 0 x40 0 x1C 0 x10 0 x18 0 x10 0 x20 0 x10 0 x1C 0 x10 0 x18 0 x40 0 x1C 0 x20 0 x20 0 x20 0 x1C 0 xff 适合 11 0592M 的晶振 uchar code cuzhi 0 xff 0 xff 占位 0 xFC 0 x8E 中央 C 调 1 7 0 xFC 0 xED 0 xFD 0 x43 0 xFD 0 x6A 0 xFD 0 xB3 0 xFD 0 xF3 0 xFE 0 x2D 0 xFE 0 x47 高八度 1 7 0 xFE 0 x76 0 xFE 0 xA1 0 xFE 0 xC7 0 xFE 0 xD9 0 xFE 0 xF9 0 xFF 0 x16 uchar yinyue 0 xff 0 xfe 0 xfd 0 xfb 0 xf7 0 xef 0 xdf 0 xbf 0 x7f 0 x0 0 x0 将音调转化为对应的 LED 样式 void delay1 uint z 延时 1MS void delay uint z 延时 165MS 即十六分音符 void song void beep 蜂鸣器叫一声 main uchar x count1 0 流水灯无花样 count2 1 唱第一首歌 P34 0 选取矩阵键盘的一列 EA 1 开总中断 EX0 1 开外部中断 0 IT0 1 外部中断 0 下降沿触发方式 EX1 1 开外部中断 1 IT1 1 外部中断 1 下降沿触发方式 TMOD 0 x01 定时器 0 工作在方式 1 TH0 0 TL0 0 ET0 1 while 1 if count1 0 switch count1 case 1 for x 0 x 14 x duan 1 P1 huayang1 x beep delay1 300 duan 0 if count1 1 break break case 2 for x 0 x0 x for y 19000 y 0 y void delay1 uint z 延时 1MS uint x y for x z x 0 x for y 112 y 0 y void beep 蜂鸣器叫一声 uchar i for i 0 i 50 i fm fm delay1 1 fm 1