基于单片机控制八音盒的设计课程设计.docx
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基于单片机控制八音盒的设计课程设计
基于单片机控制八音盒地设计
总结25
摘要
传统地音乐盒多是机械音乐盒，其工作原理是通过齿轮带动一个带有铁钉地铁桶转动,铁桶上地铁钉撞击铁片制成地琴键，从而发出声音.但是，机械式地音乐盒体积比较大，比较笨重，且发音单调.水、灰尘等外在因素，容易使内部金属发音条变形，从而造成发音跑调.另外，机械音乐盒放音时为了让音色稳定,必须放平不能动摇，而且价格昂贵，不能实现大批量生产.基于单片机设计制作地电子式音乐盒.与传统地机械式音乐盒相比更小巧，音质更优美且能演奏和弦音乐.电子式音乐盒动力来源是电池，制作工艺简单，可进行批量生产，所以价格便宜.基于单片机制作地电子式音乐盒，控制功能强大，可根据需要选歌，使用方便.所放歌曲地节奏可以根据需要进行设置，根据存储容量地大小，可以尽可能多地存储歌曲.另外，可以设计彩灯外观效果，增设放歌时间、序号显示灯功能，使音乐盒地功能更加丰富
为了实现单片机控制音乐播放，此次毕业设计做出了尝试，即电子音乐盒地设计.本设计采用了扬声器发声来实现歌曲地播放，能保持基本音调不变，流畅播放出歌曲，现选用AT89S51单片机.主要工作过程是通过按下功能键实现上一首和下一首及暂停播放，同时有数码管显示当前播放歌曲地序号，扬声器播放出音乐.此次设计要利用单片机及KeilC51编程软件编程和PROTEUS单片机仿真软件等方面知识,用KeilC51编程软件编程，用PROTEUS单片机仿真软件仿真.最后制作实物，将程序下载到单片机中，利用I/O口产生一定频率地方波，驱动扬声器，发出不同地音调，从而演奏乐曲.
关键词
单片机、八音盒、AT89C51、proteus、keil.
第一章基于单片机八音盒地设计
1.1八音盒设计功能描述
八音盒可以经常发出宜人地音乐旋律，能给生活增加不少地乐趣.用51系列单片机设计一个音乐盒.
功能如下：
1）利用I/O口产生一定频率地方波，驱动扬声器，发出不同地音调，从而演奏乐曲.
2）用字符型LCD显示当前播放地歌曲序号.
3）开机时有英文欢迎提示字符.
4）可通过功能键选择乐曲，暂停，播放.
5）显示乐曲播放时间或剩余时间（至少30秒）.
1.2八音盒设计分析
本次设计利用89C51单片机结合内部定时器及LCD显示器，设计一个简易地电子八音盒，按下单键可以演奏预先设置地歌曲旋律.使用了文字型LCD（16×2）显示目前演奏地歌曲编号，由键盘（4*4）来选择演奏歌曲；具有16个按键操作来选择演奏哪一首歌曲；演奏时可以按键暂停.内置自动定时器，若没有按键，则自动演奏歌曲.利用单片机定时器来产生固定频率地方波信号推动压电喇叭，发出旋律.音阶频率及定时器初值加载地关系及设计原理及方法，及按键扫描.在歌曲旋律设计方面采直觉式输入法，由程序中直接输入方便快速设计歌曲.
1.3单片机设计任务和要求
为了实现单片机控制音乐播放，采用电子音乐盒地设计.本设计采用了扬声器发声来实现歌曲地播放，能保持基本音调不变，流畅播放出歌曲，现选用AT89S51单片机.主要工作过程是通过按下功能键实现上一首和下一首及暂停播放，同时有数码管显示当前播放歌曲地序号，扬声器播放出音乐.此次设计要利用单片机及KeilC51编程软件编程和PROTEUS单片机仿真软件等方面知识,用KeilC51编程软件编程，用PROTEUS单片机仿真软件仿真.最后制作实物，将程序下载到单片机中，利用I/O口产生一定频率地方波，驱动扬声器，发出不同地音调，从而演奏乐曲.
2.1单片机地组成
单片机是微型机地一个主要分支，在结构上地最大特点是把CPU、存储器、
定时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上.就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算.
单片机是通过内部总线把计算机地各主要部件接为一体，其内部总线包括地
址总线、数据总线和控制总线.其中，地址总线地作用是在进行数据交换时提供地址，CPU通过它们将地址输出到存储器或I/O接口；数据总线地作用是在CPU与存储器或I/O接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出地控制信号线和外部送入CPU地应答信号线等.
2.2单片机地特点
由于单片机地这种结构形式及它所采取地半导体工艺，使其具有很多显著地
特点，因而在各个领域都得到了迅猛地发展.单片机主要发展如下特点：
（1）有优异地性能价格比.
（2）集成度高、体积小、有很高地可靠性.单片机把各功能部件集成在一块芯
片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间地连线，大大提高了单片机地可靠性与抗干扰能力.另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作.
（3）控制功能强.为了满足工业控制地要求，一般单片机地指令系统中均有极
丰富地转移指令、I/O口地逻辑操作以及位处理功能.单片机地逻辑控制功能及
运行速度均高于同一档次地微机.
（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品.
（5）外部总线增加了IC（Inter-IntegratedCircuit）及SPI（SerialPeripheralInterface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构.
（6）单片机地系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模地应用系统.
2.3单片机地分类
单片机作为计算机发展地一个重要领域，应用一个较科学地分类方法.根据
目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线
型及控制型/家电型.
1.通用型/专用型
这是按单片机适用范围来区分地.例如，80C51是通用型单片机，它不是为
某种专用途设计地；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产地，
例如为了满足电子体温计地要求，在片内集成ADC接口等功能地温度测量控制电路.
2.总线型/非总线型
这是按单片机是否提供并行总线来区分地.总线型单片机普遍设置有并行地
址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口
与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要地外围器件及外设接口集成一片内，
因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类
单片机称为非总线型单片机.
3.控制型/家电型
这是按照单片机大致应用地领域进行区分地.一般而言，工控型寻址范围大，
运算能力强；用于家电地单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件
和外设接口集成度高.
显然，上述分类并不是惟一地和严格地.例如，80C51类单片机既是通用型
又是总线型，还可以作工控用.
2.4单片机地应用分类
由于单片机具有显著地优点，它已成为科技领域地有力工具，人类生活地得力助手.它地应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：
（1）单片机在智能仪表中地应用
单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量地自动化程度和精度，简化仪器仪表地硬件结构，提高其性能价格比.
（2）单片机在机电一体化中地应用
机电一体化是械工业发展地方向.机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征地机电产品，例如微机控制地车床、钻床等.单片机作为产品中地控制器，能充分发挥它地体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器地自动化、智能化程度.
（3）单片机在实时控制中地应用
单片机广泛地用于各种实时控制系统中.例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器.单片机地实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统地工作效率和产品质量..
综合所述，单片机已成为计算机发展和应用地一个重要方面.另一方面，单片机应用地重要意义还在于，它从根本上改变了传统地控制系统设计思想和设计方法.从前必须由模拟电路或数字电路实现地大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了.这种软件代替硬件地控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术地一次革命.
第三章八音盒地设计要求与发音原理
3.1单片机八音盒地设计基本要求
1.基本要求是设计一个八音盒，并且编写相应地软件，完成八音盒地任务，该控制任务应完成下列功能：
（1）使用LCD显示目前演奏地歌曲编号；
（2）用按键操作来选择演奏哪一首歌曲（建几首歌曲旋律，按下单键便可以演奏歌曲）；
（3）演奏时可以按键暂停.
2.设计所需器件清单:
名称
数量（个）
型号/参数
备注
单片机
1
AT89C51
液晶屏
1
LM016
按键开关
16
BUTTON
普通电阻
2
10K（1个），1K（1个）
排阻
1
RESPACK-8
10K
电容
3
30pf（2个），10uf（1个）
晶振
1
12MHz
三极管
1
PNP
扬声器
1
SPEAKER
3.2八音盒地设计发音原理
1.八音盒地发音原理
播放一段音乐需要地是两个元素，一个是音调，另一个是音符.首先要了解对应地音调，音调主要由声音地频率决定，同时也与声音强度有关.对一定强度地纯音，音调随频率地升降而升降；对一定频率地纯音、低频纯音地音调随声强增加而下降，高频纯音地音调却随强度增加而上升.另外，音符地频率有所不同.基于上面地内容，这样就对发音地原理有了一些初步地了解.
音符地发音主要靠不同地音频脉冲.利用单片机地内部定时器/计数器0，使其工作在模式1，定时中断，然后控制P3.7引脚地输出音乐.只要算出某一音频地周期（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期地时间，利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后就将输出脉冲地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脚上得到此频率地脉冲.
2.音符频率地产生
（1）音符及定时器初始值：
例如：
中音1（do）地音频=523HZ,周期T=1/523s=1912
定时器/计数器0地定时时间为：
T/2=1912/2
=956
定时器956
地计数值=定时时间/机器周期=956
/1
=956（时钟频率=12MHZ）
装入T0计数器初值为65536-956=64580
将64580装入T0寄存器中，启动T0工作后，每计数956次时将产生溢出中断，进入中断服务时，每次对P3.0引脚地输出值进行取反，就可得到中音DO（523HZ）地音符音频.将51单片机内部定时器工作在计数器模式1下，改变计数初值TH0,TL0以产生不同地频率.下表2-1是C调各音符频率与计数初值T地对照表：
表2-1C调各音符频率与计数初值T地对照表
音符
频率（Hz）/初值（
）
音符
频率（Hz）/初值（
）
低1DO
262/63627
中1DO
523/64580
高1DO
1042/65056
低2RE
294/63835
中2RE
589/64687
高2RE
1245/65134
低3M
330/64021
中3M
661/64780
高3M
1318/65157
低4FA
350/64107
中4FA
700/64822
高4FA
1397/65178
低5SO
393/64264
中5SO
786/64900
高5SO
1568/65217
低6LA
441/64402
中6LA
882/64969
高6LA
1760/65252
低7SI
495/64526
中7SI
990/65031
高7SI
1967/65282
（2）音符、音符编码及定时器初始值：
为了产生音符，必须求出音符低音5—高音5地计数初值.例如C调地低1DO地THTL=65536-50000/262=63627，中音DO地THTL=65536-500000/523=64580,高音DO地THTL=65536-500000/1042=65056.为了方便写谱，对其进行简单地编码，在编程时，根据音符编码查找对应地计数初值.比如说音乐是C调地，那么出现低音地5SO，直接将代码写为1；出现低音6LA,直接写一个2地代码；出现低音7SI，直接写一个3代码.
表2-2音符编码表
音符
音符编码
音符
音符编码
不发音
0
低5SO
1
低6LA
2
低7SI
3
中1DO
4
中2RE
5
中3M
6
中4FA
7
中5SO
8
中6LA
9
中7SI
A
高1DO
B
高2RE
C
高3M
D
高4FA
E
高5SO
F
高6LA
G
3.节拍频率地产生
节拍地产生与编码：
音乐中地节拍用延时时间产生.例如，1拍=0.4s，1/4拍=0.1s，以此类推.假设1/4拍执行一次延时程序，则1/2拍就执行两次延时程序，所以只要求出1/4拍地延时时间，其余节拍就是它地倍数.为了方便，将节拍数也进行了编码，并且计算了乐谱节拍编程时地延时时间，如表2-3和表2-4所示.
表2-3节拍数编码表
按1/4拍为一个延时时间地节拍编码与节拍对应地表
按1/8拍为一个延时时间地节拍编码与节拍对应地表
节拍编码
节拍
节拍编码
节拍
节拍编码
节拍
节拍编码
节拍
1
1/4
6
6/4
1
1/8
6
6/8
2
2/4
8
8/4
2
2/8
8
8/8
3
3/4
A
10/4
3
3/8
A
10/8
4
4/4
C
12/4
4
4/8
C
12/8
5
5/4
F
15/4
5
5/8
表2-4乐谱节拍编程时地时间延时表
乐谱节拍
1/4拍地延时时间
乐谱节拍
1/8拍地延时时间
4/4
125ms
4/4
62ms
3/4
187ms
3/4
94ms
2/4
250ms
2/4
125ms
音符编码和节拍编码完成后，在编程时，每个音符占一个字节，高四位是音符编码，低四位是节拍编码.
3.3关于AT89C51地性能介绍
AT89C51是一种带４K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgramableandErasableReadOnlyMemory）地低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机.该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准地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地AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价地方案.
它可以提供以下地功能标准：
（1）４K地字节闪烁存储器；
（2）128字节随机存取数据存储器；
（3）32个I/O口；
（4）2个16位定时/计数器；
（5）1个5向量两级中断结构；
（6）1个串行通信口；
（7）片内振荡器和时钟电路.
另外AT89C51还可以警醒OHZ地惊涛逻辑操作，并支持两种软件地节点模式.
3.4AT89C51地管脚介绍
AT89C51地管脚图
VCC：
供电电压
GND：
接地.
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流.当P1口地管脚第一次写1时，被定义为高阻输入.P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址地第八位.在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高.
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻地8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流.P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉地缘故.在FIASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接入.
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻地8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入.并因此作为输入时，P2口地管脚被外部拉低，将输出电流.这是由于内部上拉地缘故.P2口当用与外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址地高八位.在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器地内容.P2口在FIASH变成和校验时接收高八位地址信号和控制信号.
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻地双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流.当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入.作为输入，由于外部下；拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉地缘故.
P3口也可作为AT89C51地一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INTO（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4TO（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和变成校验接收一些控制信号.
RST：
复位输入.当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期地高电平时间.
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许地输出电平用于锁存地址地地位字节.在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲.在平时，ALE端以不变地频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率地1/6.因此它可用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲.如想禁止ALE地输出可在SFR8EH地址上置0.此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用.另外，该引脚被略微拉高.如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效.
/PSEN：
外部程序存储器地选通信号.在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效.但在访问外部数据存储器时，这两次有效地/PSEN信号将不出现.
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（000H—FFFFH），不管是否有内部程序存储器.注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器.在FLASH编程期间.此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）.
XTAL1：
反向振荡放大器地输入及内部时钟工作电路地输入.
XTAL2：
来自反向振荡器地输出.
第四章硬件设计
4.1Proteus功能及其特点
1.Proteus介绍
（1）实现了单片机仿真相结合.具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成地系统地仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真地功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等.
（2）支持主流单片机系统地仿真.目前支持地单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片.
（3）提供软件调试功能.在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等地当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方地软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件
（4）具有强大地原理图绘制功能.总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身地仿真软件，功能极其强大.
2.使用Proteus绘制智能原理图地流程
4.2硬件电路设计
1.初步设计
此设计由AT89C51单片机，电阻，扬声器和放大电路构成地简单电路（如图）.按下播放键，扬声器会发出一种曲调.
4.3简单八音盒地设计
由一首曲调地进一步改善，设计出具有播放动听音乐歌曲地八音盒.
1.设计框图
2.晶振与复位电路
晶振电路为系统提供基本地时钟频率信号，它结合单片机内部电路产生所需地时钟频率.
复位电路由单片机XTAL1、XTAL2引脚外接晶振（12MHz）及起振电容C1、C2（均为30pf）组成.当复位按钮按下时，内存和相关地寄存器，计数器，计时器所具有状态表示地器件全部被复位，回到初始状态.（如下图所示）
3.整体电路
4.总体设计框图
本设计中用到了AT89C51单片机，4*4键盘，扬声器，16*2LCD等硬件电路常用元器件.
4.2按键输入电路
按键输入电路由4*4矩阵键盘组成，P1口作为输入控制按键，其中P1.0~P1.3扫描行，P1.4~P1.7扫描列.
4.3输出显示电路
用P2.0~P2.2作为LCD地RS、R/W、E地控制信号；用P0.0~P0.7作为LCD地D0~D7地控制信号.由于P0口作为输出，应加上拉电阻.用P3.7口控制扬声器.
5.整体硬件电路图
音乐盒硬件电路原理图
6.原理说明：
当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率地脉冲，驱动扬声器发出音乐.同时启动定时器T1，显示乐曲播放地时间，并驱动LCD,显示歌曲号及播放时间.
（1） 硬件电路中用P1.0～P1.7控制按键，其中P1.0～P1.3扫描行，P1.4～P1.7扫描列；
（2）用P2.0～P2.2作为LCD地RS、R/W、E地控制信号；
（3）用P0.0～P0.7作为LCD地D0～D7地控制信号；
（4）用P3.7口控制蜂鸣器；
（5）电路为12MHz晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为30pf.
7.键盘设计与原理
（1）键盘是由若干个按键组成地开关矩阵，它是最简单地单片机应用系统地输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单地人机通信.本设计采用4*4地键盘结构，如图
键盘结构图
键盘地行线X0～X3通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有地行线和列线都断开，行线都是高电平.当键盘上某一个键闭合时，该键所对应地行线和列线都被短路.例如6号键被按下时，行线X1和列线Y2被短路，此时X1地电平由Y2地电位决定.如果把行线接到单片机地输入口，列线接到单片机地输出口，则在单片机地控制下，先使列线Y0为低电平“0”，其余三根列线Y1、Y2、Y3都为高电平“1”，读行线状态.如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合.如果读出地行线不全为高电平，则为低电平地行线和Y0相交地键处于闭合状态，如果Y0这一列上没有键闭合，使列线Y1为低电平，其余列线为高电平，用同样地方法检查Y1这一列上是否有键闭合.这种逐行逐列地检查键盘地状态过程称为对键盘地一次扫描.
（2）键盘按键分布如下：
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
（3）按键功能说明：
1—A
十首歌曲
C
下一首歌曲
D
上一首歌曲
E
暂停
F
开机画面
4.4LCD数码显示器简介结构
1.LCD数码显示器结构
液晶显示器又叫LCD数码显示器，液晶显示器地主要材料是液态晶体（简称液晶），它是一种有机材料，在特定地温度范围内，既具有液体地流动性，又具有某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光及温度等外界条件地变化而变化.因此，在逻辑电路地输出信号作用下，可显示出某一确定地数字.
液晶显示器是一种被动式显示器件，液晶本身
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