基于单片机的数字音乐盒的设计.docx

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基于单片机的数字音乐盒的设计

基于单片机的数字音乐盒的设计

摘要这次的数字音乐盒是建立在At89C51单片机程序上设计的，利用一系列单片机智能化设计的多功能实体。

用Proteus软件对所有系统进行仿真制作，而音乐盒源程序的C语言编译部分则是利用Keil软件来实现的。

本系统设计的音乐盒能产生不同的频率波形，主要是通过单片机控制定时器，使喇叭发出不同的音阶音律。

喇叭发出的音调定时常数被转化为乐谱，从而使音乐设备能够演唱出非常动听的音乐节律。

关键词：

数字音乐盒；数码管；单片机；Proteus；Keil

TheDesignationOfControllableDigitalMusicBox

BasedOn51Scm

ABSTRACTDigitalmusicboxthatisbuiltinAt89C51chipdesignprocedure,usingaseriesofsingle-chipdesignofintelligentmultifunctionentity.ForallthesystemsimulationusingProteussoftware，andthemusicboxsourceprogramofClanguagecompileristouseKeilsoftwaretoimplement.Themusicboxdesignofthesystemcanproducedifferentfrequencywaveform,ismainlycontrolledbysinglechipmicrocomputertimer,thehornofdifferentscaletemperament.Timingconstantpitchhornwastransformedintothemusic,whichmakesmusicequipmentcansingverypleasantmusicrhythm.

Keywords:

Digitalmusicbox;Digitaltube;AT89C51;PROTEUS;KEIL

第1章前言

1.1课题背景

21世纪的科技是属于单片机的科技时代，现在单片机应用极其普遍，技术也愈来愈成熟，基本上现如今各行各业都能看到单片机的存在。

所以必然的，单片机起着不可磨灭的功用[1]

单片机是一种集成在一个小型的硅电路芯片上，进而形成一个小小的控制计算机系统。

该集成的电路具有微处理器,程序存储器,数据存储器,串、并行输入/输出接口，定时器/计数器等结构功能。

另外，还可以集成在模数转换电路，多谐震荡电路，显示屏驱动电路等多种控制系统。

伴随着经济水平社会文化的不断提高与建设，人们的对精神文明提出了更高要求，尤其是对视听方面的饥渴更有待拔高。

而最传统的音乐盒是机械的类型，大小，和重，发音单调，不甜，没有大规模生产的实现，因此很难满足当代人的需求。

包括本人也是个对音乐有很高依赖的人。

这次设计的数字音乐盒就是要依靠单片机来作为核心来驱动。

单片机的主要优点是体积小、能耗低、易控制、深扩展、微型化。

因此，数字音乐盒还具有体积小，重量轻的优点，可以播放所有类型的音乐，功能多，外观美，使用方便等优点。

而且具有一定的开发价值。

1.2课题研究的目的及意义

音乐是现代人们休闲娱乐必不可少的方式之一，它是一种听觉的享受，而各种播放音乐的设备层出不重，如何做出更好的不损坏音乐本质的优良设备是当今的发展方向。

而传统的VCD、DVD等已不符合时代的发展需要，不能满足人们的听觉需求。

急需要一种更先进的制作设备来更方面，更快捷，更智能化的享受音乐带来的乐趣。

而单片机正好处在当今时代发展的大潮中，我们有理由把单片机的作用最大化，让它服务于我们的日常生活，相信它的独一无二一定能够带来传统播放模式的飞越转变。

同时结合最新的LED技术，又是另外一种视觉盛宴，只要几个I\O端口，数码管，多种播放模式，多种播放选择，比传统的按部就班的播放模式有着革命性的提升。

仅仅只需要两三个软件控制，而且不易受干扰。

1.3论文的主要任务和所做的工作

这次课题主要是设计一个由晶振复位电路提供一定频率的方波，驱动蜂鸣器发出最后音乐效果的数字音乐盒系统，另外增加了数码管显示部分，而且为了达到视觉效果加入了LED灯闪光器件。

总体来说是一种性价比很高，功能相对不错的单片机控制播放音乐的理论设计，包括硬件电路和主要程序，采用我们之前接触过的KEIL、PROTEUS来完成设计，C语言编写程序。

整个设计完成后会有暂停，前进，后退，播放这些基本功能。

准备过程中查阅相关资料，编写时钟定时响应程序，编写音乐播放程序，最后要对整个系统进行仿真，不断的查缺补漏，反复分析修改。

第2章单片机和音乐盒硬件的功能

单片机经过50多年的快速发展，功能是愈来愈强大，而我们这里设计选用的到的AT89C51单片机，是一款性价比十分高的单片机。

2.1AT89C51芯片的功能

AT89C51是一种低电压的4K字节的闪存可编程只读存储器，高性能CMOS8微处理器。

俗称单片机。

如图：

图2-189C51单片机引脚图

图2-2At89C51单片机实物

AT89C51是一种高性能CMOS8位处理器，有4K字节的闪存存储器，可擦除、可编程，简称单片机。

AT89C2051有2K字节的闪存编程只读存储器[6]，可重复擦写存储器是ATMEL公司的制造技术，命令集和输出管脚兼容MCS和标准功能8位单片机CPU功能组合，FLASH存储器，和AT89C2051、AT89C51相比，AT89C51是一个简洁版本的单片机。

AT89C单片微型计算机做出了一个计划，是灵活性高，嵌入式控制体系并且价钱很便宜。

主要特性：

.闪烁存储器为4K字节可编程

.能够和MCS-51相兼容

.使用寿命：

1000写/擦循环

.可以保留的数据时间：

10年

.三级程序存储器锁定

.全静态工作：

0Hz-24MHz

.中断源有5个

.内部RAM为128×8位

.定时器/计数器有两个16位

.串行通道是可编程的

.可编程I/O线为32位

.时钟电路与片内振荡器

.闲置和掉电模式是低功耗的

管脚说明：

GND：

接地。

VCC：

供电电压。

P0口：

P0口是一个双向I/O口，含有8位TTL门电流、漏级开路，各个管脚能够汲取。

高阻输入为P1口的管脚第一次写1。

P0端口可以使用外部程序数据存储器，为数据/地址的第八位使用。

P0口输入作为原始代码编程快闪，检查闪光，P0口输出图元，然后P0外部必须被拉。

P1口：

P1口是一个8位双向I/O口，在里面有上拉电阻，起到缓冲器的功用。

里面拉高是因为P1口引脚写1，能够用作输入，外部拉低P1口，由于里面上拉，可以输出电流。

在FLASH编程和校验的时，可作第八位地址。

P2口：

P2端口是一个8位双向I/O端口与上拉电阻,接收机,输出电流是4TTL门P2口缓冲区,P2写“1”,电阻已上拉,用作输入[]。

输出电流是因为P2口作为输入引脚是外部拉低。

因为内部上拉[]。

外部程序、数据存储器地址在P2端口地址高8位输出。

写“1”时,由于内部上拉的优点,当外部数据存储器读写8个地址,P2口输出的特殊功能寄存器的内容。

收到高八地址信号和控制信号时,P2端口FLASH编程和验证。

P3口：

双向I/OP3端口引脚内部上拉电阻是8口，可接收4个TTL大门的输出电流。

作为时间的输入，“1”是写在P3口在里面，然后拉到较高水平作为输入，由于外部拉低，因为P3引起出口将输出电流。

P3口还有其他功能，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/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器外部输入）

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编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

应该保持RST脚两个机器周期的高电平时间在振荡器复位器件时。

ALE/PROG：

访问外部存储器，存储器地址锁状态字节地址锁存输出级存储器允许。

在这个引脚输入编程脉冲，FLASH编程。

通常，具有稳定的输出正脉冲信号端，是六分之一频振荡器。

因此，它可以用于定时目的。

这个引脚会被拉高。

无效的由于外部执行ALE禁止微处理器。

/PSEN：

外部程序内存闪光灯。

它有两次有效的外部程序存储器进行存取。

他们不会呈现在可以访问外部数据存储器。

/EA/VPP：

保持在/EA的一个较低的水平，在外部程序存储器（0000h-ffffh），带或不带内部程序存储器。

当加密方法1，／EA将内部锁复位；当/EA端一直停留在高电平，那么会出现在内部程序存储器中。

振荡器特性:

XTAL1、XTAL2分别代表反向放大器的输入和输出。

同时也可做片内振荡器。

陶瓷振荡和振荡可以通过在石井。

XTAL2不应满足，如果一个外部时钟源驱动装置。

陶瓷振荡和振荡可以通过在石井。

XTAL2不应满足，如果一个外部时钟源驱动装置。

2.2音乐盒的硬件及其功能

这次制作的数字音乐盒，用到的硬件有：

AT89C51芯片：

主控制器；

LED灯：

闪光灯，LED灯P1.0—P1.7控制八路LED彩灯；

数码管：

主要用于显示音乐序号，在实物中单片机P0.0-P0.6口接数码管的端口控制；

晶振：

11.0592M赫兹的晶振频率提供电路稳定的时钟信号，电路中电容C1、C2容值均为22PF。

电容：

保持一个恒定的偏执电压供给；

喇叭：

播放音乐，由P3.7控制；

电源：

给系统电路供电；

电阻：

控制电路；

开关：

控制播放停止音乐按钮，通过端口P3.2来控制LED灯进行各种各样的颜色变换。

芯片端口P3.3控制程序中音乐的切换，即播放下一首歌。

第3章数字音乐盒的主体设计方案

3.1音乐盒的主体结构

要想使喇叭播放出不同的音符调，产生不同的音乐，通过单片机定时器控制时间频率，产生不同音调的频率波形。

控制音乐电路图

图3-1音乐盒结构框图

单片机程序中放置了五首《劳动最光荣》、《唯一》、《同桌的你》、《小小葫芦娃》、《旗开得胜》不同流行的歌曲风格，同时八个LED颜色不同的灯随着播放歌曲不同的音调变化而变化，另外，数码管将显示该播放歌曲是第几首歌，以P3.3口来切换下一首歌曲。

八个LED灯在不演奏的时候可以随意变化三种模式，带来不一样的享受。

3.2主设计软件的介绍

本设计主要采用两种软件，一种是用以C语言源代码，KEIL软件，另一个是用来模拟的PROTEUS软件。

3.2.1编程软件KEIL的简介

Keil软件是美国公司生产的以C语言开发软件平台系统，C语言的可移植性，灵活应用、可读性的优势，所以很适合初级者学习和使用的软件。

本设计的软件程序使用C语言编写，并在开发环境为KeiluVision4下进行编译、调试。

KeiluVision4和同类发展环境相比包含下列优势：

（1）窗口管理系统的柔和，可以任意拖动视图中的任何地方，包括支持多窗口显示；

（2）增加了众多强大软硬件调试手段,在keiluvision3IDE的基础上，增加了更多大众化的功能；

（3）新的使用界面能够更加方便的使用界面空间构建其余多个窗口，提供清洁，高效的环境来研制需要使用的程序语言。

（4）此款新版本支持更多最新的嵌入式系统的芯片，并且又新添了一些其他的新功能，使得该软件的应用范围更加宽广。

（5）新的版本支持触屏操作,如若想要观察变化中的值,则可以直接触屏操作就可以了，使得用户使用起来更加舒适，既方便又快捷；

（6）此新版本具备功能十分强大的查看窗口,全部的数据类型都能够支持；

（7）新版本中能够对源程序直接进行修改、编译以及调试，还能够对错误编码进行定位。

3.2.2仿真软件PROTEUS的简介

除了编译软件之外，仿真软件PROTEUS也是必不可少的，同样是款非常实用强大的软件，用它可以节省我们不少时间，通过电脑就能模拟我们想要的东西，直到满足我们自己的要求。

PROTEUS软件不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，尤其是能对单片机的仿真效果极佳。

目前已经受到从事单片机相关工作者的青睐。

要完成PCB的设计，就要从原理图布图、然后进行代码调试，再到到单片机与外围电路的协同仿真，这其实是一阵套的从概念到产品的完整设计。

可以说是跨时代的，它可以很好的将电路仿真软件、印刷电路版设计软件和虚拟仿真软件联系到一起的设计平台，其支持8051、PIC、ARM、等多个型号的处理器模型，2010年此软件系统又增添了Cortex和DSP两个系列的处理器模型，相信以后还会持续有其他版本的处理器模型补充。

程序编译上，主要由Keil等编译器支持。

绘制好Proteus原理图后，再双击单片机芯片出现一个对话框，在对话框中点击Keil软件生成的.Hex文件，烧进到芯片中，这时点击Proteus软件播放菜单就可以看到画的原理图仿真状态变化。

PROTEUS是可以被当作课堂单片机教学的优秀典范。

之所以这样说，是因为它的元器件、连接线路等是和单片机所做实验用的是对应的，所以很好的避免的原来单纯的单片机实验的弊端，现在元器件选择、电路连接、软件调试、运行结果等多个中间过程现在都可以仿真监测。

第4章音乐盒硬件设计

4.1总设计框图

经过前文的描述，这次的系统电路实现设计概念已经非常清晰明了，系统设计电路单元总设计框图如下：

图4-1总设计框图

4.2各部分硬件的作用

硬件除了AT89C51芯片外，主要的就是时钟振荡电路、LED彩灯以及数码管的设计。

4.2.1时钟振荡电路

AT89C51包含一个反相放大器的高增益硬件。

引脚XTAL1是放大器的输入端，XTAL2是反相放大器的输出端，此放大器是组成芯片内部电路必不可少的。

外部石英晶体和电容C1，C2连接在反馈回路中的放大器并联振荡电路形式。

一个外部电容C1，C2，电容的大小会对振荡频率有一定的影响，当然，稳定性、振荡振荡器工作的难度和温度稳定性受到影响，所以选择要谨慎些。

如果利用石英晶体，使用容值为15pF到30pF之间容值为22pF的晶体是比较好的选择。

也可以使用外部时钟。

如图所示的外部时钟电路。

从图中看出，内部时钟输入端悬空端子，XTAL2则不连接任何端口。

我们这里产生内部时钟信号通过用一个双分频触发器，然后在连接在外部时钟信号上来完成的。

所以时钟信号的占空比不需要做太多考虑。

振荡器电路图如下：

图4-2单片机各部分振荡电路

4.2.2LED和数码管的设计

（1）8个颜色各异的LED灯，八个端口分别接在P1.0-P1.7，采用共阳极连接在一起，规定当端口都处于低位，LED灯是亮的。

音阶的变化带动发光二极管发生亮或熄的变化，当然是具有一定规律的了。

8个LED颜色灯分别接在单片机P1端口。

LED电路设计如下图：

图4-3LED设计图

（2）数码管连接到P0口，数码管中常用的阴极数码管，数码管和端口连接上拉电阻之间使数码管能正常工作。

如图所示：

图4-4数码管设计图

4.2.3LED发光二极管的优点

发光二极管与其它发光物体相比的优势：

（1）工作需要的电压和电流都比较低这样起到了节约电能源的作用。

（2）可靠性高，抗冲击性能好，不会因为强雷或地震而发生爆破。

（3）寿命长，发光二极管的寿命是家用白炽灯的6—10倍。

发光二极管LED由于工作电流小、低电压，寿命长、使用方便等特点，被人们在生活中广泛使用。

通过调节电流的变化来改变发光二极管LED发光的强弱。

发光二极管LED经常用做光源或者显示板。

通常还将发光二极管的管心做成条状，以来构成显示0～9的10个阿拉伯数字的LED数码管，或者用来构成A、B、C、D、E、F六个大写字母的数码管和a、b、c、d、e、f六个小写字母的数码管，如图所示：

这是一个七段两位带小数点10引脚的LED数码管

第5章音调和节拍的设计

5.1音调和节拍的设计以及音乐基础知识

单片机设计成的音乐没有谐波控制部分，主要由“音调”和“节拍”来表示，音乐能唱多长时间就是靠这两部分[6]。

人们常说低音,中音，高音，其实在音乐上是用a、b、c、d、e、f、g，就像英文名由26个字母组成，音乐由这7个命的名音乐，就是音谱上do，re、mi、fa、so、la、si于是人们又发明了简谱，用阿拉伯数字1、2、3……。

“哆唻咪发梭啦兮”的读音就是这样来的，“音调”，即乐谱上怎样发音，调高调低。

人们把7个组音在拉开距离，切成12等分，一小等分就叫“半个音”。

所以两个半音就是一个全音了。

有时也把7个音叫作自然音，加上#号，就加半音，变高，属于升记音，当然又有降记音，人们就在左上角加个b字母，降低半音，两者合称变化音。

哆音的最顶音高音频率是1046HZ,中间音中音频率是523HZ，能看出成倍数关系，最下面低音音频率是266HZ。

频周期（1/频率）除以2就等于音乐频率脉冲，单片机定时器此时发挥定下这个时间的作用，准确计下这个时间周期，刻下时间后将输出端立刻要反相，再重复上面的操作，就能记下半个周期的时间，最终我们就可以得到脉冲频率了。

把单片机定时器调到计数模式，不断调th0和tl0记下不同频率。

此外，终结和休息[7]可以由00H和跳频码表示，如果为00H查找结果，说这首歌结束；若是FFH查找结果，就会有停顿出现。

数字一点是8度，两个点代表16度以上，一般表示高的部分在数字上面，表示低的部分在数字下面。

做音乐，不能只有调子，节拍也是很重要的，让音乐有节奏感，可以随时调节音乐的快慢。

“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。

如果1膜是0.5s，然后1/4拍为0.125s。

至于1拍范畴是多少秒，目前还没有统一，如人的心脏，大多数人有72次每分钟，有的人快一点，慢一些，只要悦耳就行了。

声音的持续时间值，就意味着节拍数，休止表示停止发音。

音乐符号是与脉冲频率息息相关的，是对应关系，所以乐谱就是由这些音符构成的。

没选择一个频率，就要对应的数字来产生音乐。

音乐就是要这些脉冲鼓动变化。

我们一直了解单片机有这方面强大的输出脉冲功能，实验室所做的实验都是围绕定时器，计时器来产生方波频率。

因此，明确音符，频率，一级单片机定时器，计数器几者之间的关系尤为重要。

每一个音符划归一个单独字节，高4位为高低音符，低4位为节拍。

现在设置1拍为1秒，1\4拍就是0.25秒，已知延迟时间就能求出节拍时间。

如果1/2拍为2个延迟则1拍应为4个延迟。

5.2音调和节拍的编码

DOREMIFASOLASI被编码为1,2,3,4,5,6,7，现在重级音DO编号为8,重级音RE编为9，重音MI编为A，重级音FA编为B，重级音SO系列编为C，重级音LA编为D，重级音SI编为E，休止自然为0。

播放长度设置为156ms本程序，4音符十六单位，编号为3,其它的播放时间依次而来。

音调编码高4位，播放时间编码低4位，把音调和节拍整合在一个编码中，以0xff作为曲谱的结束标志。

例1：

做为基调,一拍的分音长度，即一个音符，为0x9。

例2：

发音长度为1\4拍，即四分音符，为0x11。

歌曲播放的设计。

将简谱的编码，存储在一个无符号字符里面。

程序从多个阵列中读出数，从中选出高4位的音调，把值赋给单片机定时器，定时控制喇叭，就会发出一定的音乐；选出低4位，延时时间，然后调用软件延时。

第6章C源程序设计

6.1音乐程序

通过音阶的改变来编写音乐程序，如以用歌曲《回忆的沙漏》为例，编写出的代码（见附录A）

6.2LED花样程序

LED彩灯一共有三种花样：

（1）第一种花样：

先从左到右灯亮、淬火，然后在从右到左灯亮、淬火。

如图：

图6-1LED花样一

程序如下：

ucharcodehuayang1[]=

{0x8d,0x7d,0x7d,0xad,0x9d,0x9d,0xab,0xae,0x9e,0x7e,0x5e,0x6d,0xad,0x77}；//花样一

（2）第二种花样：

从左右两边同时亮，淬火，聚向中心，再从中心散到两边亮，淬火。

如图：

图6-2LED花样二

程序如下：

ucharcodehuayang2[]=

{0x81,0x21,0x24,0x18,0x24,0x24,0x81,0x24,0x24,0x18,0x24,0x24,0x81};//花样二

（3）第三种灯亮花样方式：

当奇数灯被点亮时且保持亮不熄灭，到最后一个奇数灯亮后，这些奇数灯全灭。

再然后偶数灯亮也同样的保持亮，到最后一个偶数灯亮后，同奇数灯一样全灭，然后每隔2个LED灯一起亮，并有方向的依次灯亮，再同时灯灭，到最后所有的LED灯一起亮、一起灭。

这种方式的过程如下图：

图6-3LED花样三

程序如下：

ucharcodehuayang3[]=

{0x80,0xa0,0xa8,0xaa,0x40,0x50,0x54,0x55,0xc0,0x30,0x0b,0x03,0xff};//花样三

6.3数码管程序

数码管用来显示正在播放的歌曲序号，如播放第一首歌曲时数码管上有‘1’出现，播放第二首歌曲时数码管上有‘2’出现，同样的，播放第三首歌曲时数码管上有‘3’出现，如此类推。

但当不播放歌曲时数码管只出现‘0’。

如图所示：

图6-4数码管仿真运行图

程序如下：

ucharcodenum[6]={0xc0,0xf9,0xa3,0xa0,0x99,0x94};

switch（count2）

{case0:

P0=num[0];break;

case1:

P0=num[1];break;

case2:

P0=num[2];break;

case3:

P0=num[3];break;

case4:

P0=num[4];break;

case5:

P0=num[5];break;

}

第7章数字音乐盒总设计图与总程序

7.1仿真总图设计图

：

图7-1仿真总设计图

7.2音乐播放切歌部分程序

（见附录B）

第8章结论

本文中数字音乐盒是建立在At89C51单片机程序上设计的，利用一系列单片机智能化设计的多功能实体。

用Proteus软件对所有系统进行仿真制作，而音乐盒源程序的C语言编译部分则是利用Keil软件来实现的。

本系统设计的音乐盒能产生不同的频率波形，主要是通过单片机控制定时器，使喇叭发出不同的音阶音律。

喇叭发出的音调定时常数被转化为乐谱，从而使音乐设备能够演唱出非常动听的音乐节律。

此外，音乐盒不仅收录了几首歌曲，还设计了LED灯的变化规律。

音乐盒播放音乐的同时，彩灯会随着歌曲音调的变化产生不同花样的闪烁。

歌曲和彩灯花的序号不断跳动，数码管同时变化着数字。

在结束播放歌曲时，彩灯也会产生三种不同的闪烁，而且歌曲与花样之间可以转换。

参考文献

[1]王玉凤/刘湘黔/杨欣.51单片机应用从零开始.北京：

清华大学出版社，2008

[2]陈卫兵.单片机技术与应用基础.北京：

人民邮电出版社，2010

[3]张毅刚/彭喜元.单片机原理及接口技术.北京：

人民邮电出版社，2008

[4]杜树春.基于Proteus和KeilC51的单片机设计与仿真.北京：

电子工业出版社，2012

[5]郭