基于STC12C5A60S2 单片机MP3播放器的设计与实现.docx
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基于STC12C5A60S2单片机MP3播放器的设计与实现
本科毕业设计（论文）
基于STC12C5A60S2单片机MP3播放器的设计与实现
燕山大学
年月
大学毕业设计（论文）任务书
学院：
系级教学单位：
学
号
学生
姓名
专业
班级
题
目
题目名称
题目性质
1.理工类：
工程设计（）；工程技术实验研究型（）；
理论研究型（）；计算机软件型（）；综合型（）
2.文管理类（）；3.外语类（）；4.艺术类（）
题目类型
1.毕业设计（）2.论文（）
题目来源
科研课题（）生产实际（）自选题目（）
主
要
内
容
基
本
要
求
参
考
资
料
周次
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应
完
成
的
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容
指导教师：
职称：
年月日
系级教学单位审批：
年月日
注：
表题黑体小三号字，内容五号字，行距18磅。
（此行文字阅后删除）
摘要
随着高端电子产品的快速发展，具有音频播放功能的电子产品在各种场合的需求也日益增多，MP3播放器是电子产品发展中的一款重要产品，本文对基于STC12C5A60S2单片机MP3播放器的设计与实现进行了详细的研究。
首先本次设计处理器采用STC12C5A60S2作为控制MCU，采用基于SPI协议的音频解码芯片VS1003实现音频解码功能，数据存储介质采用SD卡来实现音频播放功能，在软件设计上使用FAT32文件系统对文件进行管理。
本设计的音频播放过程是STC12C5A60S2单片机通过SPI接口从SD卡中读出将要播放的音频数据，再通过SPI接口将音频数据传送至音频解码芯片VS1003进行解码播放，从而实现MP3播放功能。
关键词：
MP3播放器音频解码STC12C5A60S2单片机
Abstract
Withtherapiddevelopmentofhigh-endelectronicproducts,electronicproductswithaudioplaybackonvariousoccasionsneedsarealsoincreasing,MP3players,electronicproductdevelopmentisanimportantproduct,thepaperSTC12C5A60S2microcontrollerbasedMP3playerdesignandimplementationofadetailedstudy.
First,thisdesignasacontrolprocessorSTC12C5A60S2MCU,basedaudiodecoderchipVS1003SPIprotocolforaudiodecoding,datastoragemediausingtheSDcardforaudioplayback,usetheFAT32filesystemforfilemanagementsoftwaredesign.ThedesignprocessisSTC12C5A60S2audioplaybackthroughtheSPIinterfacemicrocontrollerreadstheaudiodatatobeplayedbackfromtheSDcard,andthenthroughtheSPIinterfacetotransferaudiodatatotheaudiodecoderchipVS1003decodeplayback,enablingMP3playback.
Keywords MP3player;audiodecoding;STC12C5A60S2SCM
第1章绪论
MP3播放器以其小巧的体积，强大的功能，优质的音质而备受人们的青睐。
如果把他嵌入到单片机系统中，实现音频输出，那么对系统的增色将是不言而喻的，如果用单片机来单独解码3文件是不可能的，所以我们要利用专门的解码芯片来进行，用单片机对芯片进行控制，本文将从软件和硬件方面详细介绍基于VS1003解码芯片的MP3音播放过程。
1.1课题研究的背景及意义
MP3是一种音频压缩技术，其全称是动态影像专家压缩标准音频层面3（MovingPictureExpertsGroupAudioLayerⅢ），简称MP3。
它的设计是为了能够大幅降低音频数据量。
利用这种压缩技术将音乐压缩成容量较小的文件，对于大多数用户来说压缩后的音质与压缩前的音质没有明显的下降。
这种压缩标准是由德国的一个研究组织发明出来的，将用MP3形式存放的音乐叫做MP3音乐，能播放MP3格式的音频播放器称作MP3播放器。
MP3是利用了人耳对于高频信号不敏感的特性，将是时域信号转换成频域信号，将频域信号划分成若干个频段，对于不同的频段，采用不同的压缩率，高频段采用较高的压缩率，低频段采用较低的压缩率，采用这种方法，抛弃了人耳不敏感的高频信号，保留低频信号，在基本不改变音质的基础上，降低了文件容量。
MP3分为耳机MP3和外放MP3，一般来说耳机MP3具有更好的音质，但是对人耳有伤害，新型MP3采用外方形式，对人耳没有伤害，更受到消费者的青睐。
便携式音乐播放器的历史从1979年Sony的WalkmanTPS-12随身听的问世开始的。
这台磁带机音乐系统开启了个人娱乐市场的大门，在此之前人们只能在家里用录音机欣赏音乐。
至今，便携式音乐播放器产品已经经历了磁带机、CD机、MD播放器、MP3播放器四个阶段。
1980年，索尼公司和飞利浦公司联合制定了数字音频光盘格式的标准，光盘直径12cm，采样频率44.1khz，比特率1411.2kbps，16为音频数据，CD的音质几乎达到了无损的标准。
索尼公司在1982年推出的D-50是真正意义上的CD随身听，CD随身听的序幕由此拉开，在1990年达到了鼎盛。
时至今日，不管音乐播放器如何发展，CD播放器的完美音质永远不会淘汰，即使它在体积上存在着缺陷。
1989年，德国人Brandenburg的博士论文，为MP3这一数字音频压缩技术提供了理论依据。
1995年诞生的MP3标准具有较高的压缩比以及较小的音质损失，具有划时代的意义。
随着这种音频压缩技术的诞生和流行，MP3随身听得到了开发和利用。
在MP3标准诞生不久，在20世纪90年代中后期，MP3播放器便正式登场。
从1995年上半年开始到整个90年代后期，MP3开始在因特网上蓬勃发展。
MP3的流行主要得益于如Nullsoft于1997年发布的Winamp和Napster于1999年发布的Napster这样的公司和软件包的成功，他们之间相互促进发展。
1998年韩国世韩公司推出了世界上第一台MP3播放器—MPManF10。
MPMan取意于MP3与WALKMAN的结合。
MPManF10的体积为70*90*16.5mm，体重为65克，可谓非常轻巧。
在世韩的这款MP3给人们带来惊喜之后，美国的帝盟公司于1998年底推出了RioPMP300，这款MP3给全世界留下了深刻的印象。
它的最大优点是可在互联网上免费的MP3。
MP3文化的标志—Appleipod。
诞生于2001年10月，他并不出色：
价格高、音质一般、使用时间短以及缺乏对windows的支持等等，然而它是第一个把互联网音乐与MP3随身听捆绑销售的产品。
直到2004年，MP3行业迎来了他不平凡的一年，随着随身听的发展，人们已经被MP3小巧的外形以及高品质的音乐所征服，无论是本身的品质还是市场的销售情况来看，MP3已经成为随身听市场的霸主。
1.2国内外研究现状
MP3是采用国际标准MPEG中的第三层音频压缩模式，对声音信号进行压缩的一种格式。
MPEG声音压缩算法是一种通用的声音编码技术，它对音源的性质没有作任何假设，而是利用人耳的听觉特性对声音进行压缩。
MPEG音频层根据压缩质量和编码复杂程度划分为三层，即Layer-1、Layer2、Layer3，且分别对应MP1、MP2、MP3这三种声音文件，并根据不同的用途，使用不同层次的编码。
MPEG音频编码的层次越高，编码器越复杂，压缩率也越高，MP1和MP2的压缩率分别为4：
1和6：
1-8：
1，而MP3的压缩率则高达10：
1-12：
1。
也就是说，一分钟CD音质的音乐，未经压缩需要10MB的存储空间，而经过MP3压缩编码后只有1MB左右。
2005年MP3将逐渐淡化音乐播放器的角色，而向媒体播放器转变。
浏览图片、播放音乐、欣赏影片、享受游戏，媒体播放器几乎能做到我们所需要的所有娱乐活动，现在甚至还能作CF、SD读卡器，当作一款数码伴侣亦无不可，海量的存储空间和高速USB2.0传输接口让一切变得轻而易举。
3）作为移动硬盘也是它们的本分之一，甚至还能接驳其他USB设备。
而一直困扰媒体播放器发展的价格和电池续航因素也将年有大的突破。
从1998年，韩国世韩公司推出了世界上第一台MP3播放器到现在，MP3播放器逐步成为电子市场上的热销产品，受到广大音乐爱好者的欢迎。
随着社会经济的发展，在信息家电和行业应用手持信息设备等信息终端类产品中，具备MP3功能已成为此类产品的发展趋势之一。
如我们常见的智能手机、电子词典、一般都具有MP3的功能实现。
从第一款MP3的诞生，到现在六年多的积累，MP3随身听市场总量迅速扩大，成为电子信息行业新的增长点。
MP3随身听正以无可比拟的优势，逐渐成为传统磁带随身听、CD随身听之后市场上新的竞争者。
种种迹象表明，中国MP3市场正迎来了自己的黄金季节。
根据国内权威调查机构CCID统计显示，继2002年高达135.7%的增长之后，2003年，国内MP3市场再度井喷，售量为177.3万台，增长高达235.8％。
目前，MP3正以每年100-200%的速度不断蚕食这个巨大的市场，据统计2008年MP3市场总量将达到1800万台。
我们可以很清楚的看到MP3行业的前景！
从MP3发展的现状与前景来说，MP3随身听产业进入门槛虽然低，但技术含量却不低。
如今，网络视频资源已经十分丰富，这其中，real公司推出的Rm和Rmvb格式几乎占据网络视频格式的80%以上份额，市场和用户群相当庞大，促使这些免费资源能被人们随身使用是播放器厂商一直以来追求的目标。
在此情况下，支持Rm/Rmvb格式的视频播放器应运而生，2007年是其大发展的一年，Real播放器时代已经来临。
2008年，提供对RM/RMVB全规格文件支持的MP3产品已经成为了MP3市场新的争夺点。
1.3发展趋势及存在的问题
展望2010以后的MP3发展方向，可以从三个角度来看：
1、从企业的角度上来讲，好的企业在产品方面和其它行业一样，都注重如下三个方面：
重视产品款式，在新产品开发方面投入大。
对MP3随身听来说，一款优秀的款式有时候能让一个品牌知名度迅速提升。
这就是品牌传播的口碑效应。
重视产品质量：
由于目前MP3随身听技术含量相对较高，国内以OEM方式生产的产品相对故障率也较高，调查表明国产MP3随身听的平均返修率在10%-15%。
有的甚至达到40%。
重视服务：
随身听的时尚属性，必须有强大的互动服务系统，比如说，MP3音乐的来源，MP3格式英语学习资料的来源，MP3随身听的升级、屏幕保护画面的下载等。
除此之外，另一个不得不重视的问题是维修服务。
2、从消费者的角度来说，消费者选择MP3是因为它轻巧、时尚、音乐格式存、下载方便，以及无穷的衍生功能，如FM收音机、转录、录音等。
3、从市场导向宏观来看，1）价格将趋于稳定，1G甚至更高容量的MP3将成为主流。
2005年MP3厂商在沉寂一段时间后，将再度发力。
并且由于长时间的积累，MP3产品有望实现跨越式发展。
尤其是大容量硬盘型MP3有可能迅速取代大容量闪存型MP3成为主流的高端产品;2）MP3向多功能化发展。
到目前为止MP3已经发展到相当成熟的地步，但是随着人不断增长的物质文化需求，MP3还是有需要改进的地方，例如，容量小，价格较高。
尽管闪存已经经历了几次大的降价，有素质保证的闪存MP3的售价还是过高；此外，换歌麻烦，虽然现在的MP3都支持线录了，但毕竟自己找CD来录制的机会很少。
绝大多数时候用户还是得老老实实与PC联机来换歌。
有的MP3直接有内置的USB口用起来还方便一点，没有直接USB口的可就麻烦了。
有时想换几首歌听听，一想到与电脑联机的麻烦连听歌的冲动都没了。
现在的新型MP3已经实现了USB2.0，理论上传输速度要比USB1.1快几十倍，可毕竟还是得开电脑才能换歌
1.4本文研究的内容及主要结构
本次设计的目标是基于STC12C5A60S2单片机MP3播放器的设计与实现。
要完成本次毕业设计，首先要掌握STC12C5A60S2单片机的特点及功能，以便熟练运用该型号单片机，在此基础上我还需要了解液晶显示模块的工作原理，此外还要系统的了解MP3的工作原理，掌握keilC51编程语言及uVision2集成开发环境，并能够熟练编写程序。
硬件电路实现的功能：
可单曲循环播放，所有曲目顺序播放，可任意指定某个曲目播放，可拖动曲目播放进度。
在液晶屏显示曲目名称及编号，显示歌曲动态均衡效果，显示歌曲播放进度。
可对曲目重新排序，可调节音量。
在MP3播放器的设计过程中最主要的是存储芯片和解码芯片，本次设计所采用的存储芯片是SD卡，采用的解码芯片是VS1003解码芯片。
全文共分为五章，具体的内容安排如下：
第1章主要介绍了MP3的背景、研究现状、发展趋势及存在的问题，以及本课题的意义。
第2章主要介绍了基于STC12C5A60S2单片机MP3播放器的基本工作原理及原理框图，又分别介绍了MP3播放器所需要芯片。
第3章主要介绍了硬件电路设计，并分别对MP3的各模块进行了介绍，包括VS1003音频解码模块，存储模块、显示模块。
第4章主要介绍了系统软件设计
第二章系统方案设计
2.1MP3原理概述及框图
本系统采用的控制核心是STC公司生产的STC12C5A60S2单片机，通过所编程序读取SD卡中存储的数据到单片机，然后单片机再将数据传送到VS1003解码芯片进行解码，通过数模转换器将解码出来的数字信号转换成模拟信号，将模拟信号进行音频放大，再经过低通滤波到耳机输出口，我们就可以听到音乐了。
图1-1所示为MP3播放器系统原理框图。
本系统可分为存储模块，STC12C5A60S2单片机控制模块，和VS1003解码模块，本系统词用的单片机是STC12C5A60S2，该列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速低功耗超强抗干扰的新一代8051型单片机。
通常使用STC-ISP软件，该单片机可实现串口在线编程，无需编程器，无需仿真器。
2.2MP3播放器设计所需的主要芯片
2.2.1STC12C5A60S2单片机简介
STC12C5A60S2单片机指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍；内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM、8路高速10位A/D转换（250K/S）。
STC12C5A60S2系列单片机的主要特点如下：
1.增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051
2.工作电压：
STC12C5A60S2系列工作电压：
5.5V-3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：
3.6V-2.2V（3V单片机）
3.工作频率范围：
0-35MHz，相当于普通8051的0～420MHz
4.用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节......
5.片上集成1280字节RAM
6.通用I/O口（36/40/44个），复位后为：
准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：
准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA
7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
8.有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）9.看门狗10.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）
11.外部掉电检测电路:
在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%
12.时钟源：
外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内）1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟；常温下内部R/C振荡器频率为：
5.0V单片机为：
11MHz～15.5MHz3.3V单片机为：
8MHz～12MHz；精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准
13.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器
14.2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟
15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3（也可通过寄存器设置到P4.2）,CCP1/P1.4（也可通过寄存器设置到P4.3）
16.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）---也可用来当2路D/A使用---也可用来再实现2个定时器---也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）
17.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟25万次）18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口
19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）
20.工作温度范围：
-40-+85℃（工业级）/0-75℃（商业级）21.封装：
PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。
2.2.2VS1003解码芯片简介
VS1003是由荷兰VLSI公司出品的一款单芯片MP3/WMA/MIDI音频解码和ADPCM解码芯片，其拥有一个高性能低功耗的DSP处理器核VS-DSP，5k的指令RAM，0.5k的数据RAM，串行的控制和数据输入接口，4个通用I/O口，一个UART口，同时片内还带有一个可变采样率的ADC、一个立体声DAC以及音频耳机放大器。
VS1003通过一个串行接口来接=接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机。
输入的比特流被解码，然后通过一个数字控制器到达一个18位过采样多位DAC。
通过串行总线控制解码器。
除了基本的解码，在用户RAM中他还可以做其他特殊应用，例如DSP音效处理，该芯片的主要特点如下:
解码MP3（MPEG1&2音频层III）（CBR+VBR+ABR），WMA4.0/4.1/7/8/9的所有配置文件（5-384kbit/s的），WAV（PCM+IMAADPCM）;MIDI/SP-MIDI文件
对话筒输入或线路输入的音频信号进行IMAADPCM编码
从麦克风或线路输入编码IMAADPCM
流媒体支持
低音和高音控制
使用一个12-13MHz的时钟
内部PLL时钟倍频器
低功耗运行
内含高性能片上立体声数模转换器，两声道间无相位差
高品质的片上立体声DAC，没有通道之间的相位误差
立体声耳机驱动器能够驱动30欧姆负载
独立的工作电压为模拟，数字和I/O
5.5KiB加入用户代码/数据的片上RAM
串行控制和数据接口
可以用来作为一个从属协处理器
针对特殊应用的SPI闪存启动
特殊应用的SPIFlash引导
UART用于调试目的
新的功能可被添加与软件和4的GPIO引脚
2.2.3SD卡存储芯片简介
SD卡是一种大容量、性价比高、体积小、访问接口简单的存储卡。
SD卡大量应用于数码相机、MP3、手机、大容量存储设备，作为这些便携式存储设备的存储载体，他还具有低功耗、非易失性、保存数据无需消耗能量等特点。
SD卡接口向下兼容MMC卡，访问SD卡的SPI协议及部分命令也适用于MMC卡。
SD存储卡（SecureDigitalMemoryCard）中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备。
SD存储卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。
大小犹如一张有票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。
SD存储卡在24mm*32mm*2.1mm的体积内结合了（SanDisk）快速记忆卡控制与MLC（MultilevelCell）技术和Toshiba（东芝）0.16u及0.13u的NAND技术，痛过9针的接口界面与专门的驱动器相连接，不需要额外的电源来保持其记忆的信息。
而且它是一体化国体介质，没有任何移动部分，所以不用担心机械运动的损坏。
SD存储卡（SecureDigitalMemoryCard）是一种基于半导体闪存工艺的存储卡，1999年，由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制完成。
2000年，这几家公司发起成立了SD协会（SecureDigitalAssociation简称SDA），阵容强大，吸引了大量厂商参加。
其中包括IBM、Microsoft、Motorola、NEC、Samsung等。
在这些领导厂商的推动下，SD存储卡已成为目前电子数码产品中应用最广泛的存储卡。
SD存储卡多用于MP3随身听、数码摄像机、数码相机等，也有用于笔记本电脑上。
其投影面积与MMC卡相同，只是略微厚一点，为2.1mm。
但是SD卡的存储容量要大的多，且读写速度比MMC卡快4倍。
目前SD卡在数码相机中的应用正在快速发展并且SD卡在容量、性价比等方面与CF卡的差距越来越小，大有成为主流之势。
SD卡的迅速成长绝非是偶然的。
最重要的一点就是MMC卡与SD卡相兼容，这也正是SD存储卡迅速发展的原因之一。
现在的SD卡容量从8MB到128GB不等。
2.2.4LCD1602显示屏简介
在日常生活中，液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已经作为很多电
子产品的通用器件，在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都
可以看到。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有：
发光管、LED
数
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