电子音乐盒地设计.docx
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电子音乐盒地设计
电气信息学院
微机与单片机综合课程设计报告
课题名称电子音乐盒的设计
专业班级13电气3班
学号
学生姓名
指导教师
评分
2015年12月14日至12月20日
课程设计的任务要求
一、课程设计选题：
从以下课题中任选一题进行，各课题具体要求详见“微机与单片机综合课程设计题目汇总”文档。
并在课程设计报告的正文中详细说明。
1.彩灯控制器的设计
2.电子时钟的设计
3.现代交通灯的设计
4.多路抢答器的设计
5.波形发生器的设计
6.点阵广告牌的设计
7.篮球记分器的设计
8.数字式温度计的设计
9.步进电机的控制
10.电子音乐盒的设计
11.电风扇模拟控制系统设计
12.洗衣机人机界面的设计
13.秒表系统的设计
14.多机串行通信的设计
15.电子密码锁的设计
16.4位数加法计算器的设计
17.数字频率计
18.数字电压表
二、选题说明：
一人一题，一个教学班级同一题不能被选超过两次。
鼓励同学们将各设计中的基本任务完成后，选做部分发挥项。
题中带*和#符号的任务，属于发挥部分。
三、设计时间及进度安排：
第16周，12.14～12.20
12.14题目分析，文献查阅
12.15设计方案
12.16~12.17元器件选型，硬件电路设计
12.18~12.19软件设计，系统调试
12.20课程设计说明书（报告）撰写
四、设计作品提交：
（1）课程设计说明书（纸质版，用于存档）；
（2）课程设计说明书（电子版），单片机源程序文件（电子版）；
（3）Proteus仿真程序或实物。
五、设计考核评定：
教师评分：
80%，答辩成绩：
20%
答辩记录
1、例举设计过程中遇到的主要问题及其解决方法。
（1）问题说明：
编写好程序之后用keil调试没有错误，但将源程序导入到protues中去并进行仿真时，音乐盒并不能放歌。
将问题一解决后再次进行调试时，音乐盒只能播放一首歌曲。
（2）解决方法：
针对问题一，首先检查硬件电路，发现单片机的RST接口始终都是高电平，于是修改复位电路，并联一个接地的电阻，终于使单片机在工作时RST接口为低电平。
更正之后还是不能放歌，于是检查软件程序。
发现主程序中令count2=0，而count2是跳出播放音乐子程序的，于是将count2=0改为count2=1,于是可以放第一首歌。
针对问题二，在播放音乐子程序中加入了if语句，当k1=0时，count2=1,播放第一首歌曲；当k2=0时，count2=2,播放第二首歌曲；当k3=0时，count2=3,播放第三首歌曲；当k4=0时，暂停歌曲。
2、教师现场提的问题记录在此（不少于2个问题）。
问：
蜂鸣器的发声原理？
答：
用单片机的定时器产生不同频率的方波，方波驱动定时器发声。
驱动方波频率越高，音调就越高；驱动方波频率越低，音调越低。
问：
单片机的时钟频率和机器周期各是多少？
答：
时钟频率为12MHZ，机器周期为1us。
问：
如何用proteus改变单片机的时钟周期？
答：
在proteus界面左边有个激励源模式，里面有各种激励源。
里面的DCLOCK就是可以产生时钟信号的（也就是方波），在属性里面设置不同的频率就可以得到不同的时钟信号。
课程设计量化评分标准
指标
分值
评分要点
得分
方案设计
20
方案选择合理，分析、设计正确，原理清楚，电路、程序流程图清晰，结构合理，程序简洁、正确。
设计报告
20
报告结构严谨，逻辑严密，论述层次清晰，语言流畅，表达准确，重点突出，报告完全符合规范化要求，用计算机打印成文。
调试与结果
20
过程清晰，调试方案设计合理，测试点选择适当，程序编写正确，调试步骤清楚。
电路及程序运行结果正确，达到预期效果。
工作态度
20
工作量饱满程度，题目难度；工作态度，按时完成设计任务，是否独立完成等。
答辩成绩
20
思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理，结论严谨；回答问题有理论根据，基本概念清楚。
总评成绩
指导老师评语：
指导教师签字：
2015年 月 日
摘要
本次课程设计是设计一个基于51单片机的音乐盒，该音乐盒主要由按键电路、复位电路、时钟电路以及蜂鸣器组成。
本音乐盒共有三首歌曲，用4个按键控制。
其中K1,k2,k3用于选择歌曲。
按下按键k1时,播放第一首歌曲；按下按键k2时，播放第二首歌曲；按下按键k3时，播放第三首歌曲。
k4用于暂停歌曲，暂停后重新选歌即可再播放。
播放歌曲时，定时器产生不同频率的方波，使蜂鸣器发出不同音调的声音，并通过延时控制音乐的节拍。
本设计利用KEIL编程软件对音乐盒源程序进行编程和调试，配合PROTEUS仿真软件对硬件进行仿真调试，节约了设计时间。
关键字：
51单片机；按键；蜂鸣器；音调；节拍
I
Abstract
ThiscurriculumdesignistodesignamusicboxbasedonAT89C51singlechip.Thismusicboxismainlyconsistofkeycircuit,resetcircuit,clockcircuitandbuzzer.Therearethreesongsinthemusicbox.Theyarecontroledbyfourkeys.k1,k2andk3areusedtochoosesongs.Whenwepushk1,themusicboxisplayingthefirstsong.Whenwepushk2,itisplayingthesecondsong.Whenwepushk3,itisplayingthethirdsong.k4isusedtopausethesongs.Onlyifwepushotherkeystochoosemusic,canthemisicboxplayagain.Thetimerproducessquarewavesofdifferentfrequencywhichletthebuzzermakesoundofdifferenttones.Anditcontrolsthemusicbeatbydelayfunction.Keilisusedtoprogrammeanddebugthesourceprogram.Protuescandebugandemulatethehardware.Bothsoftwarescanhelpustosavetime.
Keywords:
AT89C51;key;buzzer;tone;beat
II
III
1设计任务
1.1基本任务
（1）查阅资料，了解单片机控制单音喇叭发声原理。
（2）设计基于单片机的电子音乐盒。
（3）通过按钮可选择不同的音乐。
1.2设计目的
（1）通过设计，查阅相关资料，掌握如何利用单片机设计产品，同时了解单片机有关的软件模拟器的使用。
（2）通过本课程设计巩固并扩展单片机课程的基本概念、基本理论、分析方法和实现方法。
结合protues和keil软件等，学习单片机产品的设计方法，有效地将理论和实际紧密结合，培养创新思维和设计能力，增强软件编程实现能力和解决实际问题的能力。
（3）学习protues软件，掌握protues中各种芯片的功能以及灵活性，提供了实验室在数量、质量上难以比拟的虚拟仪器、仪表，因而也提供了培养实践精神，创造精神的平台。
1.3设计要求
（1）利用I/O口产生一定频率的方波，驱动蜂鸣器，发出不同的音调，从而演奏乐曲（共有3首歌曲）。
（2）可通过功能键进行选择歌曲和暂停操作。
2设计方案
2.1任务分析
本设计是以AT89C51芯片的电路为基础，外部加上放音设备，从而来实现音乐演奏控制器的硬件电路，通过软件程序来控制单片机内部的定时器使其演奏出优美的音乐。
该软，硬件系统具有很好的通用性，很高的实际使用价值。
2.2方案设计
1.硬件方案
根据设计的要求可知，系统的硬件原理框图如图2.1所示。
图2.1系统的硬件原理框图
以AT89C51为核心，通过单片机的定时器产生一定长度的方波，方波脉冲驱动蜂鸣器发声。
要产生音频脉冲，只需算出某一音频的周期（1/音频），然后取半周期的时间定时。
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的I/O反相，然后重复计时此半周期时间再对I/O口反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。
当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器发声，放出歌曲。
2.软件方案
（1）主程序流程图
主程序流程如下：
首先对系统进行初始化，单片机扫描键盘得到键值，若得到的键值为1，即count2=1时，蜂鸣器播放第一首歌曲；若得到的键值为2，即count2=2时，蜂鸣器播放第二首歌曲；若得到的键值为3，即count2=3时，蜂鸣器播放第三首歌曲。
在播放歌曲的过程中继续扫描键盘，若按下暂停键，则count2=0,蜂鸣器停止播放歌曲。
图2.2主程序流程图
（2）音乐播放程序流程图
音乐播放流程如下：
选定了歌曲后，蜂鸣器便要播放音乐了，首先创建频率表，计算歌曲长度，读音符，求出发音长度，定时器控制蜂鸣器发声，在发声的过程中判断音符是否读完或暂停键是否按下。
若没有读完或者暂停键没有按下，继续读音符；若音符读完或者暂停键按下，蜂鸣器停止发声。
图2.3音乐播放程序流程图
3系统硬件设计
3.1整体电路设计
图3.1电子音乐盒整体电路
AT89C51为核心，通过单片机的定时器产生一定长度的方波，方波脉冲驱动蜂鸣器发声。
要产生音频脉冲，只需算出某一音频的周期（1/音频），然后取半周期时间定时。
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的I/O反相，然后重复计时此半周期时间，再对I/O口反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。
当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器发声，放出歌曲。
3.2时钟电路设计
图3.2单片机时钟电路
单片机需要一个时间基准来为各种操作提供秩序，此电路叫时钟电路，采用不同的接线方式可以获得不同时钟电路，有内部时钟电路和外部时钟电路。
如上图所示，外部时钟电路会使电路复杂，故采用的是内部时钟电路。
时钟电路在单片机的外部通过XTAL1,XTAL2
这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容,构成稳定的自激振荡器。
本系统采用的为12MHz的
晶振,一个机器周期为1us,C1,C2为30uF。
3.3复位电路设计
图3.3单片机复位电路
复位电路的基本功能是：
系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。
为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。
复位电路分为上电自动复位和按键手动复位,如图所示。
RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效.这次采用的是手动复位，复位通过电容C3和电阻R1来实现,按键手动复位是图中复位键来实现的。
3.4键盘电路设计
图3.4单片机键盘电路
键盘是由一组按压式或触摸式开关构成的阵列，是一种常用的输入设备。
键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘两种。
编码键盘通过硬件电路产生被按按键的键码，这种键盘所需程序简单，但硬件电路复杂、价格昂贵通常不被单片机系统采用。
非编码键盘常用一些按键排列成行列矩阵，其硬件逻辑与按键编码不存在严格的对应关系，而要由所用的程序来决定。
非编码键盘的硬件接口简单，但是要占用较多的CPU时间，通常采用可编程键盘管理芯片来克服这个缺点。
本设计使用两种按键，一种是按键式非编码键盘和轻触式非编码开关。
3.5蜂鸣器电路设计
图3.5蜂鸣器电路
一般所指的蜂鸣器是以压电陶瓷为主要元件的。
压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能力的特殊陶瓷。
这种能力缘于其特殊的晶体结构。
当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体结构发生形变时，它就会在内部产生一个电流，并且电流的变化与压力的变化密切相关。
反之亦然。
所以利用这一特性，在压电陶瓷上通过一定频率的电流，就会引起压电陶瓷微小形变，这一形变带动空气发生振动，如果频率适当，就可以被人耳所听见，也就是产生了蜂鸣声。
4系统软件设计
4.1音调，节拍以及编码的确定
1.音调的确定
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的频率，这样就可以利用不同的频率组合，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，我们可以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。
2.节拍的确定
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。
如果1拍为0.4秒，1/4拍就是0.1秒，只要设定延迟时间就可得到节拍时间。
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。
3.编码的确定
Do,re,mi,fa,so,la,xi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0xff作为曲谱的结束标志。
4.2主要部分软件程序分析
1.延时165ms，即十六分音符子函数
void delay1（uint z）
{
//延时165ms，十六分音符子函数，即十六分之一拍。
uint x,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=19000;y>0;y--）;
}
2.延时1ms子函数
void delay2（uint z）
{
uint x,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
3.定时器0中断子函数
void t0（） interrupt 1
{
TH0=a;
TL0=b;
BEEP=~BEEP;
}
4.播放音乐子函数
void song（）
{
uint temp;
uchar aa;//aa是简谱
c=0;
while
（1）
{
//若按下k1,k1=0,扫描键盘后得到键值count2=1,则放第一首歌曲；若按下k2,k2=0,扫描键盘后得到键值count2=2,则放第二首歌曲；若按下k3,k3=0,扫描键盘后得到键值count2=3,则放第三首歌曲。
if（k1==0）
{count2=1;}
if（k2==0）
{count2=2;}
if（k3==0）
{count2=3;}
if（count2==0）
{ break; }
if（count2==1）//选曲
temp=table1[c];
if（count2==2）
temp=table2[c];
if（count2==3）
temp=table3[c];
if（count2==4）
temp=table4[c];
if（temp==0xff）
break;
aa=temp/16; //取数的高4位
if（aa!
=0）
{
a=cuzhi[aa*2];
b=cuzhi[aa*2+1];
}
else
{
TR1=0;
BEEP=1;//关蜂鸣器
}
delay1（temp%16）; //取数的低4位
TR1=0; //唱完一个音停10ms
BEEP=1;
delay2（10）;
TR1=1;
c++;
}
TR1=0;
BEEP=1;
}
5.主函数
void main（）
{
TMOD=0x10;
TH1=0;
TL1=0;
ET1=1;
EA=1;//开总中断
EX1=1;//开外部中断
IT1=1;//下降沿时触发中断
EX0=1;//开外部中断0
IT0=1;//下降沿时触发中断
while
（1）//大循环
{
song（）;
}
}
5仿真与性能分析
5.1系统仿真过程
将用keil编写的源程序导入到protues中，当上电仿真时，单片机，蜂鸣器通电，待按下功能键选择歌曲后，蜂鸣器便可发声。
图5.1电子音乐盒仿真图
5.2仿真结果与分析
结果：
上电后，当按下k1键时，count2=1,蜂鸣器演奏第一首歌曲；当按下k2键时，count2=2，蜂鸣器演奏第二首歌曲；当按下k3键时，count2=3,蜂鸣器演奏第三首歌曲。
在演唱过程中，按下k4键时，音乐暂停，再次重新选择歌曲即可播放。
分析：
当按下k1键，产生外部中断，扫描键盘，得到键值count2=1,所以蜂鸣器演奏第一首乐曲，演奏其他乐曲时道理相同。
演奏乐曲时，单片机读音符，高四位用于产生不同频率的方波，不同频率的方波通过蜂鸣器发出不同的音调；低四位用于控制发音长度，定时器通过低四位计算出延时时间，即可控制发音长度。
6心得体会
这次单片机课程设计历时两个星期的时间，在这两个星期里我们体验了从设计、画板、编程、仿真到调试的整个过程，让我们体验了一次工程师的感觉。
首先我先到图书馆和网上查阅了大量有关蜂蜜器发声原理的资料，然后开始设计自己的方案，为了设计任务要求和抱着巩固知识的想法，我选择已经学习过的AT89C51单片机。
整天抱着电脑查资料、看资料是一件很痛苦的事情，一天下来眼都花了，但每学会一点新知识还是挺高兴的，有的时候知识遗忘了或者有很难理解的地方，就会向同学求助，他们都会毫无保留的帮助我。
设计完电路以后我便开始编写源程序，起初觉得无从下手，于是开始在网上搜集各种资料，研究和比较了各种源程序，选择了一种比较完整和易懂的源程序作为模板进行研究和校正。
几天的反复研究，终于弄懂了程序的各个模块，对照自己的设计任务对程序进行修改，终于没有了错误。
然后进行仿真调试，刚开始仿真时，蜂鸣器通电了但并不能发声，对按键进行任何操作都没有作用。
仔细对比和研究，在硬件电路和软件程序中均找到了不恰当的地方，又经过反复修改，最终蜂鸣器终于可以发声了。
但是仅仅只是k1键有效，其它按键无效。
猜想肯定是音乐播放程序有问题，仔细研究，才发现程序中没有涉及功能键的选择，于是自己编写了if程序，若有按下对应按键，则改变count2的值，进而选择不同歌曲。
最后，终于成功了！
这两周的时间说轻松也不轻松，说紧张却稍带着愉快的气氛，整个过程应该是充实的，时而惊喜，时而烦闷特别是最后调试阶段有一块调通让我高兴不已，当卡在某处时也确实是让人抓狂。
总之通过这次课设，我们不但复习了过去所学，并且学到了一些新东西。
更重要的是通过这一次切身实践，才使我们真正将理论与实际结合起来，并且遇到了很多实实在在的需要我们亲自解决的问题。
通过解决这些问题，我们处理实际问题的能力有了很大提高，积累了我们的实践经验，以便为以后打下牢固的基础。
而这些才是我们作为一名工科学生最宝贵的财富。
参考文献
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电子工业出版社,2009.
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华中科技大学出版社，2010.6.
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电子工业出版社，2008.
[4]李群芳单片机原理接口与应用[J].北京：
清华大学出版社，2005.
[5]高峰单片机微机应用系统设计及使用技术[M].北京：
机械工业出版社，1999.
[6]彭伟单片机C语言程序设计实例基于protues仿真[M].北京：
电子工业出版社，2007.
[7]张迎新单片机微型计算机原理、应用及接口技术[M].北京：
国防工业出版社，1999.
附录1系统原理图
附录2程序清单
#include
typedefunsignedcharuchar;
typedefunsignedintuint;
sbitRS=P2^0;
sbitRW=P2^1;
sbitE=P2^2;
sbitBEEP=P2^7;
sbitk1=P1^0;
sbitk2=P1^1;
sbitk3=P1^2;
sbitk4=P1^3;
charcount2;
uchara,b,c,aa,num;
ucharnum1,num2;
ucharcodetable1[]={
0x12,0x22,0x34,0x84,0x74,0x54,0x38,0x42,0x32,0x22,0x42,0x34,0x84,0x72,0x82,0x94,0xA8,0x08,
0x32,0x31,0x21,0x32,0x52,0x32,0x31,0x21,0x32,0x62,
0x32,0x31,0x21,0x32,0x82,0x71,0x81,0x71,0x51,0x32,0x22,
0x32,0x31,0x21,0x32,0x82,0x71,0x81,0x71,0x51,0x32,0x22,
0x32,0x31,0x21,0x32,0x52,0x32,0x31,0x21,0x32,0x62,
0x32,0x31,0x21,0x32,0x83,0x82,0x71,0x72,0x02,
0x63,0xA1,0xA2,0x62,0x92,0x82,0x52,
0x31,0x51,0x63,0x51,0x63,0x51,0x63,0x51,0x62,0x82,0x7C,0x02,
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA2,0x71,0x76,
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x52,0x31,0x36,
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA3,0x73,0x62,0x53,
0x42,0x63,0x83,0x83,0x91,0x91,
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x0A2,0x71,0x76,
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x52,0x31,0x36,
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA3,0x73,0x62,0x53,
0x42,0
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