基于单片机STC89C52的数字音乐盒设计.docx
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基于单片机STC89C52的数字音乐盒设计
目录
1引言3
2设计目的与要求3
2.1设计的目的3
2.2设计的基本要求3
3总体设计3
3.1基本工作原理3
3.1.1播放音乐的原理3
3.1.2音符频率的产生3
3.1.3节拍频率的产生5
3.2硬件总体设计6
3.3软件总体设计6
4硬件设计7
4.1单片机芯片的引脚及部分功能7
4.2各个模块的硬件电路设计8
4.2.1时钟复位电路8
4.2.2按键输入电路8
4.2.3显示电路9
4.2.4音频输出电路9
4.2.5彩灯控制电路9
5软件设计10
6仿真、调试电路11
存在问题和解决方法11
总结与体会11
致谢11
参考文献11
实物图：
12
附录：
12
1引言
乐曲演奏广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话、及智能仪器仪表设备。
实现方法有许多种，在众多的实现方法中，以纯硬件完成乐曲演奏，随着FPGA集成度的提高，价格下降，EDA设计工具更新换代，功能日益普及与流行，使这种方案的应用越来越多。
2设计目的与要求
2.1设计的目的
通过课程设计，让自己熟悉单片机微机应用系统开发、研制的过程，软硬件设计的工作方法、工作内容、工.作步骤。
对自己进行基本技能训练，例如：
组成系统、编程、调试、查阅资料、焊接电路板等。
使理论联系实际，提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。
2.2设计的基本要求
（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，从而演奏不同的乐曲（至少3首歌曲）；
（2）采用七段数码管显示当前播放的歌曲序号；
（3）可通过功能键选择乐曲，暂停，播放，上一首，下一首；
扩展功能：
利用一个循环跟每一个音调同步，每改变一个音调就变换一下彩灯，从而实现音乐控制彩灯的功能。
3总体设计
3.1基本工作原理
3.1.1播放音乐的原理
发音原理：
播放一段音乐需要的是两个元素，一个是音调，另一个是音符。
首先要了解对应的音调，音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。
对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升。
另外，音符的频率有所不同。
基于上面的内容，这样就对发音的原理有了一些初步的了解。
音符的发音主要靠不同的音频脉冲。
利用单片机的内部定时器/计数器0，使其工作在模式1，定时中断，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反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。
3.1.2音符频率的产生
音符及定时器的初值：
例如：
中音1（DO）的音频=523HZ,周期T=1/523s=1912
定时器/计数器0的定时时间为：
T/2=1912/2
=956
定时器956
的计数值=定时时间/机器周期=956
/1
=956（时钟频率=12MHZ）
计算得到定时器0的初值为65536-956=64580，将初值装入T0的寄存器里，启动T0后，每计数956次后就溢出中断，进入中断服务程序后，只要将I/O口的输出值取反，就可以得到中音1（DO）的音符音频。
只要改变计数初值，就能得到不同频率的音符。
表3.1是C调各音符频率与计数初值的对照表：
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
表3.1
音符、音符编码及定时器初始值：
为了产生音符必须求出低音到高音的计数初值，而为了便于写谱，必须进行简单的编码，在编程时，根据音符编码查找对应的计数初值，比如说音乐是C调的，低音5（SO）直接写为编码1，低音6（LA）直接写为编码2。
表3.2是音符编码表
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
表3.2
3.1.3节拍频率的产生
音乐中的节拍是利用延时产生的。
例如：
1拍=0.4s，1/4拍=0.1s。
如此类推，可得到其他节拍的时间。
为了便于写谱，也将节拍进行编码。
表3.1是节拍数编码表，表3.2是乐谱节拍编程时间延时表：
按1/4拍为一个延时时间的节拍编码与节拍对应的表
按1/8拍为一个延时时间的节拍编码与节拍对应的表
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3.3
乐谱节拍
1/4拍的延时时间
乐谱节拍
1/8拍的延时时间
4/4
125ms
4/4
62ms
3/4
187ms
3/4
94ms
2/4
250ms
2/4
125ms
表3.4
在音符编码和节拍编码完成后，编程时，每个音符占一个字节，高4位是音符编码，低4位是节拍编码。
3.2硬件总体设计
本设计是由五部分电路组成的，分别是时钟复位电路、单片机系统、按键电路、显示电路和音频输出电路。
硬件的总体框图如图3.2.1所示：
图3.2.1
原理说明：
*当键盘有键按下时，判断键值，启动定时器0，产生一定的频率，驱动蜂鸣器，播放歌曲，启动定时器1，显示歌曲序号；
*用P0口控制七段数码管，P1口控制彩灯变化，P2.0控制喇叭，输出音频信号；
电路采用12MHz的晶振工作，起振电路中C1和C2为22pF的电容
3.3软件总体设计
本设计采用Keil软件进行编写程序并进行编译，采用Proteus软件进行仿真
在编写程序之前，首先应该画出该程序的流程图，这样编程起来会比较简单一点，不会那么复杂。
音乐盒设计的总程序流程图如图3.3.1所示：
初始化
设置音节起始位置，设置节拍间距
读取音阶、音符
显示当前播放歌曲序号，彩灯循环闪烁
节拍结束，彩灯停止闪烁
图3.3.1
4硬件设计
4.1单片机芯片的引脚及部分功能
本设计采用的单片机型号是STC89C52，其引脚图如图4.1.1所示：
图4.1.1
跟51单片机一样STC89C52单片机也是8位的单片机，有32个准双向的I/O口，存储单元也分为了2种，程序存储器和数据存储器，其中数据存储器是256KB的，可以扩展到64KB，而程序存储器是4KB的，也可以扩展到64KB。
STC89C52单片机的中断系统里有5个中断请求源，4个用于中断控制的寄存器IE、IP、TCON和SCON，用来控制中断的类型、中断的开/关和各种中断源的优先级别，而引脚31,当接低电平时，单片机直接访问外部程序存储器，接高电平时，单片机访问片内程序存储器，当程序计数器PC的值超过4KB时，单片机也自动访问片外程序存储器。
引脚9是单片机的复位端，当接高电平时，单片机就会复位，而单片机32个I/O口中，P3口具有第二功能，可以实现串行和并行通信的数据接收和发送，也可以控制单片机的中断类型。
4.2各个模块的硬件电路设计
4.2.1时钟复位电路
时钟电路是由12MHz的晶振和2个22pF的电容组成，给单片机系统提供外部时钟信号源，以保证单片机内部定时器的正常工作。
而复位电路采用上电复位的接法，由一个10k的电阻和10uF的电容组成，在加电的瞬间电容通过充电，使RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。
时钟复位电路如图4.2.1所示：
图4.2.1
4.2.2按键输入电路
本设计采用三个按键来控制音乐的播放，其中按键S1是控制音乐盒播放下一首歌曲，按键S2是控制音乐盒播放上一首歌曲，而按键S3则是控制音乐播放和暂停，按键电路的接法如图4.2.2所示：
图4.2.2
4.2.3显示电路
阻，本设计采用七段共阴数码管来显示当前播放歌曲的序号，其中a、b、c、d、e、f、g分别接到P0.0-P0.6口，而公共端接地，由于P0口里面没有接上拉电在外部电路里还得接上排阻，以保证P0口电平的正常输出。
显示电路的接法如图
图4.2.3
4.2.4音频输出电路
本设计采用喇叭作为音乐盒的音频输出，但是只有一个喇叭就构成整个音频输出电路的话，播放音乐的声音就会太小声，甚至有时小到连声音都听不到，为了增大喇叭的声音，才用一个放大电路使通过喇叭的电流增大，从而增大喇叭的输出功率。
放大电路是采用一个PNP型的三极管和两个电阻，其中一个作为反馈回路。
音频输出电路如图4.2.4所示：
图4.2.4
4.2.5彩灯控制电路
彩灯控制电路为本设计的扩展功能，通过音乐的播放，节拍的变化来控制彩灯的循环变化，彩灯电路有8个发光二极管和8个200欧的电阻组成，接到P1口，通过变化P1口的输出电平，控制彩灯的亮灭。
彩灯控制电路如图4.2.5所示：
图4.2.5
5软件设计
本设计可以实现课程设计的基本要求，可以播放6首歌，并通过按键控制播放、暂停等功能。
主要的子程序框图如图所示：
显示曲目号
初始化变量及数码管
播放相应的歌曲
初始化定时器
播放并显示歌曲序号N
检测是有有按键
音乐播放程序框图
保护现场
重装初值
P2.0反相
恢复现场
编写完程序后，用Keil软件进行编译，看是否有错，如果有错应立刻修改，直到编译正确为止。
6仿真、调试电路
在Proteus软件绘制完原理图和编译完源程续后，将Keil软件编译完生成的Hex文件加载到Proteus软件绘制出的原理图里德单片机里，就可以进行仿真，验证是否能实现课程设计的基本功能。
当仿真成功后，就可以购买元器件，开始焊接电路板了，焊完电路板后，利用单片机开发板将程序下载到单片机芯片上进行调试，看是否焊接成功，如果没有同仿真时的结果一样，就得检查一下电路，看哪里出错了，再进行调整，达到预期的要求。
存在问题和解决方法
在设计过程中，在音频输出电路中开始没有加三极管，在调试过程中喇叭的声音有点小，不清晰。
然后加上后，电路中电流增大，在外部适当的添加一些电阻就能实现功率的放大。
声音明显变大清晰，音乐自然流畅。
总结与体会
通过这次课程设计，从整体上我对单片机微机应用系统开发、研制过程软硬件设计的工作方法、工作内容、工作步骤更加了解。
不仅熟练地掌握了Keil软件和Proteus软件的使用方法，而且提高了我的动手能力和分析问题、解决问题的能力。
我觉得这次单片机课程设计是一个综合性的设计平台，除了熟练掌握了一些软件的使用和进行了基本技能的锻炼之外，还巩固了我的单片机知识，在编程方面，我也更加的熟练。
而且通过查阅资料，还拓展了我的知识视野，加强了我查阅资料的能力。
致谢
这次课程设计基本结束，学到了很多的东西，自己查找资料，思考出现的各种问题，但同时得到了老师的极大指导和帮助，有些专业性知识，在老师的帮助下很快解决，小的细节错误，也都是老师点出来，自己纠正，老师的谆谆教导给予我很多课本上没有的东西，在此对周老师深深地感谢。
参考文献
[1]单片机原理与接口技术，李朝青编著，北京航空航天大学出版社，2005年10月；
[2]单片机课程设计指导，楼然苗、李光飞编著，北京航空航天大学出版社，2007年7月；
[3]单片机控制实习与专题制作，蔡朝洋，北京航空航天大学出版社；
[4].Altera,NovasTeamforFPGAVisibilityEnhancement.ElectronicNews（NorthAmerica）.2006,（11）:
12
[5].罗杰,康华光.两种硬件描述语言VHDL/Verilog的发展及其应用.电气电子教学学报,2002,24（04）:
1-5
[6]图书馆相关书籍
实物图：
附录：
源程序
OUTBITP2.0;定义音频输出端口,p2.0
NEQU6;歌曲总数
OUT_NUMEQUP0;数码管显视当前所放歌曲曲数
ORG0000H
K2:
AJMPMAIN
ORG0003H
AJMPLAST_SONG;外部中断0用于接上一曲歌按键
ORG000BH
AJMPF_T0;定时器0用于定时，作音符发生器用
ORG0013H
q4:
AJMPNEXT_SONG;外部中断1接下一曲歌按键
ORG001BH
AJMPSTART_PAUSE;定时器1用计数，这里用作中断，接开始/暂停键,初值为0ffH，方式2
ORG0030H
MAIN:
MOV50H,#00H
MOVSP,#60H
MOVDPTR,#TABLE;DPRT指向每首歌曲的入口地址的地址。
MOVR0,#30H;R0中存入数据30H，这里在以30H开始的单元存放每首歌曲的入口地址，其中30H,31H存放
;歌曲的节拍入口地址，32H，33H存放歌曲音符入口地址，每首歌占用四个存储存单元。
MOVR5,#00H;R5中存放表TABLE中正在执行操作的序号
MOVR6,#1;R6存放正在设置入口信息的歌曲数
SET_TAB:
MOVA,R5;设置每首歌曲的入口信息，存放在以30H开始的存储单元中。
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R0,A
INCR5
INCR0
MOVA,R5
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R0,A
INCR5
INCR0
MOVA,R5
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R0,A
INCR0
INCR5
MOVA,R5
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R0,A
INCR0
INCR5
INCR6;设置完一首歌曲后，歌曲数加一
CJNER6,#N+1,SET_TAB;是否设置完，没有便继续，否则进行下面的操作
;***********************************对中断，计数器的相关参数进行设置
MOVTMOD,#61H;计数器0工作方式1，计数器1工作方式2
MOVTH1,#0FFH;给计数器1置初值0FFH，又由于是工作方式2，所以
MOVTL1,#0FFH;计数器计数为1，相当于一外部中断。
SETBET1;允许计数器1中断
SETBET0;允许计数器具0中断
CLRPT0;计数器0为低优先级
SETBPT1;计数器1为高优先
SETBIT0;外部中断0为跳沿触发
SETBPX0;高优先级
SETBIT1;外部中断1为跳沿触发
SETBPX1;高优先级
SETBEX1;允许外部中断1中断
SETBEX0;允许外部中断定0中断
SETBEA;开中断总开关
SETBTR1;定时器1开始工作，作中断用
SETBOUT;音频输出端口初始化
;***********************************;设置结束
CLRF0;设置F0=0，用来作暂停/播放的标置位用
MOV22H,#01H;22H单元中存放正在播放的歌曲编号
MOVDPTR,#OUT_TAB;将正在播放的歌曲编号送数码管显视
MOVA,22H
MOVCA,@A+DPTR
MOVOUT_NUM,A
MOVR7,#00H;R7中存放歌曲总信息的入口地址
START0:
MOVR4,#00H;R4存放当前正在播放歌曲的第几个节拍数
MOVR0,#30H;30H开始的单元中存放歌曲的入口信息
MOVA,R7;将歌曲的节拍表的入口地址送到DPTR
ADDA,R0
MOVR0,A
MOVDPH,@R0
INCR0
MOVDPL,@R0
INCR0
MOVA,R4
INCR4
MOVCA,@A+DPTR;取出第一节拍数,其实第一个节拍不是歌曲的第一个节拍，而是表示几分音符
;****************************************************
MOV26H,A;将取出的音符数+节拍数保存在职26H单元中
NEXT:
MOVR0,#30H;开始取出歌曲的第一个数据
MOVA,R7
ADDA,R0
MOVR0,A
MOVDPH,@R0
INCR0
MOVDPL,@R0
INCR0
MOVA,R4
INCR4
MOVCA,@A+DPTR;放在A中
;****************************************************
JZEND0;若为0，则表示为休止符，不唱，本次音符不唱，
MOVR1,A;不为0，取出节拍数
ANLA,#0FH
MOVR2,A
MOVA,R1
SWAPA
ANLA,#0FH
JNZSING;音符不为0，唱
CLRTR0;为0，不唱,关频率发生器
SJMPSING1
SING:
DECA;开始唱,进行相应的数据处理
MOVR3,A
RLA
MOVDPH,@R0
INCR0
MOVDPL,@R0
INCR0
MOVCA,@A+DPTR
MOV21H,A
MOVTH0,A
MOVA,R3
RLA
INCA
MOVCA,@A+DPTR
MOV20H,A
MOVTL0,A
SETBTR0;开唱
START:
MOVDPTR,#DTABLE
MOVA,50H
MOVCA,@A+DPTR
MOVP1,A
INC50H
MOVA,50H
CJNEA,#15H,SING1
MOV50H,#00H
SING1:
LCALLDELAY;每个音符唱多久
JBF0,FOR;是否暂停，
AJMPNEXT;没有暂停，继续
FOR:
CLRTR0;暂停，不唱
JBF0,$;等待播放
AJMPNEXT;开始播放
END0:
CLRTR0;不唱
MOVA,22H;唱完处理
CJNEA,#N,WW;是不是全部歌曲都唱完
MOV22H,#01H;全部唱完，则从第一首开始再唱
MOVR7,#00H
MOVOUT_NUM,#57H;数码管显视第一首歌曲编号
AJMPWWW
WW:
MOVA,R7;没有全部唱完，唱下一首,歌曲的入口信息调整
ADDA,#4
MOVR7,A
INC22H
CLREA
PUSHDPH
PUSHDPL
MOVA,22H
MOVDPTR,#OUT_TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVOUT_NUM,A;数码管显视相应的歌曲编号
POPDPL
POPDPH
WWW:
SETBEA
AJMPSTART0;开始下一首的演唱
F_T0:
MOVTH0,21H;定时器0置初值
MOVTL0,20H
CPLOUT;频率产生
RETI
NEXT_SONG:
PUSHACC;下一曲中断程序处理，保护现场
PUSHDPH
PUSHDPL
CLREA;关中断
MOVA,22H
CJNEA,#N,Q;是最后一首吗？
MOVR7,#00H;是最后一首，则R7指向第一首，演唱第一首
MOV22H,#01H
AJMPBACK
Q:
INC22H;不是最后一首，唱下一首,R7内容加4，歌曲数加1
MOVA,R7
ADDA,#4
MOVR7,A
BACK:
MOVR4,#00H;数码管显视相应的歌曲编号
MOVA,22H
MOVDPTR,#OUT_TAB
MOVCA,@A+DPTR
MOVOUT_NUM,A
;********************************************
MOVB,R0;对下首歌曲的几分拍进行调整,同时对R0中的内容进行保护
MOVR4,#00H
MOVR0,#30H
MOVA,R7
ADDA,R0
MOVR0,A
MOVDPH,@R0
INCR0
MOVDPL,@R0
INCR0
MOVA,R4
INCR4
MOVCA,@A+DPTR
MOV26H,A;结果存入26H单元中
DECR4
MOVR0,B;恢复R0中的内容
;********************************************
POPDPL;恢复现场
POPDPH
POPACC
SETBEA
RETI;中断返回
LAST_SONG:
PUSHACC;上一曲中断程序处理开始，保护现场
PUSHDPH
PUSHDPL
CLREA;关中断
MOVA,22H;曲目数送A
CJNEA,#1,QQ;是否是第一首
MOV22H,#N;是第一首歌曲
MOVB,#4;将R7指向最后一首歌曲
MOVA,#N-1
MULAB
MOVR7,A
AJMPBACK2;处理结束
QQ:
DEC22H
MOVA,R7;R7减4
SUBBA,
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