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电动玩具发音电路设计学位论文

玩具发音电路设计

摘要：

音乐播放器常见于各种场合。

随着各种场合的不同，要求也要相应的改变。

单片机以其独特的结构和性能，越来越普遍地应用到国民经济建设的各个领域。

以AT89S51来实现音乐播放，跟以其他的方式来实现相比，电路将更加的简单，适用性更高，通过控制单片机内部的定时器来产生不同频率的方波，驱动喇叭发出不同音调的音乐，再利用延迟来控制发音时间的长短。

可以对单片机爱好者产生一定的借鉴价值。

关键词：

单片机；音乐；C51语言

Designoftoypronunciationcircuit

Abstract:

Musicplayerisverypopularinmanyoccasions,Alongwithcertainsituationrequest,thetimeprecisionisalsoenhancing.Monolithicintegratedcircuitappliedmoreandmoregenerallytoeachdomainofthenationaleconomyconstructionforitsuniquestructureandtheperformance.AT89S51toachieveamusicplayer.Thiskindofcontrol　circuithassimplestructure,highreliabilityandstrongapplication.Havingthedifferentfrequencysquare-wavethroughthecontrolmonolithic　integratedcircuitinteriortimer,actuatestheloudspeakertosend　outthedifferenttonalitythemusic,　againusesretardscontrolsthe　pronunciationtimethelength.HavingthecertainmodelvaluetotheSCMloves..

KeyWords:

Monolithicintegratedcircuit；Music；C51language

目录

1绪论1

1.1课题研究背景1

1.2课题研究意义1

2整体方案的设计.2

2.1方案的选择和设计2

2.2核心器件AT89S51介绍2

2.2.1AT89S51简介2

2.2.2AT89S51芯片的引脚图3

3硬件电路的设计4

3.1方案总框架图4

3.2单片机的复位电路设计4

3.3显示电路设计5

3.3.1LED基本理论知识5

3.3.2发光二极管的检测6

3.3.3数码管与单片机的简单接口实验7

3.4单片机的震荡电路设计7

3.5控制电路设计8

3.6LM386音频功率放大器8

4软件的实现10

4.1音频脉冲产生原理10

4.2音符频率对照表11

4.3节拍产生原理11

4.4音频功放12

4.5流程图13

5总结15

参考文献16

致谢17

1绪论

1.1课题研究背景

随着科学技术的日新月异变化，单片机也从刚开始的8位单片机发展到16位，32位等诸多系列，其中51单片机由于其灵活方便，价格便宜的优点，再众多制造厂商的支持下已经发展成为具有上百个品种的大家族。

本案是以AT89S51芯片的电路为基础，外部加上功率放大器、放音设备，以此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动听的音乐。

用户可以按照自己的喜好选择音乐并将其转化成机器码存入单片机的存储器中。

对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可。

该软、硬件系统具有很好的通用性，很高的实际使用价值，为广大单片机和音乐爱好者提供了很好的借鉴。

1.2课题研究意义

对于一个应用系统来说，不管在原理上如何先进、功能上如何全面、精度上如何精密，如果可靠性差、故障频繁，不能正常工作的话，那么这个系统也没有什么价值了。

因此在设计系统的过程中，对于可靠性的要求应该贯穿于每一个环节，采取各种措施来提高可靠性，以保证系统能够长时间的稳定工作。

硬件方面来说，系统所用元件的优劣和制造工艺的精细是影响可靠性的重要原因，因此应该合理购买元器件。

另外，在制造电路板时也要遭到工艺精细。

软件方面，应该尽可能的不要使用模块化的设计方案，以利于程序的编写和调试，并减少故障率，提高软件的可靠性。

音乐演奏控制器是通过控制单片机内部的定时器来产生不同频率的方波，驱动喇叭发出不用音调的音乐，再利用延迟来控制发音时间的长短，即控制音调中的节拍，把存放在存储器中的音谱中的音符对应的频率转换为定时常数，把相应的节拍转换为延时常熟，分别控制定时器产生不同频率的方波和该频率方波的持续时间，按乐谱依次进行下去，就可从放音设备中演奏出悦耳动听的音乐。

硬件方面要由按键开关实现不同音乐之间的转换，然后在数码管上有对应的显示。

鉴于以上各方面的要求，本系统采用了体积小、重量轻、功能强大、使用方便而且可靠性高的单片机为硬件电路的设计主体，即以AT89S51芯片为中心，设计并安装选曲电路、显示电路等，最终实现音乐演奏控制器的功能。

软件方面采用C51单片机语言进行程序的编写。

C51单片机语言指令简单，使用方便，初学者容易掌握，用它来对单片机进行换成是最合适的选择。

2整体方案的设计.

2.1方案的选择和设计

为做好本次课程设计，设计了多个方案实现设计要求。

通过分析比较各个方案的优缺点，以易于实现，经济，电路稳定度等指标选择最佳方案。

方案一：

采用模拟电路根据音乐旋律产生一定频率的方波，接上扬声器播放音乐，采用数码管显示播放音乐的序号。

方案二：

将音乐旋律按照节拍，音级编译成机器码，编写程序由单片机运行产生音频信号，接上扬声器播放音乐，并采用LED显示播放音乐的序号。

方案比较：

方案一成本低廉，但中输出音频信号单一，不容易更改音乐旋律，并且数码管能显示的内容比较少。

方案二可由所编写的程序来改变音乐旋律，并且单片机可以反复檫写程序，更改程序比较方便，实现设计要求所需的成本也不是很高。

由于方案二易于实现设计要求，并且单片机具有集成度高、体积小、可靠性高 、控制功能强 、低电压、低功耗等优点，能够实现稳定的电路，我最终选择方案二为本次课程设计最佳方案。

2.2核心器件AT89S51介绍

2.2.1AT89S51简介

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

2.2.2AT89S51芯片的引脚图

AT89S51芯片的引脚图如图2-1所示

图2-1AT89S51管脚图

3硬件电路的设计

3.1方案总框架图

方案总框架图如图3-1所示

图3-1方案总框架图

3.2单片机的复位电路设计

单片机AT89S51作为主控芯片，控制整个电路的运行。

单片机外围需要一个复位电路，复位电路的功能是：

系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤消复位信号。

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。

该设计采用含有二极管的复位电路，复位电路可以有效的解决电源毛刺和电源缓慢下降（电池电压不足）等引起的问题，在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电，一定宽度的电源毛刺也可令系统可靠复位。

复位电路的设计图如图3-2示：

图3-2单片机复位电路图

3.3显示电路设计

3.3.1LED基本理论知识

半导体发光器件包括半导体发光二极管（简称LED）、数码管、符号管、米字管及点阵式显示屏（简称矩阵管）等。

事实上，数码管、符号管、米字管及矩阵管中的每个发光单元都是一个发光二极管。

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。

因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。

此外，在一定条件下，它还具有发光特性。

在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。

进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。

除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。

发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。

由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有关，即

λ≈1240/Eg（mm）（3-1）

式中Eg的单位为电子伏特（eV）[4]。

若能产生可见光（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。

比红光波长长的光为红外光。

现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。

7段LED数码管，是在一定形状的绝缘材料上，利用单只LED组合排列成“8”字型的数码管，分别引出它们的相应电极，点亮相应的点划来显示出0-9的数字。

图3-3LED显示器

LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。

图4-2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。

将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳式。

以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。

当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。

假如我们将"b"和"c"段接上正电源，其它端接地或悬空，那么"b"和"c"段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。

而将"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。

其它字符的显示原理类同，读者自行分析即可。

3.3.2发光二极管的检测

1.普通发光二极管的检测

（1）用万用表检测。

利用具有×10kΩ挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。

正常时，二极管正向电阻阻值为几十至200kΩ，反向电阻的值为∝。

如果正向电阻值为0或为∞，反向电阻值很小或为0，则易损坏。

这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为×10kΩ挡不能向LED提供较大正向电流。

如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好地检查发光二极管的发光情况。

用一根导线将其中一块万用表的“+”接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。

余下的“-”笔接被测发光管的正极（P区），余下的“+”笔接被测发光管的负极（N区）。

两块万用表均置×10Ω挡。

正常情况下，接通后就能正常发光。

若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至×1Ω若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。

应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于×1Ω，以免电流过大，损坏发光二极管。

（2）外接电源测量。

用3V稳压源或两节串联的干电池及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。

如果测得VF在1.4～3V之间，且发光亮度正常，可以说明发光正常。

如果测得VF=0或VF≈3V，且不发光，说明发光管已坏。

2.红外发光二极管的检测

由于红外发光二极管，它发射1～3μm的红外光，人眼看不到。

通常单只红外发光二极管发射功率只有数mW，不同型号的红外LED发光强度角分布也不相同。

红外LED的正向压降一般为1.3～2.5V。

正是由于其发射的红外光人眼看不见，所以利用上述可见光LED的检测法只能判定其PN结正、反向电学特性是否正常，而无法判定其发光情况正常否。

为此，最好准备一只光敏器件（如2CR、2DR型硅光电池）作接收器。

用万用表测光电池两端电压的变化情况。

来判断红外LED加上适当正向电流后是否发射红外光。

3.3.3数码管与单片机的简单接口实验

图3－4为实验电路图，我们使用AT89S51单片机并行口P2.0-P2.7直接与LED数码管的"a-f"引脚相连，值得一提的是，AT80S51并行口的输出驱动电流并非很大，为使LED有足够的亮度，LED数码管应选用高亮度的器件。

AT89S51还可选用C51系列的其它单片机，只要它们的指令系统兼容C51即可正常运行，程序可直接移植，例如选用低价Flash型的AT89C1051或2051（详细技术手册）等，它们的ROM可反复擦写，非常适合作实验用途。

图3-4　LED与单片机连接实验图

3.4单片机的震荡电路设计

单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。

单片机内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。

反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是单片机的18脚和19脚。

在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，见图4－4电容C1和C2通常取30pF左右，对振荡频率有微调作用。

振荡频率范围是1.2MHz—12MHz。

图3-5震荡电路

3.5控制电路设计

图3-6设置电路图

设置电路有4个按键组成如图3－6所示，设置电路的设计是考虑到用户使用方便和便于调整等方面的因素而确定的。

我们知道单片机可以直接与按键进行连接，这样一来我们可以充分的应用单片机的软件资源，在编写程序的时候，利用一些特殊的命令实现单片机与按键的接口，这样就可以通过按键来满足用户所要实现的数据设置。

由于震动等原因可能使按键产生误动作，可能给用户的使用造成麻烦，这就要求我们在设计程序的时候，增加软件抗干扰，其一般做法是，在程序中加入延时子程序，为了使系统正常运行这个延时一般为几十微秒。

3.6LM386音频功率放大器

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。

为使外围元件最少,电压增益内置为20。

但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至200。

输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。

LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

如图3-7所示：

图3-7　LM386的封装

特性（Features）:

静态功耗低,约为4mA,可用于电池供电

工作电压范围宽,4-12Vor5-18V

外围元件少

电压增益可调,20-200

低失真度

LM386电源电压4--12V，音频功率0.5w。

LM386音响功放是由NSC制造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使用到15V，消耗静态电流为4mA，当电源电压为12V时，在8欧姆的负载情况下，可提供几百mW的功率。

它的典型输入阻抗为50K。

本设计关于LM386音频功率放大器应用电路：

如图3-8所示：

图3-8　LM386音频功率放大器应用电路

4软件的实现

4.1音频脉冲产生原理

音乐是由音符组成的，而不同的音符对应的是不同的震动频率。

而不同的频率可以利用单片机的定时器产生，再驱动通过蜂鸣器或者是喇叭，就可以播放乐曲了。

要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期T，然后将周期除以2得到半周期的时间，再对P1.0口反相，就可在单片机P1.0引脚得到此频率的脉冲。

例如，频率为523Hz，其周期为天/523S=1912uS，因此只要令计数器计时956uS/1us=956，在每计数956次时就将I/O反接，就可得到中音DO（532Hz）。

计算举例：

设K=65536,F=1000000=Fi=1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。

T=65536-N=65536-Fi/2/Fr=65536-1000000/2/Fr=65536-500000/Fr

低音DO的T=65536-500000/262=63627

中音DO的T=65536-500000/523=64580

高音DO的T=65536-500000/1047=65059

4.2音符频率对照表

音符频率对照表如表4.1所示

表4.1　高中低音符与单片机计数T0相关的计数值

音符

频率（HZ）

简谱码（T值）

音符

频率（HZ）

简谱码（T值）

低1　DO

262

63628

#4FA#

740

64860

#1　DO#

277

63731

中5SO

784

64898

低2　RE

294

63835

#5SO#

831

64934

#2RE#

311

63928

中6LA

880

64968

低3M

330

64021

#6

932

64994

低4FA

349

64103

中7SI

988

65030

#4FA#

370

64185

高1DO

1046

65058

低5SO

392

64260

#1DO#

1109

65085

#5SO#

415

64331

高2RE

1175

65110

低6LA

440

64400

#2RE#

1245

65134

#6

466

64463

高3M

1318

65157

低7SI

494

64524

高4FA

1397

65178

中1DO

523

64580

#4FA#

1480

65198

#1DO#

554

64633

高5SO

1568

65217

中2RE

587

64684

#5SO#

1661

65235

#2RE#

622

64732

高6LA

1760

65252

中3M

659

64777

#6

1865

65268

中4FA

698

64820

高7SI

1967

65283

4.3节拍产生原理

根据节拍的特征，可以设定1拍为0.4S，1/4秒就是0.1S，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。

假设1/4拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY，则以后的诸如3/4拍等均可以依此类推。

如表3.2所示：

音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）

表4.2　音乐的音拍

曲调值

DELAY

曲调值

DELAY

调4/4

125ms

调4/4

62ms

调3/4

187ms

调3/4

94ms

调2/4

250ms

调2/4

125ms

对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时/计数器来完成。

4.4音频功放

音乐的播放最后是通过扬声器完成的，但是直接用单片机产生的音频脉冲不足以直接驱动扬声器来完成音乐的播放，因此这就要求在单片机端口与扬声器之间链接功率放大电路，以实现最终的目的。

评定功率放大电路有3个重要的指标，即输出功率、效率、非线性失真。

输出功率P0：

功率放大器应在输出不失真的情况下给出最大的交流输出功率P0以推动负载工作，维持，功放元件一般工作在大信号状态，这就使功放元件的安全工作成为功率放大器的重要问题。

效率η：

功率放大器的效率定义为功率放大器的输出信号功率P0和直流电源供给功率放大器功率PE之比，用η表示。

功率放大器要求高效率地工作，一方面是为了提高输出功率，另一方面是为了降低管耗。

直流电源供给的功率除了一部分变成有用的信号功率以外，剩余部分编程晶体管的管耗。

管耗过大将使功率管发热损坏。

所以，最与功率放大器，提高效率也是一个重要问题。

非线性失真：

功率放大器为了获得足够大的输出功率，需要大信号激励，从而使信号动态范围往往超出晶体管的线性区域，导致输出信号失真。

因此减小非线性失真，成为功率放大器的又一个重要问题。

总的来说，要求功率放大器在保证系统安全运用的情况下，获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真

发音部分代码在程序中实现，靠单片机的一个管脚输出，考虑到声音可能不够大所以我们加入了功放电路，利用LM386来对声音信号进行放大。

4.5流程图

主程序中所要安排的任务较多。

首先，系统中外扩的各器件的初始化工作均在主程序中完成。

其次，要设计如何调用显示子程序以及乐曲播放程序。

计算出C调各音符频率与计数值T的对应值，利用接收到的信号，判断是否有键按下。

若有，通过查表将歌曲首址放入内存缓冲区，然后再判断查表所取到的定时值是否为零以确定是否播放乐曲；若键未释放，则等待。

如左图所示

图4-2流程图

5总结

本文通过对基于单片机音乐演奏控制设计的研究和设计，分析了设计的实现的意义和可行性。

单片机AT889S51是一种非常小巧但功能非常多，应用非常广的一种芯片，功率也非常的小，采用AT89S51作为系统核心制作音乐演奏控制设计电路简单了很多，由于可以反复烧写，为学习降低成本。

本设计外部采用单片机的复位电路设计、单片机的震荡电路设计、LED数码管显示正在播放的音乐序号，四个按键控制等，但由于AT89S51分辨率不是太高，音乐有点单调，另外，具体电路还有的地方不尽完善之处。

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