单片机电子音乐盒课程设计说明书.docx
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单片机电子音乐盒课程设计说明书
中州大学·工程技术学院
单片机课程设计
说明书
课题名称：
电子音乐盒的设计
班级：
11机电对口1班
学生姓名：
###
学号：
*************
指导教师：
###
完成日期：
2013年9月13日
成绩：
目录
引言·····························································2
1概述···························································3
1.1课题要求··················································3
1.2设计方案···················································3
1.3研究内容···················································3
2系统总体方案介绍···············································3
2.1系统组成框图···············································3
2.2音乐盒的功能结构图··········································4
2.3主要设计软件介绍············································4
3硬件设计·························································5
3.1总体设计框图················································5
3.2各部分硬件设计及其原理······································5
3.3硬件电路图及功能············································6
4软件设计·························································7
4.1音调、节拍以及编码的确定方法································7
4.2软件程序设计·················································10
5调试···························································14
5.1检查硬件连接···············································14
5.2检查软件系统···············································14
5.3测试结果··················································14
6总结····························································16
致谢···························································17
参考文献························································18
附：
原程序······················································19
引言
21世纪，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
单片机应用的重要意义还在于它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。
单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
随着科学技术的进步和社会的发展，人类所接触的信息也在不断增加并且日益复杂。
面对浩如烟海的信息，人们已经能够利用计算机等工具高效准确地对之进行处理，但要想将处理完的信息及时，清晰地传递给别人，还必须通过寻求更加卓越的显示技术来实现。
单片机技术与液晶显示技术的结合，使信息传输交流向着智能可视化方向迅速发展。
随着人类社会的发展，人们对视觉、听觉方面的享受提出了越来越高的要求。
小小的音乐盒可以给人们带来美好的回忆，提高人们的精神文化享受。
传统音乐盒多是机械型的，体积笨重，发音单调，不能实现批量生产。
本文设计的音乐盒是以单片机为核心元件的电子式音乐盒，体积小，重量轻，能演奏和旋音乐，功能多，外观效果多彩，使用方便，并具有一定的商业价值。
1概述
本设计是以AT89C51单片机的电路为基础，外部加上放音设备，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，为广大的单片机和音乐爱好者提供了很好的借鉴。
1.1课题要求
1）硬件设计：
根据任务要求，完成单片机最小系统及其扩展设计。
2）软件设计：
根据硬件设计完成显示功能要求，完成控制软件的编写与调试；
3）功能要求：
查阅资料，了解单片机控制单音喇叭发声原理；设计基于单片机的电子音乐盒；
1.2设计方案
利用按键切换演奏出不同的乐曲。
蜂鸣器发出某个音调，与之相对应的LED亮起。
使用两个按键，一个用来切换歌曲，另一个切换八路LED的变化花样。
1.3研究内容
1）电路有两种工作模式：
演奏音乐模式和花样灯模式。
演奏音乐模式：
演奏完整的一首的歌曲，八路LED随着音乐变化。
花样灯模式：
八路LED变化出各种花样，蜂鸣器随着发出“嘀嘀”声
2）按下按键1进入演奏音乐模式，再按切换歌曲，共两首歌曲。
3）按下按键2进入花样灯模式，再按切换LED花样，共三种花样。
此电路的程序只占用了1K左右，可编制更多的音乐和LED花样，使系统的功能更加强大。
2系统总体方案介绍
2.1系统组成框图
音乐盒的系统结构以AT89C51单片机位控制核心，加上2个按键、时钟复位电路、蜂鸣器、LED模块组成。
单片机负责接收按键的输入，根据输入控制音乐播放曲目和音乐花样灯的显示样式以及蜂鸣器发音。
系统组成框图如图2.1所示。
图2.1系统组成框图
2.2音乐盒的功能结构图
音乐盒的功能结构如图2.2所示。
Key1负责切换播放歌曲，播放歌曲共2首，分别是挥着翅膀的女孩和寂寞沙洲冷。
Key2负责切换LED显示花样，显示花样共3种，第一种顺序显示，第二种由两边向中间移动然后向两边移动，第三种循环显示。
图2.2音乐盒功能结构图
2.3主要设计软件介绍
本设计利用KEIL编程软件对音乐盒源程序进行编程并调试，配合PROTEUS仿真软件对硬件进行仿真调试，两种软件的简介如下：
2.3.1PROTEUS软件简介
Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。
它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。
Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年也增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
2.3.2KEIL简介
Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。
运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
3硬件设计
3.1总体设计框图
图3.1总体设计框图
3.2各部分硬件设计及其原理
3.2.1AT89C51简介
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图3.2所示
图3.2AT89C51系列单片机
3.2.2LED显示电路设计与原理
LED显示电路是由8个LED发光二极管组成，连接方式为共阳极，LED接到单片机的P1口，若为低电平，可使LED亮起。
发光二极管的亮、灭由内部程序控制，8个LED发光二极管分别对应不同的音阶，所以LED会随着音阶的变化按规律亮、灭。
3.2.3时钟振荡电路
AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自然振荡器。
外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容C1，C2虽然没有什么严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。
如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF
10PF，而如果使用陶瓷振荡器建议选择40PF
10PF。
用户也可以采用外部时钟。
采用外部时钟的电路如图示。
这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。
由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。
3.3硬件电路图及功能
总体硬件电路实现功能如下，如图3.4所示
1）电路中用P3.2、P3.3控制按键。
2）P1.0~P1.7控制LED。
3）P2.3控制蜂鸣器。
4）电路为12MHZ晶振频率工作，起振电路中C1、C2均为30PF。
图3.4硬件电路图
4软件设计
在本程序中设置了两个标志——count1和count2，分别初始化为1和0。
按键1使得count1在1和2之间切换，按键2使得count2在1~4之间切换。
程序检测count1的值，count1等于1时播放第一首歌曲，等于2时播放第二首。
另一方面根据count2的值来切换LED的花样。
count1和count2的值是互斥的，设置count1等于1、2时，count2同时设置为0；设置count2等于1~4时，count1也同时设置为0。
4.1音调、节拍以及编码的确定方法
一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波频率，也就是说不能像电子琴那样能奏出多种音色的声音。
因此单片机奏乐只需弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和节拍表示一个音符唱多长的时间。
4.1.1音调的确定
不同音高的乐音是用C、D、E、F、G、A、B来表示，这7个字母就是音乐的音名，它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成简谱的1、2、3、4、5、6、7，相当于汉字“多来米发梭拉西”的读音，这是唱曲时乐音的发音，所以叫“音调”，即Tone。
把C、D、E、F、G、A、B这一组音的距离分成12个等份，每一个等份叫一个“半音”。
两个音之间的距离有两个“半音”，就叫“全音”。
在钢琴等键盘乐器上，C–D、D–E、F–G、G–A、A–B两音之间隔着一个黑键，他们之间的距离就是全音；E–F、B–C两音之间没有黑键相隔，它们之间的距离就是半音。
通常唱成1、2、3、4、5、6、7的音叫自然音，那些在它们的左上角加上﹟号或者b号的叫变化音。
﹟叫升记号，表示把音在原来的基础上升高半音，b叫降记音，表示在原来的基础上降低半音。
例如高音DO的频率（1046Hz）刚好是中音DO的频率（523Hz）的一倍，中音DO的频率（523Hz）刚好是低音DO频率（266Hz）的一倍；同样的，高音RE的频率（1175Hz）刚好是中音RE的频率（587Hz）的一倍，中音RE的频率（587Hz）刚好是低音RE频率（294Hz）的一倍。
1）要产生音频脉冲，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。
利用定时器计时这半个周期时间，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。
2）利用AT89C51的内部定时器使其工作在计数器模式MODE1下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法。
此外结束符和休止符可以分别用代码00H和FFH来表示，若查表结果为00H，则表示曲子终了；若查表结果为FFH，则产生相应的停顿效果。
3）例如频率为523Hz，其周期T=1/523=1912us，因此只要令计数器计时956us/1us=956，在每次技术956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。
计数脉冲值与频率的关系公式如下：
N=Fi
2
Fr
N：
计算值；Fi：
内部计时一次为1us，故其频率为1MHz；
其计数值的求法如下：
T=65536-N=65536-Fi
2
Fr
例如：
设K=65536，F=1000000=Fi=1MHz，球低音DO（261Hz）。
中音DO（523Hz）。
高音的DO（1046Hz）的计算值
T=65536-N=65536-Fi
2
Fr=65536-1000000
2
Fr=65536-500000/Fr
低音DO的T=65536-500000/262=63627
低音DO的T=65536-500000/523=64580
低音DO的T=65536-500000/1047=65059
C调各音符频率与计数值T的对照表如表4.1所示。
表4.1C调各音符频率与计数值T的对照表
低音
频率
T
参数
中音
频率
T
参数
高音
频率
T
参数
Do
262
1908
229
Do
523
956
115
Do
1046
57
57
Do﹟
277
1805
217
Do﹟
554
903
108
Do﹟
1109
54
54
Re
294
1701
204
Re
587
852
102
Re
1175
51
51
Re﹟
311
1608
193
Re﹟
622
804
97
Re﹟
1245
48
48
Mi
330
1515
182
Mi
659
759
91
Mi
1318
45
45
Fa
349
1433
172
Fa
698
716
86
Fa
1397
43
43
Fa﹟
370
1351
162
Fa﹟
740
676
81
Fa﹟
1480
41
41
So
392
1276
153
So
784
638
77
So
1568
38
38
So﹟
415
1205
145
So﹟
831
602
72
So﹟
1661
36
36
La
440
1136
136
La
880
568
68
La
1760
34
34
La﹟
464
1078
129
La﹟
932
536
64
La﹟
1865
32
32
Si
494
1012
121
Si
988
506
61
Si
1976
30
30
4.1.2节拍的确定
若要构成音乐，光有音调是不够的，还需要节拍，让音乐具有旋律（固定的律动），而且可以调节各个音的快满度。
“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。
若1拍实0.5s，则1/4拍为0.125s。
至于1拍多少s，并没有严格规定，就像人的心跳一样，大部分人的心跳是每分钟72下，有些人快一点，有些人慢一点，只要听的悦耳就好。
音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示。
休止符表示暂停发音。
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频率，这样就可以利用不同的频率的组合，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，我们可知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。
表4.2节拍与节拍码对照
节拍码
节拍数
节拍码
节拍数
1
1/4拍
1
1/8拍
2
2/4拍
2
1/4拍
3
3/4拍
3
3/8拍
4
1拍
4
2/1拍
5
1又1/4拍
5
5/8拍
6
1又1/2拍
6
3/4拍
8
2拍
8
1拍
A
2又1/2拍
A
1又1/4拍
C
3拍
C
1又1/2拍
F
3又3/4拍
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，图5.2为节拍码的对照。
如果1拍为0.4秒，1/4拍实0.1秒，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，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，如图5.3为1/4和1/8节拍的时间设定。
表4.31/4和1/8节拍的时间设定
曲调值
DELAY
曲调值
DELAY
调4/4
125毫秒
调4/4
62毫秒
调3/4
187毫秒
调3/4
94毫秒
调2/4
250毫秒
调2/4
125毫秒
4.1.3编码
doremifasolasi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。
举例1：
音调do,发音长度为两拍，即二分音符，将其编码为0x18。
举例2：
音调re,发音长度为半拍，即八分音符，将其编码为0x22
歌曲播放的设计。
先将歌曲的简谱进行编码，储存在一个数据类型为unsignedchar的数组中。
程序从数组中取出一个数，然后分离出高4位得到音调，接着找出相应的值赋给定时器0，使之定时操作蜂鸣器，得出相应的音调；接着分离出该数的低4位，得到延时时间，接着调用软件延时。
表4.4简谱对应的简谱码、T值、节拍数
简谱
发音
简谱码
T值
节拍码
节拍数
5
低音SO
1
64260
1
1/4拍
6
低音LA
2
64400
2
2/4拍
7
低音TI
3
64524
3
3/4拍
1
中音DO
4
64580
4
1拍
2
中音RE
5
64684
5
1又1/4拍
3
中音MI
6
64777
6
1又1/2拍
4
中音FA
7
64820
8
2拍
5
中音SO
8
64898
A
2又1/2拍
6
中音LA
9
64968
C
3拍
7
中音TI
A
65030
F
3又3/4拍
1
高音DO
B
65058
2
高音RE
C
65110
3
高音MI
D
65157
4
高音FA
E
65178
5
高音SO
F
65217
4.2软件程序设计
4.2.1程序流程图及相应代码块
主程序流程图
图4.1主程序流程图
主程序代码:
main（）
{ucharx;
count1=0;//流水灯无花样
count2=1;//唱第一首歌
P34=0;//选取矩阵键盘的一列
EA=1;//开总中断
EX0=1;//开外部中断0
IT0=1;//外部中断0下降沿触发方式
EX1=1;//开外部中断1
IT1=1;//外部中断1下降沿触发方式
TMOD=0x01;//定时器0工作在方式1
TH0=0;
TL0=0;
ET0=1;
while
（1）
{
if（count1!
=0）//音乐停止，花样灯开始按照花样闪烁
{
switch（count1）
{
case1:
for（x=0;x<14;x++）
{
duan=1;
P1=huayang1[x];
beep（）;
delay1（300）;
duan=0;
if（c
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