基于单片机音乐喷泉的设计软件文档.docx
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基于单片机音乐喷泉的设计软件文档
课程设计任务书
分院（系）
信息科学与工程
专业
自动化
学生姓名
学号
设计题目
基于单片机的音乐喷泉设计
——硬件设计部分
课程设计内容及要求：
内容：
设计一个基于MCS-51系列单片机的音乐喷泉，随着音乐音调节拍的变化，彩灯也随之变化。
、
要求：
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：
演奏完整的一首歌曲，八路LED随着音乐变化。
花样模式：
八路LED变化出各种花样，蜂鸣器随着发出“滴滴”声。
2.按下按键1进入演奏音乐模式，再按切换LED花样，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，共四种花样。
进度安排:
（10天）
1.熟悉题目，查找资料。
（2天）
2.进行编程和设计接线。
（4天）
3.进行仿真。
（2天）
4.编写实验报告。
（2天）
指导教师（签字）：
年月日
学院院长（签字）：
年月日
摘要
本课题是设计一个基于MCS-51系列单片机的音乐喷泉，随着音乐音调节拍的变化，彩灯也随之变化。
先用Keil软件调试编写的程序再用Proteus软件仿真，在Proteus软件商是用两个软件，一个来切换演奏出不同的乐曲，利用定时器0发出不同频率的方波从P3.7输出，使蜂鸣器发出不同的音调，然后延时控制音调的节拍，与之相对应的LED灯亮起；另一个用来切换八路LED的变化的花样并且喇叭发出声音。
关键词：
AT89c0251单片机；音乐；LED灯
1.绪论3
2.设计内容3
3.软件设计3
3.1程序设计分析3
3.2歌曲简谱的编码规则3
3.3程序流程图3
3.4软件源程序3
4.硬件设计3
4.1AT89c2051单片机3
4.2电路原理3
5.仿真3
5.1ISIS介绍3
5.2Keil介绍3
5.3仿真结果图3
6.心得体会3
参考文献3
1.绪论
德国发明家奥图皮士特先生在1930年提出喷泉的相关理论，随后他在百货商店和餐馆前建造小型的喷泉。
经过多年来的发展，音乐喷泉的设计变的多样化，构造变得复杂化。
在1952年的夏天，在西柏林的工业展览中，一个美国人看到了奥图皮士特先生音乐喷泉的表演，并把它带回纽约。
1953年1月15日音乐喷泉在美国首次表演，表演期间超过150万人观看。
在音乐喷泉走向全世界的同时，各种新技术也不断地运用在音乐喷泉上，使其表演变得复杂和美丽，给人们带来无限的乐趣，提高了人们的生活质量。
为了使控制简单可靠，活用现代社会的市场需求，各种形式的喷泉层出不穷，并逐步转向小型和营业性较强的方向发展。
其音乐喷泉的控制也变得灵活多样，如单片机、PLC、DSP等都在音乐喷泉中有所运用，当然也具有优缺点。
本课题选用单片机作为此次音乐喷泉控制系统设计的控制核心，主要是为了实现单片机的放音，并控制多个彩灯随着音乐的音调节奏变化而随之变换。
2.设计内容
⑴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。
⑵按下按键1进入演奏音乐模式，再按切换歌曲，共两首歌曲。
⑶按下按键2进入花样灯模式，再按切换LED花样，共四种花样。
3.软件设计
3.1程序设计分析
程序利用了R6和R7两个寄存器分别作为花样和音乐的标志，都初始化为0.用到了两个外部中断和一个定时器，两个按键接两个外部中断，按键1使得R7在1和2之间切换，当按下按键1时产生外部中断1，中断程序使得R7加1当R7为2时使之为0，用程序检测R7的值，R7等于1时播放第一首歌曲，等于2时播放第二首歌；按键2使得R6在0~4之间切换，当按下按键2时产生外部中断0，中断程序使得R6加1，当R6为4时使之为0，根据R6的值来切换LED的花样。
R6和R7的值是互斥的，设置R7等于1、2时，R6同时设置为0；设置R6等于1~4时，R7也同时设置为0。
歌曲播放的设计：
利用定时器0发出不同频率的方波从P3.7输出，使蜂鸣器发出不同的音调，然后延时控制音调的节拍。
当程序检测到R7不为0时调用音乐子程序，先将歌曲的简谱进行编码，储存在一个编码表中。
在子程序中从对应的编码表中取出一个数，然后分离出高4位得到音调，接着找出程序相应的值赋给定时器0，使之定时操作喇叭，得出相应的音调，同时从P1口输出相应的值使得八路LED灯随着音乐变化而发生相应的变化；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。
花样灯的设计：
一共设计了四种花样，即花样一是一半灯循环移动、花样二是八个灯循环闪烁，花样三是高低四位轮流亮，花样四是有八个灯循环被点亮和熄灭。
R6的值为1~4一次对应花样的1~4，当程序检测到R6的值不为0时就调用与其值相对应的花样的子程序。
3.2歌曲简谱的编码规则
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.播放长度一十六分音符为单位（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，其他的播放时间以此类推。
音调作为编码的高4位，二播放时间作为低4位，如此音调和节拍就构成了一个编码。
以ffH为曲谱的结束标志。
举例1：
音调do，发音长度为两拍，集二分音符，将其编码为18H。
举例2：
音调re，发音长度为半拍，集八分音符，将其编码为22H。
确定定时器0对应于音调的初值：
假设要得到500HZ的声音。
500HZ的声音信号每个周期为2ms，即2000us。
假设单片机采用12MHZ的晶振，每个机器周期的时间为12/12M=1us。
故单片机操作（对与蜂鸣器相连的I/O口取反）一次蜂鸣器的时间间隔为2000us/1us/2=1000个机器周期，故给工作在方式1的定时器0赋初值C=[t/MC]补=模-[t/MC],C=（3E8H）补=10000H-[3E8H]=FC18H，TH0=#FCH,TL0=#18H。
下面给出定时器0工作在方式1对应各音调的初值，假定使用的晶振是12MHZ：
3.3程序流程图
主程序流程图
播放音乐子程序流程图
3.4软件源程序
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitduan=P2^6;
sbitkey1=P3^2;//按key1可切换花样
sbitkey2=P3^3;//按key2可切换歌曲
sbitfm=P3^7;//蜂鸣器连续的IO口
sbitP34=P3^4;//矩阵键盘的一列
ucharcodehuayang1[]={0x7f,0xbf,0xdf,0xef,0xf7,0xfb,0xfd,0xfe,
0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf};//花样1
ucharcodehuayang2[]={0x7f,0xfe,0xbf,0xfd,0xdf,0xfb,0xef,0xf7,
0xef,0xfb,0xdf,0xfd,0xbf,0xfe};//花样2
ucharcodehuayang3[]={0x7f,0x3f,0x1f,0x0f,0x07,0x03,0x01,0x0,
0x80,0xc0,0xe0,0xf0,0xf8,0xfc,0xfe,0xff};
charcodehuayang4[]={0x55,0xaa,0xcc,0x33,0x99,0x66,0x0f,0xf0};
ucharcount1;//花样标志
ucharcount2;//歌曲标志
uchartimeh,timel,i;
//================简谱====================
//编程规则:
字节高位是简谱,低位是持续时间,
//代表多少个十六分音符
//1-7代表中央C调,8-E代表高八度,0代表停顿
//最后的0是结束标志
ucharcodeqnzl[]={//千年之恋
0x12,0x22,0x34,0x84,0x74,0x54,0x38,0x42,0x32,0x22,0x42,0x34,0x84,0x72,0x82,0x94,0xA8,0x08,
//前奏
0x32,0x31,0x21,0x32,0x52,0x32,0x31,0x21,0x32,0x62,
//竹林的灯火到过的沙漠
0x32,0x31,0x21,0x32,0x82,0x71,0x81,0x71,0x51,0x32,0x22,
//七色的国度不断飘逸风中
0x32,0x31,0x21,0x32,0x52,0x32,0x31,0x21,0x32,0x62,
//有一种神秘灰色的旋涡
0x32,0x31,0x21,0x32,0x83,0x82,0x71,0x72,0x02,
//将我卷入了迷雾中
0x63,0xA1,0xA2,0x62,0x92,0x82,0x52,
//看不清的双手
0x31,0x51,0x63,0x51,0x63,0x51,0x63,0x51,0x62,0x82,0x7C,0x02,
//一朵花传来谁经过的温柔
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA2,0x71,0x76,
//穿越千年的伤痛
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x52,0x31,0x36,
//只为求一个结果
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA3,0x73,0x62,0x53,
//你留下的轮廓指引我
0x42,0x63,0x83,0x83,0x91,0x91,
//黑夜中不寂寞
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x0A2,0x71,0x76,
//穿越千年的哀愁
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x52,0x31,0x36,
//是你在尽头等我
0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA3,0x73,0x62,0x53,
//最美丽的感动会值得
0x42,0x82,0x88,0x02,0x74,0x93,0x89,0xff//结束标志
//用一生守候
};
ucharcodejmszl[]={//寂寞沙洲冷
0x12,0x12,0x22,0x32,0x31,0x22,0x21,0x22,
//自你走后心憔悴
0x21,0x31,0x51,0x52,0x31,0x52,0x61,0x15,0x14,
//白色油桐风中纷飞
0x51,0x52,0x31,0x52,0x62,0x13,0x11,0x13,0x32,0x28,0x08,0x28,
//落花似人有情这个季节
0x31,0x32,0x31,0x32,0x11,0x21,0x51,0x52,0x51,0x52,
//河畔的风放肆拼命地吹
0x51,0x51,0x31,0x32,0x31,0x32,0x81,0x72,0x63,
//不断拨弄离人的眼泪
0x62,0x71,0x81,0x72,0x61,0x61,0x52,0x31,0x21,0x32,0x51,0x54,
//那样浓烈的爱再也无法给
0x22,0x12,0x11,0x12,0x11,0x12,0x12,0x14,0x26,0x32,0x26,
//伤感一夜一夜
0x32,0x61,0x51,0x51,0x31,0x31,0x21,0x31,0x51,0x61,0x51,0x31,0x51,
//当记忆的线缠绕过往支离破碎
0x02,0x32,0x81,0x81,0x81,0x81,0x62,0x52,0x34,
//是慌乱占据了心扉
0x31,0x81,0x81,0x81,0x61,0x91,0x82,
//有花儿伴着蝴蝶
0x51,0x51,0x51,0x51,0x31,0x61,0x53,
//孤雁可以双飞
0x21,0x11,0x21,0x11,0x22,0x11,0x21,0x26,
//夜深人静独徘徊
0x32,0x61,0x51,0x51,0x31,0x31,0x21,0x31,0x51,0x61,0x51,0x31,0x51,0x52,
//当幸福恋人寄来红色分享喜悦
0x31,0x31,0x81,0x81,0x81,0x61,0x91,0x81,0x61,0x31,0x56,
//闭上双眼难过头也不敢回
0x32,0x32,0x81,0x81,0x81,0x81,0x91,0x81,0x61,0x81,0x61,0x51,0x31,0x51,0x34,
//仍然捡尽寒枝不肯安歇微带着后悔
0x21,0x31,0x51,0x31,0x21,0x11,0x61,0x21,0x16,
//寂寞沙洲我该思念谁
0xff};
//==============简谱音调对应的定时器初值=======
//适合11.0592M的晶振
ucharcodecuzhi[]={
0xff,0xff,//占位
0xFC,0x8E,//中央C调1-7
0xFC,0xED,
0xFD,0x43,
0xFD,0x6A,
0xFD,0xB3,
0xFD,0xF3,
0xFE,0x2D,
0xFE,0x47,//高八度1-7
0xFE,0x76,
0xFE,0xA1,
0xFE,0xC7,
0xFE,0xD9,
0xFE,0xF9,
0xFF,0x16
};
ucharyinyue[]={0xff,0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf,0xbf,0x7f,0x0,0x0};
//将音调转化为对应的LED样式
voiddelay1（uintz）;//延时1MS
voiddelay（uintz）;//延时165MS,即十六分音符
voidsong（）;
voidbeep（）;//蜂鸣器叫一声
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）
{
switch（count1）
{
case1:
for（x=0;x<14;x++）
{
duan=1;
P1=huayang1[x];
beep（）;
delay1（300）;
duan=0;
if（count1!
=1）
break;
}
break;
case2:
for（x=0;x<14;x++）
{
duan=1;
P1=huayang2[x];
beep（）;
delay1（300）;
duan=0;
if（count1!
=2）
break;
}
break;
case3:
for（x=0;x<16;x++）
{
duan=1;
P1=huayang3[x];
beep（）;
delay1（300）;
duan=0;
if（count1!
=3）
break;
}
break;
case4:
for（x=0;x<8;x++）
{
duan=1;
P1=huayang4[x];
beep（）;
delay1（300）;
duan=0;
if（count1!
=4）
break;
}
break;
}
}
else
{
song（）;
delay1（1000）;
}
}
}
voidint0（）interrupt0
{
EA=0;//关总中断
delay1
（1）;//去抖
if（key1==0）
{
count2=0;//不让蜂鸣器唱歌
TR0=0;
count1++;
if（count1==5）
count1=1;
}
EA=1;//开总中断
}
voidint1（）interrupt2
{
EA=0;//关总中断
delay1
（1）;//去抖
if（key2==0）
{
count1=0;//流水灯无花样
TR0=1;
i=0;//从头开始唱
count2++;
if（count2==3）
count2=1;
}
EA=1;//开总中断
}
voidtimer0（）interrupt1//用于产生各种音调
{
TH0=timeh;
TL0=timel;
fm=~fm;
}
voidsong（）
{
uinttemp;
ucharjp;//jp是简谱
i=0;
while
（1）
{if（count2==0）
{
break;
}
if（count2==1）//选曲
temp=qnzl[i];
if（count2==2）
temp=jmszl[i];
if（temp==0xff）
break;
jp=temp/16;//取数的高4位
duan=1;
P1=yinyue[jp];
duan=0;
if（jp!
=0）
{
timeh=cuzhi[jp*2];
timel=cuzhi[jp*2+1];
}
else
{
TR0=0;
fm=1;//关蜂鸣器
}
delay（temp%16）;//取数的低4位
TR0=0;//唱完一个音停10MS
fm=1;
delay1（10）;
TR0=1;
i++;
}
TR0=0;
fm=1;
}
voiddelay（uintz）//延时165MS,即十六分音符
{uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=19000;y>0;y--）;
}
voiddelay1（uintz）//延时1MS
{uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=112;y>0;y--）;
}
voidbeep（）//蜂鸣器叫一声
{uchari;
for（i=0;i<50;i++）
{fm=~fm;
delay1
（1）;
}
fm=1;
}
4.硬件设计
4.1AT89c2051单片机
AT89c2051是美国ATMEL公司生产的低电平、高性能CMOS8位单片机，片内含2Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的应用。
1.VCC：
电源电压。
2.GND：
地。
3.P1口：
P1口是一个8位双向I/O口。
口引脚P1.2~P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。
P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（ANI0）和反相输入（AIN1）。
P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。
当P1口引脚写入“1”时，其可用作输入端，当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的写入“1”时，其可用作输入端。
当引脚P1.2~P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而流出电流。
4.P3口：
P3口的P3.0~P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/O口引脚。
P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。
P3口缓冲器可吸收20mA电流。
当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。
用作输入时，被外部拉低的P3口脚将用上拉电阻而流出电流。
P3口还用于实现AT89C2051的各种第二功能，如下表所列：
P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
5.RST：
复位输入。
RST一旦变成高电平所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
6.XTAL1：
作为振荡器反相器的输入和内部时钟发生器的输入。
7.XTAL2：
作为振荡器反相放大器的输出。
4.2电路原理
由于51单片机的电流驱动能力较弱，而蜂鸣器的工作电流为几十MA。
单片机给P3.7低电平，则蜂鸣器开；给高电平则喇叭关。
LED接到单片机的P1口，输出0时，可使LED亮起。
两个按键的一段接单片机的I/O口变成低电平，引发单片机中断。
5.仿真
5.1ISIS介绍
ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路设计、分析与仿真软件，功能极其强大。
该软件的主要特点是：
①集原理图设计、仿真分析（ISIS）和印刷电路板设计（ARES）于一身。
可以完成从绘制原理图、仿真分析到生成印刷电路板图的整个硬件开发过程。
②提供几千种电子元件（分立元件和集成电路、模拟和数字电路）的电路符号、仿真模型和外形封装。
③支持大多数单片机系统以及各种外围芯片（RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真等）的仿真。
④提供各种虚拟仪器，如各种测量仪表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
过去需要昂贵的电子仪器设备、繁多的电子元件才能完成的电子电路、单片机等实验，现在只要一台电脑，都可在该软件环境下快速轻松地实现。
5.2Keil介绍
KeilμVision3
2006年1月30日ARM推出全新的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具，集成KeilμVision3的RealViewMDK开发环境。
RealViewMDK开发工具KeilμVision3源自Keil公司。
RealViewMDK集成了业内领先的技术，包括KeilμVision3集成开发环境与RealVi
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