单片机的音乐盒研究与设计正文.docx
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单片机的音乐盒研究与设计正文
附录14
附录一元器件清单14
一绪论
1.1课题意义
音乐盒的起源，可追溯至中世纪欧洲文艺复兴时期。
当时为使教会的钟塔报时，而将大小的钟表装上机械装置，被称为“可发出声音的组钟”。
音乐盒有着300多年的发展历史，是人类文明发展的历史见证。
传统的音乐盒多是机械音乐盒，其工作原理是通过齿轮带动一个带有铁钉的铁桶转动,铁桶上的铁钉撞击铁片制成的琴键，从而发出声音。
但是，机械式的音乐盒体积比较大，比较笨重，且发音单调。
水、灰尘等外在因素，容易使内部金属发音条变形，从而造成发音跑调。
另外，机械音乐盒放音时为了让音色稳定,必须放平不能动摇，而且价格昂贵，不能实现大批量生产。
本文设计的音乐盒，是基于单片机设计制作的电子式音乐盒。
与传统的机械式音乐盒相比更小巧，音质更优美且能演奏和弦音乐。
电子式音乐盒动力来源是电池，制作工艺简单，可进行批量生产，所以价格便宜。
基于单片机制作的电子式音乐盒，控制功能强大，可根据需要选歌，使用方便。
所放歌曲的节奏可以根据需要进行设置，根据存储容量的大小，可以尽可能多的存储歌曲。
另外，可以设计彩灯外观效果，增设放歌时间、序号显示灯功能，使音乐盒的功能更加丰富。
在本设计中，首先提出了发音盒的整体设计方案；然后对音乐盒所播放的音乐进行了程序设计；其次设计了音频驱动电路，以驱动播放扬声器；最后设计了直流稳压电源，用于为单片机和音频部分、显示部分提供稳定的+5V电压。
1.2发展与现状及市场价格
音乐盒悠扬的乐声，经常勾起人们对美好往事的回忆，甚至魂牵梦萦，坠入时光岁月的追忆中。
300多年来席卷全球市场的机械音乐盒的最大魅力，也许就在于它能将抽象的音乐，凝固成具象的艺术品。
音乐盒机械音乐盒的发展史，可追溯至14世纪初期，所发明挂在教堂钟楼上的排钟,这种用发条装置来演奏的乐器，能发出清脆如水晶般的乐声，一度风靡荷兰，比利时和法国北部。
1811年以来，瑞士曾经是这项技艺的中心，它和瑞士钟表工业一样，两者相辅相成，一段时间名领风骚，称霸全球。
二战以后，美国的大兵将精致的音乐盒带至日本，给这个正处在战争之后，阵痛呻吟中的民族以很大的抚慰，日本的技术人员借鉴了瑞士的制造技术，并作了进一步的更新，使得音乐盒的造价在当时降低了很多，并提高了产量，打败了位于瑞士侏罗山区的众多厂商，并且逐渐形成以瑞士的Regue和日本的Sankyo，称霸全球音乐盒市场二足鼎立的格局。
调查显示，目前音乐盒市场上的主要品牌包括：
巧匠屋、伊泰莲娜、尚礼、WSA精品、清凉音、雷曼士、sunly、瑞士REUGE、日本Sankyo和国内第一家专业品牌音乐盒缔造者—清凉音。
而主要采用的机芯上大致有：
日本SANKYO机芯、韵升机芯、Regue机芯还有纸带谱曲式的等等。
现在全球音乐盒市场占据较大份额的是瑞士的Regue和日本的Sankyo，形成了两分天下的格局，其余品牌占据了剩余的较少的市场份额。
音乐盒市场随着近年来送礼热潮的兴起也逐渐发现，奢华昂贵的音乐盒市场也逐渐壮大，一些城市也开了音乐盒专卖的店铺，主要经营的是做工较精细的音乐盒，这样的店铺一般还较少存在，可见高档音乐盒市场正在处于发展阶段。
随着人们对商品要求的更高，奢华精美的音乐盒市场也会出现一些经济发达的城市。
通过在淘宝网等电子商务网站的了解，目前市场上销售的音乐盒，价格较低价格主要分布在10-200之间，多数水晶球音乐盒价格都在50元人民币左右。
品牌多以韵升等国产品牌为主，制作较为低端，做工属于中等水品，机芯多使用日本sankyo机芯。
旋转木马系列的音乐盒，根据大小和马的多少几个会有所区别，一个160*160*247（长/宽/高）四飞马音乐盒大概在500元人民币左右，而120*120*205（长/宽/高）三飞马音乐盒大概在150元人民币左右。
根据做工和品牌知名度不同，价格也会有所区分。
进日本、瑞士、德国品牌的旋转木马音乐盒，根据大小和奢华程度，价格也有所差异，美国Mr.Christmas游乐场八音盒，尺寸:
长25*宽25*高30cm，价格一般是1200元人民币左右。
台湾WSA精品，韵升机芯的大号玫瑰花纹四马自动升降豪华型变光旋转木马八音盒也在1200多人民币的价位。
二.设计方案论证
方案一：
用四个按键控制音乐的播放。
3个按键选择3首不同的音乐播放，另一个按键控制音乐的停止。
按下播放键，用一点简单的控制之后，才开始播放音乐。
比如，用定时器控制，亮灯倒计时10秒然后触发音乐播放。
方案二：
用4*4小键盘来实现音乐的选择播放，1～A按键控制播放10首音乐，C～F按键分别实现欢迎页面、上一首、下一首、停止播放。
方案三：
为了充分利用实验板的功能，进一步扩充音乐盒的功能。
设计用七段显示数码管LCD显示播放时歌曲序号。
设置三个键，一个按键控制开机、播放、暂停音乐，另外两个按键分别实现上一首、下一首。
1）在方案1中，共用了4个按键，其中3个按键控制播放3首音乐，另一个键控制音乐播放的停止。
但是只能选择3首音乐，不能显示是哪首歌局限性太强。
2）在方案3中，共用了3个按键，其中一个键用于控制开机、播放、暂停，另两个键用于上一首与下一首切换。
使用数码管作为显示输出。
功能过于单一，显示效果不佳。
考虑到设计要求和时间上的局限，本次课程设计使用了方案二。
本次设计是一个基于AT89C51系列单片机的音乐盒，依据单片机技术原理，通过硬件电路制作以及软件编译，设计制作出一个多功能多功能音乐盒。
该音乐盒主要由按键电路、复位电路、时钟电路、蜂鸣器以及显示电路组成。
使用一个按键来控制开始，播放和暂停。
利用两个按键分别切换上一曲和下一曲来演奏出不同的乐曲，共三首音乐，蜂鸣器发出某个音调，与之相对应的LED亮起。
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。
音乐盒的系统结构以AT89C51单片机位控制核心，加上矩阵按键、时钟复位电路、蜂鸣器、LCD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总体框图
音乐盒的功能结构如图3-2所示。
按键1负责播放/暂停歌曲。
按键2，3负责切换播放歌曲，播放歌曲共3首，同时LCD显示相应的曲目，显示曲目标号共3种。
图2-2音乐盒功能
三音乐盒的发音原理
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，然后控制P3.0引脚的输出音乐。
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。
四硬件电路设计
4.1.1管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
4.2时钟复位电路
AT89C51的最小系统由时钟复位电路构成。
时钟和复位电路的接法具有多种性，在使用时在根据应用系统的要求进行合理的选择。
单片机的最小系统就是尽可能的减少外部电路的条件下，使单片机工作的系统。
4.2.1时钟电路
根据AT89C51单片机产生的时钟方式的不同，可将时钟电路分为内部时钟方式及外部时钟方式两种。
在XTAL1和XTAL2引脚之间外接石英晶体振荡器及两个谐振电容，就可构成内部时钟电路。
如果单片机的时钟采用某一个外接时钟信号，则可用外部时钟信号。
本设计用的时钟电路由单片机XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体振荡器（12MHZ）及起谐振电容C1C2（均为30PF）组成。
如图4-1所示
XTAL1：
外接晶振输入端
XTAL2：
外接晶振输出端
4.2.2复位电路
复位是单片机的初始化操作，只要RST引脚处至少保持2个机器周期（24个振荡器的周期）的高电平就可实现复位。
单片机复位电路有两种形式：
上电复位和按钮复位。
上电复位是利用电容充电来完成的。
通常晶振为6MHZ时，复位电路元件参数为22μF的电解电容和1KΩ的电阻，若晶振为12MHZ时，复位电路元件参数为10μF电解电容和10KΩ的电阻。
本设计采用的是12MHZ晶振振荡器。
如图4-1所示
图4-1时钟复位电路
4.3按键输入电路
设计所用的键盘原理图如图4-2所示。
图4-2矩阵键盘原理图
为了提高CPU的工作效率，采用中断查询方式。
即无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。
中断扫描工作方式的一种键盘接口电路如上图所示。
途中接有一个四输入端与门，其输入端分别与各列线相连，输出端接单片机外部中断输入。
初始化时，使键盘列输出口全部置零，行全部置高电平作输入。
但有键按下时，外部中断为低电平，向CPU发出中断申请，若CPU开放外部中断，则响应中断请求，进入中断服务程序。
在中断服务程序中先保护现场，然后执行键盘确定。
4.4输出显示电路
本设计采用的是16*2LCD，用P2.0~P2.2作为LCD的RSR/W、E的控制信号；用P0.0~P0.7作为LCD的D0~D7的控制信号。
由于P0口作为输出，应加上拉电阻。
用P3.7口控制蜂鸣器。
输出显示电路如图4-3所示。
RS：
数据/命令寄存器选择端。
高电平表示选通数据寄存器，低电平表示选通命令寄存器。
R/W：
读/写选择端，高电平表示读操作，低电平表示写操作。
E：
使能端，平有效。
D0~D7：
数据输入/输出端。
VSS：
接地端。
VDD：
电源正极
图4-3输出显示电路
4.5整体硬件电路
图4-3音乐盒硬件电路原理图
4.6原理说明
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，放出乐曲。
同时启动定时器T1，显示乐曲播放的时间，并驱动LCD,显示歌曲号及播放时间。
（1） 硬件电路中用P1.0~P1.7控制按键，其中P1.0~P1.3扫描行，P1.4~P1.7扫描列；
（2） 用P2.0~P2.2作为LCD的RS、R/W、E的控制信号；
（3）用P0.0~P0.7作为LCD的D0~D7的控制信号；
（4） 用P3.7口控制蜂鸣器；
（5） 电路为12MHz晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为30pf。
4.7选歌按键的设计
键盘按键分布如下：
按键功能说明：
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
1—A
十首歌曲
C
下一首歌曲
D
上一首歌曲
E
暂停/播放
F
开机画面
五软件设计
5.1主程序的设计
通过主程序对单片机的电路实行控制并结合按键功能实现播放，暂停，停止，上一曲，下一曲。
音阶和节拍的配合实现歌曲（共三首歌）演奏，并利用数码管显示当前播放序号。
按下开始按钮之后，程序初始化，再按下播放按键，程序开始判断按键是否按下，若按下就开始判断曲目标号，送相应表首地址给dptr，再调用音乐子程序，播放相应曲目，数码管会显示相应的曲号。
按下“上一曲”或“下一曲”后会使音乐程序加一或减一，再送相应表首地址给dptr，这样可以实现任意曲目的切换。
主程序流程图如下所示：
5.2
子程序的设计
图5-2音乐子程序流程图图5-3延时子程序流程图
总结
通过这次的设计使我认识到自己对单片机方面的知识知道的太少了，有很多需要掌握的知识在等着我去学习。
本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化。
在大学课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应该把所学的用到现实生活中去，此次的音乐盒设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应社会激烈的竞争。
致谢
借此机会我要感谢授课的老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。
另外，感谢各位同学的帮助和勉励。
我愿在未来的学习和研究过程中，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有老师、同学、和朋友。
参考文献
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北京航空航天大学出版社，1992.
附录
附录一元器件清单
名称
数量（个）
型号/参数
备注
单片机
1
AT89C51
液晶屏
1
LM016
按键开关
16
BUTTON
普通电阻
2
10K（1个），1K（1个）
排阻
1
RESPACK-8
10K
电容
3
30pf（2个），10uf（1个）
晶振
1
12MHz
三极管
1
PNP
蜂鸣器
1
SPEAKER
升级会员 