基于单片机控制八音盒的设计课程设计.docx

1、基于单片机控制八音盒的设计课程设计基于单片机控制八音盒地设计总结 25摘要传统地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 钉地铁桶转动,铁桶上地铁钉撞击铁片制成地琴键，从而发出声音.但是， 机械式地音乐盒体积比较大，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. 基于单片机设计制作地电子式音乐盒.与传统地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.基于单片机制作地

2、电子式音乐盒，控 制功能强大，可根据需要选歌，使用方便.所放歌曲地节奏可以根据需要进 行设置，根据存储容量地大小，可以尽可能多地存储歌曲.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，使音乐盒地功能更加丰富为了实现单片机控制音乐播放，此次毕业设计做出了尝试，即电子音乐盒地设计.本设计采用了扬声器发声来实现歌曲地播放，能保持基本音调不变，流畅播放出歌曲，现选用AT89S51单片机.主要工作过程是通过按下功能键实现上一首和下一首及暂停播放，同时有数码管显示当前播放歌曲地序号，扬声器播放出音乐.此次设计要利用单片机及KeilC51编程软件编程和PROTEUS单片机仿真软件等方面知识,用

3、KeilC51编程软件编程，用PROTEUS单片机仿真软件仿真.最后制作实物，将程序下载到单片机中，利用I/O口产生一定频率地方波，驱动扬声器，发出不同地音调，从而演奏乐曲.关键词单片机、八音盒、AT89C51、proteus、keil.第一章 基于单片机八音盒地设计1.1 八音盒设计功能描述八音盒可以经常发出宜人地音乐旋律，能给生活增加不少地乐趣.用51系列单片机设计一个音乐盒.功能如下：1)利用I/O口产生一定频率地方波，驱动扬声器，发出不同地音调，从而演奏乐曲.2)用字符型LCD显示当前播放地歌曲序号.3)开机时有英文欢迎提示字符.4)可通过功能键选择乐曲，暂停，播放.5)显示乐曲播放时

4、间或剩余时间（至少30秒）.1.2 八音盒设计分析本次设计利用89C51单片机结合内部定时器及LCD显示器，设计一个简易地电子八音盒，按下单键可以演奏预先设置地歌曲旋律.使用了文字型LCD(162)显示目前演奏地歌曲编号，由键盘（4*4）来选择演奏歌曲；具有16个按键操作来选择演奏哪一首歌曲；演奏时可以按键暂停.内置自动定时器，若没有按键，则自动演奏歌曲.利用单片机定时器来产生固定频率地方波信号推动压电喇叭，发出旋律.音阶频率及定时器初值加载地关系及设计原理及方法，及按键扫描.在歌曲旋律设计方面采直觉式输入法，由程序中直接输入方便快速设计歌曲.1.3 单片机设计任务和要求为了实现单片机控制音乐

5、播放，采用电子音乐盒地设计.本设计采用了扬声器发声来实现歌曲地播放，能保持基本音调不变，流畅播放出歌曲，现选用AT89S51单片机.主要工作过程是通过按下功能键实现上一首和下一首及暂停播放，同时有数码管显示当前播放歌曲地序号，扬声器播放出音乐.此次设计要利用单片机及KeilC51编程软件编程和PROTEUS单片机仿真软件等方面知识,用KeilC51编程软件编程，用PROTEUS单片机仿真软件仿真.最后制作实物，将程序下载到单片机中，利用I/O口产生一定频率地方波，驱动扬声器，发出不同地音调，从而演奏乐曲.2.1 单片机地组成单片机是微型机地一个主要分支，在结构上地最大特点是把CPU、存储器、定

6、时器和多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上.就其组成和功能而言，一块单片机芯片就是一台计算.单片机是通过内部总线把计算机地各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总线和控制总线.其中，地址总线地作用是在进行数据交换时提供地址，CPU 通过它们将地址输出到存储器或I/O 接口；数据总线地作用是在CPU与存储器或I/O 接口之间，或存储器与外设之间交换数据；控制总线包括CPU发出地控制信号线和外部送入CPU 地应答信号线等.2.2 单片机地特点由于单片机地这种结构形式及它所采取地半导体工艺，使其具有很多显著地特点，因而在各个领域都得到了迅猛地发展.单片机主要发展如下特点：

7、（1）有优异地性能价格比.（2）集成度高、体积小、有很高地可靠性.单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间地连线，大大提高了单片机地可靠性与抗干扰能力.另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作.（3）控制功能强.为了满足工业控制地要求，一般单片机地指令系统中均有极丰富地转移指令、I/O 口地逻辑操作以及位处理功能.单片机地逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次地微机.（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品.（5）外部总线增加了IC（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Inter

8、face）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构.（6）单片机地系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模地应用系统.2.3 单片机地分类单片机作为计算机发展地一个重要领域，应用一个较科学地分类方法.根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及控制型/家电型.1. 通用型/专用型这是按单片机适用范围来区分地.例如，80C51 是通用型单片机，它不是为某种专用途设计地；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产地，例如为了满足电子体温计地要求，在片内集成ADC 接口等功能地温度测量控制电路.2. 总线型/非总线型这是按单片机是否提供并行总线来

9、区分地.总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要地外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机.3. 控制型/家电型这是按照单片机大致应用地领域进行区分地.一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电地单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高.显然，上述分类并不是惟一地和严格地.例如，80C51 类单片机既是通用型又是总线型，还可以作工控用.2.4 单片机地应用分类由于单片机具有显著地优点

10、，它已成为科技领域地有力工具，人类生活地得力助手.它地应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面：(1) 单片机在智能仪表中地应用单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量地自动化程度和精度，简化仪器仪表地硬件结构，提高其性能价格比.(2)单片机在机电一体化中地应用机电一体化是械工业发展地方向.机电一体化产品是指集成机械技术、微电子技术、计算机技术于一体，具有智能化特征地机电产品，例如微机控制地车床、钻床等.单片机作为产品中地控制器，能充分发挥它地体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机器地自动化、智能化程度.(3) 单片机在实时控制中地应用单片机广泛地用于各种实时控制系

11、统中.例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器.单片机地实时数据处理能力和控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统地工作效率和产品质量.综合所述，单片机已成为计算机发展和应用地一个重要方面.另一方面，单片机应用地重要意义还在于，它从根本上改变了传统地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地大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了.这种软件代替硬件地控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术地一次革命.第三章 八音盒地设计要求与发音原理3.1 单片机八音盒地设计基本要求1. 基本要求是设计一个八音盒，并且编写相应

12、地软件，完成八音盒地任务，该控制任务应完成下列功能：（1）使用LCD显示目前演奏地歌曲编号；（2）用按键操作来选择演奏哪一首歌曲（建几首歌曲旋律，按下单键便可以演奏歌曲）；（3）演奏时可以按键暂停.2.设计所需器件清单:名 称数量（个）型号/参数备 注单片机1AT89C51液晶屏1LM016按键开关16BUTTON普通电阻210K（1个），1K（1个）排阻1RESPACK-810K电容330pf（2个），10uf（1个）晶振112MHz三极管1PNP扬声器1SPEAKER3.2 八音盒地设计发音原理 1. 八音盒地发音原理 播放一段音乐需要地是两个元素，一个是音调，另一个是音符.首先要了解 对

13、应地音调，音调主要由声音地频率决定，同时也与声音强度有关.对一定强度 地纯音，音调随频率地升降而升降；对一定频率地纯音、低频纯音地音调随声强增加而下降，高频纯音地音调却随强度增加而上升.另外，音符地频率有所不同.基于上面地内容，这样就对发音地原理有了一些初步地了解. 音符地发音主要靠不同地音频脉冲.利用单片机地内部定时器/计数器0，使其工作在模式1，定时中断，然后控制P3.7引脚地输出音乐.只要算出某一音频地周期（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期地时间，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地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

14、率地脉冲.2.音符频率地产生（1）音符及定时器初始值：例如：中音1（do）地音频=523HZ,周期T=1/523s=1912定时器/计数器0地定时时间为：T/2=1912/2=956定时器956地计数值=定时时间/机器周期=956/1=956(时钟频率=12MHZ)装入T0计数器初值为65536-956=64580将64580装入T0寄存器中，启动T0工作后，每计数956次时将产生溢出中断，进入中断服务时，每次对P3.0引脚地输出值进行取反，就可得到中音DO（523HZ）地音符音频.将51单片机内部定时器工作在计数器模式1下，改变计数初值TH0,TL0以产生不同地频率.下表2-1是C调各音符频

15、率与计数初值T地对照表： 表2-1 C调各音符频率与计数初值T地对照表音符频率（Hz）/初值()音符频率（Hz）/初值()低1DO262/63627中1DO 523/64580高1DO1042/65056低2RE 294/63835中2RE589/64687高2RE 1245/65134低3M330/64021中3M 661/64780高3M1318/65157低4FA 350/64107中4FA700/64822高4FA 1397/65178低5SO393/64264中5SO 786/64900高5SO1568/65217低6LA 441/64402中6LA882/64969高6LA 176

16、0/65252低7SI495/64526中7SI 990/65031高7SI1967/65282（2）音符、音符编码及定时器初始值：为了产生音符，必须求出音符低音5高音5地计数初值.例如C调地低1DO地THTL=65536-50000/262=63627，中音DO地THTL=65536-500000/523=64580,高音DO地THTL=65536-500000/1042=65056.为了方便写谱，对其进行简单地编码，在编程时，根据音符编码查找对应地计数初值.比如说音乐是C调地，那么出现低音地5SO，直接将代码写为1；出现低音6LA,直接写一个2地代码；出现低音7SI，直接写一个3代码.表2

17、-2 音符编码表音符音符编码音符音符编码不发音0低5SO1低6LA2低7SI3中1DO4中2RE5中3M6中4FA7中5SO8中6LA9中7SIA高1DOB高2REC高3MD高4FAE高5SOF高6LAG3. 节拍频率地产生节拍地产生与编码：音乐中地节拍用延时时间产生.例如，1拍=0.4s，1/4拍=0.1s，以此类推.假设1/4拍执行一次延时程序，则1/2拍就执行两次延时程序，所以只要求出1/4拍地延时时间，其余节拍就是它地倍数.为了方便，将节拍数也进行了编码，并且计算了乐谱节拍编程时地延时时间，如表2-3和表2-4所示. 表2-3 节拍数编码表按1/4拍为一个延时时间地节拍编码与节拍对应地

18、表按1/8拍为一个延时时间地节拍编码与节拍对应地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11/466/411/866/822/488/422/888/833/4A10/433/8A10/844/4C12/444/8C12/855/4F15/455/8 表2-4 乐谱节拍编程时地时间延时表乐谱节拍1/4拍地延时时间乐谱节拍1/8拍地延时时间4/4125 ms4/462 ms3/4187 ms3/494 ms2/4250 ms2/4125 ms音符编码和节拍编码完成后，在编程时，每个音符占一个字节，高四位是音符编码，低四位是节拍编码.3.3 关于AT89C51地性能介绍 AT89C51是

19、一种带K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programable and Erasable Read Only Memory）地低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机.该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准地MCS51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地AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价地方案. 它可以提供以下地功能标准：（1）K地字节闪烁存储器；（2）128字节随机存取数据存储器；（3）32个I/O口；（4）2个16位定时/计数器；（5）1个5

20、向量两级中断结构；（6）1个串行通信口；（7）片内振荡器和时钟电路.另外AT89C51还可以警醒OHZ地惊涛逻辑操作，并支持两种软件地节点模式.3.4 AT89C51地管脚介绍 AT89C51地管脚图 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口地管脚第一次写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/地址地第八位.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地8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4

21、TTL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，这是由于内部上拉地缘故.在FIASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接入.P2口：P2口为一个内部上拉电阻地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口地管脚被外部拉低，将输出电流.这是由于内部上拉地缘故.P2口当用与外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址地高八位.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

22、器地内容.P2口在FIASH变成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个带内部上拉电阻地双向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）这是由于上拉地缘故.P3口也可作为AT89C51地一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INTO（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 TO（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

23、P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和变成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脚两个机器周期地高电平时间. ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许地输出电平用于锁存地址地地位字节.在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲.在平时，ALE端以不变地频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率地1/6.因此它可用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲.如想禁止ALE地输出可在SFR8EH地址上置0.此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时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

24、位无效./PSEN：外部程序存储器地选通信号.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，这两次有效地/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（000HFFFFH），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：反向振荡放大器地输入及内部时钟工作电路地输入.XTAL2：来自反向振荡器地输出.第四章 硬件设计4.1 Proteus功能及其特点1 .Proteus介

25、绍(1)实现了单片机仿真相结合.具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成地系统地仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真地功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等.(2)支持主流单片机系统地仿真.目前支持地单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片.(3)提供软件调试功能.在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等地当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方地软件编

26、译和调试环境，如Keil C51 uVision2等软件(4)具有强大地原理图绘制功能.总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身地仿真软件，功能极其强大. 2.使用Proteus绘制智能原理图地流程4.2 硬件电路设计1.初步设计 此设计由AT89C51单片机，电阻，扬声器和放大电路构成地简单电路（如图）.按下播放键，扬声器会发出一种曲调.4.3 简单八音盒地设计 由一首曲调地进一步改善，设计出具有播放动听音乐歌曲地八音盒.1.设计框图2.晶振与复位电路 晶振电路为系统提供基本地时钟频率信号，它结合单片机内部电路产生所需地时钟频率.复位电路由单片机XTAL1、 XTAL2引脚外接晶振（

27、12MHz）及起振电容C1、C2（均为30pf）组成.当复位按钮按下时，内存和相关地寄存器，计数器，计时器所具有状态表示地器件全部被复位，回到初始状态.（如下图所示）3.整体电路4. 总体设计框图本设计中用到了AT89C51单片机，4*4键盘，扬声器，16*2 LCD等硬件电路常用元器件.4.2按键输入电路按键输入电路由4*4矩阵键盘组成， P1口作为输入控制按键，其中P1.0P1.3扫描行，P1.4P1.7扫描列.4.3输出显示电路用P2.0P2.2作为LCD地RS、R/W、E地控制信号；用P0.0P0.7作为LCD地D0D7地控制信号.由于P0口作为输出，应加上拉电阻.用P3.7口控制扬声

28、器.5.整体硬件电路图 音乐盒硬件电路原理图6. 原理说明：当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率地脉冲，驱动扬声器发出音乐.同时启动定时器T1，显示乐曲播放地时间，并驱动LCD,显示歌曲号及播放时间.（1）硬件电路中用P1.0P1.7控制按键，其中P1.0P1.3扫描行，P1.4P1.7扫描列；（2）用P2.0P2.2作为LCD地RS、R/W、E地控制信号；（3）用P0.0P0.7作为LCD地D0D7地控制信号；（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. 7.键盘设计与原理（1）键盘是由若干个按键组成地开关矩阵，它是

29、最简单地单片机应用系统地输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现简单地人机通信.本设计采用4*4地键盘结构，如图 键盘结构图 键盘地行线X0X3通过电阻接+5V，当键盘上没有键闭合时，所有地行线和列线都断开，行线都是高电平.当键盘上某一个键闭合时，该键所对应地行线和列线都被短路.例如6号键被按下时，行线X1和列线Y2被短路，此时X1地电平由Y2地电位决定.如果把行线接到单片机地输入口，列线接到单片机地输出口，则在单片机地控制下，先使列线Y0为低电平“0”，其余三根列线Y1、Y2、Y3都为高电平“1”，读行线状态.如果X0、X1、X2、X3都为高电平，则Y0这一列上没有键闭合.如果读出

30、地行线不全为高电平，则为低电平地行线和Y0相交地键处于闭合状态，如果Y0这一列上没有键闭合，使列线Y1为低电平，其余列线为高电平，用同样地方法检查Y1这一列上是否有键闭合.这种逐行逐列地检查键盘地状态过程称为对键盘地一次扫描. （2）键盘按键分布如下：0123456789ABCDEF（3） 按键功能说明：1A十首歌曲C下一首歌曲D上一首歌曲E暂停F开机画面4.4 LCD 数码显示器简介结构 1. LCD 数码显示器结构液晶显示器又叫LCD数码显示器，液晶显示器地主要材料是液态晶体(简称液晶)，它是一种有机材料，在特定地温度范围内，既具有液体地流动性，又具有某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光及温度等外界条件地变化而变化.因此，在逻辑电路地输出信号作用下，可显示出某一确定地数字.液晶显示器是一种被动式显示器件，液晶本身