1、1 目 录 2 基于 AT89S52 多功能花样 LED 频闪音乐盒的设计 与实现 胡 伟 渭南师范学院物理与电气工程学院 07 级电子信息科学与技术 1 班 摘 要 ： 本设计 是一个基于 AT89S52 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 音乐盒。该音乐盒主要由 按键电路、复位电路、时钟电路 、显示电路、 LED 灯电路、蜂鸣器电路 成 。 使用四 个按键 控制音乐盒 ， 分别用来实现播放 /暂停、上一曲、下一曲 、复位 功能 ，本音乐盒共有 三首歌曲 。 播放歌曲时， 蜂鸣器发出某个音调，与之对应的 LED 亮起。本设计利用
2、 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 ， 节约了设计时间。 关键字 ： 音乐盒 ； AT89S52 单 片机 ； LED 频闪 ；音乐 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
3、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
4、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 AT89S5
5、2 芯片的 最小系统 电路为基础，外部加上放音设备 和控制设备 ，3 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
6、。 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。根
7、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，使音乐盒的功能更加丰富 。 1.2 设计方案 设计一个基于 AT89S52 系列单片机的音乐盒，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。使用四 个按键， 分别用来实现复位、播放/暂停、上一曲、下一曲功能。 1.3 研究内容 1） 通过按键控制音乐的播放 /暂停、上一曲、下一曲； 2） 通过数码管显示当前播放音乐的编号。 3） 播放音乐是 8 路 LED 灯随音乐频率 闪烁。 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 AT89S52 单片机位控制核心，加上 4
8、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 /暂停、上4 一曲、下一曲音乐 曲目 ， 及 控制 蜂鸣器发音 。 系统组成框图如图 2.1 所示。 A T 8 9 S5 2图 2.1 系统组成框图 2.2 音乐盒的功能结构图 音乐盒共包含了三首歌曲，分别是 挥着挥着翅膀的女孩 、 同一首歌 、 两只蝴蝶 。 按键 用来 控制歌曲的播放、暂停和三首音乐之间的 相互 切换 ， 数码管用来显示当前所播放歌曲的编号 ，并随着上一曲、下一曲按键显示当前切换的歌曲的编号， LED 灯随着当前播放歌曲的 音乐频率 闪烁。 2.3 主要设计软件介绍 本设
9、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： 2.3.1 PROTEUS 软件简介 Proteus 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。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。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 Proteus是世界上著名的 EDA 工具 (仿真软件 )，从
10、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。是目前世界上唯一将电路仿真软件、 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 年即将增加 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晶振电路 复位电路 按键电路 数码管显示电路 LED 花样电路 蜂鸣器电路 5 和 MPLAB 等多种编译器。 2.3.
11、2 KEIL 简介 单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU 可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于 MCS-51单片机的汇编软件有早期的 A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展， 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
12、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。 Keil C51 生成的目标代码
13、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 AT89s52 简介 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有 灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 3.1.1AI89S52 单片机的 主要性能 特点 ： A
14、T89S52 兼容 MCS-51 系列单片机产品 ，拥有 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器，可进行 1000 次擦写周期， 全静态操作： 0Hz-33MHz， 三级加密程序存储器 ， 32 个可编程 I/O 口线； 三个 16 位定时器 /计数器， 八个中断源 ， 全双工 UART 串行通道 ， 低功耗空闲和掉电模式 ， 掉电 后中断可唤醒， 看门狗定时器 ， 双数据指针 ， 掉电标识符 。 3.1.2 引脚说明 AT89S52 单片机引脚图如 图 3.1 所示 ： 6 图 3.1 AT89S52 引脚图 DIP 封装 P0 口： P0 口是一个 8位漏极开路的双向 I/O 口。作为
15、输出口，每位能驱动 8个 TTL 逻 辑电平。当访问外部程序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址 /数据复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。程序校验 时，需要外部上拉电阻。 P1 口： P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。此外， P1 口 引脚 的 第二功能 。 P2 口： P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时， P2口输出 P2锁存器的内容。 在 flash 编程和
16、校验时， P2口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， p3 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 P3口亦作为 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用 时 ， P3.0 RXD(串行输入口 )； P3.1 TXD(串行输出口 )； P3.2 INTO(外中断 0) ； P3.3 INT1(外中断 1) ； P3.4 TO(定时 /计数器 0) ； P3.5 T1(定时 /计数器 1)； 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 )； 此外， P3口还接收一些用于 FLA
17、SH 闪存编程和程序校验的控制信号。 RST： 复位输入。当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 EA/VPP： 外部访问允许， EA为低 电平 时 （接地） ，允许访问外部程序存储器，如 EA 端为高电平（接 Vcc端）， CPU 则执行内部程序存 储器的指令。 XTAL1： 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 7 XTAL2： 振荡器反相放大器的输出端。 3.1.3 特殊功能寄存器 定时器 0 和定时器 1： 在 AT89S52 中，定时器 0 和定时器 1 的操作与 AT89C51 和AT89C52 一样。 定时器 2 ： 定时器 2 是一个
18、16位定时 /计数器，它既可以做定时器，又可以做事件计数器。其工作方式由 特殊 寄存器 T2CON 和 T2MOD 定时器 2 的控制位和状态位 设置 （如表 1 和表 2 所示） ， 寄存器对 RCAP2H 和 RCAP2L 是定时器 2的捕捉 /自动 重载寄存器 定时器 2 有三种工作模式 (如表 3 所示 )。 表 1 T2CON：定时器 2 的控制位 TF2 EXF2 RLCLK TCLK EXEN2 TR2 C/T2 CP/RL2 7 6 5 4 3 2 1 0 表 2 T2MOND：定时器 2 的状态位 符号 功 能 TF2 定时器 2 溢出标志位。必须软件清 “0” 。 RCLK
19、=1 或 TCLK=1 时， TF2 不 用置位。 EXF2 定时器 2 外部标志位。 EXEN2=1 时， T2EX 上的负跳变而出现捕捉或重载 时，EXF2 会被硬件置位。 EXF2 必须 软件 清 “ 0” 。 RLCLK 串行口接收数据时钟标志位。若 RCLK=1，串行口将使用定时器 2 溢出脉冲作为串行口工作模式 1 和 3 的串口接收时钟； RCLK 0，将使用定时器 1计数溢出作为串口接收时钟。 TCLK 串行口发送数据时钟标志位。若 TCLK=1，串行口将使用定时器 2 溢出脉冲作为串行口工作模式 1 和 3 的串口发送时钟； TCLK 0，将使用定时器 1计数溢出作为串口发送
20、时钟 。 CP/RL2 捕捉 /重载选择标志位。当 EXEN2=1 时 ， CP/RL2 1，会引起捕捉操作；当定时器 2溢出或 EXEN2=1时 T2EX出现负跳变，都会出现自动重载操作。当 RCKL=1或 TCKL 1 时，此标志位无效。 TR2 开始 /停止控制定时器 2。 TR2=1，定时器 2开始工作 。 C/T2 定时器 2 定时 /计数选择标志位。 C/T2 0，定时； C/T2 1，外部事件计数（下降沿触发） 。 EXEN2 定时器 2外部允许标志位。 EXEN2=1 时， 若 定时器 2 没有用作串行时钟， 将引起定时器 2 捕捉和重载。若 EXEN2 0，定时器 2将视 T
21、2EX 端的信号无效 。 8 表 3 定时器 2 的工作模式 RCLK+TCLK CP/RL2 TR2 MODE 0 0 1 16位自动重载 0 1 1 16 位捕捉 1 x 1 波特率发生器 中断寄存器 和 断源 ： AT89S52 有 6个中断源 ， 各中断允许位在 IE寄存器中 ， 两个外部中断（ INT0 和 INT1），三个定时中断（定时器 0、 1、 2）和一个串行中断。 中断允许控制寄存器位功能如表 5 所示， 止所有中断。中断允许控制位 EA 1，允许中断 ；中断允许控制位 EA 0，禁止中断 。 表 5 中断允许控制寄存器位功能 符号 位地址 功 能 EA IE.7 中断总允
22、许控制位。 EA=0，中断 禁止； EA=1， 各中断由各自的控制位设定 IE.6 预留 ET2 IE.5 定时器 2 中断允许控制位 ES IE.4 串行口中断允许控制位 ET1 IE.3 定时器 1 中断允许控制位 EX1 IE.2 外部中断 1允许控制位 ET0 IE.1 定时器 0 中断允许控制位 EX0 IE.0 外部中断 0允许控制位 3.2 控制功能电路原理介绍 3.2.1 时钟振荡电路 AT89S52 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
23、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。 本设计采用 英晶体 ， 电容使用 30PF 10PF， 外部时钟的电路如图3.2 所 示 ： 图 3.2 单片机内部、外部振荡电路 9 3.2.2 复位电路 AT89S5251的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚 RST 通过一个施密特 发器用来抑制噪声，施密特触发器的输出电平由复位电路采 样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。 本设计采用手动 复位， 复位电路如图 3.3 所示。 图 3.3 复位电路 3.2.3 LED 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
24、方式为共阳极， LED 接到单片机的P2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。 LED 显示电路如图 3.4 所示。 图 3.4 LED 显示电路 3.2.4 数码管显示电路设计与原理 歌曲序号显示部分用数码管来显示， LED 显示器件是通过发光二极管显示字段的器件。 数码管有共阴、共阳极两种，本设计采用共阳极数码管，公共段接 VCC，当某个二极管的阴极电压为低电平时，二极管发光。 共阳极数码管的管教配置及内部结构如图 3.4和图 3.5 所示， LED 数码管在电路中的连
25、接 如图 3.6所示。 10 图 3.4LED 数码 管管教配置图 图 3.5 共阳极数码光内部结构图 图 3.6 数码管显示电路 3.2.5蜂鸣器 部分 蜂鸣器的结构原理 ： 压电式蜂鸣器 :压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。 本设计采用 电磁式蜂鸣器 :电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 3.2.6 硬件 电路图及功能 总体硬件电路实现功能如下 ，如图 3.6 所示 1） 电路中用 P3.2、 P3.3、 P3.6、 P3.7 控制按键 。 2） P1.0P1.7 控制数码管 。 3） P3.0 控制蜂鸣器 。 4） P2.0P2.7 控制 8路 LED 灯 5） 电路为 12MHZ 晶振频率工作，起振电路中 C1、 C2 均为 30PF。
