1、陕西理工学院毕业设计基于单片机的音乐盒设计【摘要】本设计是一个基于 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、时钟电路以及蜂鸣器组成。使用两个按键控制音乐盒，一个用来切换歌曲，另一个用来切换 8路 LED 的变化花样，本音乐盒共有两首歌曲，花样灯花样共计 3 种。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 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；AT89C51 单片机；
2、 KEIL； PROTEUS； 音调陕西理工学院毕业设计目 录引言 .11 概述 .21.1 课题意义 .21.2 设计方案 .21.3 研究内容 .22 系统总体方案介绍 .32.1 系统组成框图 .32.2 音乐盒的功能结构图 .32.3 主要设计软件介绍 .32.3.1 PROTEUS 软件简介 .32.3.2 KEIL 简介 .43 硬件设计 .53.1 总体设计框图 .53.2 各部分硬件设计及其原理 .53.2.1 AT89C51 简介 .53.2.2 LED 显示电路设计与原理 .63.2.3 时钟振荡电路 .63.3 硬件电路图及功能 .64 软件设计 .84.1 音调、节拍以
3、及编码的确定方法 .84.1.1 音调的确定 .84.1.2 节拍的确定 .94.1.3 编码 .104.2 软件程序设计 .114.2.1 程序流程图及相应代码块 .114.2.2 程序源代码（见附录 A） .155 调试 .165.1 检查硬件连接 .165.2 检查软件系统 .165.3 测试结果 .165.3.1总体运行图 .165.3.2花样灯 3 种花样图 .176 总 结 .18致谢 .19参考文献 .20科技外文文献 .21中文译文 .24附录 A 程序源代码及注释 .26陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 32 页引言21 世纪，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子
4、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
5、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
6、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。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 32 页1 概述本设计是以 AT89C51 芯片的电路为基础，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
7、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。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
8、，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 AT89C51 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。
9、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。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 32 页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、LE
10、D 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
11、的简介如下：2.3.1 PROTEUS 软件简介陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 32 页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
12、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和 MPLAB 等多种编译器。 2.3.2 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
13、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
14、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。陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 32 页3 硬件设计3.1 总体设计框图图 3.1 总体
15、设计框图3.2 各部分硬件设计及其原理3.2.1 AT89C51 简介AT89C51 是 一 种 带 4K 字 节 闪 存 可 编 程 可 擦 除 只 读 存 储 器 （ FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory） 的 低 电 压 ， 高 性 能 CMOS 8 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
16、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 3.2 AT89C51
17、系列单片机陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 32 页3.2.2 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
18、、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
19、的要求。振荡器电路图如下：图 3.3 单片机内部、外部振荡电路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） P1.0P1.7 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。陕西理工学院毕业设计第 6 页 共 32 页图 3.4 硬件电路图陕西理工学院毕业设计第 7 页 共 32 页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 co
20、unt2 在 14 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 14 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
21、.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，CD、DE、FG、G A、AB两音之间隔着一个黑键，他们之间的距离就是全音；EF、BC 两音之间没有黑键相隔，它们之间的距离就是半音
22、。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（266 Hz）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（294 Hz）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，
23、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，在每次计数 956 次时将 I/O 反相
24、，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 FrN：计算值； Fi：内部计时一次为 1us，故其频率为 1MHz；4） 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
