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单片机音乐盒论文

时间:2011-05-28


桂林电子科技大学课程设计(论文)报告用纸

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引言
随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展,单片机的应用越来越广泛, 并逐渐发展成为一门关键的技术科学。单片机具有一些突出的优点:体积小、重量轻、 耗电少、电源单一、功能强、价格低、运行速度快、抗干扰能力强、可用性高,所以在 通信,家电,工业控制,仪器仪表,汽车等产品中都可以看到单片机的身影。目前国内 单片机的应用仍以 MCS-51 系列为主。 本音乐盒是以 AT89C51 芯片的电路为基础,外加上三极管的放大,放音设备,以 此来实现音乐硬件控制器的硬件电路, 通过软件程序来控制单片机内部的定时器使其播 放出优美的音乐。 用户可以按照自己的喜好选择音乐并将其转换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, 为广大单片机和音乐爱好者提供了很好的借鉴。 自上世纪 90 年代,嵌入式技术已经成为通信和消费类电子产品的共同发展方向。 移动通信终端是集成移动通信功能的嵌入式系统产品,是一个软件和硬件有效综合、集 成的系统。 21 世纪是知识经济时代。 其中以电子技术的发展最为迅速, 以电子产品为介质的 通讯和应用更是日新月异,不短飙升。实际型的应用技术越来越向着顶端发展,更新周 期不断缩短。在人才竞争的当今社会,选择有着实际技术型的人才已经是用人单位首先 考虑的因素。为此,学校开展了电子课程技术的设计,目的在于提高和加强学生的实践 技能,为就业奠定基础。电子课程设计是配合电子技术基础的课程与实验教学的一个非 常重要的教学环节。它能巩固电子技术的理论知识,提高电子电路的设计水平,加强综 合分析 和解决问题的能力,进一步培养学生的实验技能和动手能力,启发学生的创新 意识和创新思维。这将对我们毕业以后从事电子方面的工作有很大的帮助。
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1 实训要求和目的
1.1 实训要求 本设计要求采用单片机技术设计音乐盒,实现《唯一》的播放,并具有播放暂停的 功能。 1.2 实训目的 本设计的目的是为提高自己的实际动手能力以及对单片机应用原理和相关知识有 更为深刻的理解。
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2

方案设计和选择
根据本次设计的要求,方案的选择应力求实用性强,性价比高,使用简单,定位为

入门级的产品。 2.1 设计音乐盒的原理 利用单片机来控制音乐的输入,利用程序来控制单片机某个口线不断的输出“高” “低”电平,则在该口线就能产生一定频率的方波,将该方波接上喇叭就能发出一定频 率的声音,还同时利用单片机的定时\计数器 T0 来产生这样方波频率信号,因此,最终 转换成音阶对应的频率正确关系。 利用 I/O 口产生一定频率的方波,驱动蜂鸣器,发出不同的音调,其中发音部分采 用 PNP8550 三极管驱动蜂鸣器,由蜂鸣器放出音乐。其中低电平有效。 用 P3.2 来控制音乐的播放或者暂停。 电路中所用的晶振为 12M 赫兹,两个电容叫负载电 容。一般单片机的晶振工作于并联谐振状态,也可以理解为谐振电容的一部分。 它是根据晶振厂家提供的晶振要求负载电容选值的,换句话说,晶振的频率就是在它提 供的负载电容下测得的,能最大限度的保证频率值的误差。也能保证温漂等误差。 两个电容的取值都是相同的, 或者说相差不大, 如果相差太大, 容易造成谐振的不平衡, 容易造成停振或者干脆不起振。 晶振与两个 30P 的电容并联接在 18、19 脚,起到微调起振的作。 2.2 放音设备的选择与分析 放音设备可以选用三极管驱动蜂鸣器来实现, 也可以选用 LM386 驱动蜂鸣器来实现。 在选择放音设备的过程中发现, 选用三极管驱动蜂鸣器所播放的声音声音更为清晰与响 亮。


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三极管驱动蜂鸣器发声的原理图:

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三极管驱动蜂鸣器分析: 如上图所示,蜂鸣器的正极接到 VCC(+5V)电源上面,蜂鸣器的负极接到三极管的 发射极 E, 三极管的基极 B 经过限流电阻 R1 后由单片机的 P2.3 引脚控制, P2.3 输出 当 高电平时,三极管截止,没有电流流过线圈,蜂鸣器不发声;当 P2.3 输出低电平时, 三极管导通,这样蜂鸣器的电流形成回路,发出声音。因此,我们可以通过控制 P2.3 的电平来使蜂鸣器发出声音。 程序中改变单片机 P2.3 引脚输出的频率,就可以调整控制蜂鸣器音调,产生各种 不同音色、音调的声音。另外,改变 P2.3 输出的高低电平占空比,则可以控制蜂鸣器 的声音大小,这些可以通过编程序实验来验证。 LM386 驱动蜂鸣器原理图:


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LM386 芯片的介绍: LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器, 主要用于低电压消费类产 品。为使外围原件最少,电压增益内置为 20。但是在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻 和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同 mW 使得 LM386 特别适用于电池供电的场合。LM386 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 引脚 2 为反相输入端,引脚 3 为同向输入端。电路由单电源供电,故为 OTL 电路。 输出端(引脚五)应外接输出电容后再接负载。 LM386 的引脚介绍:引脚 2 为反相输入端,3 为同相输入端;引脚 5 为输出端; 引脚 6 和 4 分别为电源和地;引脚 1 和 8 为电压增益设定端;使用时在引脚 7 和地之间 接旁路电容,通常取 10UF。 这里 LM386 所起的作用是音频功率放大。 但这次的设计我不采用 LM386 音频放大。 因为要获得清晰的输出音量, 必须保证供电是标准的 12V 或者是 9V, 因为它的极限电压 是 15V,所要用的电压较高,而且 LM386 的输出功率不是很大,所以输入的幅度不能太 大。这样对于这次的设计就要有一定限制,若输出功率不够大,只能听到嗡嗡的声音。 所以选用了三极管来驱动蜂鸣器。 2.3 控制电路的选择 音乐盒输出优美的音乐需要有一个控制中心来控制音调的高低以及音乐的暂停 或者播放。该设计中可以选用单片机来作为控制中心。 单片机控制中心的原理图:
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原理: (1)时钟电路:用石英晶体振荡产生单片机工作时所必需的时钟信号。振荡器采 用 12M 晶振,使之机器周期 Tcy=1us,方便发音程序的计算和编译。 (2)复位电路:由复位按键使单片机的 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的 初始状态,并从这个状态开始工作。 (3)按键电路:有外部中断输入和定时/计数器的外部输入都是低电平有效,可 以和复位电路相视,只要将复位电路中的电容去掉即可。 3
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单片机的选择
单片机我选择了芯片 AT89S52,它是一种低功耗,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含

8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储 器,8K 的程序存储器足以应付复杂的程序,而且支持电脑直接下载。 3.1 单片机 AT89S52 单片机一词最初源于“Single-Chip Microcomputer”,简称“SCM”。单片机也叫 做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。它不是完成某一个逻辑功能的芯片(芯片也 称为集成电路块,它是 1958 年 9 月 12 日,在 Robert Noyce 的领导下,科研小组发明 集成电路后开始出现的一个名称),而是把一个微型计算机系统集成到一个芯片上。概 括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便宜,为学习、应用和 开发提供了便利条件。近年来,微处理器已广泛应用于多种领域,尤其是在智能仪器仪 表中的应用更是如此, 这不仅引起了产品本身的变革, 也深深地影响设计的理念的变革。 智能仪器仪表作为一种智能系统, 其核心在于微处理器。 基于微处理器的智能系统设计, 已成为目前电子设计领域的一个热点。 智能系统是一个复杂的系统, 一般包含微处理器、 按键与显示人机界面、A/D 转换、D/A 转换等基本功能部件,同时也包含与应用领域相 关的其他特殊部件。智能系统一般需要在恶劣的环境下长期连续地工作,因此在满足功 能的基础上,其可靠性也是设计时需要考虑的一个方面,目前已经普遍应用于通信、雷 达、遥控和自动控制等各个领域中。在本次毕业设计中我选用的是 AT89S52 单片机。 AT89S52 是一个低功耗,高性能 CMOS 8 位单片机,片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器, 器件采用 ATMEL 公司的 高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构,芯片 内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元, 功能强大的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。


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3.2 一般说明 AT89S52 具有如下特点:40 个引脚,8k Bytes Flash 片内程序存储器,256 bytes 的随机存取数据存储器(RAM),32 个外部双向输入/输出(I/O)口,5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断,2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口,看门狗(WDT) 电路,片内时钟振荡器。 AT89S52 的数据存储包括 256 字节的内部 RAM,特殊功能寄存器(SFR),2K 字节的 片内 EEPROM 和可扩展至 64K 的外部数据存储器。 此外,AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲 模式下,CPU 暂停工作,而 RAM 定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模 式冻结振荡器而保存 RAM 的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时 该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式,以适应不同产品的需求。 4
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音频发声
(1)要生产音频脉冲,只要算出某一音频的周期(1/频率),然后将此周期除以 2,

即为半周期时间, 每当计时到最后就将输出脉冲的 I/O 口反相, 然后重复计时此半周期, 再对 I/O 口反相,就可在 I/O 脚上得到此频率脉冲。 (2)利用单片机内部定时器使用其工作在计数器模式 MODE1 下,改变计数值 THO 及 TLO 以产生不同频率的方法。 (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 口反相,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/Fr N: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,求低音 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 中音 DO 的 T=65536-500000/523=64580 高音 DO 的 T=65536-500000/1047=65059 (5)C 调格音符频率与计数值 T 的对照表如下。


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4.1 节拍的确定 每个音符使用 1 个字节,字节的高 4 位代表音符的高低,低四位代表音符的节拍, 表 4.2 为节拍与节拍码的对照,如果 1 拍为 0.4 秒,1/4 拍是 0.1 秒,只要设定掩饰时 间就可求得节拍的时间。假设 1/4 拍为 1DELAY,则 1 为拍为 4DELAY,以此类推,所以只 要求得 1/4 拍的 DELAY 时间 (1/4 拍的延迟时间=187 毫秒) 其余的节拍就是它的倍数, , 下表为 1/4 和 1/8 节拍的时间设定。 4.2 编码 建立音乐的步骤 (1) 先把乐谱的音符找出,然后建立 T 值表的顺序。 (2) 把 T 值建立在 TABLEI,构成发音符的计数值放在“TABLE”。 (3) 简谱码(音符)为高位,节拍为(节拍数)为低 4 位,音符节拍码放在程序 “TABLE”处。


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简谱对应的简谱码 T 值节拍数

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5.0 程序调试中出现的问题及解决的方法
(1)程序一点错误也没有,但就是不能正常运行的现象,最后我发现是程序 中有指令书写得不规范导致的, 例如有的 RET 返回指令一定要按正确格式书写或在两行 指令间最好不要留空行。 (2)在编程时要注意,在程序开始时,要写入各定时器中断的入口地址。 (3)编写程序时要注意加注释或分割线,否则,在程序过长时容易变得很乱, 不便于查找或更正。 (4)程序的结构要设计的合理,避免上下乱调用现象,这样会使程序更加清 晰化。 (5)编程前要加流程图,这样会使思路清晰。 (6)当音乐为全 4 拍起时,此时音乐节奏与定时器 T1 中断频率错开,这样音 乐播放会更好。 (7)另外,在歌曲中,当遇到一个音符发音为 4 拍,在编曲中为*CH,拖音时 间较长,定时器 T1 此时来中断时,就会对歌曲播放产生影响,若为发音一拍,歌曲播 放影响减弱,但音乐效果更差。

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结论
通过这次实训,我最大的收获是自己动手做出一个东西,结果对于我来说已经 不是最重要的了,因为这完全是由自己动手做出来的作品,本次实训所涉及的内容大部 分都是以前或现在接触的。但无论是软件还是硬件仍需要改进的地方,也有许多可以扩 展的地方。这次实训感受很深刻,总结起来可以有以下几个方面: 以前的学习多于重于理论方面,而且知识面不够广,通过这次实训,使我第一
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次全面的回顾与应用了这学期所学到的单片机的知识,以及模拟电路、数字电路、编程 等。从中我还体会到了所学理论知识的重要性,知识掌握得越多,设计得越全面、更顺 利、更完美。还学会了怎样查阅资料和利用工具书。在实训过程中有一些不曾学过的知 识,就要有针对性的去查找资料。 通过这次实训,大致了解对设计进行系统研究、设计及制作的全过程。这些认 识使我在将来的工作和学习当中会有很大的帮助。再往后加以吸收利用,以提高自己的 应用能力,而且还能增长自己见识补充最新的知识。实训培养了严肃认真和实事求是的 科学态度,而且培养了吃苦耐劳的精神及严谨的作风,提高了沟通能力,这些都对于我 以后有非常大的帮助。


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(音乐盒完整电路原理图)

附录 1





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附录 2
(音乐盒的程序) /*12Mhz 晶振工作*/
/*12Mhz 晶振工作*/ #include <reg51.h> #define uint unsigned int #define uchar unsigned char -----------------------------sbit ms=P2^3; sbit key=1; //暂停位

uchar code num[]={0x26,0x20,0x20,0x20,0x1c,0x20,0x20,0x20,0x1c,0x20,0x19,0x20,0x1c,0x20, 0x26,0x20,0x20,0x40,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x24,0x20,0x24,0x30, 0x20,0x10,0x24,0x20,0x26,0x20,0x2b,0x10,0x30,0x30,0x26,0xc0,0x24,0x20, 0x24,0x20,0x24,0x20,0x26,0x20,0x2b,0x20,0x30,0x20,0x26,0x80,0x30,0x20, 0x2b,0x20,0x30,0x20,0x26,0x20,0x2b,0x40,0x26,0x20,0x2b,0x20,0x30,0x20, 0x2b,0xc0,0x26,0x20,0x20,0x20,0x1c,0x20,0x20,0x20,0x1c,0x20,0x19,0x20, 0x1c,0x20,0x26,0x20,0x20,0x40,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x20,0x24,0x20, 0x24,0x30,0x20,0x10,0x24,0x20,0x26,0x20,0x2b,0x20,0x30,0x20,0x26,0x40, 0x24,0x20,0x24,0x20,0x24,0x20,0x26,0x20,0x2b,0x20,0x30,0x20,0x26,0x20,


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0x20,0x40,0x18,0x20,0x18,0x20,0x15,0x20,0x13,0x20,0x15,0x10,0x18,0x10, 0x1c,0x30,0x1c,0x10,0x13,0x20,0x15,0x20,0x18,0x20,0x15,0x60,0x18,0x20, 0x18,0x20,0x18,0x20,0x10,0x20,0x18,0x20,0x15,0x20,0x13,0x40,0x19,0x20, 0x19,0x20,0x19,0x20,0x20,0x20,0x19,0x20,0x18,0x20,0x15,0x40,0x13,0x20, 0x13,0x20,0x12,0x20,0x13,0x20,0x18,0x20,0x15,0x20,0x18,0x20,0x18,0x20, 0x18,0x20,0x20,0x20,0x18,0x20,0x15,0x20,0x13,0x40,0x19,0x20,0x19,0x20, 0x19,0x20,0x20,0x20,0x19,0x20,0x18,0x20,0x15,0x20,0x13,0x20,0x18,0x40, 0x1c,0x40,0x20,0x10,0x12,0x20,0x13,0x20,0x18,0x20,0x1c,0x10,0x20,0x10, 0x20,0x40,0x13,0x40,0x15,0x40,0x18,0x20,0x18,0x20,0x18,0x20,0x18,0x20, 0x19,0x20,0x18,0x20,0x20,0x20,0x26,0x20,0x1c,0x80,0x13,0x40,0x15,0x40, 0x18,0x20,0x18,0x20,0x18,0x20,0x18,0x20,0x19,0x20,0x18,0x20,0x20,0x40, 0x24,0x20,0x1c,0xc0,0x00, }; Uchar ps=0, jp; Delay(yj); /*************************************************************************************

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桂林电子科技大学课程设计(论文)报告用纸 程序功能:主函数,执行音乐的播放和暂停功能 *************************************************************************************/ void main(void) { uint dpjs=0; uchar yj; TMOD=0x01,IE=0x82; -----------------------------TH0=0xc8, TL0=0xef; TR0=1; EX0=1;IT0=1; while(1) { while(key) { zdjs=0; dpjs++; yj=num[dpjs]; //取音节码 dpjs++; jp=num[dpjs]; //取音节拍码 while(ps!=jp) { if(yj!=0xff) { if(yj!=0) { speaker=!speaker; del(yj); } else { dpjs=0; break; } } else { speaker=0; //暂停控制

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桂林电子科技大学课程设计(论文)报告用纸 del(jp); } } } } } /************************************************************************************* -----------------------------程序功能: *************************************************************************************/ void time0() interrupt 1 using 1 { TH0=0xc8; TL0=0xef; zdjs++; } /********************************************************************************** 程序功能: 延时 **********************************************************************************/ del(yj) { uchar yj2=18; while(yj!=0) { while(yj2!=0) { yj2--; } yj2=18; yj--; }

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---------------------------------}

/********************************************************************************** 程序功能: 外部中断零用于按键暂停控制 **********************************************************************************/

桂林电子科技大学课程设计(论文)报告用纸 void int0(void) interrupt 0 using 3

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{

flat=~flat; }





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谢辞
感谢这次实训给我机会锻炼并利用所学到的知识。感谢同学对我的帮助,让我到了 很大的开阔,从中认识到了自己存在的不足,并且学到了很多非常宝贵的知识。他们严 谨的治学态度和踏实的工作作风也给我留下了非常深刻的印象, 我不仅学到了研究的方 法,更令我明白了一个很重要的道理:做学问应以科学严谨的态度,脚踏实地一步一个 脚印地认真去做, 切不可好高鹜远急躁冒进, 这些都使我受益匪浅, 也极大的激励了我, 使我能在紧张的时间里完成我的实训并达到设计的要求。 再次再次感谢在这次实训给以我帮助的老师和同学,谢谢你们!
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参考文献
[1] 林春方.数电电子技术.北京:高等教育出版社,2007.6 [2]张秀国.单片机 C 语言程序设计教程与实训.北京:北京大学出版社,2008.6


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[3]江思敏.姚鹏翼.PADS 电路原理图和 PCB 设计.北京:机械工业出版社,2007.9 [4]王连英.模拟电子技术.北京:高等教育出版社,2008.1

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