單片機數(shù)字音樂盒課程設計.doc

課程設計說明書 第I頁 數(shù)字音樂盒的設計 摘 要 隨著人類社會的發(fā)展 人們對視覺 聽覺方面的享受提出了越來越高的要求 小 小的音樂盒可以給人們帶來美好的回憶 提高人們的精神文化享受 傳統(tǒng)音樂盒 多 是機械型的 體積笨重 發(fā)音單調 不能實現(xiàn)批量生產(chǎn) 本設計是一個基于AT89C51 系列單片機的音樂盒 該音樂盒主要由按鍵電路 復位電路 時鐘電路 顯示電路以 及蜂鳴器組成 使用四個按鍵控制音樂盒 其中兩個按鍵用來控制歌曲的播放 暫停 另兩個用來控制液晶上歌曲次序的變化 本音樂盒共有三首歌曲 播放歌曲時 相應 歌曲對應相應數(shù)碼管上歌曲次序及歌名的顯示 關鍵詞 AT89C51 蜂鳴器 LCD 液晶顯示 課程設計說明書 第II頁 目 錄 1 緒論 4 1 1 課題描述 4 1 2 基本工作原理及框圖 4 2 相關芯片及硬件電路設計 4 2 1 AT89C51 芯片 4 2 1 1 AT89C51 的功能特性 5 2 1 2 AT89C51 的主要性能參數(shù) 5 2 2 晶振電路 6 2 3 復位電路 6 2 4 驅動電路 7 2 4 1 蜂鳴器 8 2 4 2 續(xù)流二極管 8 2 4 3 濾波電容 8 2 4 4 三極管 8 2 5 顯示電路 9 2 5 1 線段的顯示 9 2 5 2 字符的顯示 9 2 6 按鍵電路 10 3 系統(tǒng)軟件設計 10 3 1 軟件設計程序流程圖 10 3 2 節(jié)拍的確定 11 3 3 編碼 12 3 4 仿真 12 總 結 15 致 謝 16 課程設計說明書 第III頁 參考文獻 17 附錄 18 課程設計說明書 第1頁 1 緒論 1 1 課題描述 隨著科學技術的進步和社會的發(fā)展 人類所接觸的信息也在不斷增加并且日益復 雜 面對浩如煙海的信息 人們已經(jīng)能夠利用計算機等工具高效準確地對之進行處理 但要想將處理完的信息及時 清晰地傳遞給別人 還必須通過尋求更加卓越的顯示技 術來實現(xiàn) 單片機技術與液晶顯示技術的結合 使信息傳輸交流向著智能可視化方向 迅速發(fā)展 小小的音樂盒可以給人們帶來美好的回憶 提高人們的精神文化享受 傳 統(tǒng)音樂盒是機械型的 體積笨重 發(fā)音單調 不能實現(xiàn)批量生產(chǎn) 本文設計的音樂盒 是以單片機為核心元件的電子式音樂盒 體積小 重量輕 能演奏和旋音樂 功能多 外觀效果多彩 使用方便 并具有一定的商業(yè)價值 1 2 基本工作原理及框圖 本次設計是一個基于AT89C51單片機的音樂盒 該音樂盒主要由按鍵電路 復位電 路 時鐘電路 蜂鳴器以及顯示電路組成 使用其中兩個按鍵來控制播放和暫停另外 兩個按鍵用來控制換曲 利在液晶上顯示曲目的更換 共三首音樂 蜂鳴器每播放一 首歌時液晶上顯示相對應的歌曲次序 系統(tǒng)組成框圖如圖1 AT89C51 單片機 復位電路 LCD1602 蜂鳴器 時鐘電路 按鍵電路 圖 1 基本工作原理框圖 2 相關芯片及硬件電路設計 2 1 AT89C51 芯片 課程設計說明書 第2頁 圖 2 AT89C51 引腳圖 2 1 1 AT89C51 的功能特性 AT89C51提供以下標準功能 4K字節(jié)Flash閃速存儲器 128字節(jié)內部RAM 32個 I O口線 兩個十六位定時 計數(shù)器 一個5向量兩級中斷結構 一個全雙工串行通信口 片內振蕩器及時鐘電路 同時 AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作 并支持兩種軟件 可選的節(jié)電工作模式 空閑方式停止CPU的工作 但允許RAM 定時 計數(shù)器 串行通 信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作 掉電方式保存RAM中的內容 但振蕩器停止工作并禁止其 他所有部件工作直到下一個硬件復位 2 1 2 AT89C51 的主要性能參數(shù) AT89C51主要性能參數(shù)如下 與 MC 51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 K 字節(jié)可編程閃爍 存儲器 壽命 1000 寫 擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間 10 年 全靜態(tài)工作 0Hz 24Hz 三級程序存儲器鎖定 課程設計說明書 第3頁 128 8 位內部 RAM 32 可編程 I O 線 兩個 16 位定時器 計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 2 2 晶振電路 晶體振蕩器 簡稱晶振 它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容 的二端網(wǎng)絡 晶振有一個重要的參數(shù) 那就是負載電容值 選擇與負載電容值相等的 并聯(lián)電容 就可以得到晶振標稱的諧振頻率 晶振在應用具體起到的作用 微控制器 的時鐘源可以分為兩類 一種是皮爾斯振蕩器配置 適用于晶振和陶瓷諧振槽路 另 一種為簡單的分立RC振蕩器 RC振蕩器能夠快速啟動 成本也比較低 但通常在整個 溫度和工作電源電壓范圍內精度較差 會在標稱輸出頻率的5 至50 范圍內變化 震蕩 脈沖頻fosc在0至24MHZ范圍內變化 但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響 圖 3為晶振電路 圖 3 晶振電路 2 3 復位電路 課程設計說明書 第4頁 單片機在啟動時都需要進行復位 以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài) 并從初態(tài)開始工作 51系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內的施密特觸 發(fā)器中的 當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時 且振蕩器穩(wěn)定后 如果RST引腳上有一個高 電平并維持2個機器周期 24個振蕩周期 以上 則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位 單片 機系統(tǒng)的復位方式有 手動按鈕復位和上電復位 圖4為復位電路 圖 4 復位電路 2 4 驅動電路 由于蜂鳴器的工作電流一般比較大 以致于單片機的I O口是無法直接驅動的 但 AVR可以驅動小功率蜂鳴器 所以要利用放大電路來驅動 一般使用三極管來放大電 流就可以了 蜂鳴器驅動電路一般都包含以下幾個部分 一個三極管 一個蜂鳴器 一個續(xù)流 二極管和一個電源濾波電容 圖5為蜂鳴器驅動電路 課程設計說明書 第5頁 圖 5 蜂鳴器驅動電路 2 4 1 蜂鳴器 發(fā)聲元件 在其兩端施加直流電壓 有源蜂鳴器 或者方波 無源蜂鳴器 就可 以發(fā)聲 其主要參數(shù)是外形尺寸 發(fā)聲方向 工作電壓 工作頻率 工作電流 驅動 方式 直流 方波 等 這些都可以根據(jù)需要來選擇 2 4 2 續(xù)流二極管 蜂鳴器本質上是一個感性元件 其電流不能瞬變 因此必須有一個續(xù)流二極管提 供續(xù)流 否則 在蜂鳴器兩端會產(chǎn)生幾十伏的尖峰電壓 可能損壞驅動三極管 并干 擾整個電路系統(tǒng)的其它部分 2 4 3 濾波電容 濾波電容C1的作用是濾波 濾除蜂鳴器電流對其它部分的影響 也可改善電源的 交流阻抗 如果可能 最好是再并聯(lián)一個220uF的電解電容 2 4 4 三極管 三極管 Q1 起開關作用 其基極的高電平使三極管飽和導通 使蜂鳴器發(fā)聲 而 基極低電平則使三極管關閉 蜂鳴器停止發(fā)聲 課程設計說明書 第6頁 2 5 顯示電路 2 5 1 線段的顯示 點陣圖形式液晶由M N個顯示單元組成 假設LCD顯示屏有64行 每行有128列 每8列對應1字節(jié)的8位 即每行由16字節(jié) 共16 8 128個點組成 屏上64 16個顯示單 元與顯示RAM區(qū)1024字節(jié)相對應 每一字節(jié)的內容和顯示屏上相應位置的亮暗對應 例如屏的第一行的亮暗由RAM區(qū)的000H 00FH的16字節(jié)的內容決定 當 000H FFH時 則屏幕的左上角顯示一條短亮線 長度為8個點 當 3FFH FFH時 則屏 幕的右下角顯示一條短亮線 當 000H FFH 001H 00H 002H 00H 00EH 00H 00FH 00H時 則在屏幕的頂部顯示一條由8段亮線和 8條暗線組成的虛線 這就是LCD顯示的基本原理 2 5 2 字符的顯示 用LCD顯示一個字符時比較復雜 因為一個字符由6 8或8 8點陣組成 要找到和 顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區(qū)的8字節(jié) 還要使每字節(jié)的不同位為 1 其 它的為 0 為 1 的點亮 為 0 的不亮 這樣一來就組成某個字符 但由于內 帶字符發(fā)生器的控制器來說 顯示字符就比較簡單了 可以讓控制器工作在文本方式 根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應的地址 設立光標 在此送上該字符對應的代碼即可 圖6為顯示電路 圖 6 顯示電路 課程設計說明書 第7頁 2 6 按鍵電路 P1 0 P1 5 作為控制按鍵 其中 P1 0 P1 1 掃描行 P1 4 P1 5 掃描列 可通過功能 鍵選擇樂曲 暫停 播放 圖 7 為按鍵電路 圖 7 按鍵電路 3 系統(tǒng)軟件設計 總體原理 播放一段音樂需要的是兩個元素 一個是音調 另一個是音符 首先 要了解對應的音調 音調主要由聲音的頻率決定 同時也與聲音強度有關 對一定強 度的純音 音調隨頻率的升降而升降 對一定頻率的純音 低頻純音的音調隨聲強增 加而下降 高頻純音的音調卻隨強度增加而上升 另外 音符的頻率有所不同 基于 上面的內容 這樣就對發(fā)音的原理有了一些初步的了解 音符的發(fā)音主要靠不同的音 頻脈沖 利用單片機的內部定時器 計數(shù)器 0 使其工作在模式 1 定時中斷 然后控 制 P3 引腳的輸出音樂 只要算出某一音頻的周期 1 頻率 然后將此周期除以 2 即為半周期的時間 利用定時器計時這個半周期時間 每當計時到后就將輸出脈沖的 I O 反相 然后重復計時此半周期時間再對 I O 反相 就可在 I O 腳上得到此頻率的脈 沖 3 1 軟件設計程序流程圖 流程圖如圖 8 所示 課程設計說明書 第8頁 開始 初始化界面 K3是否按下K4是否按下 切換上一首切換下一首 K1是否按下K2是否按下 播放音樂 開始計時 停止播放 計時停止 是是 是是 圖 8 程序流程圖 按下電源開關鍵后 整體電路開始運作 電源指示燈發(fā)光 此時 按下連接于 P1 4和P1 5端口的開關按鍵開始選曲 每按一下單片機將依序更換歌曲并在液晶上顯示 歌曲次序及歌名 歌曲次序及歌名將在數(shù)碼管上以文字 1 歌曲名 2 歌曲名 3 歌曲 名 的形式循環(huán)呈現(xiàn) 當開始按下連接于P1 0的開關按鍵后 單片機將依序播放歌曲 按下P1 1開關按鍵后歌曲播放將暫停 3 2 節(jié)拍的確定 課程設計說明書 第9頁 若要構成音樂 光有音調是不夠的 還需要節(jié)拍 讓音樂具有旋律 固定的律動 而且可以調節(jié)各個音的快滿度 節(jié)拍 即Beat 簡單說就是打拍子 就像我們聽音 樂不自主的隨之拍手或跺腳 若1拍實0 5s 則1 4拍為0 125s 至于1拍多少s 并沒有 嚴格規(guī)定 就像人的心跳一樣 大部分人的心跳是每分鐘72下 有些人快一點 有些 人慢一點 只要聽的悅耳就好 音持續(xù)時間的長短即時值 一般用拍數(shù)表示 休止符 表示暫停發(fā)音 一首音樂是由許多不同的音符組成的 而每個音符對應著不同頻率 這樣就可以利用不同的頻率的組合 加以與拍數(shù)對應的延時 構成音樂 了解音樂的 一些基礎知識 我們可知產(chǎn)生不同頻率的音頻脈沖即能產(chǎn)生音樂 對于單片機來說 產(chǎn)生不同頻率的脈沖是非常方便的 利用單片機的定時 計數(shù)器來產(chǎn)生這樣的方波頻率 信號 因此 需要弄清楚音樂中的音符和對應的頻率 以及單片機定時計數(shù)的關系 3 3 編碼 do re mi fa so la si分別編碼為1 7 重音do編為8 重音re編為9 停頓編為0 播放 長度以十六分音符為單位 在本程序中為165ms 一拍即四分音符等于4個十六分音符 編為4 其它的播放時間以此類推 音調作為編碼的高4位 而播放時間作為低4位 如 此音調和節(jié)拍就構成了一個編碼 以0 xff作為曲譜的結束標志 舉例1 音調do 發(fā)音長 度為兩拍 即二分音符 將其編碼為0 x18 舉例2 音調re 發(fā)音長度為半拍 即八分音 符 將其編碼為0 x22歌曲播放的設計 先將歌曲的簡譜進行編碼 儲存在一個數(shù)據(jù)類 型為unsigned char的數(shù)組中 程序從數(shù)組中取出一個數(shù) 然后分離出高4位得到音調 接著找出相應的值賦給定時器0 使之定時操作蜂鳴器 得出相應的音調 接著分離出 該數(shù)的低4位 得到延時時間 接著調用軟件延時 3 4 仿真 課程設計說明書 第10頁 圖 9 仿真初始界面 圖 10 仿真播放第一首 課程設計說明書 第11頁 圖 11 仿真播放第二首 圖 12 仿真播放第三首 課程設計說明書 第12頁 總 結 這次單片機課程設計相對來說 硬件部分是比較簡單的 主要是程序的設計 因 為需要計算頻率和歌曲時間 用了兩個定時器 另一個難點在于對音調和節(jié)拍的理解 對于這個知識點我花了兩天的時間翻閱圖書 最終明白了 對于音調和節(jié)拍的編寫 在大學課堂的學習只是純理論的專業(yè)知識 而我們應該把所學的用到現(xiàn)實生活中去 此次的音樂盒設計給我奠定了一個實踐基礎 我會在以后的學習 生活中磨練自己 使自己適應社會激烈的競爭 通過此次課程設計 卻改變了很多 首先 對于硬件電 路的工作原理有了進一步的學習 同樣就有了進一步的認識 其次 軟件方面 在程 序的設計 程序的調試方面都學到了很多東西 課程設計說明書 第13頁 致 謝 經(jīng)過近一個星期的忙忙碌碌 這次的單片機課程設計已經(jīng)快要接近尾聲了 在這 次的單片機課程設計過程中 無論是在理論學習階段 還是在設計的選題 資料查詢 和撰寫的每一個環(huán)節(jié) 我都得到到了許多人的悉心的指導和幫助 首先 借此機會我 向我們的單片機授課教師及課程設計指導老師表示衷心的感謝 老師的指導和幫助 是我順利完成本次課程設計的基礎和前提 另外 感謝各位同學的幫助和勉勵 同窗 之誼和手足之情 我將終生難忘 我愿在未來的學習和研究過程中 以更加豐厚的成 果來答謝曾經(jīng)關心 幫助和支持過我的所有老師 同學和朋友 課程設計說明書 第14頁 參考文獻 1 何立民 單片機高級教程 M 北京 北京航空航天大學出版社 2001 3 2 趙曉安 MCS 51單片機原理及應用 M 天津 天津大學出版社 2001 3 3 肖洪兵 跟我學用單片機 M 北京 北京航空航天大學出版社 2002 8 4 夏繼強 單片機實驗與實踐教程 M 北京 北京航空航天大學出版社 2001 4 5 于鳳明 單片機原理及接口技術 M 北京 中國輕工業(yè)出版社 1998 5 6 陳偉人 單片微型計算機原理與應用 M 北京 清華大學出版社 2006 5 7 李廣第 單片機基礎 M 北京 北京航空航天大學出版社 1999 3 課程設計說明書 第15頁 附錄 總體電路圖 圖 13 總體電路圖 程序 include include define uchar unsigned char define uint unsigned int uchar m n uchar i timecount 0 timesec 0 timemin 0 timecheck 0 char r0 2 sbit beepIO P3 0 typedef unsigned char BYTE typedef unsigned int WORD typedef bit BOOL sbit rs P2 0 sbit rw P2 1 課程設計說明書 第16頁 sbit ep P2 2 sbit pausekey P1 1 uchar k q f uchar code dis1 1 ji mo sha zhou uchar code dis2 2 tong hua uchar code dis3 3 qian nian lian uchar code T 49 2 0 0 0 xF8 0 x8B 0 xF8 0 xF2 0 xF9 0 x5B 0 xF9 0 xB7 0 xFA 0 x14 0 xFA 0 x66 0 x FA 0 xB9 0 xFB 0 x03 0 xFB 0 x4A 0 xFB 0 x8F 0 xFB 0 xCF 0 xFC 0 x0B 0 xFC 0 x43 0 xFC 0 x78 0 xFC 0 xAB 0 xFC 0 xDB 0 xFD 0 x08 0 xFD 0 x33 0 xFD 0 x5B 0 xFD 0 x81 0 xFD 0 xA5 0 xFD 0 xC7 0 xFD 0 xE7 0 xFE 0 x05 0 xFE 0 x21 0 xFE 0 x3C 0 xFE 0 x55 0 xFE 0 x6D 0 xFE 0 x84 0 xFE 0 x99 0 x FE 0 xAD 0 xFE 0 xC0 0 xFE 0 x02 0 xFE 0 xE3 0 xFE 0 xF3 0 xFF 0 x02 0 xFF 0 x10 0 xFF 0 x1D 0 xFF 0 x2A 0 xFF 0 x36 0 xFF 0 x42 0 xFF 0 x4C 0 x FF 0 x56 0 xFF 0 x60 0 xFF 0 x69 0 xFF 0 x71 0 xFF 0 x79 0 xFF 0 x81 uchar code music1 2 0 4 22 4 22 4 17 4 15 4 15 4 17 12 15 4 15 2 17 2 15 4 13 4 13 4 15 12 0 4 20 4 20 4 20 4 17 4 20 4 20 4 20 4 17 4 22 4 17 4 17 4 15 4 15 4 17 12 22 4 22 4 17 4 15 4 15 4 17 12 15 4 15 2 17 2 15 4 13 4 13 4 15 12 20 4 20 4 20 2 17 2 17 4 20 4 20 4 20 2 17 2 17 2 17 2 24 4 20 4 20 2 17 2 17 4 20 4 22 12 17 4 22 4 25 4 25 4 17 4 22 4 25 8 24 4 22 2 24 2 22 4 20 4 15 4 17 12 15 4 15 4 15 4 10 4 15 4 17 4 20 8 17 4 24 4 24 4 20 4 15 4 17 12 17 4 22 4 25 4 25 4 17 4 22 4 25 8 29 4 27 2 29 2 27 4 25 4 25 4 27 12 29 4 29 2 27 4 25 4 27 6 27 2 25 4 24 4 20 4 20 2 17 2 20 4 20 2 22 2 22 16 0 xFF 0 xFF uchar code music2 2 0 4 16 6 19 2 19 6 16 2 14 6 0 10 16 6 19 2 19 6 16 2 14 8 0 8 26 8 21 6 24 2 23 6 21 2 19 8 21 16 0 8 16 6 19 2 19 6 16 2 14 8 0 8 26 8 21 6 23 2 21 14 24 6 23 2 21 6 19 2 16 6 14 2 13 8 14 16 0 4 19 6 19 2 21 6 21 2 23 8 21 4 0 4 19 6 19 2 16 6 19 2 16 8 1 4 6 0 4 19 6 19 2 21 6 21 2 23 8 21 4 0 4 19 6 19 2 16 6 19 2 16 8 1 4 6 0 4 26 16 21 4 26 4 21 4 26 16 21 4 26 16 0 4 課程設計說明書 第17頁 16 8 16 8 14 8 16 8 21 4 26 4 21 4 26 4 0 8 16 8 16 8 14 8 1 6 8 21 4 26 4 21 4 26 4 0 8 19 8 19 6 21 2 16 8 0 8 19 6 21 2 19 6 21 2 16 8 0 8 21 8 26 8 21 4 24 12 23 6 21 2 19 8 21 16 14 4 21 4 14 4 19 4 16 6 14 2 13 8 14 16 0 xFF 0 xFF uchar code music3 2 0 4 27 4 19 4 19 4 27 4 26 4 26 2 27 2 24 8 22 4 17 4 24 4 22 4 19 16 15 4 12 4 12 4 15 4 17 8 19 8 26 6 26 2 26 4 24 4 24 4 19 4 19 8 27 4 19 4 19 4 27 4 26 4 26 2 27 2 24 6 24 2 22 4 17 4 24 4 22 4 19 16 15 4 12 4 12 4 15 4 17 8 19 8 19 6 19 2 19 4 17 4 14 4 14 4 14 4 7 4 12 24 0 xFF 0 xFF uchar timetable 00 00 void delay uchar p uchar i j for p 0 p for i 181 i 0 i for j 181 j 0 j BOOL lcd bz BOOL result rs 0 rw 1 ep 1 nop nop nop nop result BOOL P0 ep 0 return result void lcd wcmd BYTE cmd while lcd bz rs 0 rw 0 ep 0 課程設計說明書 第18頁 nop nop P0 cmd nop nop nop nop ep 1 nop nop nop nop ep 0 void lcd pos BYTE pos lcd wcmd pos 0 x80 void lcd wdat BYTE dat while lcd bz rs 1 rw 0 ep 0 P0 dat nop nop nop nop ep 1 nop nop nop nop ep 0 void lcd init lcd wcmd 0 x38 delay 1 lcd wcmd 0 x0c 課程設計說明書 第19頁 delay 1 lcd wcmd 0 x06 delay 1 lcd wcmd 0 x01 delay 1 void pause uchar i j for i 150 i 0 i for j 150 j 0 j void timecount init interrupt 3 TH1 65535 45872 256 TL1 65535 45872 256 timecount if timecount 20 timesec timecount 0 if timesec 60 timesec 0 timemin void adfa interrupt 0 timesec 0 timemin 0 r0 delay 5 if r0 11 r0 11 void adfii interrupt 2 if pausekey 0 beepIO 0 while pausekey 0 while pausekey 1 while pausekey 0 課程設計說明書 第20頁 delay 8 else timesec 0 timemin 0 r0 delay 5 if r0 0 r0 1 void T0 int interrupt 1 beepIO beepIO TH0 T m 0 TL0 T m 1 void zhuanhuan timetable 3 timesec 10 0 timetable 4 timesec 10 0 timetable 2 tim