八音盒播放器系统设计

合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 本科生毕业论文（设计） 题目： 八音盒播放器系统设计八音盒播放器系统设计 学 院 电信学院 学科门类 工科 专 业 电气工程 学 号 1108441012 姓 名 周如跃 指导教师 徐小丽 助教 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 年 月 日 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 摘摘 要要 随着电子技术和计算机技术的飞速发展，单片机功能不断完善，性价比价格比显 著提高，技术日趋完善。由于单片机具有体积小，价格便宜，功耗低，控制功能强及 运算速度快等特点，因而在国民经济建设，军事及家电器件等各个领域均有广泛的应 用。 本文介绍了一种基于单片机的电子音乐盒的设计，它是以 STC89C52 单片机为控 制核心，辅以一些外围器件，采用 C 语言编写程序，内置多首电子音乐曲目，实现基 于单片机的电子音乐盒设计。 整个系统电路结构简单，可靠性能高，测试结果满足设计要求。本文着重介绍了 该系统的设计原理，硬件设计方法与软件编程思路。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。 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。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，能演奏和弦音乐，外观效果多彩，使用方便，并具有一定 的商业价值。 本设计以单片机 STC89C52 最小系统为核心设计，配合各种外设，最终构成了基 于单片机的电子音乐盒设计。在发音硬件的选择，摒弃了蜂鸣器，而采用了功放 LM386 加扬声器的组合，音质比单纯采用蜂鸣器好很多。功能键盘则采用普通的轻触 按键开关，通过单片机 P3 口控制采集按键的状态，实现歌曲的切换和暂停等功能。数 码管采用 1 位共阳极数码管，通过单片机 P0 口控制，实现歌曲播放序号的显示。 本设计的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，通过 功放驱动扬声器放出声音，同时有数码管显示当前播放歌曲的序号。 关键词关键词：单片机 音乐盒 STC89C52 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） ABSTRACT In twenty-first Century, the electronic technology has obtained the rapid development, under its impetus, the modern electronic products penetrated almost every field of the society, a strong impetus to the development of social productive forces and the social informationization degree is improved, simultaneously also makes the modern electronic products to further improve the performance, product upgrading have become increasingly fast pace. With the development of human society, put forward more and more requirements of people to enjoy visual and auditory aspects. Small music box can bring good memories and improve peoples spiritual and cultural enjoyment. Traditional music box is the mechanical type, bulky monotonous, pronunciation. The music box is designed in this paper is electronic music box, single-chip microcomputer as the core element has the advantages of small volume, light weight, can play the chord music, colorful appearance, convenient use, and has a certain commercial value. This design is based on the MCU STC89C52 minimum system design as the core, with a variety of peripherals, eventually form the design of electronic music box based on mcu. In sound hardware selection, abandoned the buzzer, and adopts a composite amplifier LM386 plus a horn, sound a lot better than the pure buzzer. Functional keyboard using the touch button switch normal, through the P3 port of the SCM control acquisition button state, achieve the song switching and pause functions. Digital tube uses 1 common anode led, controlled by the SCM P0 port, to achieve the display song playing sequence number. The main work process of this design is achieved by pressing the function key of a song and the next song and pause, through a power amplifier driving the horn off sound, while the digital tube display the currently playing song number. Key words: Single chip microcomputer Music box STC89C52 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 目目 录录 ABSTRACT.II 绪论.1 1.1 研究背景1 1.2 研究意义2 1.3 研究目的2 2 音乐相关的知识.3 2.1 音乐的基本知识说明3 2.2 音调3 2.3 节拍4 3 总体设计.4 3.1 设计目的4 3.2 设计要求5 3.3 设计方案5 4 系统硬件电路设计.6 4.1 整体方案设计6 4.1.1 系统概述.6 4.1.2 系统框图.6 4.2 单片机最小系统电路7 4.3 LM386 功放电路介绍8 4.3.1 LM386 芯片.8 4.3.2 LM386 内部原理图.8 4.3.3 LM386 引脚图.9 4.3.4 扬声器驱动电路图.9 4.4 数码管显示电路10 4.4.1 数码管简介.10 4.4.2 数码管驱动方式的分类.11 4.4.3 数码管驱动电路.11 4.5 按键输入模块12 5 软件设计.13 5.1 程序语言及开发环境13 5.2 总体程序设计13 5.3 单片机实现节拍15 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 5.4 单片机产生音频脉冲15 6 调试与仿真.16 6.1 软件调试.16 6.2 仿真调试.17 6.3 硬件调试.19 7 总结.21 鸣 谢.22 参考文献.23 附录 A：系统原理图.24 附录 B：PCB 图 25 附录 C：源程序.26 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 绪论绪论 1.1 研究背景研究背景 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。利用单片机控制音 乐播放举不胜举，而利用单片机存储音乐，控制播放最为广泛。他具有功能多、价格 优惠、外围电路简单等特点。很受音乐爱好者以及音乐芯片制造商的青睐。 1796 年，瑞士人安托法布尔开发了圆筒型八音盒，这是世界上最古老的八音盒。 据悉，这个世界上最古老的八音盒为日本“京都岚山八音盒博物馆”所藏，仅在上海 公开展示 1 年。诞生于 1796 年的八音盒如此小巧，仅 10 厘米左右的高度。它由钟表 匠安托法布尔发明制作，其实是一只非常实用、豪华的纯金图章，只是在其底部内 藏八音盒。当人们转动图章上部的环上发条，台座上的开关便开始演奏。安托法布 尔的发明是利用“圆筒装置和调好旋律的金属梳齿通过金属片弹拨来演奏音乐的”。 八音盒由于在制作上要求技艺精湛，在十八、十九世纪价格相当昂贵，仅在贵族中流 传，一般百姓望洋兴叹。八音盒有种多样，最常见的是有圆片型八音盒：圆盘旋转， 在圆盘后面的突起部分使爪轮转动，通过爪轮拨动梳齿演奏音乐，只要更换片子就可 换曲子。圆筒型八音盒：圆筒旋转，通过安装在圆筒上的针拨动梳齿演奏音乐。世界 上最古老的八音盒就是按此原理制作的。 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。本文设计的音乐盒是以单片机为核心元件的电子式 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 音乐盒，体积小，重量轻，能演奏和弦音乐，外观效果多彩，使用方便，并具有一定 的商业价值。 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 1.2 研究意义研究意义 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，可以追溯到 14 世纪初期，当时发明的是挂在教堂 钟楼上的挂灯，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。这种用发条装置来演奏的乐器，能发出清脆如水 晶般的乐声，一度风靡荷兰、比利时和法国北部。1811 年以来，瑞士曾经是这项技艺 的中心，它和瑞士钟表工业一样，两者相辅相成，一段时间内各领风骚，称霸全球。 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。现在，音乐盒的制 造，延袭传统并结合现在，正在日益成为人们典藏的一段岁月，收藏的一份情感，还 念旧时代，美化居室的最佳选择，得到众多品位人士的追求。 音乐盒分为 18 音、30 音和 50 音，这些是代表音乐盒机芯的音数，其实，也就是 机芯里面那一排钢条的数量，钢条的数量越多也就是音数越高，演奏出来的音色就越 丰富，曲子也就越也好听。同时，曲子的播放时间也就相对长一些。一百情况下，18 音的曲子为 25 秒左右，30 音的为 35 秒左右，50 音的差不多有 60 秒。目前来说，一 般市面上出售的“爱丽丝”都是 18 音的，当然也有 30 音的和 50 音的。 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。 1.3 研究目的研究目的 音乐盒 300 多年的产品发展，同时也是人类文明 300 多年发展的历史鉴证。每个 不同时期的音乐盒造型，都能折射出当时不同的社会心态和文明发展现状，它也成了 时代的一面镜子。 历史上八音盒一直是音乐工艺品中的贵族，从 18 世纪诞生以来，精湛的工艺要求 使得它的价格一直居高不下。19 世纪后，可以换片的点唱式八音盒开始出现在人群聚 集的车站及酒吧，但其价格仍然为一般老百姓难以承受。直到留声机问世之前，八音 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 盒一直都是平民阶层难以企及的梦想。“留声机问世后，八音盒的历史一度终结。正 因为它们一直被贵族收藏，因而能在市场里流传的数量实在有。”谈及守护八音盒的 辛苦，山田晴美很“无奈”：“对于这些不可再生和复制的古董来说，放弃它就意味 着世界上从此又缺少了一件美妙的乐器。 还有一种叫“摇摇乐”的音乐玩具。其实就是一种手摇驱动的打孔式八音琴，根 据纸带上疏密有致的孔位奏乐。购买时商家还提供空白纸带，孩子自己在上面打孔 “谱曲”，就可以“摇”出自创的曲子，自得其乐。据悉，类似的音乐玩具在日本作 为寓教于乐的成功典范，还被编入了小学教学大纲。 1992 年中国第一台具有知识产权的八音琴在中国宁波韵升诞生，标志着中国全方 位地参与全球音乐琴这块巨大蛋糕市场竞争，韵升对八音琴的制造技术进行了更多的 技术更新，取得了多个国家和地区 50 余项发明专利，这使得八音琴无论在音质、音量、 谱曲和外观设计等方面都有了更大的改进。韵升八音琴已占据全球八音琴市场半壁江 山，居全球第一位。本人也是出于对音乐的疯狂和对八音盒独有的感情，本次毕业设 计选择八音盒系统的设计。当然，也想借此对八音盒有一个系统的了解与认识，如果 有可能的话，希望在此方面能有一点小小的造诣。 2 音乐相关的知识音乐相关的知识 2.1 音乐的基本知识说明音乐的基本知识说明 声音是由物体振动产生，正在发声的物体叫声源。振动的频率越高，则音调越音； 反之，振动的频率越低，则音调越低。人耳比较容易辨识的声音频率范围是 20Hz 到 20000Hz 之间，一般音响电路是用正弦波信号驱动扬声器，从而产生悦耳的音乐。在数 字电路里，则是用数字脉冲信号信号驱动扬声器，从而产生声音。如果声音的频率相 同，人类耳朵很难区分哪个是脉冲信号产生的声音，哪个是正弦波信号产生的声音。 2.2 音调音调 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、GA、AB 两音之间隔着一个 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 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。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。 2.3 节拍节拍 若要构成音乐，光有音调是不够的，还需要节拍，让音乐具有旋律（固定的律动） ，而且可以调节各个音的快满度。“节拍”,即 Beat，简单说就是打拍子，就像我们听 音乐不自主的随之拍手或跺脚。若 1 拍为 0.5s，则 1/4 拍为 0.125s。至于 1 拍多少 s， 并没有严格规定，就像人的心跳一样，大部分人的心跳是每分钟 72 下，有些人快一点， 有些人慢一点，只要听的悦耳就好。音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示。休 止符表示暂停发音。 一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同频率，这样就可以 利用不同的频率的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐。了解音乐的一些基础知 识，我们可知产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐。对于单片机来说，产生不同频 率的脉冲是非常方便的，利用单片机的定时/计数器来产生这样的方波频率信号。因此， 需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系。 3 总体设计总体设计 3.1 设计目的设计目的 （1）通过设计，查阅相关资料，掌握如何利用单片机设计产品，同时了解与单片 机有关的软件模拟器的使用及取字模块软件的使用方法。 （2）通过本课程设计巩固并扩展单片机课程的基本概念、基本理论、分析方法和 实现方法。结合 Proteus 和 Keil 软件等，学习单片机产品的设计方法，有效地将理论和 实际紧密结合，培养创新思维和设计能力，增强软件编程实现能力和解决实际问题的 能力。 （3）学习 Proteus 软件，掌握 Proteus 中各种芯片的功能以及模拟。由于 Proteus 合肥师范学院 2015 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首乐曲。若要增加更多的乐曲，在存储空间许可的情况下(可直接换 用 64k 的 STC89C516)，只要照所附的编码表将简谱转化为相应的代码附着在乐曲数据 表中即可。 4 系统硬件电路系统硬件电路设计设计 4.1 整体方案设计整体方案设计 4.1.1 系统概述系统概述 整个系统以 STC89C52 单片机为核心器件，配合配合电阻电容晶振等器件，构成 单片机的最小系统。其它个模块围绕着单片机最小系统展开。其中包括，LM386 功放 模块，用来驱动扬声器发音，进行音乐的播放；显示模块，采用 1 位共阳数码管显示 模块，负责显示当前播放的歌曲序号；按键模块，主要是进行歌曲的切换以及暂停开 始等功能的实现；最后一个是电源模块，采用 5V 的 USB 供电，可采用手机充电器、 电脑 USB 口、移动电源等设备进行供电。 4.1.2 系统框图系统框图 本系统采用 STC89C52 单片机为主控芯片，对外围电路进行控制，包括电源模块、 数码管模块、按键模块、功放模块，如下图所示： 单单片片机机最最 小小系系统统 按按键键模模块块 功功放放模模块块 数数码码管管模模块块 电电源源模模块块 图 4-1 系统框图 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 4.2 单片机单片机最小系统电路最小系统电路 STC89C52 的最小系统如下图所示，整个最小系统由 4 个部分组成，晶振电路部分、 复位电路部分、P0 口上拉电路部分、EA 拉高四部分组成。 晶振电路包括 2 个 30pF 的电容 C2 和 C3，以及 12M 的晶振 X1。电容的作用在这 里是起振作用，帮助晶振更容易的起振，取值范围是 15-33pF。晶振的取值也可以是 24M，晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。在进行电路设计的时候，晶振部分 越靠近单片机越好。 单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按 钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境 干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。 复位电路由 10uF 的极性电容 C1 和 10K 的电阻 R4 以及按键 K1 构成。利用电容 电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电，RESET 脚将会出现高电平，并且这个 高电平持续的时间由电路的 RC 值来决定。典型的 51 单片机当 RESET 脚的高电平持 续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位。 在电路图中，电容的的大小是 10uF，电阻的大小是 10k。所以根据公式，可以算 出电容充电到电源电压的 0.7 倍（单片机的电源是 5V，所以充电到 0.7 倍即为 3.5V）， 需要的时间是 10K10UF=0.1S。也就是说在电脑启动的 0.1S 内，电容两端的电压时 在 0-3.5V 增加，这个时候 RESET 引脚所接收到的电压是 5V-1.5V。在 5V 正常工作的 51 单片机中小于 1.5V 的电压信号为低电平信号，而大于 1.5V 的电压信号为高电平信 号。所以在开机 0.1S 内，单片机系统自动复位（RESET 引脚接收到的高电平信号时间 为 0.1S 左右）。 本设计的复位电路除了有上电复位功能外，还有手动复位功能，即手动按下按键 K1,使得单片机的复位引脚连接到 VCC，从而使单片机复位。 由于 STC89C52 的 P0 口是漏极开路输出，因此在 P0 口接了一个 10K 的排阻 R1， 使得 P0 口可以作为普通的 I/O 口使用。 特别注意的是，对于 31 脚(EA),当接高电平时,单片机在复位后从内部 ROM 的 0000H 开始执行；当接低电平时,复位后直接从外部 ROM 的 0000H 开始执行。由于我 们的程序存储在了单片机内部，所以 EA 要接高电平，保证单片机是从内部读取程序 去执行的。 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 RESET 9 P30/RXD 10 P31/TXD 11 P32/INT0 12 P33/INT1 13 P34/T0 14 P35/T1 15 P36/WR 16 P37/RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P00 39 VCC 40 U1STC89C52 X1 12M C3 30pF C2 30pF GND GND VCC VCC C1 10uF R3 10K GND VCC P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R1103 K1 K1 K2 K3 IN 图 4-2 单片机最小系统 4.3 LM386 功放电路介绍功放电路介绍 4.3.1 LM386 芯片芯片 LM386 是一种音频集成功放，具有自身功耗低、增益可调整、电源电压范围大、 外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。 LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产 品。为使外围元件最少,电压增益内置为 20。但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和 电容,便可将电压增益在 200 内任意调节。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到 电源电压的一半,在 6V 电源电压下,它的静态功耗仅为 24mW,使得 LM386 特别适用于 电池供电的场合。 4.3.2 LM386 内部原理图内部原理图 LM386 内部电路原理图如图 4-3 所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级 放大电路。第一级为差分放大电路，T1 和 T3、T2 和 T4 分别构成复合管，作为差分放 大电路的放大管；T5 和 T6 组成镜像电流源作为 T1 和 T2 的有源负载；T3 和 T4 信号 从管的基极输入，从 T2 管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的 增益。第二级为共射放大电路，T7 为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。 第三级中的 T8 和 T9 管复合成 PNP 型管，与 NPN 型管 T10 构成准互补输出级。二极 管 D1 和 D2 为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚 2 为反相输入端， 引脚 3 为同相输入端。电路由单电源供电，故为 OTL 电路。输出端（引脚 5）应外接 输出电容后再接负载。电阻 R7 从输出端连接到 T2 的发射极，形成反馈通路，并与 R5 和 R6 构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增 益 图 4-3 LM386 内部原理图 4.3.3 LM386 引脚图引脚图 LM386 内置一个放大器。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。 查 LM386 的 datasheet，电源电压 4-12V 或 5-18V(LM386N-4)；静态消耗电流为 4mA；电压增益为 20-200；在 1、8 脚开路时，带宽为 300KHz；输入阻抗为 50K；音 频功率 0.5W。 4.3.4 扬声器驱动电路图扬声器驱动电路图 扬声器的驱动电路如图 4-5 所示。由于扬声器工作时，需要的电流比较大，单片 机的 IO 口输出的电流又比较小，所以加了 LM386 进行声音的放大。在该部分的电路 中，还加入了一个 101（100R）的电位器，通过转动该电位器，便可以调节声音的大 小，使得设计更加人性化。 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） GAIN 1 IN- 2 IN+ 3 GND 4 Vout 5 VS 6 BYPASS 7 GAIN 8 U2 LM386 IN VCC C4 220uF Sp1 R5 图 4-4 蜂扬声器驱动电路 4.4 数码管显示电路数码管显示电路 4.4.1 数码管简介数码管简介 数码管是一类价格便宜 使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发 亮，从而显示出数字能够显示 时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数的器件。 在电器特别是家电领域应用极为广泛，如显示屏、空调、热水器、冰箱等等。LED 数 码管（LED Segment Displays）由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件， 引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。数码管实际上是由七 个发光管组成 8 字形构成的，加上小数点就是 8 个。这些段分别由字母 a,b,c,d,e,f,g,dp 来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看 到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮。数码管的外形如图 4-6 所示。 LED 数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有 0.5 寸、1 寸等不同的尺寸。小尺寸 数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二 极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为 1.8V 左右，电流不超过 30mA。 发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极 连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用 LED 数码管显示的数字和字符是 0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 4.4.2 数码管驱动方式的分类数码管驱动方式的分类 LED 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出 我们要的数字，因此根据 LED 数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两 类。 静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机 的 I/O 端口进行驱动，或者使用如 BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的 优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用 I/O 端口多，如驱动 5 个数码管静态显示 则需要 58=40 根 I/O 端口来驱动，要知道一个 89S51 单片机可用的 I/O 端口才 32 个， 实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示，LED 数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之 一，动态驱动是将所有数码管的 8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起，另外 为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制， 当单片机输出字形码时，单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显 示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过 分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱 动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为 12ms，由于人的视觉暂留现象及 发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足 够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态 显示是一样的，能够节省大量的 I/O 端口，而且功耗更低。 4.4.3 数码管驱动电路数码管驱动电路 通常在数码管显示方式上有静态控制显示和动态控制显示两种方法，其中静态显 示的特点是显示稳定不闪烁、亮度高、程序编写简单，但占用单片机 IO 口资源较多； 动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用 单片机 IO 口资源少、功耗低。由于本设计采用 1 位数码管进行显示，无所谓的动态显 示，故本设计是采用静态控制方式的。 数码管除了在控制方式有动态和静态之分外，数码管本身还分共阳型和共阴型。 所谓共阳，就是把数码管内部的 8 个二极管的阳极连接在一起然后引出一个共阳的引 脚，共阴则相反。本设计采用的是 1 位共阳数码管。 数码管的驱动电路如下图（图 4-9）所示，把数码管的数据口接到单片机的 PO 口 上，数码管的共阳端通过 1 个 1k 的电阻连接到系统的 GND。这样，只要通过单片机 调用已经编写好的数码管编码到 P0 口，即可将预先设计的数字显示在数码管上。 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） E 1 D 2 CA 3 C 4 DP 5 B 6 A 7 CA 8 F 9 G 10 Dpy1 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 R2 1K VCC 图 4-5 数码管驱动电路 4.5 按键输入模块按键输入模块 键盘是人与单片机打交道的主要设备。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独 立键盘及矩阵键盘。它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序 设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘 有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要 烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消 除在按键过程中产生的“毛刺”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法， 延时法的原理为：“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几 ms，而我们按键的时间一般 远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间后再判断此电平 是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。 本设计中由于采用的按键数量较少，只有 3 个按键，分别是“开始/暂停”、“上 一曲”、“下一曲”，故采用了独立键盘的方式，分别连到了单片机的 P32、P33 和 P34。按键的连接图 4-10 所示： 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） K2 K3 K4 GND K1 K2 K3 图 4-6 按键电路 5 软件设计软件设计 5.1 程序语言及开发环境程序语言及开发环境 C 语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言 的特点。它由美国贝尔实验室的 Dennis M. Ritchie 于 1972 年推出，1978 年后，C 语言 已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应 用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应 用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需 要用到 C 语言，适于编写系统软件、三维、二维图形和动画，具体应用例如单片机以 及嵌入式系统开发。 Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统， 与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易 学易用。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将这些部分组合在一起。运行 Keil 软件需要 WIN98、NT、WIN2000、WINXP 等操作系统。如果你使用 C 语言编程， 那么 Keil 几乎就是你的不二之选，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。 5.2 总体程序设计总体程序设计 本系统的软件流程图如图 5-1 所示。程序运行后先判断“播放/暂停”键是否被按 下，被按下的话。若状态为暂停的话，则变为播放，然后数码管显示当前歌曲序号， 并且开始播放音乐；若播放状态为播放的话，则把状态改为暂停，停止歌曲播放。接 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 着判断“上一曲”按键是否被按下，是的话则把歌曲切换到下一曲，更新数码管的歌 曲序号显示，然后播放新的音乐。最后判断“上一曲”按键是否有被按下，是的话则 把歌曲切换到上一曲，更新数码管的歌曲序号显示，然后播放新的音乐。然后又回到 最前面的按键判断，依此循环。 开开始始 定定时时器器初初始始化化 “播播放放/ /暂暂停停”被被按按下下？ “上上一一首首”键键被被按按下下？ “下下一一首首”键键被被按按下下？ 结结束束 开开始始播播放放或或 暂暂停停 切切换换到到上上一一 曲曲并并播播放放 切切换换到到上上一一 曲曲并并播播放放 图 5-1 程序流程图 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 5.3 单片机实现节拍单片机实现节拍 音乐音听起来有的高，有的低，这就叫音高，音高是由发音物体振动频率的高低 决定的，频率高声音就高，频率低声音就低，不同音商的乐音是用 C、D、E、F、G、A、B 表示的，这 7 个字母就是乐音的音名，它们一般依次唱成 DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，这是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。 音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示，休止符表示暂停发音。一首音乐是 由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同的频率，这样就可以利用不同频率 的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐。 除了音符以外，节拍也是音乐的关键组成部分。节拍实际上就是音持续时间的长 短，在单片机系统中可以用延时来实现，如果 1/4 拍的延时是 0.4 秒，则 1 拍的延时是 1.6 秒，只要知道 1/4 拍的延时时间，其余的节拍延时时间就是它的陪数。如果单片机 要自己播放音乐，那么必须在程序设计中考虑到节拍的设置。对于不同的曲调我们也 可以用单片机的另外一个定时计数器来完成。音乐的音拍，一个节拍为单位（C 调） 具体如下表： 表 1 音乐节拍设置 曲调值DELAY曲调值DELAY 调 4/4125ms调 4/462ms 调 3/4187ms调 3/494ms 调 2/4250ms调 2/4125ms 5.4 单片机产生音频脉冲单片机产生音频脉冲 了解音乐的一些基本知识后可知，产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐，对于 单片机而言，产生不同频率有脉冲非常方便，可以利用它的定时计数器来产生这样的 方波频率信号，因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数 的关系。在本实验中，单片机工作于 12MHZ 时钟频率，使用其定时计数器 T0，工作 模式为 1，改变计数值 TH0 和 TL0 可以产生不同频率的脉冲信号，在此情况下，C 调 的各音符频率与计数值 T 的对照如下表所示，其中 T 的值决定了 TH0 和 TL0 的值，其 关系为：TH0=T/256，TL0=T%256。 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 表 1 C 调的各音符频率与计数值 T 的对照表 6 调试与仿真调试与仿真 6.1 软件调试软件调试 根据程序流程图编写完成程序，进行编译调试，如下图显示： 图 6-1 编译调试结果 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） 编译后发现没有错误，没有警告，生成.hex 文件，如下图所示： 图 6-2 生成.hex 文件 6.2 仿真调试仿真调试 进入仿真界面，将.hex 文件下载到单片机内进行仿真。单击“开始/暂停”按键， 数码管显示数字“1”，扬声器开始播放第一首歌曲。点击“下一首”按键，数码管显 示数字“2”，扬声器开始播放第二首歌曲。一次类推，直至第九首歌曲。在第九首歌 曲时，单击下一首按键，回到第一首歌曲，在第一首歌曲播放时，单击“上一首”按 键，播放第九首歌曲。单击“开始/暂停”按键，开始播放第一首歌曲，如下图所示： 合肥师范学院 2015 届本科生毕业论文（设计） XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C52 LS1 SOUNDER X1 12M C1 30pF C2 30pF R1 0.56k 复位按键 开始/暂停 上一曲 下一曲 图 6-3 播放第一首歌曲 单击“上一首”按键，开始播放第九首歌曲，如下图所示： XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P