数字音乐盒设计方案

1 数字音乐盒设计方案 智能音乐盒背景及意义 音乐盒的起源，可追溯至中世纪欧洲文艺复兴时期。当时为使教会的的钟塔报时，而将大小的钟表上机械装置，被称为“可发出声音的组钟”。 1598年，意大利籍耶稣会士利玛窦第一次来到北京，随行礼物中就有八音琴一台。这是有史书记载的最早进入中国的八音琴。经过各种的发明创造， 1780年前后，拉匀芳的瑞士人从人偶自动钟的原理获得启示，发明了一种令人赞叹的机制 机械鸟鸣钟。 1796年，日内瓦钟匠的发明，给机械音乐盒带来了革命性的改变，使音乐盒的体积缩小达到极限，而在接下 来的世纪得以成功的发展。 1870年，德国的发明家首创了盘式音乐盒。 17世纪初，音乐盒的工业成为瑞士超过制表和缝制蕾丝业的第一大产业，这使得位于瑞士侏罗山边的小镇闻名于世。 国内外单片机应用音乐盒概况 1992年，中国第一台具有自主知识产权的八音琴在中国宁波韵升的诞生，标志着中国，全方位地参与全球音乐盒这块巨 大蛋糕的市场竞争，经过十多年的努力，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 得音乐盒无论在音质，音量，谱曲，和外观设计等方面都有了更大的改 进。目前，韵升八音琴已占据全球八音琴市场份额的 1/4，仅次于 日本 居全球第二位。 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。 现今，音乐盒的制造，延袭传统，结合现代，正日益成为人们或为了典藏一 2 段岁月，或为了收藏一份情感，或出于对音乐的追求，或对于旧时代的怀念，或为了居室的美化，等等，而得到众多品位人士的追求。 韵升八音琴店在北京东方新天地里设立了自己在北京的第一家店面， 这也是惟一一家国内品牌的八音琴专卖店。在 66平方米的店面中陈设了将近 120 多种八音琴，只要走进去就能感受到八音琴那清澈、透亮的音质所带来的美妙享受。 在这里，八音琴的价格并不是很贵，很适合作为礼品送给自己的朋友，其中，30音的八音琴价格在 500元左右， 50音的八音琴价格几乎上千。但其美观的造型博得了很多白领人士的青睐。 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。音乐盒悠扬的乐声，经常勾起人们对美好往事的会议，甚至魂牵梦萦，坠入时光岁月的追忆中。 300多 年来席卷全球市场的机械音乐盒的最大魅力也许就在于它能将抽象的音乐，凝固成具象的艺术品，成为人们表达美好情感，追思逝去年华的最佳选择。 日本文字和中国文字本身就有许多相通的地方，八音盒译成中文就是“音乐盒”，据说在中世纪的欧洲， 17世纪的钟楼经过调音，可以播放音乐了。 18世纪末设计的八音是以钟声、电铃为音源，演奏比较单调的音乐，后来经过各种各样的改良，出现了圆桶八音，手动八音、人形自动八音、自动钢琴等。 本文研究的主要内容 八音盒可以经常发出宜人的音乐旋律，能给生活增加不少的乐趣 。用 51系列 单片机设计一个音乐盒。 功能如下： 1 利用 I/动蜂鸣器，发出不同的音调，从而演奏乐曲 。 2用字符型 示当前 播放 的 歌曲序号 。 3 开机时有英文欢迎提示字符 。 4 可通过功能键选择乐曲，暂停，播放。 5显示乐曲播放时间或剩余时间 （至少 30 秒）。 3 第 2 章 设计方案 设计方案 本次设计利用 89计一个简易的微电脑八音盒，按下单键可以演奏预先设置的歌曲旋律。使用了文字 62)显示目前演奏的歌曲编号，由键盘 （ 2*4） 来 选择演奏歌曲；具有 8个按键操作来选择演奏哪一首歌曲；演奏时可以按键中断 。 内建 3首歌曲旋律下单键便可以演奏歌曲；内置自动定时器，若没有按键，则自动演奏歌曲。利用单片机定时器来产生固定频率的方波信号推动压电喇叭，发出旋律。音阶频率及定时器初值加载的关系及设计原理及方法，及按键扫描。在歌曲旋律设计方面采直觉式输入法，由程序中直接输入方便快速设计歌曲。本音阶能演奏 3个 7度音阶， 总共 21个音阶。 系统整体设计 如图 2本产品拟采用以 片机为核心芯片的电路来实现，主要由 源、 文字型 62) 显示、 2 4按键、蜂鸣器 5部分 组成。 4 按键 文字型 62 ) 蜂鸣器 电源 图 2 4 第 3 章 硬件电路 片机简介 一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100次。该器件采用 密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 闪烁存储器组合在单个芯片中， 一种高效微控制器， 它的一种 精简版本。 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。如下 图 3示。X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 T 21P 1 T 2 E . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R . 6 / W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 图 35 主要特性 与 容 4 寿命： 1000写 /擦循环 数据保留时间： 10年 全静态工作： 0三级程序存储器锁定 128*8位内部 32可编程 I/O 线 两个 16位定时器 /计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 管脚说明 电电压。 地。 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8时，被定义为高阻输入。 可以被定义为数据 /地址的第八位。在 程时， 作为原码输入口，当 时 位双向 I/后，被内部上拉为高，可用作输入， 输出电流，这是由于内部上拉的缘故 。在 位双向 I/出 4个 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 6 为输入。并因此作为输入时， 输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时， 给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， 输出其特殊功能寄存器的内容。校验时接收高八位地址信号和控制信号。 个带内部上拉电阻的双向 I/接收输出 4个 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 是由于上拉的缘故。 一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 行输入口） 行输出口） 部中断 0） 部中断 1） 0（记时器 0外部输入） 1（记时器 1外部输入） 部数据存储器写选通） 部数据存储器读选通） 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是 ：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 想禁止 。此时， 令是 外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 位无效。 /部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 / 7 号将不出现。 / /持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储 器。注意加密方式 1 时， /，此间内部程序存储器。在 引脚也用于施加 12 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 振荡器特性 别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， 余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽 无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 芯片擦除 整个 保持0完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“ 1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， 有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， 止工作。但 时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片 功能，直到下一个硬件复位为止。 文字型 6 2) 明 字符型 *7点阵图形来显示字符的液晶显示器。能显示的每个字符都有一个代码，代码对应字符的点阵图形数据由字符发生器产生， 8 通过驱动电路后在 示出字符。字符型 11条操作指令。如图 2 图 26 2) 引脚功能 字符型 4个引脚组成功能如表 3 表 3引脚号 符号 状态 功能 1 电源地 2 正 5V 逻辑电源 3 液晶驱动电源 4 入 寄存器选择： 5 R/W 输入 读、写操作选择 6 E 输入 使能信号 7 至 14 态 数据总线 *15 入 两行使能信号 *16 入 两行使能信号 电路设计 片 机时钟电路设计 单片机的每一条指令的执行都是由若干个基本的微动作组合而成的。例如由取指令、指令译码、指令执行等微动作组合而成。这些微动作在时间上存 在着严格的先后顺序，要想这些动作有条不紊地执行，就必须有一个时间基准来同步各 9 部件的动作。单片机的时钟信号就是用来提供单片机内部各个微动作的时间基准 。而根据连接方式不同， 时钟信号的产生有内部振荡方式和外部振荡方式两种方式。 部振荡方式 在单片机的 和 内部反相放大器的输出端，在其两端接上晶振后，就构成了自激振荡电路，并产生振荡脉冲，振 荡电路输出的脉冲信号的频率就是晶振的固有频率。在实际应用中通常 还需要在晶振的两端和地之间各并上一个小电容。实际的内部振荡方式的电路如图 在 图中，电容器 作用有三个：快速起振、稳定振荡频率、微调振荡频率。 33容器 33般情况下，使用频率较低的晶振时， 了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，在实际装配电路时，晶振 1、 部振荡方式所得到时钟信号比较稳定，在实际电路中，一般是选用内部振荡方式。 所以，在本次设计中才用了该振荡方式。 图 部振荡方式 把外部已有的时钟信号接至 将 样就构成了外部振荡方式。外部振荡方式适合于使单片机的时序与外部信号保持同步的场合。在实际应用中，为了使进入单片机的时钟信号为 将外部时钟信号经 10 过一个带有上拉电阻的 接至 际的外部振荡方式电路如图 3 图 3实际应用中，常常需要检查单片机的振荡电路是否正常工作，此时可用示波器查看 有，则表明振荡电路工作基本正常，否则振荡电路失常。由于 引脚上的信号远比 此切不可观察 则有可能出现本来已起振的电路反而停振 。 单片机复位电路 复位是单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使 从这个状态开始工作。因而，复位 是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。 当 称 现 2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果 片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图 中电容 1 对电源十 5电后，保持 于单片机内的等效电 阻的作用，不用图中电阻 能达到上电复位的操作功能，如下图 (A)中右图所示。 11 上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如上图 (B)所示。上电后，由于电容 单片机已在运行 当中时，按下复位键 能使 而实现上电或开关复位的操作。 根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。 上图 (A)中： 101图 1 27(B)中： C： 110S： 好相反 。 整体电路设计 件电路图 利用 音盒 硬件电路原理图如图 3 片机模型本身包含了工作电源和可改变的工作频 率，因此在仿真时无需设计电源电路和时钟电路。 由于是利用 件 进行仿真设计可以不考虑晶振电路，但在实际中需要考虑晶振电路。本设计需要一个 文字型62) 显示播放的歌曲的序号，及乐曲播放时间，开机时有英文欢迎提示字符。 12 件原理说明 当键盘有键按下时，判断键值， 启动计数器 生一定频率的脉冲，驱 动蜂鸣器，放出乐曲。同时启动定时器 示乐曲播放的时间，并驱动 示歌曲号及播放时间。也可在 L S 1 ( 2 )X T A L 218X T A L 119A L E 9P 0 A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 T 21P 1 T 2 E . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 R X T X I 12P 3 I 13P 3 T 014P 3 R . 6 / W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 0 T 7 5 7L S 1S P E A K E 2 3A B C D 1L M 0 1 7 2 ) 0 0 0 0 0 0 0 0 下一首歌曲按键说明1 - - 3 三首歌曲B: 上一首歌曲C: 播放 / 暂停D: 开机画面 03 3 0 键电路 按键 电路 如图 3中 13 X T A L 218X T A L 119A L E A D 039P 0 A D 138P 0 A D 237P 0 A D 336P 0 A D 435P 0 A D 534P 0 A D 633P 0 A D 732P 1 T 21P 1 T 2 E . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 R X T X I N T 012P 3 I N T 113P 3 T 014P 3 R . 6 / W T 115P 2 A 1 528P 2 A 821P 2 A 922P 2 A 1 023P 2 A 1 124P 2 A 1 225P 2 A 1 326P 2 A 1 427 8 9 C 5 20 1 2 3A B C 字型 路 如图 362) 的 端接地。 为 ,E 的控制信号。 图 3路 鸣器电路 如图 3 14 图 3钮说明 按钮如图 31三 首歌曲 ， A： 下 一首歌曲 ， B：下一首歌曲 C：歌曲暂停 ， D：开机画面 。 0 1 2 3A B C 5 第 4 章 软件电路设计 序流程图 根据电路可以得出流程图如图 4程序开始 ,液晶初始化、清屏、内存初始化等变量及 始化，还有计数器 时器 成初始化后， 待按键，是否有按键按下 ?若有 示播放时间及歌曲号，并转到按键对应的程序执行；若无按键按下，处以等待状态。当按键按下后相应的程序执行完，转到“等待是否有按键按下？”处。 图 4 16 乐程序的设计原理 立音乐的步骤 1. 先把乐谱的音符找出，然后建立 2. 把 成发音符是计数值放在“ 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的“ 。 片机音乐的产生原理 要算出某一音频的周期（ 1/频率），然后将此周期除以 2，即为半周期的时间。利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后就将输出脉冲的 I/后重复计时此半周期时间再对 I/可在 I/ 052的内部定时器使其工作在计数器模式 变计数值 23周期 T=1/523=1912此只要令计数器计时95656,在每计数 956次时将 I/可得到中音 523 计数脉冲值与频率的关系公式如下： N=2 N：计数值； 部计时一次为 1其频率为 12 产生的频率； T=655365536例如：设 K=65536， F=1000000=低音 261中音 523音 1046计数值。 T=6553655365536 5536 r 低音 =6553662=63627 17 中音 =6553623=64580 高音 =65536047=65059 的对照表如 表 4 1所示 ： 表 4 1 的对照表 音符 频率（ 简谱码（ 音 符 频率（ 简谱码（ 低 162 63628 #4740 64860 #1277 63731 中 584 64898 低 294 63835 #5831 64934 #2311 63928 中 680 64968 低 3M 330 64021 #6 932 64994 低 449 64103 中 788 65030 #4370 64185 高 1046 65058 低 592 64260 #11109 65085 #5415 64331 高 2175 65110 低 640 64400 #21245 65134 #6 466 64463 高 3M 1318 65157 低 794 64524 高 4397 65178 高 123 64580 #41480 65198 #1554 64633 高 5568 65217 中 287 64684 #51661 65235 #2622 64732 高 6760 65252 中 3M 659 64777 #6 1865 65268 中 498 64820 高 1967 65283 18 表 4拍与节拍码对照 节 拍 码 节 拍 数 节 拍 码 节 拍 数 1 1/4 拍 1 1/8 拍 2 2/4 拍 2 1/4 拍 3 3/4 拍 3 3/8 拍 4 1 拍 4 1/2 拍 5 1 又 1/4 拍 5 5/8 拍 6 1 又 1/2 拍 6 3/4 拍 8 2 拍 8 1 A 2 又 1/2 拍 A 1 又 1/4 拍 C 3 拍 C 1 又 1/2 拍 F 3 又 3/4 拍 表 4,#02 187 别的延迟值，只需修改这儿的值为相应值，即可。 248 3 2 节拍值放在 定节拍 关知识： 每一音符使用 1 个字节，字节的高 4位代表音符的高低，低 4位代表音符的 19 节拍，节拍与节拍码的对照如表 4 节拍与节拍码的对照。如果 1拍为 1/4拍是 要设定延迟时间就可求得节拍的时间 。假使 1/4拍为 1 1拍应为 4以此类推。所以只要求得 1/4 拍的 余的节拍就是它的倍数，如表 4。 简 谱 发 音 简 谱 码 表 4 4 简谱对应的简谱码、 拍数 简 谱 发 音 简 谱 码 T 值 5 低音 64260 6 低音 64400 7 低音 64524 1 中音 64580 2 中音 64684 3 中音 64777 4 中音 64820 5 中音 64898 6 中音 64968 7 中音 65030 1 高音 65058 2 高音 65110 3 高音 65157 4 高音 65178 5 高音 65217 不发音 0 20 第 5 章 单片机的仿真 编程 件 51 软件是单片机应用开发的优秀软件，它集编辑、编译、仿真于一体，界面友好功能强大，支持 51汇编、 语言及混合编程。 51 能模拟开发软件在计算机上实现对单片机硬件的仿真、指令仿真、运行状态仿真 ，不需要在线的仿真器和目标板。软件的模拟调试功能强大，能实现单步、跟踪、检查和修改功能，并且还能模拟产生各种中断和 I/发系统仿真软件可以使学习者和开发者脱离硬件进行全软件仿真。 51 为学习者提供 2在支持软件模拟仿真的同时配合 一片 在设计中主要是将程序编写到软件（如图 5进行修改、 图 5件 21 软件的使用 包括 软件仿真基于 与其他软件最大的不同也是最大的优势就在于它能仿真大量的单片机芯片，比如及单片机外围电路，比如键盘、 等。通过 用方便的单片机实验 室。 通过该软件将硬件电路模拟出来（如图 5然后，通过 件生成的可执行文件 入到 软件中进行运行。 图 5运行界面 调试结果 本次设计通过 件的编写程序和 软件对电路仿真调试后达到的效果（如图 汉字 22 图 5机页面 按键 1则播放第一首歌曲大海，在汉字 图 5按键 2则播放第一首歌曲月亮代表我的心，在汉字 图 5按键 3则播放第一首歌曲精忠报国，在汉字 图 53 第 6 章 总结 经过近两个月的努力，终于顺利完成了毕业设计。刚开始，我们头绪不是很清楚，不知道从哪里入手，但通过老师的耐心指导并和同学认真研究设计课题，跑图书馆查资料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等，经历了一次次的困难，却积累了很多宝贵的经验。在整个设计的过程中遇到的问题主要有以下三点，第一：基础知 识掌握的不牢固，主要表现在一些常用的电路的形式和功能不清楚，对书本上的内容理解不够透彻。第二：对一些常用的应用软件缺少应用，体现在画电路图和系统的仿真的时候，对这些软件的操作不熟练，浪费了很 多 时间。第三：相关知识掌握的不够全面，缺少系统设计的经验。 这次设计进一步端了我的学习态度，学会了实事求是，严谨的作风，对自己要严格要求，不能够一知半解，要力求明明白白。我觉得动手之前，头脑里必须清楚该怎么做，这一点是很重要的。就目前来说，我的动手能力虽然差一点，但我想，通过我的不懈努力，在这方面，我总会得到提高。这一点 ，我坚信。因为别人能做到的，我也一定能做到。 在此次的 毕业 设计中我最大的体会就是进一步认识到了理论联系实践的重要性。一份耕耘，一份收获。通过 这段时间的设计 ，让我明白科学的思维方法和学习方法是多么重要，只有这样才能够有很高的效率，才能够让自己的工作更完美。 总而言之，此次 毕业 设计让我学到了好多平时在课堂上学不到的东西，增加了我的知识运用能力，增强我的实际操作能力。谢谢老师给我们提供这么好的机会，为我们之后走向社会奠定了一个好的基础。 本次毕业设计让我学到了很多，也学会到了要怎么样去面对困难，不要对知识一知半截 ，要有的求实的能力，通过老师的帮助我学到了很多在平时的没有注意到的动东西及知识，更美没有深入的的去理解，通过这次我要更加的明确自己。更要注重自己在各方面的锻炼能力，把握机会。这次的设计非常的感谢老师们。 24 参考文献 1 蔡朝洋 . 单片机控制实习与专题制作 M 北京航空航天大学出版社，2006 2 林志琦 . 单片机原理接口及应用（ M. 北京 :中国水利水电出版社， 2007 3 4 ，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！ 本论文还得到了我黄建新老师的亲切关怀和细心指导，在设计过程中，自始至终凝聚着各位师的心血。恩师们那治学严谨的态度，渊博的学识感染着我。他那诲人不倦、宽厚朴实的作风给我们留下了不可磨灭的 影响，是我学习的榜样，使我终生受益无穷。在此论文完成之际，特向恩师表达诚挚的谢意同时以最崇高的敬意。 另外，也非常感谢所有的关心我的其他老师们和同学们，他们的关心也是我学习过程中不可缺少的组成部分。感谢时时刻刻关心、爱护我的父亲母亲，他们对我的支持和鼓励。使我得以完成学业的支柱。 真诚的感谢所有的帮助过我的老师们，同学们、家人和朋友们。 感谢对本设计进行评审的专家们，感谢他们给我提出的宝贵意见和建议。 26 附录 1 数字音乐仿真图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 (论文 ) 第 27 页 附录 2 数字音乐盒程序 定义液晶显示端口标号 500H ;* 1H 2H 5H 4H 3H 000h ;* 00011000h ;晶初始化 P,#70H ;设置堆栈指针 0,#01H ;清屏 ;调用延时程序 0,#38H ;8 位 ， 2行显