电子音乐盒单片机原理及应用课程设计.doc

单片机原理及应用课 程 设 计 报 告课题名称 电子音乐盒 专 业 电气自动化技术 班 级 学 号 姓 名 指导教师 2012-6-4目 录1题目及要求32设计方案 33. 课题意义34. 研究内容35.系统结构框图46.proteus软件在介绍47.kill软件的简介48.ta89c51的介绍59.时钟振荡电路610.硬件电路611.音调节拍及编码的确定712.音调的确定计算713.节拍的确定814.编码程序915.歌曲的代码1016.仿真图2217.程序设计2218.调试结果记录及分析33一、题目及要求 （1）负责音乐编码规则设计，音乐编码，统调。（2）负责定时计数器设置，音乐播放程序设计。二、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。三、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，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。四、研究内容 （1）电路工作模式 ：演奏模式。 演奏音乐模式：演奏完整的多首歌曲。 （2）上电后开始唱歌 。 此电路的程序只占用了1k左右，可编制更多的音乐。五、系统结构图音乐盒的系统结构以at89c51单片机位控制核心，时钟复位电路、蜂鸣器、led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蜂鸣器发音。系统组成框图如图： 六、proteus软件在介绍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。七、kill的介绍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。八、ta89c51的介绍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系列单片机九、时钟震荡电路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、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30pf10pf，而如果使用陶瓷振荡器建议选择40pf10pf。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的要求。振荡器电路图如下：十、硬件电路 十一、音调节拍及编码的确定 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。十二、音调的确定计算 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。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，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，在每次技术956次时将i/o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=fi2frn：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-fi2fr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-fi2fr=65536-10000002fr=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=650595） c调各音符频率与计数值t的对照表如表4.1所示。表4.1 c调各音符频率与计数值t的对照表低音频率t参数中音频率t参数高音频率t参数do2621908229do523956115do10465757do2771805217do554903108do11095454re2941701204re587852102re11755151re3111608193re62280497re12454848mi3301515182mi65975991mi13184545fa3491433172fa69871686fa13974343fa3701351162fa74067681fa14804141so3921276153so78463877so15683838so4151205145so83160272so16613636la4401136136la88056868la17603434la4641078129la93253664la18653232si4941012121si98850661si19763030十三、节拍的确定 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拍实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。表4.2节拍与节拍码对照节拍码节拍数节拍码节拍数11/4拍11/8拍22/4拍21/4拍33/4拍33/8拍41拍42/1拍51又1/4拍55/8拍61又1/2拍63/4拍82拍81拍a2又1/2拍a1又1/4拍c3拍c1又1/2拍f3又3/4拍每个音符使用1个字节，字节的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的节拍，图5.2为节拍码的对照。如果1拍为0.4秒，1/4拍实0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。假设1/4拍为1delay，则1拍应为4delay，以此类推。所以只要求得1/4拍的delay时间，其余的节拍就是它的倍数，如图5.3为1/4和1/8节拍的时间设定。表4.3 1/4和1/8节拍的时间设定曲调值delay曲调值delay调4/4125毫秒调4/462毫秒调3/4187毫秒调3/494毫秒调2/4250毫秒调2/4125毫秒十四、 编码do re mi fa so la si分别编码为17，重音do编为8,重音re编为9，停顿编为0。播放长度以十六分音符为单位（在本程序中为165ms），一拍即四分音符等于4个十六分音符，编为4,其它的播放时间以此类推。音调作为编码的高4位，而播放时间作为低4位，如此音调和节拍就构成了一个编码。以0xff作为曲谱的结束标志。举例1：音调do,发音长度为两拍，即二分音符，将其编码为0x18。举例2：音调re,发音长度为半拍，即八分音符，将其编码为0x22歌曲播放的设计。先将歌曲的简谱进行编码，储存在一个数据类型为unsigned char 的数组中。程序从数组中取出一个数，然后分离出高4位得到音调，接着找出相应的值赋给定时器0，使之定时操作蜂鸣器，得出相应的音调；接着分离出该数的低4位，得到延时时间，接着调用软件延时。表4.4 简谱对应的简谱码、t值、节拍数简谱发音简谱码t值节拍码节拍数5低音so16426011/4拍6低音la26440022/4拍7低音ti36452433/4拍1中音do46458041拍2中音re56468451又1/4拍3中音mi66477761又1/2拍4中音fa76482082拍5中音so864898a2又1/2拍6中音la964968c3拍7中音tia65030f3又3/4拍1高音dob650582高音rec651103高音mid651574高音fae651785高音sof65217十五、歌曲的代码 /挥着翅膀的女孩unsigned char code music_girl= 0x17,0x02, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x19,0x02, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x19,0x02, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x02, 0x18,0x03, 0x17,0x03, 0x15,0x02, 0x18,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x02, 0x10,0x03, 0x15,0x03, 0x16,0x02, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x02, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x19,0x02, 0x1a,0x03, 0x1b,0x03, 0x1f,0x03, 0x1f,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x19,0x02, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x1f,0x03, 0x1f,0x02, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x20,0x03, 0x20,0x02, 0x1f,0x03, 0x1b,0x03, 0x1f,0x66, 0x20,0x03, 0x21,0x03, 0x20,0x03, 0x1f,0x03, 0x1b,0x03, 0x1f,0x66, 0x1f,0x03, 0x1b,0x03, 0x19,0x03, 0x19,0x03, 0x15,0x03, 0x1a,0x66, 0x1a,0x03, 0x19,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x17,0x03, 0x16,0x66, 0x17,0x04, 0x18,0x04, 0x18,0x03, 0x19,0x03, 0x1f,0x03, 0x1b,0x03, 0x1f,0x66, 0x20,0x03, 0x21,0x03, 0x20,0x03, 0x1f,0x03, 0x1b,0x03, 0x1f,0x66, 0x1f,0x03, 0x1b,0x03, 0x19,0x03, 0x19,0x03, 0x15,0x03, 0x1a,0x66, 0x1a,0x03, 0x19,0x03, 0x19,0x03, 0x1f,0x03, 0x1b,0x03, 0x1f,0x00, 0x1a,0x03, 0x1a,0x03, 0x1a,0x03, 0x1b,0x03, 0x1b,0x03, 0x1a,0x03, 0x19,0x03, 0x19,0x02, 0x17,0x03, 0x15,0x17, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x17,0x04, 0x18,0x0e, 0x18,0x03, 0x17,0x04, 0x18,0x0e, 0x18,0x66, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x20,0x03, 0x20,0x02, 0x1f,0x03, 0x1b,0x03, 0x1f,0x66, 0x20,0x03, 0x21,0x03, 0x20,0x03, 0x1f,0x03, 0x1b,0x03, 0x1f,0x66, 0x1f,0x04, 0x1b,0x0e, 0x1b,0x03, 0x19,0x03, 0x19,0x03, 0x15,0x03, 0x1a,0x66, 0x1a,0x03, 0x19,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x17,0x03, 0x16,0x66, 0x17,0x04, 0x18,0x04, 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