单片机音乐播放器报告.doc

编号： 桂林电子科技大学实训报告实训名称： 单片机原理与接口技术实训 题 目： 音乐播放器 学 院： 海洋信息工程学院 专 业： 机械设计制造及自动化 课程序号： 班 级： 14160105 学 号： 1416010516 姓 名： 林亦鹏 指导教师： 周旋 2016年12月22日15摘 要本设计是基于STC12C5A60S2单片机的可控数字音乐播放器的程序设计。该音乐播放器是一个依据单片机技术原理，通过PROTEUS仿真软件对硬件电路进行仿真制作以及利用KEIL软件对音乐播放器源程序进行C语言编译，而设计制作出的一个数字音乐播放器。该音乐播放器通过控制单片机内部的定时器来产生不同频率的方波，驱动蜂鸣器发出不同音调的音乐。该程序通过把乐谱转化成相应的定时常数来驱动发音设备演奏出悦耳动听的音乐。本音乐盒一共设计了四首首歌曲，同时还设计了LED彩灯的变化花样。在演奏歌曲时彩灯随音调闪烁。在停止演奏歌曲时彩灯停止于即时运行的音调上。歌曲可以通过三个独立按键切换暂停，利用旧手机电池为整个作品提供电能，使之达到不用外部电源，便捷易带等目的。本设计的目的是培养理论联系实际的学习方法以及独立解决工程实际问题的能力，能够熟识单片机C51语言的编程特性，及其应用。能够用C51语言进行编程，能成功的编出较为简单的程序。关键词：数字音乐播放器；AT89C51；KEIL；PROTEUS；独立按键；目 录摘 要1引言31 总体设计方案31.1 设计思路31.2 设计方框图41.3 设计原理41.4 音调和节拍的设计以及音乐基础知识42 方案的拟定和选择62.1 单片机方案选择62.1.1方案一AT89S52单片机：62.1.2方案二STC12C5A60S2单片机：62.1.3方案对比:62.2 发声器方案选择62.21方案一有源蜂鸣器：(楷体小四号)62.22方案二无源蜂鸣器：72.23方案对比：72.3 效果显示方案选择72.31方案一LCD显示：72.32方案二LED显示：82.33方案对比：82.4 按键选择82.41按钮分类：83 电路设计93.1 原理图93.2 PCB图93.3 仿真电路图104 程序设计104.1 程序流程图105 调试分析115.1 程序调试115.2 仿真调试115.3 实际电路调试116 结论12谢 辞13参考文献14附 录15引言随着科技越来越发达，单片机技术也越来越纯熟，单片机的应用也越来越广泛，可以说几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。如今，单片机在各个领域都起着至关重要的作用单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。随着人类社会的发展，人们对于视听方面的享受提出了更高的要求。而传统的音乐播放器大部分是机械型的，体积庞大，而且沉重，发音单调，且不悦耳，不能实现大批量的生产，所以很难满足当代人们的需求。但是本文设计的数字音乐播放器是以单片机为核心元件的数字音乐播放器。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点。因此该数字音乐播放器也就具有体积小，重量轻，能演奏各种各样的音乐，功能多，外观绚丽多彩，使用非常方便等诸多优点。而且具有一定的开发价值。1 总体设计方案根据音乐播放器系统的功能与组成，进行系统分析，系统除单片机核心部分外还需要与独立按键连接以接收输入指令，连接LED彩灯将要演奏的乐曲音调显示出来，通过连接蜂鸣器使其发出音乐，利用旧手机电池为整个作品提供电能，使之达到不用外部电源，便捷易带等目的。1.1 设计思路 该音乐播放器主要是通过控制单片机内部的定时器来产生不同频率的方波，驱动蜂鸣器发出不同音调的音乐。本设计是一个基于STC12C5A60S2系列单片机的数字音乐播放器，一共设计了四首不同风格的歌曲，在播放歌曲同时LED彩灯随音调变化而变化，以便切换歌曲。在播放歌曲的时候还设计了LED彩灯，给人们带来视听的双重享受。一共设计了三个按钮开关，两个用来切换音乐的上一首与下一首，一个用以切换歌曲暂停/播放。1.2 设计方框图 1.3 设计原理 声音是通过振动产生的。单片机对某一引脚以一定的频率循环置1置0，该引脚便产生一定频率的方波，方波通过放大，作用于一定的物理实件（蜂鸣器），就产生了一定频率的声音。若改变输出方波的频率，产生的声音随之改变。通过控制输出方波的时间长短，声音的长短也可以得到控制，因此，根据乐谱，以类似的音及同样的节拍，单片机就可以产生电子音乐。音乐的播放选择可以通过按键的输入得以实现。为简便起见，以一定的频率方波产生的音在其每个周期内高低幅值得时间各占一半因此，输出引脚在每个方波周期内要动作两次：一次升高，一次降低。即输出引脚的频率是原音频率的两倍。 方波的产生由定时器控制。定时器T0工作在定时方式1，改变TH0及TL0，产生不同的音频频率。必须考虑到中断响应时间的影响，尤其在高音部分，若忽略中断响应时间，会使音频频率比标准值低几十Hz，相当于1/4音程，很容易听出来，对低音部分影响不大。一般中断响应时间为36个机器周期，经过反复试验取5个机器周期作为校正最为恰当，表1中所给的定时初值就是考虑中断响应后的定时常数。另外，为避免T1中断可能引起杂音，应将定时器T0中断设为高优先级。这样编写出来的程序播放的音与标准音叉进行差频校音，非常准确和谐。音乐播放器的基本硬件电路有六部分组成：单片机、时钟与复位电路、选择按键输入电路、音频发生器、音频放大器和蜂鸣器。1.4 音调和节拍的设计以及音乐基础知识 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。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。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。 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7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。在简谱中，数字上面带一个点就是高8度，两个点代表高16度。数字下面带一个点就是低8度，两个点代表低16度。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拍多少秒，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。2 方案的拟定和选择 根据音乐播放器系统的功能与组成，进行系统分析，系统除单片机最小系统核心部分外还需要与独立按键连接以接收输入指令，连接LED彩灯将要演奏的乐曲节奏显示出来，通过连接蜂鸣器使其发出音乐。2.1 单片机方案选择2.1.1方案一AT89S52单片机：AT89S52是一个8位单片机，片内ROM全部采用FLASH ROM技术，与MCS-51系列完全兼容，它能以3V的超低电压工作，晶振时钟最高可达24MHz。AT89S52是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，有4个八位的并行双向I/O端口，分别记作P0、P1、P2、P331序存储器；第9引脚是复位引脚，要接一个上电手动复位电路；第40脚为电源端+5V电源，第20引脚为接地端VSS，通常在VCC和VSS引脚之间接0.1F高频滤波电容。第18、19脚之间接上一个12MHz的晶振为单片机提供时钟信号。2.1.2方案二STC12C5A60S2单片机：STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。STC12C5A60S2单片机的封装有PDIP-40，LQFP-44，LQFP-48 三种，只是大小样式不同，功能没有区别。一般来说只要是同种型号的芯片，不同封装仅是外观不一样，适用于不同场所，功能完全一样。有时不同封装的引脚数不一样，也只是增加空引脚的数量以保持完整引脚数。2.1.3方案对比:At89s52基于8051的全静态CMOS控制器，具有三个级别的程序加密，32个I / O线，3个定时器/计数器，8个中断源，看门狗定时器，2 DPTRs，8K闪存，256字节片上RAM， 方案二STC12C5A60S2基于8051单片机（1T）高速核心，双DPTR，36-44 I / O线，2个定时器/计数器，2个PCA定时器，RC振荡器，独立的波特率发生器，可编程时钟输出，60K字节ROM，1280字节数据RAM，片上EEPROM，2个UART，WDT，ISP/ IAP，A / D转换，CCP/ PWM，并且5a60s2是1t单片机。52是12t单片机，STC12C5A60S2速度是At89s52的12倍（理论数值）。从各方面看，STC12C5A60S2无论是内存与速度等配置都优胜于At89s52。所以选择方案二做本设计中的单片机。2.2 发声器方案选择2.21方案一有源蜂鸣器:有源蜂鸣器工作的理想信号是直流电，通常标示为VDC、VDD等。因为蜂鸣器内部有一简单的振荡电路，能将恒定的直流电转化成一定频率的脉冲信号，从面实出磁场交变，带动钼片振动发音。但是在某些有源蜂鸣器在特定的交流信号下也可以工作，只是对交流信号的电压和频率要求很高，此种工作方式一般不采用。注意，这里的“源”不是指电源。而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫。而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K5K的方波去驱动它。有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。2.22方案二无源蜂鸣器：无源蜂鸣器没有内部驱动电路，有些公司和工厂称为讯响器，国标中称为声响器。无源蜂鸣器工作的理想信号方波。如果给预直流信号蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼片不能振动发音。无源蜂鸣器的优点是： 便宜、声音频率可控，可以做出“多来米发索拉西”的效果、在一些特例中，可以和LED复用一个控制口。2.23方案对比：有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫。而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K5K的方波去驱动它。有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。无源蜂鸣器的优点是： 便宜、声音频率可控，可以做出“多来米发索拉西”的效果、在一些特例中，可以和LED复用一个控制口。由于考虑实际应用，无源蜂鸣器的效果和性能都很适合本次设计，所以选择方案二。2.3 效果显示方案选择2.31方案一LCD显示：LCD是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能发光的，需借助要额外的光源才行。因此，灯管数目关系着液晶显示器亮度。最早的液晶显示器只有上下两个灯管，发展到现在，普及型的最低也是四灯，高端的是六灯。四灯管设计分为三种摆放形式：一种是四个边各有一个灯管，但缺点是中间会出现黑影，解决的方法就是由上到下四个灯管平排列的方式，最后一种是“U”型的摆放形式，其实是两灯变相产生的两根灯管。我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是如果这些分子是长形的(或扁形的)，它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多型态。分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”，又简称“液晶”。液晶产品其实对我们来说并不陌生，我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。液晶是在1888年，由奥地利植物学家Reinitzer发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。一般最常用的液晶型态为向列型液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此原理控制每个像素，便可构成所需图像。2.32方案二LED显示：LED，即Light Emitting Diode的缩写，翻译为发光二极管，它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能，与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。因化学性质又分有机发光二极管OLED和无机发光二极管LED。发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。2.33方案对比：LCD是一种介于固态与液态之间的物质，本身是不能发光的，需借助要额外的光源才行。因此，灯管数目关系着液晶显示器亮度。发光二极管的特点是：工作电压很低（有的仅一点几伏）；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。LCD占电路板的面积较大，功率也较大。所以LED的特点更符合本次设计需要，所以选择方案二。2.4 按键选择2.41按钮分类：1、常开按钮开关触点断开的按钮。2、常闭按钮开关触点接通的按钮3、常开常闭按钮开关触点既有接通也有断开的按钮。4、动作点击按钮鼠标点击按钮。也称为按键，是一种电闸(或称开关），用来控制机械或程式的某些功能。一般而言，红色按钮是用来使某一功能停止，而绿色按钮，则通可开始某一项功能。按钮的形状通常是圆形或方形。电子产品大都有用到按键这个最基本人机接口工具，随着工业水平的提升与创新，按键外观的也变的越来越多样化及丰富的视觉效果。本次使用TELESKY 6*6*5MM 微动开关 铜脚 立式按键。3 电路设计3.1 原理图说明：源原理图请参考附件一。3.2 PCB图说明：源PCB图请参考附件一。3.3 仿真电路图说明：源仿真电路图请参考附件二。4 程序设计4.1 程序流程图音乐播放器程序流程图说明：源程序请参考附件三。5 调试分析5.1 程序调试第一步，用编辑程序把编制的源程序按照一定的书写格式送到计算机中，编辑程序会根据使用人员的意图对源程序进行增、删或修改。第二步，把送入的源程序翻译成机器语言，即用编译程序对源程序进行语法检查并将符合语法规则的源程序语句翻译成计算机能识别的“语言”。如果经编译程序检查，发现有语法错误，那就必须用编辑程序来修改源程序中的语法错误，然后再编译，直至没有语法错误为止。第三步，使用计算机中的连接程序，把翻译好的计算机语言程序连接起来，并扶植成一个计算机能真正运行的程序。在连接过程中，一般不会出现连接错误，如果出现了连接错误，说明源程序中存在子程序的调用混乱或参数传递错误等问题。这时又要用编辑程序对源程序进行修改，再进行编译和连接，如此反复进行，直至没有连接错误为止。第四步，将修改后的程序进行试算，这时可以假设几个模拟数据去试运行，并把输出结果与手工处理的正确结果相比较。如有差异，就表明计算机的程序存在有逻辑错误。如果程序不大，可以用人工方法去模拟计算机对源程序的这几个数据进行修改处理；如果程序比较大，人工模拟显然行不通，这时只能将计算机设置成单步执行的方式，一步步跟踪程序的运行。一旦找到问题所在，仍然要用编辑程序来修改源程序，接着仍要编译、连接和执行，直至无逻辑错误为止。也可以在完成后再进行编译。5.2 仿真调试Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真及印制电路板设计软件，它可以仿真、分析各种模拟电路与集成电路。软件提供了大量模拟与数字元器件及外部设备，各种虚拟仪器，特别是它具有对单片机及其外围电路组成的综合系统的交互仿真功能。Proteus 7主要由ISIS和ARES两部分组成，ISIS的主要功能是原理图设计及与电路原理图的交互仿真，ARES主要用于印制电路板的设计。本次是将Keil程序下载到Proteus 7 ISIS进行仿真调节程序。仍然要用编辑程序来修改源程序，接着仍要编译、连接和执行，直至达到要求为止。5.3 实际电路调试实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装，往往也难于达到预期的效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观因素（如元件值的误差，器件参数的分散性,分布参数的影响等），必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足，然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此，调试电子电路的技能对从事电子技术及其有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。 调试的常用仪器有：万用表、示波器和信号发生器等。 电子电路调试包括测试和调整两个方面。调试的意义是：1、通调试使电子电路达到规定的指标。2、调试发现设计中存在的缺陷予以纠正。3、调试源程序达到预想效果。6 结论通过这次单片机实训，使我对单片机的认识有了更深刻的理解。系统以51单片机为核心部件，利用Keil软件编程，通过键盘控制和数码管显示实现了基本音乐播放、按键切换歌曲、暂停/播放功能，能实现本设计题目的基本要求和发挥部分。由于时间有限和本身知识水平的限制，本系统还存在一些不够完善的地方，要作为实际应用还有一些具体细节问题需要解决。例如：第一、不够细心比如由于粗心大意焊错了线，由于对课本理论的不熟悉导致编程出现错误。第二、是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。对于这次单片机综合课程实习，我的第一大心得体会就是作为一名工程技术人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三、在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。还有不能实现音乐的清晰播放。踉踉跄跄地忙碌了几周，我的音乐播放器程序终于编译成功。当看着自己的程序，自己成天相伴的系统能够健康的运行，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都