毕业设计（论文）-单片机控制音乐播放器.doc

1 高等教育毕业论文高等教育毕业论文 题题 目：目： 单片机控制音乐播放器 姓姓 名：名： XX 指导教师：指导教师： XXX 专业、层次：专业、层次： 年年 级：级： 05 级 年 月 日 论文评分 指导教师评语及评分 指导教师（签名） 年 月 日 答辩评分 答辩评语及评分 答辩组长（签名） 年 月 日 成 绩 综合评分 评定人签名 年 月 日 毕业论文（设计）任务书 （ 学年） 学院名称： 题 目 学生姓名专业层次学号 指导教师任务书下达时间 概述： 要求阅读或检索的参考资料及文献（包括指定给学生阅读的外文资料）： 1 目目 录录 目 录.1 摘 要.2 第 1 章 前 言.3 第 2 章 单片机的基本组成.4 2.1 单片机的定义.4 2.2 单片机的几部份.4 第 3 章 硬件系统结构.7 3.1 SPCE061A 结构.7 3.2 语音采集的硬件电路.7 第 4 章 软件设计与实现.9 4.1 语音信号的采集压缩与数据传输.9 4.2 语音采集的硬件连接.9 4.3 语音数据的传输.10 第 5 章 控制和编译过程.12 5.1 软件设计结构.12 5.2 软件控制音乐播放编译过程.13 第 6 章 结论.16 致 谢.17 参考文献.18 附录：.19 2 单片机控制音乐播放器单片机控制音乐播放器 摘 要 现当今，单片机的应用无处不在.利用单片机控制音乐播放也多不胜举，音乐芯片 也相当之多,而利用单片机存储音乐,控制播放最为广泛.它有功能多价格优外部电 路简单的特点,深受音乐爱好者及音乐芯片制造商的青昧,用 80C51 单片机及少数外部 点路控制 MUSIC 播放,产生“生日快乐歌”,并伴有彩灯闪烁.利用软件的功能设置,使 音乐和灯光有同步的效果. 对于单片机产生音乐,关键是控制頻率的输出.我们知道,不同的聲音对应不同的頻 率,产生有规律的頻率输出就可以得到相应規律的聲音.音乐中,有 8 个基本音符:dor emifasolaxido,八个不同的音符对应著不同的頻率.只要我们对照音符输 出相对应的頻率,就可以产生美妙的音乐了.本章中采用了 T0 中断的方法产生不同頻率,并 用两键控制播放和停止。这里，我用 8051 单片机控制音乐。由键盘控制播放，用运算 放大器的同相放大方式驱动 SPEAKER。 关键词：单片机 硬件系统 软件系统 控制程序结构 3 第第 1 1 章章 前前 言言 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机 系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量 轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计 算机原理与结构的最佳选择。MCS-51 系列单片机有 5 个中断源，中断分为 2 个中断优 先级，即高优先级和低优先级，每个中断源的优先级都可以由软件来设定 51 单片机 中断系统的组成:它由 4 个与中断有关的特殊功能寄存器（TCON、SCON 的相关位作中断 源的标志位） 、中断允许控制寄存器 IE、中断优先级管理（IP 寄存器）和中断顺序查 询逻辑电路等组成。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入 的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、 显示器等组成,还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予 各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进 行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装 置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片 机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器 等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前 冠以形容词“智能型” ，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余 电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究 其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 4 第第 2 2 章章 单片机的基本组成单片机的基本组成 2.12.1 单片机的定义单片机的定义 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机 系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量 轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计 算机原理与结构的最佳选择。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入 的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、 显示器等组成,还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予 各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进 行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装 置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片 机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器 等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前 冠以形容词“智能型” ，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余 电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究 其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 2.22.2 单片机的几部份单片机的几部份 一、总线：我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路 中，连连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并 不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相 连，各器件之间的工作必须相互协调，所以就需要的连线就很多了，如果仍如同模拟 电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线线，则线的数量将多得惊人，所以在微 处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的 8 根数据线全部接 到 8 根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两?器件同 时送出数据，一个为 0，一个为 1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是 是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器 件发送数据（可以有多个器件同时接收） 。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所 有的控制线被称控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元， 这些存储单元要被分配地址才能用，分配地址也是以电信号的形给出的，由于存储单 元比较多，所以，用于地址分的线也较多，这些线被称为地址总线。 二、数据、地址、指令：之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一 5 样的数字，或者说都是串0和1组成的序列。换言之，地址、指令也都是数 据。指令由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严 格的一一对应关，不可以由单片机的开发者更改。地址：是寻找单片机内部、外部的 存储单元、输入输出口的依据，内单元的地址值已由芯设计者规定好，不可更改，外 部的单元可以由单片机开发者自行决，但有一些地址单元是一定要有的。数据：这是 由微理机处理的象，在各种不同的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可 能有这么几种情况： 1、地址（如 MOV DPTR，#1000H） ，即地址 1000H 送入 DPTR。 2、方式字或控制字（如 MOV TMOD，#3） ，3 即是控制字。 3、常数（如 MOV TH0，#10H）10H 即定时常数。 4、实际输出值（如 P1 口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOV P1，#0FFH，要灯 全暗，则执指令：MOV P1，#00H）这里 0FFH 和 00H 都是实际输出值。又如用于 LED 的 字形码，也是实 际输出的值。 理解了地址、指令的本质，就不难理解程序运行过程 中为什么会跑飞，会把数据当成指令来行了。 三、P0 口、P2 口和 P3 的第二功能用法初学时往往对 P0 口、P2 口和 P3 口的第二 功能用法迷惑不解，认为第二功能和原功能之间要有个切换的过程，或者说要有一条 指令，事实上，各端口的第二功能完全是自动，不需要指令来转换。如 P3.6、P3.7 分 别是 WR、RD 信号，当微片理机外接 RAM 或有外部 I/O 口 时，它们挥作第二功能，不 能作为通用 I/O 口使用，只要一微处理机一执行到 MOVX 指令，就会有相应的信号从 P3. 或 P3.7 送出，不需要事先用指令说明。事实上不能作为通用 I/O 口使用也并 不能将其作为通用 I/O 口使用。你完全可以在指令中按排一条 S ETB P3.7 的指令，并 且当单片机执行到这条指令时，也会使 P3.7 变为高电平，但使用者不会这么做，因为 这通常这会导致系统当溃（即死机） 。 四、程序的执行过程单片机在通电复位后 8051 内的程序计数器（PC）中的值为 0000，所以程序总是从0000单元开始执行，也就是说：在系统的 ROM 中一定要 存在0000个单元，并且在0000单元中存放的一定是一条指令。 五、堆栈：堆栈是一个区域，是用来存放数据的，这个区域本身没有任何特殊之 处，就是内部 RAM 的一份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的先进后出， 后进先出 ，并且堆栈有特的数据传输指令，即PUSH和甈 OP ，有一个特殊的专为 其服务的单元，即堆栈指针 SP 每当执一次 PUSH 指令时，SP 就（在原来值的基础上） 自动加 1，每当执行一次 POP 指令，SP 就（在原来值基础上）动减 1。由于 SP 中的值 可以用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了 SP 值，就可以把堆栈设置在规 定的内存单元中，如在程序开始时用一条 MOV SP，#5FH 指令，就时把堆栈设置在从内 存单元 60H 开始的单元中。一般程序的开头总有这么条设置堆栈指针的指令，因为开 机时，SP 的初始值为 07H，这样就使堆栈从 08H 单元 开始往后 8H 到 1FH 这个区域正 6 是 8031 的第二、三、四工作寄存器区，经常要被使用，这会造成数的浑乱。不作编写 程序时，初始化堆栈指令也不完全相同，这是作者的习惯问题。当设置好堆栈区，并 不意味着该区域成为一种专用内存，它还是可以象普通内存区域一样使用，只是一般 情下编程者不会把它当成通内存用了。 六、单片机的开发过程这里所说的开发过程并不是一般书中所说的从任务分析开 始，我们假设已设计并制作好硬件下面就是编写软件的工作。在编写软件之前，首先 要确定一些常数、地址，事实这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确定下来 了。如当某器件的连线设计好后，其地址也就确定了，当器件的功能被确定下来后， 其控制字也就被确定了。然后用文本编缉器（如 EDIT、CCED 等）写软件，编写好后， 用编译器对源程序文件编译，查错，直到没有语法错误，除了极简单程序外，一般应 用仿真机对软件进行调试，直到程序运行正确为止。运行正确后，就可以写（将程序 固化在 EPROM 中） 。在源程序被编译后，生成了扩展名为 HEX 的目标文件，一般编程器 能够 识别种格式的文件，只要将此文件调入即可写片。在此，为使大家对整个过程有 个认识，举一说明：ORG 0000H LJMP START ORG 040H START：MOV SP，#5FH;设堆栈 LOOP：NOP LJMP LOOP；循环 END。 7 第第 3 3 章章 硬件系统结构硬件系统结构 3.13.1 SPCE061ASPCE061A 结构结构 SPCE061A 的内部结构如图 3-1，其特点如下： 图 3-1 SPCE061A 的内部结构 工作电压：VDD 为 2.63.6V(CPU),VDDH 为 VDD5.5V（I/O） ； CPU 时钟为 0.3249.152MHz； 内置存储器：SRAM 为 2KB，内存 Flash 为 32KB； 可编程音频处理； 2 个 16 位可编程定时器/计数器； 7 通道 10 位 ADC（内置麦克风放大和自动增益控制功能） ； 2 个 10 位 DAC； 32 路可编程通用输入输出端口； 串行输入输出接口； 低电压监测/低电压复位功能； 14 个中断源可来自定时器、外部时钟输入、键唤醒等； 内置在线仿真电路 ICE。 3.23.2 语音采集的硬件电路语音采集的硬件电路 语音采集的硬件电路如下图 3-2 所示。MIC 采用驻极体电容话筒，这种话筒具有灵 敏度高、无方向性、重量轻、体积小、频率响应宽、保真度好等优点。 与 PC 机的串行通信用 SPCE061A 的 UART 接口，用 MAX232 芯片进行电平转换，即 可实现 RS232 通信。 8 图 3-2 语音采集的硬件电路 9 第第 4 4 章章 软件设计与实现软件设计与实现 4.14.1 语音信号的采集压缩与数据传输语音信号的采集压缩与数据传输 语音信号处理的基础是对语音信号进行数字化，并采样存储。SRCE061A 内置专门 用于语音信号采集的自动增益控制放大器（AGC）的麦克风输入通道（MIC_IN） 。语音 信号经麦克转换成电信号，由隔离电容隔掉直流成分，然后输入至内部前置放大器。 SPCE061A 内部自动增益控制电路 AGC 能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电 平，当输入信号增器时，AGC 电路自动减小放大器的增益；当输入信号减小时，AGC 电 路自动增大放大器的增益，以便使进入 A/D 的信号保持在最佳电平，又可使谐波减至 最小。 ADC 初始化程序如下： INT OFF； R1=0 x0030； P_TimerA_Ctrl=R1； 时钟频率为 CLKA 的 fosc/2 R1=0 xfa00； P_TimerA_Data=R1； 采样率为 16kHz R1=0 x003d; P_ADC_Ctrl=R1；/设置 AGC 功能 R1=0 x00A8; P_DAC_Ctrl=R1;/采用自动方式且通过 MIC_IN 通道输入，通过定时器 A 的溢出 锁存数据，ADC 为自动方式 R1=0 x1000; P_INT_Ctrl=R1；/开中断 IRQ1_TM INT IRQ； 4.24.2 语音采集的硬件连接语音采集的硬件连接 语音采集的硬件连接图如下图 3-1 所示： 10 图 3-1 语音采集的硬件连接图 波形编码的基本原理是以波形逼近为原则，在时域上把幅度样本分层量化并用代 码表示；特点是语音质量高、抗噪性强编码率高，适于语音及高保真音乐。参数编码 是基于某种语音产生模型，在编程端分析出该模型参数选择适当的方式进行编码；特 点是语音质量差、抗噪抗弱和编码率低。 凌阳 SPCE061A 提供了压缩算法库SACMLIB（见表 3-1） ，其处理的语音信号范 围是 200Hz3.4kHz 的电话语音，并将 A/D、编/解码、存储及 D/A 做成相应的模块， 对于每个模块都有其应用程序接口 API。 表 4-1 SACM-LIB 库中模块及其算法 模块名称压缩算法采样率/kHz语音压缩编码率/Kb/s用途 SACM_A2000子带编码1616、20、24播放语音及高保真音乐 SACM_S480/S720CELP 混合编码164.8、7.2播音 SACM_S240参数编码242.4播音 SACM_MS01FM 音乐合成1616、20、24音乐合成 SACM_DVR子带编码1616Kb/s 的传输率，8Ksps 采样率ADC 信道录音 DAC 放音 4.34.3 语音数据的传输语音数据的传输 SPCE061A 的通用异步串口（UART）提供了一个 8 位全双工标准接口，用于完成 SPCE061A 与外设之间的串行通信。借助于 IOB 口的特殊功能和 UART IRQ 中断，可以同 时完成 UART 接口的接收与发送数据的过程。根据应用需求，把 UART 设置为中断方式 接收数据，以查询方式发送数据。 目前，Mircosoft 公司的 VC+6.0 是基于 Windows 程序设计的主流开发工具之一。 11 VC+不仅秉承了 C+简便、灵活及面向对象等优点，而且提供了功能强大的 MFC 类库， 并能自动生成应用程序框架，提供标准化的程序结构和用户接口。特别需要指出的是， 为了今后调用低层的音频处理 API 函数，对由下位上传的音频数据进一步进行语音识 别方面的处理，我们使用 VC 来编写上位机的控制及存储程序。 在实验室和工业应用中，RS232 串口是常用的计算机与外部串行设备（单片机）之 间的数据传输通道，由于串行通信简单易用，所以应用广泛。通常在 VC+中有三种方 法可以实现串行通信，使用 VC+的标准通信函数_inp 和_outp 来实现串口通信；把串 口看成是一个特殊的设备文件，使用有关文件处理的 API 函数来实现串口通信；使用 ActiveX 的串行通信控件 MSComm 来实现串口通信。 12 第第 5 5 章章 控制和编译过程控制和编译过程 5.15.1 软件设计结构软件设计结构 主要是实现键盘处理，程序中必须确认是哪一个按键被按下，然后转到相应的处 理程序中执行，实际上该程序是一个完整的键盘扫描程序，如果改动其中的处理子程 序完全可以应用到其他的控制电路中，下文附有详细的程序和说明供参考，图 5-1 为 软件设计的结构流程图。 图 5-1 软件设计的结构流程图流程图 键盘扫描程序的任务简单讲就是：首先确认是否有按键按下，然后通过扫描判断 来得到是在哪一行的按键，最后通过比较预先设定的 4 行表格查找并计算得到具体的 按键，从而转到相应的功能程序。 （1）置列线为输入状态（P1.4-P1.7 为 1） ，行线（P1.0-P1.3）先为 0，即设定的 P1.7-P1.0 等于 F0H 并把该状态保存，接这读入当前 P1 口状态，不难理解，只要有按 键（任何一个）按下，P1 口的状态肯定不是原来设定的 P1.7-P1.0 等于 F0H，通过判 断就可以实现第一步的目的：首先确认是否有按键按下？ （2）从第一行（P1.0 行）开始一步步扫描，找出并确认按键在哪一行，扫描的方 法步骤见表 2。行线每次只有一个为 0，例如第 1 次扫描时设定 P1.0 为 0，而 P1.1-P1.3 为 1，显然，在当前扫描过程中按下按键如果不是 P1.0 行，那么 P1 口状态始终是 FEH，因此表 2 说明中强调“只有任一次比较 P1 口不等于该数值，说明当前按键就在 13 该行”就是这样的含义，其余各次比较也是一样道理，通过这样的判断，可以实现查 找按键所在得行数。 （3）程序中定义了 4 个表 KEYVALTAB1-KEYVALTAB4，分别存放的数据用来为比较 程序服务而指示出各行的按键具体位置，表 3 列出按键标号和比较数据对应关系，在 R2 中存放行号的起始值，R0 用来存放在每一行中查到按键的具体位置（R0 范围是 0- 3） ，各行查找时比较的数据见表（3） 。读写可以简单分析就可以得到结果，假设通过 程序先判断按键在第一行，显然如果 S0 按下，P1.7-P1.0 的状态是 11101110（S1 连接 于 P1.0 和 P1.4） ，也就是表 3 中 S0EEH。 （4）KEYCALCU 子程序中通过乘 3 运算用于散转指令 JMP，注意 LJMP 是 3 字节指 令，各按键对应的功能程序安排在一起串 LJMP，所以通过乘 3 运算才能正确对应到各 按键的执行目标功能程序。 关于各键的相应处理功能就较简单，只要对应不同的按键输入相应的控制命令， 对于 S0-S9 是控制 P3.3-P3.0 不同的状态以得到所对应的 BCD 编码，对于 S10-S13 则 是控制 P3.4，P3.5 的状态以实现对 U3-U6 的控制。 5.25.2 软件控制音乐播放编译过程软件控制音乐播放编译过程 软件控制音乐播放编译过程如下程序所示 ORG 0000H LJMP START ORG 000BH INC 20H;中断服务,中断计数器加 1 MOV TH0,#0DBH MOV TL0,#0FFH;11.0592M 晶振，形成 10 毫秒中断 RETI START:MOV SP,#50H MOV TH0,#0DBH MOV TL0,#0FFH MOV TMOD,#01H MOV IE,#82H MUSIC0:NOP MOV DPTR,#DAT;表头地址送 DPTR MOV 20H,#00H;中断计数器清 0 MUSIC1:NOP CLR A;A 清零 14 MOVC A,A+DPTR;查表取代码 JZ END0;是 00H,则结束 CJNE A,#0FFH,MUSIC5;如果不是休止符，往下执行，以 R6 作为音符频率控制，唱 R7 节拍那么久。 LJMP MUSIC3 MUSIC5:NOP MOV R6,A;R6=18H 音符的频率 INC DPTR;DPTR 加 1 MOV A,#0 MOVC A,A+DPTR;取节拍代码送 R7 MOV R7,A;R7=30H 音符发音的时间 SETB TR0;启动计数 MUSIC2:NOP CPL P3.2;P3.2 是音乐输出引脚 MOV A,R6 MOV R3,A;R3=R6=18H LCALLDEL MOV A,R7 CJNE A,20H,MUSIC2;中断计数器(20H)=R7 否;不等,则继续循环。 MOV 20H,#00H;等于,则取下一代码 INC DPTR LJMP MUSIC1 MUSIC3:NOP;休止 100 毫秒 CLR TR0 MOV R2,#0DH;R2=13 MUSIC4:NOP MOV R3,#0FFH;R3=255 LCALL DEL DJNZ R2,MUSIC4 INC DPTR LJMP MUSIC1 END0:NOP MOV R2,#0FFH;歌曲结束,延时 1 秒后继续 MUSIC6: MOV R3,#00H 15 LCALL DEL DJNZ R2,MUSIC6 LJMP MUSIC0 DEL:NOP DEL3:MOV R4,#02H DEL4:NOP DJNZ R4,DEL4 NOP DJNZ R3,DEL3 RET NOP DAT: DB 18H,30H,1CH,10H,20H,40H,1CH,10H DB 18H,10H,20H,10H,1CH,10H,18H,40H DB 1CH,20H,20H,20H,1CH,20H,18H,20H DB 20H,80H,0FFH,20H,30H,1CH,10H,18H DB 20H,15H,20H,1CH,20H,20H,20H,26H DB 40H,20H,20H,2BH,20H,26H,20H,20H DB 20H,30H,80H,0FFH,20H,20H,1CH,10H DB 18H,10H,20H,20H,26H,20H,2BH,20H DB 30H,20H,2BH,40H,20H,20H,1CH,10H DB 18H,10H,20H,20H,26H,20H,2BH,20H DB 30H,20H,2BH,40H,20H,30H,1CH,10H DB 18H,20H,15H,20H,1CH,20H,20H,20H DB 20H,10H,1CH,10H,20H,20H,26H,20H DB 2BH,20H,30H,20H,2BH,40H,20H,15H DB 1FH,05H,20H,10H,1CH,10H,20H,20H DB 26H,20H,2BH,20H,30H,20H,2BH,40H DB 20H,30H,1C