数字音乐盒的设计

沈阳大学课程设计 1 数字音乐盒的设计 专业 测控技术与仪器 班级 XX 级 X 班 姓名 XXX 沈阳大学课程设计 2 目录 引言 1 1 总体方案设计 2 1 1 设计方案的对比 2 1 2 原理简介 3 1 3 方案设计思想 3 2 硬件设计 5 2 1 硬件电路 5 2 1 1 单片机芯片的选择方案 5 2 1 2 AT89C51 的工作特性 6 2 1 3 AT89C51 的管脚说明 7 2 2 原理说明 10 2 3 电路各模块说明 10 2 3 1 键盘系统 10 2 3 2 蜂鸣器 11 2 3 3 时钟电路 11 2 3 4 复位电路 12 2 3 5 显示电路 12 2 4 硬件电路设计 13 结 论 14 致 谢 15 参考文献 16 沈阳大学课程设计 3 引言 随着人们生活水平的不断提高 单片机控制无疑是人们追求的目标之一 它所给人带来的方便也是毋庸置疑的 其中智能音乐盒就是一个典型的例子 但人们对它的要求越来越高 要为现代人工作 生活 提供更好的更方便的 服务就需要从单片机技术着手 一切向着数字化控制 智能化控制方向发展 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 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 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 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 沈阳大学课程设计 4 1 总体方案设计 1 1 设计方案的对比 方案一 本设计以 AT89C51 为核心 配合键盘系统 放大电路 时钟电 路和数码管显示电路实现音乐的演奏 音乐盒设计采用独立的键盘做为音符 的输入以 AT89C51 为核心 本设计中用到了 AT89C51 单片机 1 5 独立式键盘 蜂鸣器 14 引脚的 LCD 时钟电路 可以通过以下原理框图 图 1 来实现该音乐盒的设计 图 1 系统结构框图 方案二 该方案以 AT89S52 单片机为核心 主要设计模块包括数码管显 示部分 功能键盘部分 蜂鸣器发声部分 彩灯部分 数码管采用共阳极数 码管 通过单片机 P1 口控制 实现歌曲序号的显示 功能键盘采用 1 8 键 盘按键开关 通过单片机 P3 口控制 实现歌曲播放顺序的调换和暂停播放 功能 蜂鸣器由单片机的 P2 口控制 实现歌曲播放 彩灯是由普通发光二 极管代替 能实现单色长亮和闪烁效 琴键电路 放大 电路 P0 0 P0 7 时钟电路 路 复位电路 单片机 显示电路 沈阳大学课程设计 5 综上所述 由于方案一的琴键输入是通过独立式键盘来完成的 这样便 于控制且直观 且本方案是采用我们所熟知的单片机类型和显示电路 便于 我们理解 而方案二中其他电路部分与方案一相差不大 但系统实现比较困 难 且主控芯片采用的是我们少用的 AT89S51 所以我们选择方案一 1 2 原理简介 当键盘有键按下时 判断键值 启动计数器 T0 产生一定频率的脉冲 驱动蜂鸣器 放出乐曲 同时启动定时器 T1 显示乐曲播放的时间 并驱动 LCD 显示歌曲号 1 3 方案设计思想 1 要产生音频脉冲 只要算出某一音频的周期 1 音频 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 O 反相 然后重复计时此半周期时间再对 I O 口反相 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 改变记 数值 TH0 及 TL0 以产生不同频率的方法 例如频率为 523HZ 其周期 T 1 523 1912 微秒 因此只要令计数器定时 956 1 956 在每记数 9 次时将 I O 口反相 就可得到中音 D0 523HZ 记数脉冲值与频率的关系公式如下 N Fi 2 Fr N 记数值 Fi 内部计时一次为 1 微秒 故其频率为 1MHZ Fr 要产生的频率 3 起记数值的求法如下 沈阳大学课程设计 6 T 65536 N 65536 Fi 2 Fr 例如 设 K 65536 F 1000000 Fi 1MHZ 求低音 D0 523HZ 高音的 D0 1046HZ 的记数值 T 65536 N 65536 Fi 2 Fr 65536 1000000 2 Fr 65536 50000 0 Fr 低音 D0 的 T 65536 500000 262 63627 中音 D0 的 T 65536 500000 523 64580 低音 D0 的 T 65536 500000 1047 65059 沈阳大学课程设计 7 2 硬件设计 2 1 硬件电路 2 1 1 单片机芯片的选择方案 方案一 采用 AT89S52 片内 ROM 全都采用 Flash ROM 能以 3V 的超底压工作 同时也与 MCS 51 系列单片机完全该芯片内部存储器为 8KB ROM 存储空间 但是 AT89S51 是 ATMEL 推出的带 ISP 和看门狗的 51 内核的 MCU 不过用仍然 很不划算 时钟最高才 24M 片内资源可以说是市面上在售的 51 系列里匮乏 的品种 价格相对高 不适用于本音乐盒的设计 方案二 采用 AT89C51 芯片作为硬件核心 采用 Flash ROM 内部具有 4KB ROM 存储空间 能于 3V 的超低压工作 而且与 MCS 51 系列单片机完全兼容 AT89C51 是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储 器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能强大的微型计算机的 AT89C51 可为许多嵌入式控制应 用系统提供高性价比的解决方案 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 所以选择采用 AT89C51 单片机 其引脚图 如右图 2 所示 沈阳大学课程设计 8 图 2 AT89C51 引脚图 2 1 2 AT89C51 的工作特性 内含 4KB 的 FLASH 存储器檫写次数 1000 次 内含 128 字节的 RAM 具有 32 根可编程 I O 线 具有 2 个 16 位编程定时器 具有 6 个中断源 5 个中断矢量 2 级优先权的中 断结构 具有 1 个全双工的可编程串行通信接口 具有 1 个数据指针 DPTR 具有可编程 3 级程序锁定位 AT89C51 的工作电源为 5 1 0 2 V 且典型值为 5V AT89C51 最高工作频率为 24MHZ 沈阳大学课程设计 9 AT89C51 的编程频率为 3 24MHZ 编程启动电流和启动电压 分别为 1mA 5 或 12V 2 1 3 AT89C51 的管脚说明 1 VCC 供电电压 GND 接地 2 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电 流 当 P1 口的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程 序数据存储器 它可以被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须 被拉高 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接 收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接 收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻 拉高 且作为输入 并因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出 电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口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 P2 口输出地址的高八位 在给出地址 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 P2 口输 出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址 信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 沈阳大学课程设计 10 个 TTL 门电流 当 P3 口写入 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 P3 口将输出电流 ILL 这是由 于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口 如下表所示 管口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 记时器 0 外部输入 P3 5 T1 记时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地 址的地位字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端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 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指令是 ALE 才起作用 另 外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止 置位无效 沈阳大学课程设计 11 PSEN 外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 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP EA 保持低电平时 在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 3 振荡器特性 XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器输入和输出 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 XTAL2 应不接 有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 4 芯片擦除 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合 并 保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成 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 AT89C51 设有稳态逻辑 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 CPU 停止工作 但 RAM 定时器 计数 沈阳大学课程设计 12 器 串口和中断系统仍在工作 在掉电模式下 保存 RAM 的内容并且冻结振 荡器 禁止所用其他芯片功能 直到下一个硬件复位为止 2 2 原理说明 当键盘有键按下时 判断键值 启动计数器 T0 产生一定频率的脉冲 驱动蜂鸣器 放出乐曲 同时启动定时器 T1 显示歌曲号 1 硬件电路中用 0INT 1INT 分别接 S1 S2 作为上 下一曲的功能键 2 硬件电路中用 P1 0 P1 4 控制按键 3 用 P2 0 P2 2 作为 LCD 的 RS R W E 的控制信号 用 P3 0 P3 7 作为 LCD 的 D0 D7 的控制信号 4 用 P2 7 口控制蜂鸣器 5 电路为 12MHZ 晶振频率工作 起振电路中 C1 C2 均为 30pf 2 3 电路各模块说明 2 3 1 键盘系统 键盘的选择 非编码键盘是利用按键直接与单片机相连接而成 这种键 盘通常使用在按键数量较少的场合 使用这种键盘 系统功能通常比较简单 需要处理的任务较少 但是可以降低成本 简化电路设计 并且其中的独立 式键盘特点是 一键一线 各键相互独立 每个键各接一条 I O 口线 通过 检测 I O 输入线的电平状态 可容易地判断哪个按键被按下 所以键盘模块采用 1 5 按键模式 S1 S5 的独立式键盘 接在单片机 的 P1 口上 键盘系统的链接电路图如图 3 所示 当用手按下一个键时 往往按键在闭合位置和断开位置之间跳几下才稳 定到闭合状态的情况 在释放一个键时 也回会出现类似的情况 这就是抖 沈阳大学课程设计 13 动 抖动的持续时间随键盘材料和操作员而异 不过通常总是不大于 10ms 很容易想到 抖动问题不解决就会引起对闭合键的识别 用软件方法可以很 容易地解决抖动问题 这就是通过延迟 10ms 来等待抖动消失 图 3 键盘模块电路图 2 3 2 蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 采用直流电压供电 蜂鸣器主 要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型 蜂鸣器在电路中用字母 H 或 HA 表示 单片机驱动他激蜂鸣器的方式有两种 一种是PWM 输 出口直接驱动 另一种是利用I O 定时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行 驱动 比如为2500Hz 的蜂鸣器的驱动 可以知道周期为400 s 这样只需 要驱动蜂鸣器的I O 口每200 s 翻转一次电平就可以产生一个频率为 2500Hz 占空比为1 2duty 的方波 其电路图如图4所示 图 4 蜂鸣器电路图 2 3 3 时钟电路 此系统的时钟电路设计是采用内部方式 即是利用芯片内部的振荡电路 MCS 51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 以此系统电路采 沈阳大学课程设计 14 用 12MHz 的晶振 起振电路中 C1 C2 均为 30pf 时钟电路模块电路图如图 5 所示 图 5 晶振电路模块电路图 2 3 4 复位电路 51 单片机的 RST 引脚是复位信号的输入端 复位信号是高电平有效 其 有效时间应持续 24 个振荡脉冲周期 即二个机器周期 以上 一般有两种 复位方式 上电复位和手动复位 复位电路图如图 6 所示 图 6 复位电路模块电路图 上电复位上电时 利用电容 C1 的充电延时特性 一开始 5V 电压全部 降落在电阻 R6 上 高电平输入 RST 脚 单片机复位操作 当电容 C1 充电接 近结束时 电阻 R6 电压趋于 0 RST 脚输入低电平 结束复位操作 手动复位在系统出现操作错误或程序运行出错时使用 在单片机系统运行过 程中 按下复位键 K0 高电平输入 RST 脚 单片机被强制执行复位操作 系 统可退出错误运行状态 恢复正常工作 2 3 5 显示电路 显示电路的选择 LED 数码管显示耗能多 而且显示位数有限 每增加 一位都要在程序设计和硬件设计方面增加很多的工作量 不利于电路的扩展 沈阳大学课程设计 15 而 LCD 液晶显示则耗能少 在显示方面灵活 而且改变显示时只要改变软件 设计就可以 不用改变硬件电路的设计 易于电路的功能扩展 电路的软件 设计也很简单 另外 这种设计硬件更加简洁 综上所述 本设计使用 LCD 液晶显示 显示电路采用 LCD 模块 LCD 显示模块采用 14 引脚的 LCD LM032L 它 有八个数据端口 三个控制口 当控制口 R W 为低电平时 单片机向 LCD 写 入指令 当其为高电平时 单片机读取 LCD 的信息 单片机的 P2 0 P2 2 作 为 LCD 的 RS R W E 的控制信号 用 P0 0 P0 7 作为 LCD 的 D0 D7 的控制信 号 用 LCD 来显示播放歌曲时间和歌曲号 当按下开机键时 会在 LCD 上显 示英文欢迎字符 按其他键可显示歌曲号和播放时间 LCD 显示模块电路图分别如图 7 所示 图 7 LCD 显示模块电路图 2 4 硬件电路设计 硬件电路的整体设计用到了 AT89C51 单片机 1 5 独立式键盘 蜂鸣器 14 引脚的 LCD 时钟电路实现了该数字音乐盒的设计 利用 I O 口产生一定