51单片机音乐盒课程设计

单片机原理与应用单片机原理与应用 课程设计课程设计 题目题目 单片机音乐播放器单片机音乐播放器 系系 别 别 计算机信息与技术系 专专 业 业 计算机科学与技术 班班 级 级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 2015 年 06 月 目录目录 1 1 项目分析项目分析 1 1 1 1 概述 1 1 2 单片机音乐盒播放器的有关介绍 1 2 2 题目分析题目分析 2 2 1 软件分析 2 1 1 软件的简介 2 1 2 具体软件过程 4 2 硬件分析 4 3 3 方案设计与论证方案设计与论证 4 4 3 1 单片机的选取 4 3 2 单片机控制电路的设计 5 4 4 硬件设计硬件设计 7 7 4 1 AT89C51 芯片功能和硬件连接 7 4 2 芯片擦除 7 4 3 键盘 7 4 3 1 键盘输入的特点 7 4 3 2 按键的确认 7 4 4 音频输出 8 4 5 整体硬件电路 8 5 5 软件设计软件设计 9 9 5 1 程序流程图 9 5 2 音乐产生的方法 9 5 3 对乐谱表的转换 11 6 6 软硬件调试软硬件调试 1212 6 1 软件调试 12 6 2 硬件调试 12 6 3 软硬件调试中的问题 13 6 3 1 软件问题 13 6 3 2 硬件问题 14 7 7 总结总结 1515 1 1 1 项目分析项目分析 1 11 1 概述概述 随着社会的发展和科技的进步 越来越多人性化的电子产品被用在人们日常生 活之中 这其中都有单片机的身影 比如银行交易窗口的滚动字幕 灯牌还有各种 彩灯的控制手机 计算机 机器人等各行各业之中 正如我们所知道的 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 并且水 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 但是与之相反 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 所放歌曲的节奏可以根据需要进行设置 根据存储容量的大小 可以尽可能多的存储歌曲 另外 还可以设计彩灯外观效果 增设放歌时间 序号显示灯功能 使音乐盒的功能更加丰富 1 21 2 单片机音乐盒播放器的有关介绍单片机音乐盒播放器的有关介绍 电子音乐已广泛地应用于社会生活的各个领域 其类型从音乐卡片到 CD MP3 等多种多样 制作原理也各不相同 声音是通过振动产生的 单片机对某一 I O 引 脚以一定的频率循环置 1 和清 0 这一引脚便产生一定频率的方波 该方波通过放 大后作用于蜂鸣器或者扬声器 便产生一定频率的声音 若改变输出方波的频率 产生的声音也就改变了 通过控制输出方波的时间长短 声音的长短也就得到控制 因此 根据乐谱 单片机就可产生电子音乐 音乐中最关键的两个要素是音符和节 拍 单片机控制的音乐发生器系统由硬件电路和软件两部分构成 利用单片机控制 2 的电子音乐发生器软硬件上具有独特的优点 系统的开发周期短 成本低 电路制 作容易 更换歌曲时 硬件电路无需作任何修改 只需修改软件即可实现 软件编 程时 可用 51 系列单片机的汇编语言或 C 语言实现 本课题使用 C 语言 同时 还可根据个人的习好通过软件改变节拍的延时时间 增加电子音乐的趣味性 2 2 题目分析题目分析 1 1 软件分析软件分析 本次设计主要用到了三款软件 一款是用以对源代码进行 C 语言编程的 KEIL 软件 一款是谱曲软件 另一款则是用以对实物设计进行仿真的 PROTEUS 软 件 4 1 11 1 软件的简介软件的简介 1 1 11 1 1 编程软件编程软件 KEILKEIL 的简介的简介 要进行单片机的开发设计 首先离不开的就是软件 而如果你使用 C 语言编程 那么 KEIL 几乎就是你的不二之选 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 是美国 KEIL Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开 发系统 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优 势 因而易学易用 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 将这些部分组合在一起 运行 KEIL 软件需要 WIN98 NT WIN2000 WINXP 等操作系统 C51 工具包的整体结构 uVision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成开发环境 IDE 可以完成编辑 编译 连接 调试 仿真等整个开发流程 开发人员可用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件 然后分别由 C51 及 C51 编译器编译生成目标文件 OBJ 目标文件可由 LIB51 创建生成库文件 也可 以与库文件一起经 L51 连接定位生成绝对目标文件 ABS ABS 文件由 OH51 转 3 换成标准的 Hex 文件 以供调试器 dScope51 或 tScope51 使用进行源代码级调试 也可由仿真器使用直接对目标板进行调试 也可以直接写入程序存贮器如 EPROM 中 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 与汇编相比 C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优势 因而易学易用 用过汇编语言后再使用 C 来开发 体会更加深刻 KEIL C51 软 件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全 Windows 界面 是一款 非常不错的软件 1 1 21 1 2 谱曲软件的介绍谱曲软件的介绍 单片机音乐谱曲软件 Music Encode 可以将乐谱表转化为用于 51 单片机 播放音乐时候需要的 16 进制代码 1 1 31 1 3 仿真软件仿真软件 PROTEUSPROTEUS 的简介的简介 有了编译软件 同样也少不了仿真软件 PROTEUS 这是一款非常强大的 仿真软件 有了它以后 我们就可以节省大量的精力和资源 仅仅通过电脑就能模 拟我们想要的东西 直至满足我们自己的要求为止 PROTEUS 软件是英国 Labcenter electronics 公司出版的 EDA 工具软件 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 PIC 10 12 16 18 24 30 DsPIC33 AVR ARM 8086 和 MSP430 等 2010 年又增加了 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 4 在 PROTEUS 绘制好原理图后 调入已编译好的目标代码文件 HEX 可以在 PROTEUS 的原理图中看到模拟的实物运行状态和过程 PROTEUS 是单片机课堂 教学的先进助手 PROTEUS 不仅可将许多单片机实例功能形象化 也可将许多单 片机实例运行过程形象化 前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果 后者则 是实物演示实验难以达到的效果 它的元器件 连接线路等却和传统的单片机实验 硬件高度对应 这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能 例如 元器 件选择 电路连接 电路检测 电路修改 软件调试 运行结果等 1 21 2 具体软件过程具体软件过程 1 2 1 使用 谱曲软件 对音乐播放器程序中需要用到的音乐代码进行转 换 1 2 2 使用仿真软件 proteus 进行仿真图的绘制 1 2 3 使用 keil 软件进行代码的编写与调试 2 2 硬件分析硬件分析 本设计中会用到的元件有 AT89C51 单片机一个 按键四个 蜂鸣器一个 双头 USB 数据线一条 还有部分电路常用元器件 3 3 方案设计与论证方案设计与论证 本设计是基于单片机的音乐播放器设计 由单片机 AT89C51 芯片和蜂鸣器为核 心 辅以必要的电路 构成的一个简单的单片机音乐播放器 要求利用 I O 口产生 一定频率的方波 驱动蜂鸣器 从而演奏乐曲 可通过功能键选择乐曲 暂停 播 放 3 13 1 单片机的选取单片机的选取 首先选择单片机中最为普遍的 MCS51 系列 其中 AT89C2051 是美国 ATMEL 公司 生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读程 序存储器 PEROM 和 128bytes 的随机数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司 的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位 中央处理器和 Flash 存储单元 功能强大的 AT89C2051 单片机可应用于许多高性价 比的应用场合 5 主要性能 MCS 51 产品兼容 2KB 可重编程 FLASH 存储器 1000 次 2 7 6V 电压范围 全静态工作 0Hz 24KHz 2 级程序存储器保密锁定 128 8 位内部 RAM 15 条可编程 I O 线 两个 16 位定时器 计数器 6 个中断源 可编程串行通道 高精度电压比较器 P1 0 P1 1 P3 6 直接驱动 LED 的输出端口 由于完成音频输出只需一个 I O 口 因此 AT89C2051 足以满足基本要求 其 20 个引脚体积小巧 内部 2k 字节的程序存储器容量适中 低压低频工作条件 并 且价格低廉容易购得 综上 本次设计选择 AT89C2051 单片机 3 23 2 单片机控制电路的设计单片机控制电路的设计 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 1 硬件电路中用 P3 3 P3 5 控制按键 2 用 P3 6 口控制蜂鸣器 3 电路为 12MHZ 晶振频率工作 起振电路中 C1 C2 均为 30pf 3 2 13 2 1 系统总体结构框图系统总体结构框图 电源电路 6 AT89C51 单片机 复位电路 晶振电路 按键控制电路 蜂鸣器电路 7 4 4 硬件设计硬件设计 本设计中会用到的元件有AT89C51单片机一个 按键四个 蜂鸣器一个 双头 USB 数据线一条 还有部分电路常用元器件 4 4 1 1 AT89C51AT89C51 芯片功能和硬件连接芯片功能和硬件连接 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 俗称单片机 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 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 4 24 2 芯片擦除芯片擦除 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 4 34 3 键盘键盘 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据 传送命令等功能 是人工 干预单片机的主要手段 4 3 14 3 1 键盘输入的特点键盘输入的特点 键盘实质上是一级按键开关的集合 通常 键盘开关利用了机械触点的合 断作用 4 3 24 3 2 按键的确认按键的确认 键的闭合与否 反映在行线输出电压上就呈现高电平或低电平 如果高电平表 示键断开 低电平则表示键闭合 通过对行线电平高低状态的检测 便可确认按键 8 按下与否 为了确保 CPU 对一次按键动作只确认一次按键有效 必须消除抖动的影 响 按键输入电路由 4 个按键组成 P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 为控制歌曲按键 P3 2 为暂停按键 4 44 4 音频输出音频输出 整个输出部分由一个蜂鸣器 喇叭组成 原理图如下图所示 用 P3 6 口控制蜂鸣器 输出显示电路下图所示 4 54 5 整体硬件电路整体硬件电路 如图 4 5 所示 9 图 4 5 5 5 软件设计软件设计 5 15 1 程序流程图程序流程图 开始 初始化 查表调音符数据 用延时产生节拍调键盘程 序开始中断 一首曲子播完 10 5 25 2 音乐产生的方法音乐产生的方法 一首音乐是许多不同的音阶组成的 而每个音阶对应着不同的频率 这样 我们就可以利用不同的频率的组合 即可构成我们所想要的音乐了 当然对于单片 机来产生不同的频率非常方便 我们可以利用单片机的定时 计数器 T0 来产生这样 方波频率信号 因此 我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可 现在 以单片机 12MHZ 晶振为例 例出高中低音符与单片机计数 T0 相关的计数值如下表 5 2 所示 表 5 2 1 高中低音符与单片机计数 T0 相关的计数值 音符频率 HZ 简谱码 T 值 音符频率 HZ 简谱码 T 值 低 1 DO 26263628 4 FA 74064860 1 DO 27763731 中 5 SO 78464898 低 2 RE 29463835 5 SO 83164934 2 RE 31163928 中 6 LA 88064968 低 3 M 33064021 693264994 低 4 FA 34964103 中 7 SI 98865030 4 FA 37064185 高 1 DO 104665058 低 5 SO 39264260 1 DO 110965085 5 SO 41564331 高 2 RE 117565110 低 6 LA 44064400 2 RE 124565134 646664463 高 3 M 131865157 低 7 SI 49464524 高 4 FA 139765178 中 1 DO 52364580 4 FA 148065198 1 DO 55464633 高 5 SO 156865217 11 中 2 RE 58764684 5 SO 166165235 2 RE 62264732 高 6 LA 176065252 中 3 M 65964777 6186565268 中 4 FA 69864820 高 7 SI 196765283 图 5 2 1 表 5 2 2 音乐的音拍 曲调值 DELAY 曲调值 DELAY 调 4 4 125ms 调 4 4 62ms 调 3 4 187ms 调 3 4 94ms 调 2 4 250ms 调 2 4 125ms 5 35 3 对乐谱表的转换对乐谱表的转换 使用 Music Encode 软件对音乐简谱进行转化 如下图所示 此处只作为示范 12 图 5 3 6 6 软硬件调试软硬件调试 6 16 1 软件调试软件调试 由截图看以看出 软件调试正确 13 6 26 2 硬件调试硬件调试 6 36 3 软硬件调试中的问题软硬件调试中的问题 6 3 16 3 1 软件问题软件问题 1 如何将音乐的简谱数据转化为单片机可以识别的代码 通过网络查询得知 有一款被众多单片机爱好者认可的音乐简谱转化 软件 Mucic Encode 它是一绿色软件 可以直接使用 无须安装 使用它就可 以将音乐的简谱转化为单片机所能识别的代码 不过前提是必须要懂音乐简谱 但 是介于时间问题 并没有那么多时间来学习音乐简谱 于是 就找到了身边懂音乐 的同学 让他们帮忙来实现对简谱的转化 2 如何对音乐施行暂停播放 对正在播放的音乐执行暂停 真是一件特别麻烦的事 不过 在这里 我想到了一个可以代替音乐暂停的办法 这次制作的单片机音乐播放器 一共使用了 4 个按键 前 3 个按键 是 用来对固定的音乐进行选择播放 而最后一个按键 则是那个用于 暂停音乐播放 14 的按键 它其实是通过在代码中写入空白音乐来实现的 因为是空白音乐 所以当 按下最后一个按键的时候 蜂鸣器是不会发声的 这里 其实就是实现了 假暂停 3 如何使用正确的口对音乐施行控制 因