数字音乐盒的设计与实现.docx

课 程 设 计 报 告课程设计名称：微机系统综合课程设计课程设计题目：数字音乐盒的设计与实现251 总体设计方案1.1 题目介绍与要求本次课程设计的任务是运用伟福Lab8000试验箱和keil软件设计并实现一个数字音乐盒，要求采用I/O产生一定频率的方波，从而驱动蜂鸣器发出不同的音调，演奏乐曲；并且需要采用七段数码管显示当前播放的歌曲序号和播放时间；还得通过数字键盘直接选择乐曲，控制选择上一曲和下一曲音乐，具有暂停和播放控制功能。1.2设计思路1.2.1音调的产生频率的高低决定了音调的高低。音乐的十二平均率规定：每两个八度音（如简谱中的中音1和高音1）之间的频率相差一倍。在两个八度音之间又分为十二个半音。另外，音名A（简谱中的低音6）的频率为440Hz，音名B到C之间、E到F之间为半音，其余为全音。由此可以计算出简谱中从低音1到高音1之间每个音名对应的频率，所有不同频率的信号都是从同一个基准频率分频得到的。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51单片机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。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=Fi/2/FrN：计算值；Fi：内部计时一次为1us，故其频率为1MHz；其计数值的求法如下：初值T=65536-NC调各音符频率与计数值T的对照表如表1.1所示。表1.1 C调各音符频率与计数值T的对照表低音频率N参数中音频率N参数高音频率N参数Do2621908229Do523956115Do10465757Do#2771805217Do554903108Do11095454Re32941701204Re587852102Re11755151Re3111608193Re62280497Re12454848Mi3301515182Mi65975991Mi13184545Fa3491433172Fa69871686Fa13974343Fa3701351162Fa74067681Fa14804141So3921276153So78463877So15683838So4151205145So83160272So16613636La4401136136La88056868La17603434La4641078129La93253664La18653232Si4941012121Si98850661Si197630301.2.2节拍的产生构成音乐需要节拍，让音乐具有旋律，而且可以调节各个音的快慢度。若1拍实0.5s，则1/4 拍为0.125s。至于1有多长时间，可以按照设计者来决定，只要好听就行。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。节拍与节拍码对照表如表1.2所示。表1.2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。如果1拍为0.4秒，1/4拍为0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。假设1/4拍的延迟时间为1，则1拍的延迟时间应为4，以此类推。所以只要求得1/4拍的延迟时间，其余的节拍就是它的倍数。表1.3所示。表1.31/4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2硬件电路设计2.1系统原理数字音乐盒的核心主要分为三个方面，分别是七段数码管、键盘和蜂鸣器。用定时器中断的方式来控制蜂鸣器和扫描4*4键盘，在程序中用显示函数让数码管显示，需要显示出歌曲序号和播放时间，并且能用键盘控制播放的音乐。原理框图如图2.1所示。图2.1系统原理框图2.2单片机8051单片机是在课堂上学习的单片机型号，也是这次课程设计的核心器件，它是8位的单片机，具有品种全、兼容性强、性能价格比高等特点。8051单片机具有很多的I/O口，其中P2.4、P2.5、P2.6连接74LS138译码器，而译码器则可以控制片选信号和位选信号；P0的八个I/O口要与译码器74HC374相连，然后在与键盘连接，从而能确认数码管的段选信号，此次课程设计的位选码为0x8002。段选码是0x8004；P1.1口则控制的是蜂鸣器。单片机电路图如图2.2所示。图2.2 单片机电路图2.3主要电路器件2.3.1 蜂鸣器蜂鸣器是整个电路中重要的输出部分之一，没有了蜂鸣器就不会响起悦耳的音乐，本次课程设计，运用了单片机I/O口中的P1.1口，当程序中的play变量等于1时，蜂鸣器响，反之，若play等于0，则停止响声。端口输出的方波经放大滤波后，驱动蜂鸣器发声，蜂鸣器的电路图如图2.3所示。图2.3蜂鸣器电路图2.3.2 键盘Lab8000实验箱内的键盘是4*6的键盘，但是这次课程设计只用到了前四列，所以也就只扫描了四列按键，键盘的主要功能就是用户的输入，也是实现程序现象的重要部分，当用户想播放哪首歌曲就在键盘中输入哪个按键。实验箱内的键盘还连接了一个ULN2003芯片，这个芯片的特点是电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于要求高速大功率驱动的系统。键盘的电路图如图2.4所示。图2.4键盘电路图2.3.3 数码管此次课程设计运用了六的数码管，第一个显示了歌曲的序号，第二个是空位，第三和第四个显示了分钟的计时，第五和第六个显示了秒钟的计时。数码管的主要作用就是显示出当前程序运行时的现象，数码管的位选位与ULN2003相连后再接到键盘上，段选位则是连到74HC374译码器上，实验箱的数码管为共阴极，显示方式为动态显示。由电路图得知，位选信号为1时有效。数码管示意图如图2.5所示。图2.5数码管示意图沈阳航空航天大学课程设计报告3程序设计3.1 系统功能该软件具有多种功能，系统功能图如图3.1所示。 图3.1系统功能图3.2主要函数介绍3.2.1总体流程程序的第一步是变量的初始化，定义了flag、time、sec等变量，并且设置了各个音调对应的十六进制码，然后开中断，对定时器进行模式的选择和初值的计算，接着调用LED显示函数使数码管按照程序设计的方式运行，其中扫描键盘是用定时器中断的方法，设置每隔3ms中断一次，即扫描一次键盘。流程图如图3.2所示。图3.2总体流程图3.2.2数码管显示函数数码管的显示在这里用的是动态显示方法，并且通过电路图得知，为了让74HC138芯片和74HC573芯片有效，计算出段控制口和位控制口分别为0x8004和0x8002。流程图如图3.3所示。图3.3数码管显示函数流程图3.2.3键盘扫描扫描键盘主要用的是unsigned char GetKey()函数，而且还是用定时器中断的方法，设置每隔3毫秒中断一次，在一秒中大约会产生中断333次，就是说在一秒钟扫描键盘333次。在扫描键盘的过程中，先是扫描哪一个的按键别按下，把第几列记录下来后，再扫描是哪一行的按键，记录是哪一行；最后根据公式“键值 = 列 x 4 + 行”，就能计算出是哪一个按键被按下。如图3.4所示。图3.4键盘扫描函数流程图3.2.4 计时函数为了对歌曲进行计时，所以设计了一个计时函数jishi（）。分钟和秒钟分别用两个数码管来显示，当歌曲响起时开始计时，若秒钟个位加到10时，则十位加一，并且个位清零；秒钟的十位加到5时，分钟个位加一，并且将秒钟清零，分钟的十位同理，最后通过缓冲区在数码管中显示。计时函数如图3.5所示。图3.5 计时函数流程图3.2.5 音乐函数音乐函数song（）是使蜂鸣器响起音乐的核心，一共有六首歌曲，分别用0x010x06控制着六首歌曲，通过用switch语句控制判断选择的是哪首歌曲，选择歌曲的序号后，调用相对应的并且储存了用十六进制数表示歌曲的数组，若在键盘中选择了1，就会调用tiger，则蜂鸣器就会按照tiger数组中存储的十六进制码产生的频率响起音乐，播放结束后就会继续播放序号为2的歌曲。如图3.6所示。图3.6 音乐函数流程图沈阳航空航天大学课程设计报告4 实验现象与问题4.1操作说明与实验现象“1”按键：歌曲1，两只老虎“2”按键：歌曲2，小青蛙“3”按键：歌曲3，千年之恋“4”按键：歌曲4，七子之歌“5”按键：歌曲5，找朋友“6”按键：歌曲6，寂寞沙洲岭“A”按键：播放上一首歌曲“B”按键：播放下一首歌曲“C”按键：暂停键数码管的第一位显示当前正在播放的歌曲序号，第三四位显示歌曲的分钟计时，第五六位显示歌曲的秒钟计时。在键盘中选择“1”“6”按键，就会播放相应的歌曲，六首歌曲循环播放，若当前播放的是第一首，选择“A”按键播放上一首歌曲就会播放第六首，若当前播放的是第六首，选择“B”按键播放下一首歌曲就会播放第一首，选择“C”按键时，歌曲和计时都会暂停，再按一次则继续播放音乐。4.2 问题与解决方法问题1：六个数码管中所有的段位都会发生很严重的闪烁现象，导致看不清数码管显示的数字，但运行的结果是正确的。解决：经过测试发现，试验箱连错了I/O口，连的是P3.7口，该口的功能是读写，改成连接P1.1口，闪烁消失。问题2：运行时数码管计数不稳定，有微弱的闪烁现象。解决：调整中断时间，将中断一次的时间3ms改成2ms，在1秒内产生500次中断，数码管变的更稳定。问题3：音乐跑调解决：音调的产生是根据声音产生的频率，再用公式计算出定时器的初值，计算错误导致音乐跑调。沈阳航空航天大学课程设计报告参考文献1 张毅刚，刘杰. 单片机原理及应用（第三版）. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2015.4.2张仁彦，高正中，黄鹤松. 单片机原理及应用. 北京：机械工业出版社，2016.33付先成,，高恒强，蔡红娟. 单片机原理与C语言程序设计. 武汉：华中科技大学出版社，2015.84张校珩. 单片机C语言编程100例. 北京：中国电力出版社，2014.15 唐颖. 单片机综合设计实例与实验. 北京：电子工业出版社，2015.1沈阳航空航天大学课程设计报告附录（关键部分程序清单）#include #define uchar unsigned char #define uint unsignedint#define LEDLen 6xdata unsigned char OUTBIT _at_ 0x8002; / 位控制口xdata unsigned char OUTSEG _at_ 0x8004; / 段控制口xdata unsigned char IN _at_ 0x8001; / 键盘读入口unsigned char LEDBufLEDLen; / 显示缓冲sbitfm=P11;/蜂鸣器uchar u=0,num=0,num1=0;uchartimeh,timel;uchar min0=0,min1=0,sec0=0,sec1=0;uchar play=0;uchar flag1=0;uint flag=0;void delay1(uint z);/延时1msvoid delay(uint z); /延时165ms即十六分音符void song(); /简谱音调对应的定时器初值适合11.0592M的晶振uchar code chuzhi= 0xff,0xff,/占位停顿 0xFC,0x8E,/中音1-7 0xFC,0xED, 0xFD,0x43, 0xFD,0x6A, 0xFD,0xB3, 0xFD,0xF3, 0xFE,0x2D, 0xFE,0x47, /高音1-7 0xFE,0x76, 0xFE,0xA1, 0xFE,0xC7, 0xFE,0xD9, 0xFE,0xF9, 0xFF,0x16 ; code unsigned char LEDMAP = / 八段管显示码 0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f, 0x77, 0x7c, 0x39, 0x5e, 0x79, 0x71;uchar code tiger=/两只老虎0x14,0x24,0x34,0x14,0x14,0x24,0x34,0x14,0x34,0x44,0x58,0x34,0x44,0x58,0x52,0x61,0x52,0x41,0x34,0x14,0x52,0x61,0x52,0x41,0x34,0x14, 0x14,0xb4,0x18,0x14,0xb4,0x18,0xff,; uchar code xqw=/小青蛙0x52,0x32,0x32,0x32,0x52,0x32,0x32,0x32,0x54,0x61,0x52,0x32,0x42,0x24,0x42,0x22,0x22,0x22,0x42,0x22,0x22,0x22,0x44,0x51,0x42,0x22,0x32,0x18,;uchar code qnzl= /千年之恋0x12,0x22,0x34,0x84,0x74,0x54,0x38,0x42,0x32,0x22,0x42,0x34,0x84,0x72,0x82,0x94,0xA8,0x08,0x32,0x31,0x21,0x32,0x52,0x32,0x31,0x21,0x32,0x62, 0x32,0x31,0x21,0x32,0x82,0x71,0x81,0x71,0x51,0x32,0x22, 0x32,0x31,0x21,0x32,0x52,0x32,0x31,0x21,0x32,0x62, 0x32,0x31,0x21,0x32,0x83,0x82,0x71,0x72,0x02, 0x63,0xA1,0xA2,0x62,0x92,0x82,0x52, 0x31,0x51,0x63,0x51,0x63,0x51,0x63,0x51,0x62,0x82,0x7C,0x02, 0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA2,0x71,0x76, 0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x52,0x31,0x36, 0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA3,0x73,0x62,0x53, 0x42,0x63,0x83,0x83,0x91,0x91, 0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x0A2,0x71,0x76, 0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x52,0x31,0x36, 0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA3,0x73,0x62,0x53, 0x42,0x82,0x88,0x02,0x74,0x93,0x89,0xff;uchar code qizige= /七子之歌0x54,0x32,0x52,0x32,0x54,0x62,0x52,0x32,0x62,0x54,0x14,0x12,0x22,0x34,0x52,0x32,0x02,0x32,0x58,0x52,0x52,0x62,0x52,0x32,0x54,0x52,0x62,0x52,0x82,0x62,0x58,0x14,0x52,0x32,0x22,0x12,0x24,0x32,0x54,0x2,0x22,0x34,0x1f,0x18,0x04,0x54,0xa4,0x92,0x81,0x62,0x52,0x54,0x62,0x64,0x52,0x62,0x81,0xa2,0x82,0x9c,0x02,0x52,0xa4,0x92,0x81,0x62,0x52,0x54,0x62,0x64,0x52,0x64,0xa2,0x92,0x9f,0xa4,0x92,0x81,0x62,0x52,0x54,0x84,0x62,0x52,0x32,0x22,0x14,0x04,0x22,0x32,0x58,0x58,0x04,0x52,0x62,0x8f,0xff, ;char code zpy=/找朋友0x14,0x14,0x14,0x24,0x34,0x54,0x58,0x54,0x64,0x54,0x34,0x24,0x34,0x24,0x34,0x14,0x18,0x54,0x34,0x28,0x14,0x24,0x34,0x54,0x24,0x34,0x14,;uchar code jmszl= /寂寞沙洲冷0x12,0x12,0x22,0x32,0x31,0x22,0x21,0x22,0x21,0x31,0x51,0x52,0x31,0x52,0x61,0x15,0x14,0x51,0x52,0x31,0x52,0x62,0x13,0x11,0x13,0x32,0x28,0x08,0x28,0x31,0x32,0x31,0x32,0x11,0x21,0x51,0x52,0x51,0x52,0x51,0x51,0x31,0x32,0x31,0x32,0x81,0x72,0x63,0x62,0x71,0x81,0x72,0x61,0x61,0x52,0x31,0x21,0x32,0x51,0x54,0x22,0x12,0x11,0x12,0x11,0x12,0x12,0x14,0x26,0x32,0x26,0x32,0x61,0x51,0x51,0x31,0x31,0x21,0x31,0x51,0x61,0x51,0x31,0x51,0x02,0x32,0x81,0x81,0x81,0x81,0x62,0x52,0x34,0x31,0x81,0x81,0x81,0x61,0x91,0x82,0x51,0x51,0x51,0x51,0x31,0x61,0x53,0x21,0x11,0x21,0x11,0x22,0x11,0x21,0x26,0x32,0x61,0x51,0x51,0x31,0x31,0x21,0x31,0x51,0x61,0x51,0x31,0x51,0x52,0x31,0x31,0x81,0x81,0x81,0x61,0x91,0x81,0x61,0x31,0x56,0x32,0x32,0x81,0x81,0x81,0x81,0x91,0x81,0x61,0x81,0x61,0x51,0x31,0x51,0x34,0x21,0x31,0x51,0x31,0x21,0x11,0x61,0x21,0x16,0xff;voidInit()LEDBuf0 = 0x00;LEDBuf1 = 0x00;LEDBuf2 = 0x3f;LEDBuf3 = 0x3f;LEDBuf4 = 0x3f;LEDBuf5 = 0x3f;void Delay4(unsigned char CNT)unsigned char i;while (CNT- !=0)for (i=100; i !=0; i-);voidDisplayLED()unsigned char i;unsigned char Pos;unsigned char LED;Pos = 0x20; / 从左边开始显示for (i = 0; i= 1; / 显示下一位 OUTBIT=Pos; OUTSEG=0; OUTBIT=0; code unsigned char KeyTable = / 键码定义 0x16, 0x15, 0x14, 0xff, 0x13, 0x12, 0x11, 0x10, 0x0d, 0x0c, 0x0b, 0x0a, 0x0e, 0x03, 0x06, 0x09, 0x0f, 0x02, 0x05, 0x08, 0x00, 0x01, 0x04, 0x07;unsigned char TestKey() / 测试有没有按键 OUTBIT = 0; / 输出线置为0 return (IN & 0x0f); / 读入键状态(高四位不用)unsigned char GetKey() / 得到的是哪个按键unsigned char Pos;unsigned char i;unsigned char k;i = 6;Pos = 0x20; / 找出按键所在列do OUTBIT = Pos;Pos= 1; k = IN & 0x0f; while (-i != 0) & (k = 0);/ 键值 = 列 x 4 + 行if (k != 0) i *= 4;if (k & 2)i += 1;else if (k & 4)i += 2;else if (k & 8)i += 3; OUTBIT = 0; return(KeyTablei); / 取出键码 else return(0xff);void timer1() interrupt 3 /用于产生各种音调T1 TH1=timeh; TL1=timel; fm=fm; void delay(uint z)/延时165ms,即十六分音符uintx,y;for(x=z;x0;x-)for(y=38;y0;y-)DisplayLED();void delay1(uint z)/显示延时1ms uintx,y;for(x=z;x0;x-)for(y=60;y0;y-); voidjishi()if(play=1)sec0+;if(sec0=10) sec0=0;sec1+;if(sec1=6) sec1=0;min0+;if(min0=9)min1+; LEDBuf2=LEDMAPmin1;LEDBuf3=LEDMAPmin0;LEDBuf4=LEDMAPsec1;LEDBuf5=LEDMAPsec0;void time0() interrupt 1 TH0=62536/256; TL0=62536%256; if(TestKey()num=GetKey()&0x0f; /取低四位if(num=0&num=6)flag=0;flag1=0;num1=num;Init();LEDBuf0=LEDMAPnu