《单片机技术及应用 第二版》项目六 单片机音频控制技术项目开发

单片机技术及应用任务6-1音频控制电路设计与制作任务6-2单片机音频控制程序设计任务6-3简易电子琴设计项目六单片机音频控制技术项目开发项目六单片机音频控制技术项目开发任务6-1音频控制电路设计与制作任务6-1-1

音频控制电路设计任务6-1-2音频控制电路制作单片机技术及应用工作任务与目标通过本项任务的实践，了解音频控制电路的结构与作用，学习音频控制电路设计的思路与方法，完成音频控制电路原理图与装配图的设计，了解音频控制电路制作相关元器件的基本知识，理解电路制作工艺要求，掌握电路制作的方法与技能，完成音频控制电路的制作，并掌握音频控制电路制作质量的检验方法，为后续单片机电路音频控制实验打下良好的硬件基础。任务6-1-1音频控制电路设计1．了解蜂鸣器（1）蜂鸣器简介（2）蜂鸣器的检验电磁式有源蜂鸣器实物图项目六单片机音频控制技术项目开发2．蜂鸣器的驱动电路蜂鸣器的发声，是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它。单片机I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个放大电流的驱动电路。蜂鸣器驱动电路可以通过一个三极管来放大电流驱动蜂鸣器。通过程序控制单片机I/O引脚的电平高低就能使蜂鸣器发出声音。此外，程序中改变控制蜂鸣器的单片机I/O引脚输出波形的频率，还可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音调的声音，乃至播放简单的音乐。单片机技术及应用3．音频控制电路的设计蜂鸣器音频控制电路装配图项目六单片机音频控制技术项目开发3．音频控制电路的设计蜂鸣器音频控制电路装配图（局部）单片机技术及应用任务6-1-2音频控制电路制作1．蜂鸣器音频控制电路制作工艺要求（1）仔细研读电路装配图（2）所有元器件插装前要先进行质量检验（3）元器件插装正确，先定位插装蜂鸣器、9012三极管，三极管的e、b、c引脚要正确识别与插装，然后再定位插装电阻与fmq接口插针。（4）焊接操作工艺规范，焊接质量过硬（5）规范连线工艺（6）装配图中的连线，虚线表示连线从元件面连接，实线表示连线从焊接面连接，以防止导线在同一面上交叉。项目六单片机音频控制技术项目开发2．蜂鸣器音频控制电路制作（1）元器件清点与质量检验（2）蜂鸣器音频控制电路的制作第一步：先定位组装电阻与fmq接口插针，插针的定位不太好固定，需要想一些办法，运用一些必要的操作技巧；第二步：定位组装蜂鸣器，插装时一定要注意蜂鸣器正负极引脚不要插反；第三步：定位组装9012三极管，三极管的e、b、c引脚要正确识别与插装，然后进行焊接固定；第四步：进行元器件之间以及元器件与电源线之间的连线组装操作；最后一步：对照电路图与装配图对组装的电路进行全面仔细的组装检查，以防止漏装漏接、错装错接、组装工艺缺陷等质量问题的产生。单片机技术及应用蜂鸣器音频控制电路样板图正面（元件面）项目六单片机音频控制技术项目开发蜂鸣器音频控制电路样板图反面（焊接面）单片机技术及应用3．蜂鸣器音频控制电路的质量检验（1）实验板DC插座接入5V电源；（2）将fmq接口插针用杜邦线与IC插座第20脚（GND）接口插针连接起来；（3）按下电源开关，接通电源，听蜂鸣器是否发声。如发声则电路制作正常，如不发声则说明电路中存在开路故障或连接错误，要检查电路的焊接与连线，直至排除故障为止。项目六单片机音频控制技术项目开发任务6-2单片机音频控制程序设计任务6-2-1用定时器T1查询方式控制单片机发出1kHz音频任务6-2-2简单双音警铃程序设计任务6-2-3单片机播放音乐程序设计单片机技术及应用工作任务与目标

1．理解单片机发音的频率控制原理。

2．掌握运用C语言编程控制发音频率的方法。任务6-2-1用定时器T1查询方式控制单片机发出1KHz音频单片机发音的频率控制1．单片机发音频率控制原理任务相关知识链接用单片机驱动蜂鸣器发音时，只要让单片机送给蜂鸣器的电平信号每隔音频的半周期取反一次，即可使蜂鸣器发出相应音频的声音。2．运用C语言编程控制发音频率的方法用单片机驱动蜂鸣器发音时，电平信号的取反时间要由定时器来控制。以1kHz音频发音为例，其音频的半周期为0.5ms，即500μs。则要计数的脉冲数为500/1.085=460（次）。由于这个计数值不大，因此可以用定时器的方式0（最大计数值为8192）来定时。项目六单片机音频控制技术项目开发若使用定时器T1，则具体实施如下：（1）设置定时/计数器T1工作方式：TMOD=0x00;//TMOD=00000000B，高四位GATE=0，=0，M1M0=00语句中TMOD高四位设置定时/计数器T1。=0，T1为定时器功能。M1M0=00，定时器T1工作于方式0。（2）确定定时器T1的计数初值。定时/计数器T1计数初值为，用C语言将其存入寄存器TH1与TL1中，语句如下：

TH1=(8192-460)/32;//定时器T1的高8位赋初值

TL1=(8192-460)%32;//定时器T1的低5位赋初值需要注意的是，定时/计数器T1工作于方式0时，其低位寄存器TL1只使用了5位，因此上述运算中所用的除数为，而不是256（）。（3）启动定时器T1。用C语言启动定时器T1工作，语句如下：

TR1=1;//启动定时器T1单片机技术及应用硬件电路设计用定时器T1查询方式控制单片机发出1KHz音频仿真原理图项目六单片机音频控制技术项目开发软件程序设计//6-2-1：用定时器T1查询方式控制单片机发出1KHz音频#include<reg51.h>//包含51单片机寄存器定义的头文件sbitsound=P3^7;//将sound位定义为P3.7引脚/**************************************************************函数功能：主函数**************************************************************/voidmain(void){ TMOD=0x00;//使用定时器T1的模式0 TH1=(8192-460)/32;//定时器T1的高8位赋初值 TL1=(8192-460)%32;//定时器T1的低5位赋初值 TR1=1;//启动定时器T1 while(1)//无限循环等待查询

{ while(TF1==0) //查询定时器T1是否溢出 ; //未溢出，则等待

TF1=0; //溢出，则对标志位软件清零，并执行下面的语句

sound=~sound;//将P3.7引脚输出电平取反

TH1=(8192-460)/32;//定时器T0的高8位赋初值

TL1=(8192-460)%32;//定时器T0的低5位赋初值

}}

单片机技术及应用任务验证实践用定时器T1查询方式控制单片机发出1KHz音频实验现象项目六单片机音频控制技术项目开发工作任务拓展主函数的调整（1）调整发音频率，正确设置定时常数，然后验证自己的设计效果。（2）调整音频输出位，重新连接实验电路，实现调整效果。单片机技术及应用工作任务与目标1．理解单片机双音发声的频率控制原理。2．掌握运用C语言编程控制单片机发出双音频率的方法。任务6-2-2简单双音警铃程序设计控制单片机发音的定时器初值设定

要让蜂鸣器发出某音调的声音，只要给蜂鸣器输送该音调频率的电平信号就可以了。由于单片机是数字电路系统，因此输送给蜂鸣器的音频信号是方波脉冲，其高低电平转换频率即为音调的频率，每一次高电平或低电平的维持时间为该音频的半周期。为此需要利用定时器的中断，让输送给蜂鸣器的电平信号按音频的半周期取反。本书使用的单片机晶振频率为11.0592MHz，它的一个机器周期为1.085μs。设需要发出的音调频率为f（Hz），则其半周期为1/2f（s），需要的机器周期数（即定时器的定时常数）为音频半周期与机器周期之比。任务相关知识链接项目六单片机音频控制技术项目开发用C表示定时器的定时常数，根据上述分析，定时器的定时常数C的计算公式为：设置定时/计数器T1工作方式于方式0：

TMOD=0x00; //TMOD=00000000B，高四位GATE=0，

=0，M1M0=00语句中TMOD高四位设置定时/计数器T1。

=0，T1为定时器功能。M1M0=00，定时器T1工作于方式0。由此可确定定时器T1的计数初值为

，用C语言将其存入寄存器TH1与TL1中，语句如下： TH1=(8192-C)/32;//定时器T1的高8位赋初值 TL1=(8192-C)%32;//定时器T1的低5位赋初值需要注意的是，定时/计数器T1工作于方式0时，其低位寄存器TL1只使用了5位，因此上述运算中所用的除数为

，而不是256（

）。运用定时器定时常数C的计算公式进行编程，可以通过设定f的值来控制单片机发出相对应频率的声音，方便了声音的灵活控制。单片机技术及应用硬件电路设计简单双音警铃仿真原理图项目六单片机音频控制技术项目开发软件程序设计示例程序设计（请教师自行超链接至电子资料包）任务验证实践简单双音警铃实验现象单片机技术及应用工作任务拓展主函数的调整（1）改变发音频率，调整设置定时常数，然后验证自己调整设计后的警铃效果。（2）调整音频输出位，重新连接实验电路，验证调整后的效果。项目六单片机音频控制技术项目开发工作任务与目标1．了解简谱中音调与节拍的基础知识2．掌握C语言程序设计中控制乐曲音调与节拍的应用技术。3．学会使用C语言编程控制单片机播放简单的乐曲。任务6-2-3单片机播放音乐程序设计单片机的音乐播放控制1．音调与频率的对应关系任务相关知识链接单片机技术及应用2．音调（音频）控制定时器的定时常数C的计算公式为：

按照表6-2所示频率范围计算，定时常数C的取值范围在234～1759之间，所以定时器工作方式应选用方式0（最大计数值8192）或方式1（最大计数值65536）。定时器工作于方式0时，其初值可设定如下（以定时器T0为例）： TH0=（8192-C）/32 //定时器T0高8位赋初值 TL0=（8192-C）%32 //定时器T0低5位赋初值定时器工作于方式1时，其初值可设定如下（以定时器T0为例）： TH0=（65536-C）/256 //定时器T0高8位赋初值 TL0=（65536-C）%256//定时器T0低8位赋初值3．节拍控制

设简谱的节拍为每分钟72拍，则每个节拍需时间833ms（60s/72）。根据乐谱知识，各相关节拍需时如下：

1拍 833ms

1/2拍 416ms

1/4拍 208ms

根据上述分析，可以取1/4拍（约200ms）为一个延时单位，若某音调为1/2拍，则延时2个单位；若某音调为1拍，则延时4个单位。项目六单片机音频控制技术项目开发4．乐谱的管理

乐谱是由有序的音符（音调与节拍）构成的。有序的音调与节拍可以分别各用一个数组来管理。将简谱中所有音调的频率及其节拍数分别存储于两个数组，乐谱播放时依次从数组中读出频率与节拍数。程序根据频率和定时器延时常数计算公式由定时器中断控制发出该音符的音频与节拍，输出控制电平，控制蜂鸣器播放乐曲。5．音调的宏定义

在音调的存储中，直接将频率存入数组，显然不如以“dao、re、mi、fa、sao、…”的形式存储更专业、易读。但是单片机并不认识“dao、re、mi、fa、sao、…”这些符号。为了让单片机认识“dao、re、mi、fa、sao、…”，需要在程序开头处对各音调的频率进行宏定义。以下是C语言中对音调的频率进行宏定义的几个例句：

#definel_dao262

//将“l_dao”宏定义为低音“1”的频率262Hz

#definere587

//将“re”宏定义为中音“2”的频率587Hz

#defineh_mi1318

//将“h_mi”宏定义为高音“3”的频率1318Hz

有了上述宏定义，只要直接将“dao、re、mi、fa、sao、…”及其节拍存入数组，再由单片机读出处理，就可以播放音乐了。单片机技术及应用6．本任务要播放的乐谱项目六单片机音频控制技术项目开发硬件电路设计用定时器T0的中断实现《让我们荡起双桨》歌曲的播放仿真原理图单片机技术及应用软件程序设计示例程序设计（请教师自行超链接至电子资料包）任务验证实践单片机播放音乐实验现象项目六单片机音频控制技术项目开发工作任务拓展主函数的调整（1）改变程序设计，用定时/计数器T1方式1做定时器，重新运行程序，验证自己的设计效果。（2）找一首自己喜欢的歌曲的简谱，替换例程中的乐谱，调整程序设计，重新运行程序，验证设计的调整效果。单片机技术及应用任务6-3简易电子琴设计任务6-3-14×4矩阵键盘电路设计与制作任务6-3-2简易电子琴程序设计项目六单片机音频控制技术项目开发工作任务与目标

通过本项任务的实践，了解4×4矩阵键盘电路的结构与作用，学习4×4矩阵键盘电路设计的思路与方法，完成4×4矩阵键盘电路原理图与装配图的设计，了解4×4矩阵键盘电路制作相关元器件的基本知识，理解电路制作工艺要求，掌握电路制作的方法与技能，完成4×4矩阵键盘电路的制作，并掌握4×4矩阵键盘电路制作质量的检验方法，为后续单片机电路简易电子琴演奏实验打下良好的硬件基础。任务6-3-14×4矩阵键盘电路设计与制作1．矩阵键盘电路的设计1）4×4矩阵键盘任务相关知识链接1）4×4矩阵键盘

在键盘应用中按键的数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，通过共用行线与列线的方式，提高I/O口线的利用率。单片机的每一个I/O口有八位口线，如果外接独立按键，最多只能连接八个按键。如果做成4行4列矩阵键盘，则可以外接16个按键。可见，矩阵键盘可以大幅度提高单片机有限I/O口线的利用率。单片机技术及应用2）4×4矩阵键盘接口电路

图中由16个按键S0～S15组成的矩阵键盘，在4根行线H1～H4和4根列线L1～L4的交叉处设置16个键位。在硬件电路设计与制作时，4根行线和4根列线通过八位接口插座连接到单片机相应的I/O口。为了与软件编程相统一，需要对每个行列交叉键位的按键进行统一的编号。各键位的按键编号统一分配如表6-3所示。项目六单片机音频控制技术项目开发3）4×4矩阵键盘接口电路的设计单片机技术及应用3）4×4矩阵键盘接口电路的设计单片机实验板4×4矩阵键盘接口电路部分装配图4×4矩阵键盘电路接口插座P9插针分配图项目六单片机音频控制技术项目开发2．4×4矩阵键盘电路制作（1）4×4矩阵键盘电路制作工艺要求。

4×4矩阵键盘电路虽然原理并不复杂，但是由于按键数量比较多，所以导致在连线方面比较繁复。在制作工艺方面，着重要注意以下几个方面的问题：

①仔细研读电路装配图，对电路结构与原理要有所了解，对按键和接口插座的插装方向与相互连接关系的把握要做到准确无误。

②所有按键插装前要先进行质量检验，质量合格的按键才能上板焊接，以避免故障隐患以及连带产生的拆装工艺质量问题。

③焊接操作工艺规范，焊接质量过硬。

④规范连线工艺。4×4矩阵键盘电路按键与接口插座的连线关系对操作工艺的要求都比较高，要求做连线时在焊接前应注重先整直导线，直角弯折时成型角度准确，长度精准，做到一丝不苟、严谨细致。这样有利于在焊接时少做频繁的调整。单片机技术及应用（2）4×4矩阵键盘电路制作1）元器件清点与质量检验2）4×4矩阵键盘电路的制作

4×4矩阵键盘电路装配时一定要严格按照装配图定位插装，正确、高效、合理地利用好万能板上的每一处空间。万能板上4×4矩阵键盘电路的组装，大体分为以下几个主要的步骤：

第一步：先定位组装16个按键，插装时一定要注意按键引脚的插装方向。

第二步：定位组装矩阵键盘接口插座，接口插座的缺口方向要正确识别与插装，然后进行焊接固定。

第三步：进行按键之间以及按键与接口插座之间的连线组装操作。

第四步：对照电路图与装配图对组装的电路进行全面仔细的组装检查，以防止漏装漏接、错装错接、组装工艺缺陷等质量问题的产生。项目六单片机音频控制技术项目开发（2）4×4矩阵键盘电路制作4×4矩阵键盘电路样板图正面（元件面）单片机技术及应用4×4矩阵键盘电路样板图正面（元件面）