优秀毕业设计（论文）：基于C51系列单片机的音乐治疗仪设计

1、毕业设计(论文)基于单片机的音乐治疗仪系别自动化工程系专业生物医学工程班级5071625姓名刘婷婷指导教师谢妤婵2011年6月18日基于单片机的音乐治疗仪摘要主要介绍了一种基于C51系列单片机音乐治疗仪的设计原理，重点是系统各个模块硬件和软件的设计。该系统的主要功能模块有：用单片机AT89C2051产生音乐模块，音频信号的功率放大器的设计模块，数据的采集与显示模块。音乐的产生主要是通过单片机的I/O口输出高低不同的脉冲信号来控制蜂鸣器或喇叭发音。要想产生音频脉冲信号，需要算出某一音频的周期，然后将此周期除以2，即为半周期的时间。利用单片机定时器定时这半个周期，每当计时到后就将输出的脉冲I/O口

2、反相，这样就能在I/O口上得到此频率的脉冲。本模块采用的AT89C2051单片机实现音乐播放功能。音频信号功率放大模块中为了保证放大效果，放大器的设计主要是先将其用达林顿管放大，然后通过变压器放大。对于治疗过程及治疗效果的显示，通过数据采集及显示模块来实现，采用AT89C51单片机以及ADC0809来实现对数据的采集，利用LCD显示。关键词音乐治疗，音乐播放，数据采集，LCD显示Music therapeuic instrument Based onSingle Chip MicrocomputerAuthor：Tingting Liu Tutor：Yuchan XieABSTRACTIn t

3、he aspects of this text introduced the design principle of themusic therapeutic instrument based on single chip microcomputer primarily. Describes of the hardware and software modules were provided,this system mainly consists of four function modules:producemusic using AT89C2051 microcontroller modu

4、le、The design of audio signal power amplifier module、Data acquisition module and display module.Music is mainly produced through the microcontroller I/O potrt ,the I/O port output high and low pulse signal to contol the speaker pronounciation.To generate the audio pulses,we need to figer out the aud

5、io of a cycle,then this cycle is divided by 2,then we get the half-cycle time.Using the mcrocontroller timing the half-cycle time,when timing is over, the microcontroller will make the I/O ports pulse reversed, so we can get the music pulse of this frequency in the I/O port.This unit uses a high-per

6、formance AT89C2051 chip to achieve the function of music playback.As to the audio signal power amplifier module ,the amplifier design uses the Darlington amplifier fisrt, then the signal is amplified by the transformer in order to ensure the amplification effect.To achieve the goals of displaying th

7、e course of treatment and treatment effect , data acquisition and display modules are designed, using AT89C51 microcontroller as well as the ADC0809 to achieve the goal of data acquisition, and using Liquid Crystal Display.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典1. 名词1. treatment2. therapy3. cure4. medical treatment5. curi

8、ng2. 动词1. treat2. cure3. heal4. remedykeywordsMusic therapy ,music playback,Data Acquisition,LCD display目 录1绪论11.1音乐治疗仪的研究意义11.2国内外音乐治疗研究的历史与现状11.3经络与腧穴的概念及作用31.4经络理论的临床作用31.5音乐电流治疗作用41.6本论文设计的主要内容52音乐信号62.1音乐电流的频率62.2音乐对人体的作用6音乐的治疗作用7音乐电流的作用7影响因素82.3音乐治疗的基本原理82.4音乐电疗的特点93硬件设计113.1音乐治疗仪的组成113.2基于单片机

9、的音乐播放器原理11音频脉冲的产生11电路设计143.3音频信号的放大器设计18功率放大器的设计18电路设计19具体使用说明203.4治疗信号的采集20数据采集模块设计20数据采集原理243.5液晶显示模块25液晶的特点26液晶显示器26液晶显示模块HZl28-64基本功能274音乐治疗仪的软件设计294.1基于AT89C2051的音乐发生器的软件设计294.2数据采集的软件设计334.3液晶显示软件34结论36致谢37参考文献38附录391绪论1.1音乐治疗仪的研究意义随着现代化社会的高速发展，人们常常因为繁重的工作和学习压力、复杂的人际关系以及环境污染等因素, 身体和精神上常易发生疾病,

10、远远偏离健康的状态，或长期处于亚健康状态。现代社会竞争激烈的今天，身心状况已经成为影响健康的重要因素。然而，传统的治疗手段和各种药品、保健品虽有治疗疾病、康复机体和健身的效果, 但易引出各种副作用, 且常常忽视了在疾病治疗中生理与心理的辩证关系, 忽视了心态和情绪对疾病的影响，据世界卫生组织统计显示:“全世界死亡的病人中,约有三分之一的患者系死于用药不当”。主要原因在于受多种极其复杂因素的影响,致使人体在患病时选药和用药量方面都难以把握到恰到好处。所以寻求新的安全有效的治疗途径,已成为当代医药工作者的重要课题。这种新的治疗途径即不用常规的内服或注射药物来治愈疾病的方法，也是目前在以身心病症为主

11、体疾病结构中最易被病人接受的有效的治疗康复方法。音乐治疗直接通过生理和心理两方面作用, 兼顾了身心的辩证关系和相互影响。音乐电治疗通过音乐和音乐电信号作用于听觉和机体, 提高或改善人的心理生理状况,减轻了病人身体及心灵上的痛苦，因为由音乐产生的电流能够被人体适应，所以有着低中、频特点的音乐治疗仪对疾病有着明显的治疗效果和康复效果1。而且若与各种传统的治疗手段结合使用, 常能取得相得益彰的理想效果，所以设计一台音乐治疗仪具有很重要的现实意义。1.2国内外音乐治疗研究的历史与现状用音乐治疗疾病的历史很悠久，古人早已将音乐和健康联系在一起。古希腊人崇拜的阿波罗就是健康和音乐之神，并有运用音乐治疗疾病

12、的记载。埃及在远古时代的著作中，称音乐是灵魂之药。我国古代有“以戏代药”的疗法，古著乐记阐述了音乐与医学的关系，清代医学家吴尚先在其理瀹骈文中指出“七情之病，看花解闷，听曲消愁，有胜于服药者也”。18世纪人们开始研究音乐对人体的影响，到本世纪40年代以后音乐治疗蓬勃发展，1950年成立了国际音乐疗法协会，音乐疗法成为一种专门的疗法。我国在70年代开始推广应用音乐疗法。80年代初又在音乐疗法的基础上把音乐与由音乐信号转换成的同步电流结合治疗疾病，称为音乐-电疗法（music-electrotherapy），又称为音乐电疗法。现代的音乐治疗则是在第二次世界大战后发展起来的，特别是近20年来随着医学

13、模式的转变，音乐知识的普及，心身医学及康复医学的发展，促进了音乐治疗的发展。自从1950年美国成立了全美音乐治疗协会后，音乐治疗(music therapy)发展成为一种专门疗法。美国政府将其规定为医学院校学生的必修课程。1958年英国建立了英国音乐治疗协会，此后澳大利亚、德国、法国等45个国家先后成立了音乐治疗机构，150所大学设立音乐治疗教育。瑞典医院牙科手术80采用音乐“麻醉”；东京女子医科大学圣诺加医院、虎门医院的手术室、分娩室、病室均采用音乐疗法；塔吉克共和国的一个疾病研究所还把音乐疗法与鲜花散发的香味结合起来，收到良好的治疗效果。1979年以来已多次召开世界范围的音乐治疗学术会议。

14、目前美国从事音乐治疗工作的国家注册医师有四千多人，欧洲有数千人，日本有50多人。国外的音乐治疗主要是心理方面的治疗。1984年长沙马王堆疗养院首先尝试对康复期病人使用音乐治疗并研制了“音乐治疗仪”，从1985年开始国内很多精神病院、康复医院和综合医院都先后开展了音乐治疗。1997年由中央音乐学院高天创办第一家独立的音乐治疗所。1987年音乐电疗首次介绍到世界，美国学者认为音乐电疗是中国的一个创举。1993年中国音乐治疗学会北京设备研制中心在纽约首届东方医学研讨会上向世界各国代表介绍了中国音乐电疗的现状和发展，受到与会者的热烈欢迎和好评。1995年2月美国音乐治疗学会主席到中国对音乐电疗进行考察

15、，他认为中国的音乐电疗是对世界音乐治疗事业的推动和发展。虽然我国在音乐治疗方面取得了令人瞩目的成就，但音乐心理治疗工作尚处于起始阶段，无论临床实践还是基础理论都有待探索和发展嘲。国内现各大医院普遍使用的音乐电疗仪。在我国，音乐治疗作为现代的学科是以音乐电疗法的创立为标志的，我国的医务工作者把音乐疗法、电刺激疗法与我国传统经络理论相结合，创造了“音乐电疗法”，使祖国的传统医学又向前发展了一步。1984年长沙马王堆疗养院尝试对康复期病人使用音乐治疗并研制了“音乐电治疗仪”，从1985年开始国内很多精神病院、康复医院和综合医院都先后开展了音乐电疗，同时国内涌现出多种自行研制的音乐电治疗仪。早期音乐治

16、疗仪体积较大，必须在医务人员的帮助下才能完成治疗。 1987年音乐电疗仪首次介绍到世界，美国学者认为音乐电疗是中国的一个创举。1993年中国音乐治疗学会北京设备研制中心在纽约首届东方医学研讨会上向世界各国代表介绍了中国音乐电疗的现状和发展，收到了与会者的热烈欢迎和好评。1995年2月美国音乐治疗协会主席到中国对乐电疗进行考察，他认为中国的音乐电疗是对世界音乐治疗事业的推动发展2。1.3经络与腧穴的概念及作用经络是中医理论体系的核心内容之一。“经络”一词首先见于灵枢 邪气脏腑病形：“阴之阳也，异名同类，上下相会，经络之相贯，如环无端。”经络就是经脉和络脉的总称。经，有路径之意，经脉贯通上下，沟通

17、内外，是经络系统的主干。络，有网络之意。任何一本中医针灸书，都有一张经络穴位图，在上面画着十四条纵向走行的线，称为十四经脉。每条经脉上有分布着很多穴位，就好像流体路线上的流量分配器。 从这些主干上又可以分出众多的较经脉细小的脉络，纵横交错，遍布全身，构成一个运行气血的经络系统。经络内属于脏腑，入络与肢体关节，沟通与脏腑与体表之间，将人体脏腑、组织、器官联结成为一个有机的整体，并借此运行全身气血，调节阴阳，是人体各部的功能活动得以保持协调和相对平衡。 研究经络系统的生理功能病理变化及其脏腑之间的关系的理论，称为经络学说。腧穴是人体经络之气输注于体表的部位。“腧”与“输”通，有传输含义：“穴”有孔

18、隙的含义。腧穴主要分布在十二经脉和任、督两脉的循行线上，故有十四经穴之称，说明腧穴从属于经络。腧穴不仅是针灸治疗的刺激点，而且还是疾病的反应点。在正常生理条件下，经络有运行气血，感应传导的作用。而在疾病发生时，经络成为传递病邪，反应病变的途径，通过经络的传导，内脏的病变可以反应到体表，表现于某些特定的部位和孔窍，这些腧穴从属于经络，通过经络系统与人体各部发生联系，使用针灸等方法刺激腧穴，可以“引气远入”，治疗有关经络与脏腑的疾病。1.4经络理论的临床作用经络学说在临床上可以应用于解释病理变化、协助疾病诊断，以及指导临床治疗三个方面。1、解释病理变化 经络与疾病的发生、传变有密切的关系。某一经络

19、功能异常就容易遭受外邪的侵袭，之后，外邪又沿着经络进一步内传脏腑。经络不仅是外邪由表入里的传变途径，而且也是内脏之间、内脏与体表组织间病变相会影响的途径。2、协助疾病诊断由于经络有一定的循行部位和脏腑洛属，可以反映所属脏腑的病症。因而在临床上就可以根据疾病所出现的症状，结合经络循行的部位及所联系的脏腑，作为临促诊断的依据。如肋痛，多病在肝胆，肋部是肝经和胆经的循行之处。近年来，人们根据经络循行通路，或经气聚集的某些穴位上出现的疼痛、结节条索状等反应物以及皮肤的形态、温度、电阻改变等来诊断和治疗疾病，如肺脏有病，中府学可有压痛。3、指导临床治疗经络学说早已被广泛用于指导临床各科的治疗。经络各有所

20、属腧穴，腧穴于分经之外还有不同的类别，腧穴以经络为纲，经络以腧穴为目，络的分布既有纵向分线关系，又有横向的分部关系。这种纵横关系结合有关腧穴，意义尤为明显。循经取穴的意义应当从这种关系去全面理解，因而，按经络远道取穴是循经，按经络邻近取穴也是循经，内经所说的“治主病者”就是指取用能主治该病症的经穴。经脉的“是主某所生病”，说的就是这一经所属穴的主治症，主要以四肢部经穴为依据。作为特定类别的四股经穴有并、荥、输、原、经、合、络、郄等。在头面、躯干部，则有处于分段关系的脏腑俞募穴及众多的交会穴。对脏腑五官来说，取用头面躯干部的经穴是近取法，取用四股部的经穴是远取法。循经远取和近取配合在临床中具有重

21、要意义。如胃病，常循经远取足三里穴；肋痛则取太冲等穴。中药治疗也是通过经络这一渠道，使药达病所，以发挥其治疗作用3。1.5音乐电流治疗作用音乐电流刺激人体腧穴，通过音乐电流激发穴内和经上的经气，沿径而行，可至病所。这种治疗作用是建立在经络学说基础之上的。刺激腧穴只是实施场所，作用的实质还是在经络上。中医理论认为，生命是否存在，决定于经络，疾病之所以发生与得到治疗，也取决于经络。经络是人体全身的一个网络系统，最重要的有十四条经脉线循环于周身，内连五脏六腑，外及四肢百骸，经筋皮部，五官七窍。有气和血在流动，以维持全身个系统的正常功能。疾病的形成是由于经络的失控，调节经络必需经过刺激一定部位来实现。

22、临床上选用的腧穴，每一个穴点可以认为是一小部分缩小的皮部，而皮部又是与经络相统一的，所以说刺激体表腧穴实质就是作用于经络系统。在穴位上产生“得气”意在激发经脉之气。经络系统纵横交错，遍布全身，不论何穴，它总是属于人体某一经络，穴位与经络是点与线的关系，所以，每一经上的腧穴都能治疗该经络循行通过部位的疾病。利用音乐电刺激腧穴，调节人体的阴阳虚实，是人体从一种病理状态，通过疏通经络、调整气血恢复到相对平衡的状态，从而达到康复的目的。1.6本论文设计的主要内容1、音源产生部分的设计。2、数据采集过程原理设计。3、治疗过程的可视化设计，即通过LCD显示波形。2音乐信号2.1音乐电流的频率音乐电流是将唱

23、片或磁带所发生的音乐信号经声电转换器转换成电信号，再经放大，然后由声频匹配器升压后输出的电流。人耳能听到的声音的频率为2020000Hz。常见乐器和人声的音频范围是2740000Hz，转换成同步的音乐电流的频率为3018000Hz。因此，音乐电流既有低频电流成份，又有中频的成份。是有一定的节律、频率和幅度不断变化的不规则正弦电流，以低频为主，中频为辅，是名副其实的音频电流。音乐脉冲电流不仅具有调制特点，且是低、中频脉冲电流的集合体，其频率范围广，约在2020000Hz。1000Hz以下为低频，2050Hz的脉冲电流会产生明显的振颤感，可以引起正常骨骼肌强直性或不完全强直性收缩，50100Hz则

24、有扩张血管、促进血液循环及渗出物吸收的作用，100250Hz具有明显的止痛作用，500Hz以上有麻感。1000Hz以上至20000Hz可以进入机体深部，6000Hz以上可使肌肉产生强烈收缩而不引起疼痛，改善局部血液循环。2.2音乐对人体的作用音乐经人耳作用于听觉中枢，通过大脑边缘系统、脑干网状结构作用于大脑皮层，影响全身。优美的音乐对人体有益，但长期的、高分贝的或单调的音乐刺激对人体有害。国外心理学家研究发现，古典音乐、浪漫音乐和一些民歌对人有益，而一些嘈杂的所谓现代音乐对人有不良作用。在音乐治疗中人们发现,音乐本身有规律的声波振动频率与人体内部的生理节奏会产生共振反应, 使人体的生理状态发生

25、有益的变化, 通过音乐刺激来调节人的大脑网状结构、大脑边缘系统、大脑皮层、中枢神经系统和内分泌系统等生理性变化来达到调整情绪的作用。因此, 人体内部的生理状态会受到外部环境条件等因素的影响。人们在欣赏音乐的时候, 大脑和身体中的某些机能就会有意识或无意识地出现生理学上的变化,这种变化在生理学上称为“情绪反应”。掌管人类情绪的下丘脑等皮层下中枢控制着人的各种感情(喜、怒、哀、乐等) , 它与自主神经系统(心率、呼吸、血压等) 和内分泌系统(荷尔蒙、消化液等) 有着密切的联系, 人们的情绪变化都会影响到自主神经系统的反应,从而也涉及到内脏器官的生理反应。音乐的治疗作用1、 对精神神经系统：旋律优美

26、的音乐有镇静镇痛作用。能消除精神紧张、烦躁；可提高痛阈，抑制疼痛，增强麻醉效果；可以集中注意力，增强记忆力，改善精神状态；能降低骨骼肌肌张力。而激烈高昂的音乐可产生兴奋作用。2、对心血管系统：音乐可降低血压，包括收缩压和舒张压，使心跳减慢。3、 对呼吸系统：音乐通过镇静能使呼吸道平滑肌松弛，降低呼吸道阻力，对精神因素或运动所致的哮喘有效。4、 对内分泌系统：可使催乳素分泌增多。音乐电流的作用音乐电流是以低频为主的低中频混合的不规则电流，因此兼有低频电和中频电的作用，以低频电为主，而又不同于一般的低中频电疗法。1、 锻炼肌肉：音乐电流可引起明显的肌肉收缩，但电极下无明显的低频电刺激的不适感。音乐

27、电流使肌肉收缩的强度、持续时间、间歇时间与音乐的性质明显有关。应用旋律热情、节奏激烈、速度快、力度强的音乐所转换成的音乐电流，振动感和肌肉收缩更为明显。因此音乐电流可以用于锻炼肌肉、增强肌力、防止肌肉萎缩。但因电流的通、断电时间、间歇时间、频率不能调节，所以音乐电流不适宜对失神经支配的肌肉刺激。2、 促进局部血液循环：音乐电流可以引起较持久的血管扩张。有人将音乐电流作用于肢体，可见局部和指尖皮肤温度升高，甲皱微循环改善，肢体血流图亦见血流量明显增加。3、 镇痛：音乐电流作用于皮肤后，局部痛阈和耐痛阈增高，镇痛作用明显，且出现迅速，持续时间长，可达1小时。4、 神经节段反射作用：音乐电流作用于交

28、感神经节可以调节血压。作用于领区或头部可以缓解头痛、调整大脑的兴奋和抑制过程。5、对穴位和经络的作用：音乐电针疗法是将音乐电流作用于穴位，通过经络发生很复杂的生理和治疗作用，如镇痛，活血化淤，促进组织修复，调整内脏、内分泌功能，抗过敏、增强免疫等作用。影响因素1、 音乐的性质：音乐的要素包括旋律、节奏、调性、速度和力度。听不同性质的音乐时人脑电图有不同的表现。旋律优美、节奏平稳、速度缓慢、力度适中的音乐具有镇静镇痛作用。相反，旋律雄壮、节奏激烈、力度强的音乐有兴奋作用。旋律深沉忧郁、节奏缓慢、力度弱的音乐有镇静催眠作用。2、 人的音乐素养：音乐对人体的作用与其本人对音乐的欣赏能力和爱好有关。不

29、同音乐素养的人听音乐时脑电图表现不同。 2.3音乐治疗的基本原理音乐治疗法的基本原理是利用声、电两种物理因素的同步作用, 即病人在头戴耳机聆听美妙音乐的同时, 利用音乐电流刺激人体穴位或病患部位。因此,音乐电疗法兼具有心理和物理刺激作用, 从而达到解除痉挛、扩张血管、改善人体循环及神经功能等目的。音乐电疗法是在电针的基础上吸取了电疗的特点并结合音乐疗法，将音乐、电极、电针相互配合使用的一种方法。具有刺激经穴和音乐治疗的双重作用。它与传统的针刺穴位(包括电针疗法或以电极代替毫针导入脉冲电流)一样，通过穴位的刺激，可疏通经络，调和气血，补虚泻实，提高免疫功能；同时，它又兼有音乐的欣赏性和娱乐性，充

30、分发挥音乐的生理、心理功能，尤其是由音乐信号经过换能处理，具有音乐风格和特点的同步音乐脉冲电流，刺激经络穴位，对某些疾病起到类似传统电针甚至优于电针的治疗效果4。近代科学研究表明，音乐与人体的健康有着密切的关系。优美动听的音乐旋律作用于患者的听觉器官，经过神经体液的途径，可调节内脏器官的生理活动，消除病理情绪，平衡心理状态，从而达到康复、疗疾的目的。不同旋律、节奏、调性、力度和速度的乐曲可给人体带来不同的影响。因此，音乐治疗可以这样加以说明：用特定的音乐信号和它所转换成的其他能量作用于人体，达到康复保健治疗疾病的方法。例如，旋律活泼、节奏紧凑、调性明朗、力度强、速度快的乐曲，雄壮激昂，使人精神

31、振奋，情绪饱满。此时，中枢神经兴奋，肾上腺素分泌增多，代谢旺盛，各组织器官得到较多的氧和营养补充。根据不同的病情、患者不同的音乐素质和欣赏水平，可以选择适当的音乐处方，进行辨证施“乐”。电针和电疗已广泛用于临床，但其使用的电脉冲波频率基本固定、周期重复，人体容易产生程度不同的适应性，使神经系统疲劳，从而大大影响疗效。音乐电针疗法或音乐电疗,是运用特定的音乐信号和由这种音乐信号转换的同步或调制脉冲电流，分别作用于人体的听觉器官和经穴,达到类似甚至优于传的电针疗法(或电疗)而又避免其缺点的目的。人们喜称这种疗法为“愉快的疗法”又名“音乐按摩疗法”。而由音乐转换的音乐电脉冲则是千变万化的，波形极为复

32、杂。它通常是由若干单一频率的正弦波按照音乐的旋律、节奏、调性、力度组合而成。这种复杂的音频信号经过处理后，输出的每一个局部均可看作多种频率成分合成的脉冲串。这些具有音乐规律的脉冲，作用于人体，每时每刻都形成一种新的刺激，机体来不及适应立刻又转入另一个新的脉冲。即使有两个频率、幅度、脉宽完全相同的脉冲电流，由于出现的间隔与脉冲宽度相差甚远，我们可以认为其周期为无限大，因此机体不会产生像对其他规则脉冲刺激那样的适应性。2.4音乐电疗的特点1、 音乐电疗法的治疗作用是以音乐电流为主，音乐为辅，但是综合了音乐与音乐电流两者的作用。有人对照音乐加音乐电流、单纯音乐、单纯电流和空白组的镇痛效果，发现音乐加

33、音乐电流组的镇痛作用最显著。因此，进行音乐电疗法治疗时必须同时应用音乐和音乐电流，以加强疗效。2、 音乐电流的频率、波形、幅度不断变化，机体组织不易产生适应性。3、患者对音乐的爱好和欣赏能力与治疗效果有密切关系。音乐电疗音乐疗法的一种形式，是集针灸、音乐、理疗和按摩为一体的艺术疗法，适用范围很广，凡针刺疗法及中低频电疗能治的疾病均为其适应证。治疗时，电流信号经过电极或毫针作用于患者机体，而优美的音乐旋律则通过耳机作用于患者听觉器官，传入中枢神经系统，调节情绪、血液循环等人体内在生理功能。通过耳机听到的是与作用在患体的音乐电脉冲相同步的美妙的处方音乐。此时，患者完全置身于音乐作用之中，电流刺激的

34、强度较一般电刺激可以大几倍甚至十几倍，治疗效果也随之明显提高。具有舒心活血、镇静催眠、解痉止痛、抗炎消肿、蠲痹降压、预防肌肉萎缩等功效。4、音乐电疗法与其他电疗法的区别在于，其他常用电疗法都是通过电能的某一形式作用于人以治疗疾病，而音乐电疗法是音乐和音乐电流两种能量同步作用于人体以治疗疾病。单就电流而言，其频率有中、低电疗法的混合作用。另外其它电疗法的波形、波幅、波频都是以固定模式周期性重复、长期治疗易被人体所适应，从而使机体对治疗的反应性降低，以至消失。而音乐电流是有音乐信号转换而来的，电流的波形、波幅、波频随音乐的变化而变化，人体不易对其产生适应性。3硬件设计3.1音乐治疗仪的组成音乐电疗

35、仪的设计可以从总体上划分为四大功能模块：音乐信号的产生模块、音乐信号功率放大模块、数据采集和显示模块。总体结构如下图所示。图3.1 音乐治疗仪总体结构框图应用单片机实现音乐信号的产生，将生成的音乐信号分为两路，一路通过放大后由喇叭输出音乐旋律，便于收听；另外一路经放大后由电极输出，用来刺激人体的具体穴位，该信号就是治疗信号。数据采集系统将治疗信号转换成数字信号，然后将数据传送给液晶显示模块用于显示输出端的波形变化。其中，音乐信号功率放大模块包括主要是经电极输出前需要功率放大。3.2基于单片机的音乐播放器原理音频脉冲的产生1、声音的频谱范围约在几十赫兹几千赫兹,若用程序控制单片机的I/O口,使其

36、输出一定频率的矩形波,接上喇叭就会发出一定频率的声音,若利用延时控制高低电平持续的时间,改变输出频率,也就改变了音调。故应首先弄清楚两个概念音调与节拍。音调表示一个音符唱多高的频率；节拍表示一个音符唱多长的时间。2、音调（1）在音乐中所谓的“音调”，其实就是我们常说的“音高”，在音乐中常把中央C上方的A音定为标准音高，其频率f=440hz,其余与其比较，f1与f2为两个音符，当这两个音符的频率相差一倍时，也即f2=2Xf1时，则称f2比f1高一个倍频程。如在音乐中1与1，2与2,正好相差一个倍频程，在音乐学中称为相差一个八度音，在一个八度音内，有12个半音，以1-1八音区为例，12个半音是：1

37、-#1，#1-2,2-#2，#2-3,3-4，4-#4,#4-5,5-#5,#5-6,6-#6,#6-7,7-1,这12个音阶的分度基本上是以对数关系来划分的，如果我们只要知道了这十二个音符的音高，也就是基本音调的频率，我们就可以根据倍频的关系得到其他音符基本音调的频率5。（2）确定一个频率所对应的定时器的定时初值的方法以标准音高A为例，标准音高A的频率f=440HZ,其对应的周期为:T=1f=1440=2272us（3.1）因此，需要在单片机I/O端口输出周期为T=2272us的方波脉冲，如下图所示。图3.2输出的方波脉冲由图3.2可知，单片机上对应喇叭的I/O口来回取反的时间为：t=T2=

38、22722=1136us（3.2）这个时间t也就是单片机上定时器应有的中断触发时间，一般情况下，单片机奏乐时，其定时器为工作方式1，它以振荡器的十二分频信号为计数脉冲，设振荡器的频率为fosc,则定时器的预定初值由下式来确定。t=12(TTHL)fosc（3.3）式中，T=216=65536，THL为定时器的定时初值。因此定时器的高低计数初值为：THTHL256=( Ttfosc12)256（3.4）TLTHL256= (Ttfosc12)256（3.5）将t=1136us代入上面两式，即可求出标准音高A（f=440HZ）在单片机晶振频率fosc=12MHZ，定时器工作在方式1下的定时器高低计

39、数器的预置初值为：TH（65536-11361212）256=FBH（3.6）TL（65536-11361212）256=90H（3.7）根据上面的求解方法，就可以求出其他音调相应的计数器的预置初值。如下表所示6。表3.1 各音符与相应的频率及T值音符频率简码（T值）音符频率简码（T值）低1Do262HZ63628#4FA#740HZ64860#1Do#277HZ63731中5So784HZ64898低2RE294HZ63835#5So#831HZ64934#2RE#311HZ63928中6LA880HZ64968低3MI330HZ64021#6LA#932HZ64994低4FA349HZ64

40、103中7SI88HZ65030#4FA#370HZ64185高1Do1046HZ65058低5So392HZ64260#1Do#1109HZ65085#5So#415HZ64331高2RE1175HZ65110低6LA440HZ64400#2RE#1245HZ65134#6LA#466HZ64463高3MI1318HZ65157低7SI494HZ64524高4FA1397HZ65178中1Do523HZ64580#4FA#1480HZ65198#1Do#554HZ64633高5So1569HZ65217中2RE578HZ64684#5So#1661HZ65235#2RE#622HZ64732

41、高6LA1760HZ65252中3MI659HZ64777#6LA#1865HZ65268中4FA698HZ64820高7SI1976HZ65283(3）节拍音乐中的音符除了有高低之分外，当然还要表示长短之分。用一个基础的音乐术语表示即拍子，拍子是表示音符长短的重要概念。在一张乐谱中，如有表达式1=C44、1=G34等等，这里1=C,1=G表示乐谱的曲调，和音调有很大的关联。44、34就是用来表示节拍的。节拍实际上就是音持续时间的长短，在单片机系统中，可以用延时来实现。如果1/4 拍的延时设为0.4秒，则一拍的延时时间是1.6秒。只要知道1/4拍的延时时间，其余的延时时间就是它的倍数。所以用单

42、片机具体实现的方法是：首先，确定一个基本时长的延时程序，比如说十六分音符的时长为基本延时时间，那么，对于一个音符，如果它为十六分音符，则只需要调用一次延时程序，如果它为八分音符，则需调要二次延时程序，如果它为四分音符，则需要调用四次延时程序，以此类推。表3.2 节拍延时1（十六分音符）1/4拍为1DELAY11/8拍2（八分音符）2/4拍21/4拍33/4拍33/8拍4(四分音符)1拍41/2拍51又1/4拍55/8拍61又1/2拍63/4拍8(二分音符)2拍81拍10 A2又1/2拍A1又1/4拍12 C3拍C1又1/2拍15 F3又3/4拍16(全音符)4拍电路设计1、电路以AT89C20

43、51为主控制器，S1为复位键，S2、S3分别为上一曲、下一曲选择键。晶振采用12MHz，音乐信号由P3.7 口输出，经9012 放大后推动喇叭发声。电路结构如图3.3所示。作为单片机的重要硬件资源之一，利用定时器可以产生各种固定频率的方波信号，也可以产生包括“Do”、“Re”、“Me”等音阶在内的各种频率声音，将各个音阶连接在一起便可组成一支曲子或是一段旋律。本播放器具有电路简单，功能强大等特点。本播放器可实现循环播放、上一曲、下一曲、复位等功能。为了体现乐曲播放过程中的动态效果，在P1口增加了8只LED，作随机闪烁以显示旋律的节奏。按键每按下一次，乐曲数目计数器Ri加“1”或减“1”，然后根

44、据Ri的内容转向不同的乐曲。图3.3 基于AT89C2051的音乐发生器电路图2、主控器件介绍（1）芯片AT89C2051单片机如图3.4所示。AT89C2051的结构特点存储器：片内含有2K字节可重复编程闪烁存储器编程次数，可擦、写1000次，数据可保存十年；工作电压：2.76V；工作频率：全静态逻辑，工作频率（924）MHZ:图3.4 AT89C2051芯片管脚图I/O口线：可直接驱动LED显示器（稳定状态时每根I/O口线输出低电平电流为20mA，所有I/O口线输出低电平电流和最大为80mA）；节电模式：间歇模式和掉电模式；功耗：活动状态电源电流典型值为25mA/5.5mA（时钟12MHZ

45、 ，Vcc=6V/3V）。(2)引脚性能介绍AT89C2051是一个有20个引脚的芯片，引脚配置如上图所示。与8051相比，AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚下，因而芯片尺寸有所减小。AT89C2051芯片的20个引脚功能为：VCC：电源电压。GND：接地。RST：复位输入。当RST变为高电平并保持2个机器周期时，所有I/O引脚复位至“1”。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡放大器的输出。P1口8位双向I/O口。引脚P1.2P1.7提供内部上拉，当作为输入并被外部下拉为低电平时，它们将输出电流，这

46、是因内部上拉的缘故。P1.0和P1.1需要外部上拉，可用作片内精确模拟比较器的正向输入（AIN0）和反向输入（AIN1），P1口输出缓冲器能接收20mA电流，并能直接驱动LED显示器；P1口引脚写入“1” 后，可用作输入。在闪速编程与编程校验期间，P1口也可接收编码数据。P3口引脚P3.0P3.5与P3.7为7个带内部上拉的双向I/0引脚。P3.6在内部已与片内比较器输出相连，不能作为通用I/O引脚访问。P3口的输出缓冲器能接收20mA的灌电流；P3口写入“1”后，内部上拉，可用输入。P3口也可用作特殊功能口，其功能见下表。P3口同时也可为闪速存储器编程和编程校验接收控制信号7。表3.3 P3

47、口地特殊功能P3口引脚功能P3.0RXD（串行输入端口）P3.1TXD（串行输出端口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）（3）AT89C2051有三种工作方式：标准方式、休闲方式、掉电方式。它们的能耗等级分为10mA,1mA,10uA.由此可见在一种产品中根据不同的时间，不同的场合交替使用这三种方式可获得十分理想的效果，如下图所示。图3.5 三种方式的配合标准方式：就是一般工作方式，上电复位后进入这种方式，此时该芯片最活跃耗能也最高。休闲方式：就是CPU进入了休眠状态，片内RAM和特殊功能寄存器都保持不变，种

48、方式进入很简单，就是利用软件将PCON.O位置“1”，而唤醒（即退出）这种中断或者硬件复位。一般在程序运行过程中不断需要间隔、停顿，也就是延时子程序或等待程序，此时用休闲方式最大限度的降低能耗是十分必要的。比如将T0或T1设置成定时器方式，时间是25ms，时间到就自动从内部触发中断，芯片自动从休眠状态退出（唤醒）。若需要不同的延时时间，常常可以取25ms的整数倍反复中断，从而得到所需时间。比如下面是一个在休闲方式中运行的500ms的延时程序。START： MOV TCON，#01H ；初始化 MOV TOMD，#01H MOV TH0，#30H ；置时间常数MOV TL0，#0D4H MOV

49、IE，#82H ；开中断MOV R0，#14H ；25ms整数倍WAIT： JNB P3.2 LOOP SETB TRO ；启动定时 MOV PCON.0，#01H ；进入休闲时间 DJNZ R0， WAITLOOP： 中断服务程序 ORG 000BH CLR TR0 MOV TH0，#0D4H ；重新置时间常数 MOV TL0，#30H RETI掉电方式：进入掉电方式的方法就是用软件将PCON.1位置“1”。唯一退出的方法就是硬件复位。此种方法多用于不运行程序，而维持一定的电流将使信息不丢失如密码锁。(4)定时器工作方式选择时钟设计的关键问题是秒信号的产生, 在使用MCS-51的定时器/ 计

50、数器生成秒信号时, 若选用12MHz晶振, 选择工作方式0时, 最大定时时间为8.19 ms，选择工作方式1时, 最大定时时间为65.54 ms，选择工作方式2,3时, 最大定时时间为0.26ms。因为进入中断要做很多判断, 如果中断时间太短则不能完成任务, 导致时钟误差增大, 所以选择中断时间最长的工作方式1。这时定时器最大定时时间只能达到65.5ms,离1s还相差甚远。因此, 可采用硬件定时和软件计数相结合的方式实现整数倍的计数。3.3音频信号的放大器设计音乐信号产生单元的输出信号是比较微小的，幅值一般在一500mV500mV之间，电流一般在几十毫安的范围内，功率一般在10mw-20mw之

51、间。如果对这样小的交流信号直接通过变压器来放大的话，那是不能实现放大目的的。所以必须先对音乐信号进行功率放大，一般放大到2W。直接对音乐信号进行功率放大，会有损音质，先对音乐信号进行前置放大后再进行功率放大，这样会保持一个较好的音质，尽量达到治疗端信号与喇叭端播放的信号节奏一致。功率放大器的设计功率放大器根据所承担的任务侧重点不同分为前置放大器（俗称“前级”）和功率放大器（俗称”后级“）两个部分。前置级放大的主要作用是将音频信号进行初步的电压放大，以便用于其它电路的音频信号处理。而后级放大是将经过处理后的信号进行功率放大，以提供足够的功率去推动扬声器工作。功率放大器的基本组成如下图所示。图3.

52、6 功率放大器的基本组成电路设计功率放大部分的电路图如下图所示。图3.11功率放大器电路图原理:音频信号送入三极管的基极进行功率放大，放大后信号由变压器T升压，经电位器和电阻R1加到理疗的电极A、B上，对患者的病理进行音乐治疗8。LED是工作时发光,用作输出指示。电位器用作来调节理疗电流的强弱，VSS与VDD分别接电源的正负极。V用9013型硅NPN三极管，接成复合管。LED选用高亮度红色发光二极管。R1、R2均用RTX1/8型碳膜电阻。其电阻值均以图标为准。T可用市售220 V/612V、12W的超小型隔离电源变压器，220V作为输出端接电位器RP，原612V端接V的集电极。直流供电电源电压

53、为4.5V，电池可以为为3节7号AAA级充电电池，用完电后可继续进行充电，这样可节约电池的成本。具体使用说明在使用时，旋动电位器RP开启电源开关，LED发光指示，表明A、B接线柱有电脉冲输出。将自制的电极接在A、B两端，一手握一个电极，另一电极接触肌肉酸痛处，将电位器RP由左向右慢慢调大，使肌肉有“麻”、“胀”的感觉即可，输出强度开得不要过大。每次治疗一般只需30min左右，效果比较适中疼痛和劳累、失眠有所好转。电极可用单面环氧铜板制作，切成1元硬币大小，接好软电线（最好用优质旧耳机线）。使用之前，为了更舒适，可在电极与皮肤之间垫上几层湿润沙布，放在相关的穴位或肌肉上。疗理电流波的强弱，应该旋

54、转RP可调电阻，使用时一定要根据各人的病情需要进行微调（强、中、弱）即可。变压器输出端可得到一个高电压、小电流的刺激信号，此刺激信号随音乐节奏的变化而变化。这样便实现了随着音乐的节奏变化而变化的音乐电流信号通过电针或电极作用于患者的靶器官的音乐治疗。3.4治疗信号的采集这里的治疗信号即最后通过电极作用于人体的音乐电流信号，单片机对这些信号进行采集处理，治疗输出端的治疗信号幅值的大小与疗效相关因此，治疗信号数值的保存对患者病情的康复有着重要的意义。采用单片机AT89C51作为控制器来控制数据的传输。采集电路的结构图如下图所示。图3.12 采集电路结构图电流信号送入A/D转换器转换为数字信号,A/

55、D转换器时序由主控单元的AT89C51微处理器控制。数据采集模块设计该系统采用AT89C51单片机作为控制系统的核心，利用ADC0809实现模数转换。采样数据可以存储在PC机中以便数据的查询和分析,电路包括了单片机控制部和模数转换部分等。1、电路设计电路包括了单片机控制部分、模数转换部分等，这里主要介绍AT89C51控制的数据采集电路，采集电路如图3.13所示。图 3.13采集电路图2、控制器件AT89C51（1）特点AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容。片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器。全静态工作,工作范围: 0Hz24MHz。三级程序存储器加密。1288位内部RAM。32位双向输入输出线。两个十六位定时器/计数器。五个中断源, 两级中断优先级。一个全双工的异步串行口。间歇和掉电工作方式。（2）功能描述AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器, 片内有4k字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器, 能重复写入、擦除解1000次, 数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容, 不仅可完全代替MCS-51系列单片机, 而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正