数字音乐盒实验报告

《单片机与接口设计》课程设计汇报题目数字音乐盒学号姓名胡杰张宏朱子龙年级专业13级通信工程指导教师黄云飞完成日期年3月4日安徽师范大学物理与电子信息学院CollegeofPhysicsandElectronicInformation,Anhui

物理与电子信息学院课程设计评定意见指导教师评语主要内容包含：设计汇报内容完整性和完成情况、汇报格式规范性、经过课程设计取得收获等。成绩：署名：年月日注：本页与上一页用A3纸套印成封面和封底，课程设计汇报正文用A4纸打印然后装订课程设计划任务书 通信工程 系通信工程专业学生姓名朱子龙班级13级学号:学生姓名胡杰班级13级学号:学生姓名张宏班级13级学号: 课程名称： 单片机原理与接口技术 设计题目： 数字音乐盒 课程设计内容与要求：课程设计开始日期 年1月14日指导教师黄云飞 课程设计结束日期年3月4日数字音乐盒摘要：本设计是基于单片机数字音乐盒设计,由单片机AT89C51芯片和LCD显示器为关键，辅以必要电路，组成一个单片机电子数字音乐盒。要求利用I/O口产生一定频率方波，驱动蜂鸣器，发出不一样音调并采取LCD显示信息，从而演奏乐曲（最少三首乐曲，每首不少于30秒），开机时有英文欢迎提醒字符，播放时显示歌曲序号（或名称），可经过功效键选择乐曲，暂停，播放。本设计采取4*4键盘，用Protel99来画系统硬件图，采取汇编语言进行编程，编程后利用KEILC51来进行编译，再生成HEX文件装入芯片中，采取proteus软件来仿真，检验功效得以正常实现。该音乐盒设计能够经过按键选择不一样曲目，播放和暂停，并经过LCD显示歌曲号及播放时间。本设计键盘采取动态扫描方式。每次扫描一行键盘，送此行低电平，读输入口状态值，判断有没有键按下。若有键按下，依照读入口值选择显示值并送至显示值存放单元，判断键值，开启计数器T0，依照次值为偏移地址找到要选择音乐代码首地址，依照代码产生一定频率脉冲，驱动蜂鸣器，放出音。同时开启定时器T1，计算音乐播放时间。关键词：数字音乐盒；AT89C51；KEIL；PROTEUS；数码管TheDesignationOfControllableDigitalMusicBoxBasedOn51SCMAbstract:ThispaperexplainsthedesignofcontrollabledigitalmusicboxarebasedonAT89C51.Thismusicboxisdesignedbytheideathatamulti-functionaldigitalmusicboxcanbebasedonthetechnicalprincipleofsinglechipmicrocomputer(SCM),togetherwithusingthePROTEUStosimulatethehardwarecircuitandusingKEILtoprogramthesourceofmusicboxwhichiscompiledwithClanguage.ThismusicboxcanproducesquarewavesofdifferentfrequencyincontrolofthetimerinsideSCM,andmusicofdifferenttunesbydrivingspeaker.Theprogramismadeuseoftodrivethesoundingequipmenttoplaypleasantmusicbythewayofchangingmusicscoreintothecorrespondingtimingconstant.Thismusicboxistotallydesignedwithfivesongs,andalsowiththreechangeablepatternsofLEDcolorfullights.Whilethesongsarebeingperformed,thecolorfullightsareflashingwithtones.Whilethesongsarestoppedplaying,thecolorfullightsstarttoflashwiththreechangeablepatterns.Thesongsandpatternscanbefreetoswitch.Atthesametime,thedigitaltubeisalsoconstantlychangingfigurestoshowtheserialnumberofthesongsandthepatternsofthecolorfullights.Keywords:Digitalmusicbox;AT89C51;KEIL;PROTEUS;Digitaltube 目录序言------------------------------------------------------------------------------------------------------11单片机和音乐盒硬件功效------------------------------------------------------------------------21.1AT89C51芯片功效----------------------------------------------------------------------------21.2音乐盒硬件及其功效-------------------------------------------------------------------------42数字音乐盒主体设计方案------------------------------------------------------------------------52.1音乐盒主体结构-------------------------------------------------------------------------------52.2主设计软件介绍-------------------------------------------------------------------------------52.2.1编程软件KEIL介绍-----------------------------------------------------------------52.2.2仿真软件PROTEUS介绍-----------------------------------------------------------63音乐盒硬件设计---------------------------------------------------------------------------------------83.1总设计框图----------------------------------------------------------------------------------------83.2各部分硬件作用-------------------------------------------------------------------------------83.2.1时钟振荡电路------------------------------------------------------------------------------84音调和节拍设计-----------------------------------------------------------------------------------114.1音调和节拍设计以及音乐基础知识------------------------------------------------------114.2音调和节拍编码------------------------------------------------------------------------------135数字音乐盒总设计图--------------------------------------------------------------------------------175.1仿真总设计图------------------------------------------------------------------------------------17结论-----------------------------------------------------------------------------------------------------19参考文件--------------------------------------------------------------------------------------------------20致谢--------------------------------------------------------------------------------------------------------21附录-------------------------------------------------------------------------22

序言伴随科技越来越发达，单片机技术也越来越熟练，单片机应用也越来越广泛，能够说几乎极难找到哪个领域没有单片机踪迹。如今，单片机在各个领域都起着至关主要作用[1]。单片机是一个集成在电路芯片，是采取超大规模集成电路技术把具备数据处理能力中央处理器CPU、随机存放器RAM、只读存放器ROM、多个I/O口和中止系统、定时器/计时器等功效（可能还包含显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上组成一个小而完善计算机系统。伴随人类社会发展，人们对于视听方面享受提出了更高要求。而传统音乐盒大部分是机械型，体积庞大，而且沉重，发音单调，且不悦耳，不能实现大批量生产，所以极难满足当代人们需求。不过本文设计数字音乐盒是以单片机为关键元件数字音乐盒。单片机具备体积小、功耗低、控制功效强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点。所以该数字音乐盒也就具备体积小，重量轻，能演奏各种各样音乐，功效多，外观绚丽多彩，使用非常方便等很多优点。而且具备一定开发价值。1单片机和音乐盒硬件功效伴随当代单片机技术突飞猛进，单片机功效也越来越强大，主要包含有：（1）单片机集成度高；（2）系统结构简单，使用方便，实现模块化；（3）单片机可靠性高，处理功效强，速度快；（4）低电压，低功耗，便于生产便携式产品；（5）控制功效强大。而本文设计采取是AT89C51单片机，这是一款性价比非常高单片机。1.1AT89C51芯片功效AT89C51是一个带4K字节闪烁可编程可擦除只读存放器低电压，高性能CMOS8位微处理器。俗称单片机。如图1.1所表示。图表SEQ图表\*ARABIC1.11.2音乐盒硬件及其功效本文设计数字音乐盒，所需要硬件有：AT89C51芯片：主控制器；数码管：音乐序号显示，P0.0-P0.6控制数码管；晶振：给单片机正常工作提供稳定时钟信号，电路为12MHZ晶振频率工作，起振电路中C1、C2均为30PF。电容：保持一个恒定偏执电压供给；喇叭：发出声音，P3.7控制喇叭电源：供电；电阻；控制电路；开关：控制音乐，P3.2控制LED彩灯花样切换，P3.3控制音乐切换。2数字音乐盒主体设计方案2.1音乐盒主体结构该音乐盒主要是经过控制单片机内部定时器来产生不一样频率方波，驱动喇叭发出不一样音调音乐。如图2所表示。图表SEQ图表\*ARABIC2本设计是一个基于AT89C51系列单片机数字音乐盒，一共设计了五首不一样格调歌曲，在播放歌曲同时八路LED彩灯随音调改变而改变，同时利用数码管显示歌曲序号，方便切换歌曲。在不播放歌曲时候还设计了八路LED彩灯，能够随意改变三种花样，给人们带来视听双重享受。一共设计了两个开关，一个用以切换LED彩灯花样，一个用以切换歌曲。2.2主设计软件介绍此次设计主要用到了两款软件，一款是用以对源代码进行C语言编程KEIL软件，另一款则是用以对实物设计进行仿真PROTEUS软件[4]。2.2.1编程软件KEIL介绍要进行单片机开发设计，首先离不开就是软件，而假如你使用C语言编程，那么KEIL几乎就是你不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用集成环境、强大软件仿真调试工具也会令你事半功倍。KEILC51是美国KEILSoftware企业出品51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功效上、结构性、可读性、可维护性上有显著优势，因而易学易用。KEIL提供了包含C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功效强大仿真调试器等在内完整开发方案，经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、WIN、WINXP等操作系统。C51工具包整体结构，uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos集成开发环境(IDE)，能够完成编辑、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，也能够与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准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，也能够直接写入程序存贮器如EPROM中。KEILC51生成目标代码效率非常之高，多数语句生成汇编代码很紧凑，轻易了解。在开发大型软件时更能表现高级语言优势。与汇编相比，C语言在功效上、结构性、可读性、可维护性上有显著优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会愈加深刻。KEILC51软件提供丰富库函数和功效强大集成开发调试工具，全Windows界面。是一款非常不错软件。2.2.2仿真软件PROTEUS介绍有了编译软件，一样也少不了仿真软件PROTEUS，这是一款非常强大仿真软件，有了它以后，我们就能够节约大量精力和资源，仅仅经过电脑就能模拟我们想要东西，直至满足我们自己要求为止。PROTEUS软件是英国Labcenterelectronics企业出版EDA工具软件。它不但具备其它EDA工具软件仿真功效，还能仿真单片机及外围器件。它是现在最好仿真单片机及外围器件工具。即使现在国内推广刚起步，但已受到单片机兴趣者、从事单片机教学教师、致力于单片机开发应用科技工作者青睐。PROTEUS是世界上著名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完整设计。是现在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，又增加了Cortex和DSP系列处理器，并连续增加其余系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、KEIL和MPLAB等多个编译器。在PROTEUS绘制好原理图后，调入已编译好目标代码文件(.HEX)，能够在PROTEUS原理图中看到模拟实物运行状态和过程。PROTEUS是单片机课堂教学先进助手。PROTEUS不但可将许多单片机实例功效形象化，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试验效果，后者则是实物演示试验难以达成效果。它元器件、连接线路等却和传统单片机试验硬件高度对应。这在相当程度上代替了传统单片机试验教学功效，比如：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。3音乐盒硬件设计3.1总设计框图经过前面介绍，本文设计思绪已经基本清楚，总设计框图如图3所表示。图表SEQ图表\*ARABIC33.2各部分硬件作用硬件除了AT89C51芯片外，主要就是时钟振荡电路、LED彩灯以及数码管设计。4.2.1时钟振荡电路 AT89C51中有一个用于组成内部振荡器高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起组成自然振荡器。外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器反馈回路中组成并联振荡电路。对外接电容C1，C2即使没有什么严格要求，但电容容量大小会轻微影响振荡频率高低、振荡器工作稳定性、起振难易、程序及温度稳定性。假如使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF-10PF，而假如使用陶瓷振荡器提议选择40PF-10PF。用户也能够采取外部时钟。采取外部时钟电路如图示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器输入端，XTAL2则悬空。因为外部时钟信号是经过一个2分频触发器后作为内部时钟信号，所以对外部时钟信号占空比没有特殊要求，但最小高电平连续时间和最大低电平连续时间应符合产品技术条件要求。振荡器电路图4所表示。图表SEQ图表\*ARABIC43.2.2LED和数码管设计（1）八路LED彩灯，分别接在P1.0-P1.7这八个端口上，连接方式为共阳极，若为低电平，可使LED亮起。发光二极管亮、熄由内部程序控制，八个LED发光二极管分别对应不一样音阶，所以LED会伴随音阶改变按规律亮、熄。（2）数码管接在AT89C51P0端口上，数码管采取是共阴极数码管[5]，在数码管与端口之间接了上拉电阻以使数码管能正常工作。4音调和节拍设计4.1音调和节拍设计以及音乐基础知识通常说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含对应幅度谐波频率，也就是说不能像电子琴那样能奏出多个音色声音。所以单片机奏乐只需搞清楚两个概念即可，也就是“音调”和节拍表示一个音符唱多长时间[6]。不一样音高乐音是用C、D、E、F、G、A、B来表示，这7个字母就是音乐音名，它们通常依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成简谱1、2、3、4、5、6、7，相当于汉字“多来米发梭拉西”读音，这是唱曲时乐音发音，所以叫“音调”，即Tone。把C、D、E、F、G、A、B这一组音距离分成12个等份，每一个等份叫一个“半音”。两个音之间距离有两个“半音”，就叫“全音”。在钢琴等键盘乐器上，C–D、D–E、F–G、G–A、A–B两音之间隔着一个黑键，他们之间距离就是全音；E–F、B–C两音之间没有黑键相隔，它们之间距离就是半音。通常唱成1、2、3、4、5、6、7音叫自然音，那些在它们左上角加上﹟号或者b号叫改变音。﹟叫升记号，表示把音在原来基础上升高半音，b叫降记音，表示在原来基础上降低半音。比如高音DO频率（1046Hz）刚好是中音DO频率（523Hz）一倍，中音DO频率（523Hz）刚好是低音DO频率（266Hz）一倍；一样，高音RE频率（1175Hz）刚好是中音RE频率（587Hz）一倍，中音RE频率（587Hz）刚好是低音RE频率（294Hz）一倍。要产生音频脉冲，只要算出某一音频周期（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期时间。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脚上得到此频率脉冲。利用AT89C51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以产生不一样频率方法。另外结束符和休止符[7]能够分别用代码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，则产生对应停顿效果。在简谱中，数字上面带一个点就是高8度，两个点代表高16度。数字下面带一个点就是低8度，两个点代表低16度。若要组成音乐，光有音调是不够，还需要节拍，让音乐具备旋律（固定律动），而且能够调整各个音快满度。“节拍”,即Beat，简单说就是打拍子，就像我们听音乐不自主随之拍手或跺脚。若1拍实0.5s，则1/4拍为0.125s。至于1拍多少秒，并没有严格要求，就像人心跳一样，大部分人心跳是每分钟72下，有些人快一点，有些人慢一点，只要听悦耳就好。音连续时间长短即时值，通惯用拍数表示。休止符表示暂停发音。一首音乐是由许多不一样音符组成，而每个音符对应着不一样频率，这么就能够利用不一样频率组合，加以与拍数对应延时，组成音乐。了解音乐一些基础知识，我们可知产生不一样频率音频脉冲即能产生音乐。对于单片机来说，产生不一样频率脉冲是非常方便，利用单片机定时、计数器来产生这么方波频率信号。所以，需要搞清楚音乐中音符和对应频率，以及单片机定时计数关系。每个音符使用1个字节，字节高4位代表音符高低，低4位代表音符节拍。假如1拍为0.4秒，1/4拍实0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍时间。假设1/4拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY，以这类推。所以只要求得1/4拍DELAY时间，其余节拍就是它倍数，如1/4和1/8节拍时间设定。4.2音调和节拍编码doremifasolasi分别编码为1-7，重音do编为8,重音re编为9，重音mi编为A，重音fa编为B，重音so编为C，重音la编为D，重音si编为E，停顿编为0。播放长度以十六分音符为单位（在本程序中为165ms），一拍即四分音符等于4个十六分音符，编为4,其它播放时间以这类推。音调作为编码高4位，而播放时间作为低4位，如此音调和节拍就组成了一个编码。以0xff作为曲谱结束标志。举例1：音调do,发音长度为两拍，即二分音符，将其编码为0x18。举例2：音调re,发音长度为半拍，即八分音符，将其编码为0x22。歌曲播放设计。先将歌曲简谱进行编码，储存在一个数据类型为unsignedchar数组中。程序从数组中取出一个数，然后分离出高4位得到音调，接着找出对应值赋给定时器0，使之定时操作蜂鸣器，得出对应音调；接着分离出该数低4位，得到延时时间，接着调用软件延时。5数字音乐盒总设计图5.1仿真总设计图结论经过一个星期学习和研究，终于完成此次设计。我愈加清楚地了解单片机功效与价值，而且在设计过程中所碰到问题，最终都经过老师和同学帮助再加上自己努力一一处理，所以我从中不但取得了很多知识，而且还取得了很多宝贵经验，这都是我终生难忘。在拿到设计题目之初，我还很担心，这个题目怎么完成呢，但伴随设计一步步成功，一下就让我信心倍增，尤其是当问题得到处理时候，那种心情是无法言语。即使在设计过程中，我查阅了很多资料，碰到了一些很棘手问题，但当程序运行成功时候，那种美妙感永远都不会忘记。此次论文设计，除了知识增加外，我从中找到了成功后自信。这必将激励我在以后生活和工作中愈加努力奋斗，愈加斗志昂扬。参考文件[1]王玉凤/刘湘黔/杨欣.51单片机应用从零开始.北京：清华大学出版社，[2]陈卫兵.单片机技术与应用基础.北京：人民邮电出版社，[3]郭水保,高艳霞,王道洪.基于AT-89C51单片机LED彩灯控制设计[J].当代电子技术.第6期：119-122[4]何立民.单片机应用技术大全[J].北京：北京航空航天大学出版社，199402期:53-98[5]张友德.单片机微控制技术[J].北京：清华大学出版社，1994(08):86-87146-147致谢这次论文成功完成，首先感激我导师黄云飞老师，他工作认真负责，不论什么关于论文事都非常及时通知我，而且耐心细致地给我审阅、批改文档格式，指导我怎样处理问题，在此，我再次表示真挚谢意。感激我同学给我设计上指导与帮助，在我碰到棘手问题时，我同学总是耐心地给我解答，最终让我乘风破浪抵达了胜利彼岸。感激安徽师范大学物电学院试验室提供各种硬件材料以及实际操作指导。在这设计即将完成之际，我祝福我同学、朋友取得好成绩。也衷心祝福我母校——安徽师范大学，明天更辉煌！附录A总程序源代码及注释主程序流程图如图：ORG0000HLJMPMAINAORG000BH;定时0中止服务程序 LJMP T0INT;长跳转 ORG001BH;定时1中止服务 LJMP T1INT;------------------------------------------------------ORG0040H;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;MAINA: JBp2.0,MAINB ;P2.1=1执行KB0 AJMPNEXT0MAINB: JNBp2.0,MAINA AJMPKB0NEXT0:JBP1.0,NEXT1ACALLDELAYJBP1.0,NEXT1 MOVDPTR,#SONG1AJMPMAINNEXT1:JBP1.1,NEXT2ACALLDELAYJBP1.1,NEXT2 MOVDPTR,#SONG2AJMPMAINNEXT2:JBP1.2,NEXT3ACALLDELAYJBP1.2,NEXT3 MOVDPTR,#SONG3AJMPMAINNEXT3:JBP1.3,NEXT4ACALLDELAYJBP1.3,NEXT4 MOVDPTR,#SONG4AJMPMAINNEXT4:JBP1.4,NEXT5ACALLDELAYJBP1.4,NEXT5 MOVDPTR,#SONG1AJMPMAINNEXT5:JBP1.5,NEXT6ACALLDELAYJBP1.5,NEXT6 MOVDPTR,#SONG2AJMPMAINNEXT6:JBP1.6,NEXT7ACALLDELAYJBP1.6,NEXT7 MOVDPTR,#SONG3AJMPMAINNEXT7:JBP1.7,LOPACALLDELAYJBP1.7,LOP MOVDPTR,#SONG4AJMPMAINkb0:JBP1.0,kb1ACALLDELAYJBP1.0,kb1 MOVDPTR,#TAB1AJMPMAINkb1:JBP1.1,kb2ACALLDELAYJBP1.1,kb2 MOVDPTR,#TAB2AJMPMAINkb2:JBP1.2,kb3ACALLDELAYJBP1.2,kb3 MOVDPTR,#TAB3AJMPMAINkb3:JBP1.3,kb4ACALLDELAYJBP1.3,kb4 MOVDPTR,#TAB4AJMPMAINkb4:JBP1.4,kb5ACALLDELAYJBP1.4,kb5 MOVDPTR,#TAB5AJMPMAINkb5:JBP1.5,kb6ACALLDELAYJBP1.5,kb6 MOVDPTR,#TAB6AJMPMAINkb6:JBP1.6,kb7ACALLDELAYJBP1.6,kb7 MOVDPTR,#TAB7AJMPMAINkb7:JBP1.7,LOPACALLDELAYJBP1.7,LOP MOVDPTR,#TAB8AJMPMAINLOP:LJMP MAINA;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;MAIN: MOVSP,#40H;初始化堆栈MOVIP,#08H MOVTMOD,#11H SETB EA SETB ET1 SETB ET0SETBTR1 SETB TR0NEXT:MOVA,#00h MOVCA,@A+DPTR CJNEA,#'$',COUNT LJMPEXITCOUNT:RLA MOVR7,A INCDPTR MOVA,#00H MOVCA,@A+DPTR ;RLA MOVR6,A INCDPTR PUSHDPH PUSHDPL MOVDPTR,#TABLE MOVA,R7 MOVCA,@A+DPTR MOVTH0,A MOVA,R7 INCA MOVCA,@A+DPTR MOVTL0,A MOVTH1,#0BH MOVTL1,#0DCH;0BDCH=62.5ms1/8拍 POPDPL POPDPH HERE1: CJNER6,#00H,HERE1 LJMPNEXT EXIT:CLRTR0 CLRTR1 CLRP0.0 LJMPMAINA ;外部中止0服务程序 T0INT:CPLP0.0 PUSHDPH PUSHDPL MOVDPTR,#TABLE MOVA,R7 MOVCA,@A+DPTR MOVTH0,A MOVA,R7 INCA MOVCA,@A+DPTR MOVTL0,A POPDPL POPDPH RETI ;外部中止1服务程序 T1INT:MOVTH1,#0CH MOVTL1,#0DCH DECR6 RETIDELAY: MOVR6,#10 DEL1: MOVR5,#125 DEL2: NOP NOP DJNZR5,DEL2 DJNZR6,DEL1 RET 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