【基于单片机的音频发声器浅析7000字（论文）】

基于单片机的音频发声器研究摘要：改革开放以来，我国各行各业循序发展，单片机技术也越来越成熟，单片机在中国被大部分人所接受，简单来说可以称为软件控制器，最开始是由美国上世纪60年代开始使用。根据美国通用汽车提出来的，单片机能够通过程序的改变从而达到对系统的控制，针对这样的一种方式，被命名为ProgrammableLogicController（可编程逻辑控制器），简称来说就是单片机。目前对于单片机设计的产品越来越多，例如单片机控制音乐播放，在单片机的作用下还能对音乐进行存储。本文主要研究基于AT89C51单片机的音频发声器，将单片机作为数据控制中心，然后对各模块下发指令，完成对歌曲的控制，通过不同的按键实现上一曲、下一曲、播放/暂停、复位等操作；音频发声器使用过程中对于能量的消耗较低，一般的电压就可以支持运行，操作过程非常简单，采用独立式输入的方式完成对歌曲的设置，当单片机I/0口处于低电平的情况下，实现切换歌曲功能；当单片机I/0口为电平的情况下，会自动切换其他的功能；当使用播放/暂停按键时，歌曲会随之播放/暂停。播放的过程中，可以采用数码管的方式现实出当前播放歌曲的信息。AT89C51单片机还有一定的内存，但是一般的歌曲占用空间较大，所以需要使用27512芯片对其进行控制，从而能够存储更多的歌曲。关键词：AT89C51单片机；音频发生器；硬件电路1绪论1.1研究的目的和意义中国随着钢琴乐器在19世纪被国外传教士和商人传入而开启了中国钢琴音乐的历史，经历了100多年的探索研究和实践，逐步形成了具有中国特色的钢琴文化。中国钢琴音乐在演奏技巧、理论基础、创作思维等方面都有着独特的一面。当然中国还有小提琴、口风琴、电子琴等等，目前，中国在电子音乐上的改变较大，能通过特殊的仪器完成各种声音的制作，还可以改变各种声音的频率，这些改变对于人们的日常生活都有较大的帮助。通过改变声音能够解决一些餐厅或者歌厅的伴奏问题，在提前完成对声音的设定后，还可以代替乐队的功能。音乐合成器再生产方面非常简单，并且材料方面也非常的廉价，支持的功能较多，因此在音乐市场中需求也较大。社会在进步的同时，音乐方面的产品在功能方面也会越来越强大，例如在合成器中加入跟随功能，其表现在设置好播放的音乐后，后面将要播放节奏乐可以根据之前的音调跟随二度或三度音，另外，合成器携带也非常的方面，操作过程也非常的简单。音乐发展到至今虽然不会有更好的地位提升，但是在未来仍然不可忽略，同时也会有更多喜爱音乐的人加入音乐领域中。本文从单片机的角度对音乐进行分析，创造出新型的频发生器，未来的音乐中也会未来越广泛。音频处理器的作用是是能够数字化处理音频的设备，它和模拟音频处理系统最大的区别在于信噪比高，优点是干扰能力强，但音色各有千秋。可能很多人都不太清楚，虽然名字听起来有所不同，但是音频处理器也是数字化音频信设备。它的运行方法是先将多通道输入的模拟信号转变成数字信号，然后再跟着对数字信号进行一系列可再次修改的处理等等，用来满足改善人声音质、矩阵混音、消噪、消回音、消反馈等用户们对应用的需求。本次设计主要采用STC89C51单片机，然后在接入外部播放设备，通过此方式完成音乐控制器的硬件部分，然后在根据相关软件控制单片机内部的定时器，完成对应的不同按键的功能，从而控制音乐的播放或其他操作。使用者可以根据自己的需求把一些流行音乐或者喜欢的音乐存储至外部存储空间中。不同型号的单片机的功能也会不同，应用的领域也会不一致，本次选择的单片机能够更好适应硬件部分，具有一定的使用价值，同时也是给更多喜爱音乐的人提供一种思考方向。1.2国内外研究现状及发展趋势音频处理器集成了很多功能，其中的分频功能非常重要，分频能够根据音响在不同的工作状态下的不同频率信息提供对应的调整，这个功能使得音频处理器能够适应于很多音响设备，只要音响设备能够正常工作，那么音频处理器就能准确的处理声音信息并传达给音响设备。美国在音乐教育方面非常的重视，在课堂上老师和同学之间非常的融洽，所以造成了美国的音乐教室中没有固定的板凳位置，大多数情况下学生都是席地而坐的，这种方式也更有例如同学之间交流。在课堂上学生们都会展示出自己在音乐中的天赋，因此，大多数情况下老师们对此都会非常的支持，从而使学生能够更加坚定的喜欢音乐。在课堂上学生们的讨论范围并不是只有音乐，还有他们的日常生活都可以交谈。这些方面对于他们的思维有很好的的帮助。反观国内的音乐课堂，在课堂上人们看到的都是整整齐齐的桌椅，学习的氛围很足，在课堂上只有很少一部分人提出自己的疑问，所以，国内在音乐方面还需要加强。1.3音频发生器的扩展本次研究采用AT89C51单片机完成定时器操作，从而确定信号发出的频率，然后在通过扬声器播放出音乐，通过不同按键的功能展示出对不同歌曲的选择。还可以根据程序的设定选择自己喜欢的音乐进行添加，设计的过程中还需要使用到简易音阶编码直觉式方法，其功能如下展示：三个按键都能完成对音乐的操作；可以根据自己的需求选择歌曲；显示出当前正在播放的歌曲；能够存储更多的歌曲。2系统总体方案单片机在中国被大部分人所接受，简单来说可以称为软件控制器，利用单片机能够通过程序的改变从而达到对系统的控制。本文采用STC89C51系列单片机完成音频发生器的每一个操作步骤，从而演奏出不同的音调。（1）本文系统分为两种状态：演奏状态和花式状态。演奏状态：表演一首歌曲，八路LED灯随着节奏起伏花式状态：八路LED灯随意进行转变，蜂鸣器会给出提示应当使用按键1时，开启演奏状态，然后再进下一步歌曲选择。当使用按键2时，开启花式状态，然后选择LED花样。此步设计内存占用率较小，因此可以在内存中下载更多的LED花式，展现出系统的不同类型。功能模块：可对内存进行选择，内存较多时选择的歌曲也会更多。硬件模块：采用AT89C51为主控制器，然后采用74LS373和27512作为外部存储功能，整体模块功能需要包含：开启、播放、暂停、下一曲、上一曲、加快、减慢等功能。晶振可选择12MHz，音乐产生的信号数值通过P3.0口传输，然后在经过喇叭播放歌曲。软件部分：本次课题的开发环境为STC89C52语言。单片机为系统的主控芯片，它的性能、成本与能耗等方面都是需要考虑的，自从单片机进入市场以来便形成了庞大的体系，面对市面上层出不穷的新产品，8位单片机依旧是主流机型，内含可编辑FLASH存储器方便程序的修改，在嵌入式系统中大量使用。在整个系统中，每一个模块都需要加入单机片进行控制，其中包含信号接收和信号转发，单机片内部的存储器有较大容量且高速运行，使用者编程更简单。按照自己的需求进行设定表可以开启后自动播放歌曲。3硬件电路设计3.1电路组成及工作原理3.1.1电路组成频发生器框架图如下图3-1所展示，电路原理图见附录1所展示，电路中主要包含单片机控制模块、调整歌曲控制模块、歌曲显示模块，内存模块、线路模块等。图3-1音频发生器框架图本次研究中主要采用AT89C51型号的单片机，因此AT89C51单片机为核心部分，主要作用是控制各个模块的动作。AT89C51单片机外部还需要接入数码管、按钮和扬声器等选择性零件。AT89C51单片机内部可选择晶振、电阻、电源、扬声器、按键装置、与非门、非门、锁存器和扩展器。按键装置包含上一曲按键、下一曲按键、暂停/播放按键和复位按键。不同的按键对应不同的端口选择，可设置为P1.0-P1.6，P3.2、P3.6、P3.7等形式，主要作用是为了方便操作和设别，其中P3.0为蜂鸣器的端口。3.1.2电路工作原理本次研究主要通过单片机进行控制其他模块，因此，还需要选择较为合适的编程软件来实现，AT89C51单片机自带存储功能，分别支持内存存储运行空间为4KB和外部存储256K的存储空间，因此能够适应较多数的软件编程程序。音频发生器的使用频率较高，所以对于晶振的选择也是非常重要的。歌曲的存储位置可以设置为外部空间，然后通过按键功能实现上一曲和下一曲之间切换。当单片机I/0口处于低电平的情况下，实现切换歌曲功能；当单片机I/0口为电平的情况下，会自动切换其他的功能。歌曲展示模块可采用共阴极数码，本次设计过程中需要显示出当前歌曲的信息，当播放歌曲时，共阴极数码管会显示出当前正在播放歌曲的编号情况。通过软件去实现歌曲切换，点击按键下一曲后，查看歌曲是否自动从下一曲播放。3.2AT89C51的简介3.2.1AT89C51功能概述单片机在系统中起作用的是微处理器，能够对系统的数据进行处理和管控，控制单元通过对命令的判断和数据的分析给出所有运算的结果。控制端口主要包括传出接口和传入接口，传入接口可以看作是开关器和信号处理器，传出接口主要是用来进行电力的平衡，管控电磁阀、和设备的开关。目前在对于单片机的应用较多，技术也较为成熟，所以更容易实现对电力的保护，也能够提前进行预防，对外界的物质干扰也会较大的提升。不仅在能够对接多种不同设备，也能够在不同大企业中能够应用，其中的变化也只是在合适度上进行选择。MCS-51系列能够支持高档8位单片机，在编程方面也是非常的简单，与继电器之间进行对比不同的是在图形方面，在语言的实现方面会更加的简单的，更容易被接受。针对顺序功能上也可以说是一种图形，也能够方面人们更快的进行理解。传入和传出也不会有任何的数据丢失，通能在传入和传出方面也是能够进行简单的控制。单片机从内部结构分析在内存存储上有4KB的空间，2个16位定时器。本次实验主要使用AT89C51单片机，该型号单片机中包含：中断器、定时器、外部接口等关键元器件。运行的过程中由定时器发送指令给寄存器，然后对寄存器的操作进行授权，其中中断器的功能在强于寄存器。图3-2AT89C5电路图3.2.2AT89C51的管脚图AT89C51系列单片机主要采用40引脚直插式（DIP），其芯片信号引脚图如下图3-3所展示，其中包含电源线若干、控制线若干、4个并行口和32根引脚线，可从其中选择性设置为地址线和数据线。图3-3AT89C51芯片信号引脚图3.2.3AT89C51单片机的引脚介绍AT89C51单片机相当于人类大脑，能够完成多种操作，所以对于引脚的定义需要更加明确，其各个引脚部分说明如下：（1）输入/输出口线A．口8位双向口线B．口8位双向口线C．口8位双向口线D．口8位双向口线（2）ALE地址锁存控制信号系统在运行的过程中，ALE会发送指令给控制端，通过口传输指令到锁存器，锁存器根据指令完成数据和地址的定时功能。此过程中ALE的晶振频率只使用其六分之一，所以对于锁存器的指令满足脉冲使用条件。（3）外部程序存储器读选通信号外部ROM在接收到指令后需要判断当前电平状态，能够更好的完成ROM单元的操作。（4）访问程序存储器控制信号信号为低电平时，ROM的操作权限只限于外部程序；无法深入到内部中，信号为高电平时，ROM获取到内部操作权限，能够同时操作内部数据和外部数据。（5）RST复位信号RST按键复位主要是针对高电平情况下进行复位操作，此过程实现需要使用到单片机进行复位。（6）XTAL1和XTAL2外接晶体引线端当芯片作用于内部完成定时，由石英晶体和微调电容执行；当芯片作用于外部完成定时，由脉冲信号完成。（7）电源、地线GNDVCC、GND。VCC一般使用电压为5V，GND与大地相连。3.3晶振电路AT89C51单片机内部设有反相放大器，其输入引脚为XTAL1，输出引脚为XTAL2，在外部接有石英晶体和微调电容，其作用相当于振荡器的功能，然后发出脉冲信号传输至单片机内部时钟电路，如下图3-4所展示。电路中电容C1和C2对频率都有较大的帮助，一般的电容都在20pF。振荡器的频率在1.2MＨz～12MHz，通常情况下实验中都会采用12MHz的石英晶体。脉冲信号会在内部定时器中进行二次分频，之后发出的信号才是属于单片机的信号。图3-4晶振电路3.4扬声器电路本次研究主要通过蜂鸣器发出音律，当播放按钮启动时，单片机会根据功能下发指令，蜂鸣器根据指令运行当前需要播放的歌曲，扬声器电路如下图3-5所展示。图3-5扬声器电路3.5复位电路AT89C51复位的功能主要是根据外部功能实现。当复位引脚RST触发时，会通过触发器的功能来降低噪音的干扰，触发器的功能的将输出电平大小和当前复位电路中的电平保持一致，然后才能将信息传输至内部控制器。本次设计选择自动复位功能，也是需要外部功能进行实现。当Vcc的时间没有达到1ms时，就可以触发自动上电功能。其中定时器选择12MHz，电容都在20pF。时钟的频率和定时器的频率保持一致。图3-6复位电路3.6更换歌曲电路系统中设置有三个按键能够对歌曲进行操作，其中三个按键的功能分别是上一曲、下一曲、播放/暂停。在三个按键中都需要加入对于电阻和与非门、非门，其目的也是为了更好的获取到下一步操作的指令，当前状态下的单片机在P3.2口和P3.7口都是高电平，没有按键指令时，歌曲会不停播放，也会自动循环播放。4软件设计4.1软件流程设计代码在编写的过程中，每一步的代码操作过程都要相互进行对应，在软件程序中需要确认在实际能够运行的控制器是单片机在进行操作，代码编写过程中可以不断地对代码进行检验运行。如果在代码编写完成之后再进行运行，那么出现问题的时候，根本没有头绪可以对错误进行确认，所以每一步的功能和流程都需要一一对应，本文在研究中根据主程序流程图进行编写，其流程图如下图4-1所展示。所有的按键对应的功能都是每一条执行命令。图4-1主程序流程图主程序代码:main(){ ucharx;TH0=0;TL0=0;ET0=1;count1=0;//流水灯无花样LED状态count2=1;//播放第一首音乐P34=0;//循环模式EA=1;//播放断开EX1=1;//外部断开1 IT1=1;//外部断开1选择方式EX0=1;//外部断开0IT0=1;//外部断开0选择方式 TMOD=0x01;//定时器0工作在方式1while(1){if(count1!=0)//音乐停止，LED随音乐起伏{switch(count1){case1:for(x=0;x<14;x++){P1=huayang1[x];beep();delay1(300);if(count1!=1)break; }break;case2:for(x=0;x<14;x++){P1=huayang2[x];delay1(300);if(count1!=2)break; }break;case3:for(x=0;x<16;x++){P1=huayang3[x];beep();delay1(300);if(count1!=3)break; }break;}}else{song();delay1(1000);}}}4.2播放音乐子程序流程图图4-2播放音乐子程序流程图播放音乐子程序代码：voidsong(){uinttemp;ucharjp;//jp是调用i=0;while(1){ if(count2==0){ break;}if(count2==1) //选择temp=qnzl[i];//播放爱你一万年if(count2==2)temp=jmszl[i];//播放都是月亮惹的祸if(temp==0xff) //播放结束duan=1;P1=yinyue[jp];duan=0;break;jp=temp/16;//if(jp!=0){timeh=cuzhi[jp*2];timel=cuzhi[jp*2+1];}else{TR0=0;fm=1;//关闭蜂鸣器}delay(temp%16);//TR0=0; //两曲相隔时间fm=1;delay1(10);TR0=1;i++;}TR0=0;fm=1;}延时程序代码：voiddelay(uintz) //延时时间设定{ uintx,y;for(x=z;x>0;x--)voiddelay1(uintz) //延时1MS{ uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=112;y>0;y--);}for(y=19000;y>0;y--);}结语这次设计是基于AT89C51单片机对音频发生器进行控制。通过对各个输入和输出进行估算，合理的设定运行时的参数。根据对单片机的自动控制功能的要求，合理的分配了输入和输出，编写了流程图，实现了该设备的实用性。单片机能够通过程序的改变从而达到对系统的控制，因此需要考虑到硬件电路和软件程序，其中硬件电路包含电源电路，复位电路、时钟电路等，通过此次对单片机的研究让我对线路有了一定的认识，同时对当前自己所掌握的知识程度有所了解。这一次的选题是在老师的指导下进行选择，既符合老师的要求，实际上对自己也有很大的提升，在设计方面能够达到标题的要求，确保设计结果准确无误。这一次的设计针对我自己来说很有意思，不但让我指导了设计的艰难，同时也体会到了酸甜苦辣，这是我大学期间都从未接触过的知识。在进行设计的过程中，根据我所学到的知识完成了硬件和软件上面的一些关键操作，最后利用仿真软件仿真出了整个动作过程。事实证明，在未来，单片机会有更大的发展空间。不论是从技术革新，还是产品规模都会有崭新的成果。单片机将会在工业及工业领域以外的诸多领域里发挥越来越大的作用。首先,我要感谢我的老师给我无限的帮助,在这篇论文的设计过程中,感谢我的学校,给我学习的机会,在写论文的过程中,不管是课题的筛选、论文的框架、还是细节的变化，老师都提出许多宝贵的意见和建议，让我从中受到了很大的启发，受益匪浅。老师以严谨、求实的学习态度、高度的敬业精神、认真的工作作风和创新的进取精神,对我有着重要的影响。这篇论文是在老师的细心指导和大力支持下完成的。也要感谢所有传授过我知识的老师,没有这些年知识的积淀,我没有这么大的信心和动力来完成这篇毕业论文。感恩之余,我诚恳地邀请老师对我的论文进行批评和指正,以便及时改进论文的不足之处。在完成本论文的一段时间里，无数复杂的情感充斥着我的内心。有激动，激动于与自己的北大硕士