《基于单片机的电子音乐盒设计6500字（论文）》

基于单片机的电子音乐盒设计摘要现如今市场上的机械音乐盒发音单一，且价格昂贵，商业价值不高，已经满足不了大多数人的需求。在此条件下，本文通过以STC12C5A60S2单片机为核心，设计一款电子音乐盒。该音乐盒分别由以下几个部分构成：复位电路、晶振电路、电源电路、彩灯电路、声音采集电路、音频电路、显示电路和按键电路。该音乐盒可通过一张内存卡存储多首曲目，并且可以通过按键控制音乐盒的工作和基本功能，其中LED彩灯通过声音采集显示音量的高低变化，LCD显示播放音乐的响度大小分贝值。本设计利用KEIL5编程软件对软件进行调试，硬件电路图的布局以AltiumDesigner为设计平台，进行PCB设计，最终完成电子音乐盒的设计和实现。音乐盒上设有彩灯，给用户不仅带来了听觉上的享受，还有视觉上的冲击。关键词：单片机；LCD模块；按键目录TOC\o"1-2"\h\u绪论 11系统设计要求和总体方案 21.1系统的设计要求 21.2系统的设计方案 22系统硬件电路设计 32.1主控电路 32.2按键电路 42.3音频模块电路 52.4声音采集电路 62.5彩灯电路 62.6显示模块 73系统整体设计软件 83.1系统主程序流程图 83.2显示子程序流程图 94系统实现与测试 104.1系统的实现 104.2系统的测试 10结论 12绪论音乐盒在西欧的文艺复兴时期就已被人们所知晓。当时，它的目的是为了教堂上的钟表能够按时准确的播放时间，同时在各种各样的钟表上组装这种设备零件，所以那个时代的人们称它为"可以发出声音的组钟"。之所以机械音乐盒能够一直在全球市场畅销，是因为它可以把深奥的乐曲转化为一种实际的艺术品，这种艺术品变成了人们传递美好的祝愿和情感，以及人们怀念已逝去的美好时光的最佳选择。很多人都会在音乐盒寄予一些美好的情感，使得音乐盒增添了许多神秘的色彩。随着科技的发展，人们的生活水平也在发生着时移俗易的变化，由于传统音乐盒多为机械盒，所以其体积大、发音单一等。传统的机械音乐盒早已无法满足人们对更高水平音乐的追求。而单片机产品的不断涌现让人们对单片机的理解根深蒂固。在我们常见音乐盒的改造上和基于单片机的基本应用,发明了以单片机为主的电子音乐盒。音乐盒不但可以让我们的耳朵听到美妙的音乐,同时在听音乐的时候可以产生共鸣得到心灵的慰藉。这类音乐盒有很多优点，如不占空间、重量轻、成本低且易于制造等。新型电子音乐盒子在我们日常生活的各个领域上有着广泛应用，它的设备类型从一开始的音乐卡片到现在人们常用的音响、电脑等其他电子设备，它们制作的步骤和工艺可能不尽相同，但是它们发出的一系列声响都是由于膜片的振动产生的。本次设计是以STC12C5A60S单片机为主要核心的一种电路，通过声音采集模块将采集到存储器里的数据，经过解码器进行解码，将信号输入到单片机中，分别经过转换、放大，再输出到音频模块中，通过扬声器放出音乐。为了能够使整个电路更加炫酷，观赏性更强，在电路中加入了LED模块，和声音传感器组合起来能够使彩灯闪烁。用户可以将自己喜欢的音乐放在内存卡中，且内存卡里面可以存放多首音乐。该系统中的软、硬件系统具有很高的通用性和适用性，为很多对音乐和单片机有兴趣的人提供了借鉴。1系统设计要求和总体方案1.1系统的设计要求本课题中主要研究的内容是以单片机STC12C5A60S为核心，设计一个带有彩灯的电子音乐盒，其能实现的基本功能如下：1）音乐盒可以通过内存卡存放不少于5首音乐，每首音乐播放时间不低于30S；2）由几个不同的按钮单独控制音乐盒的工作，从而可以控制音乐的播放/暂停、切换歌曲和复位的不同功能，且当音乐盒工作时，不对其进行控制，将会循环播放音乐；3）通过4个LED彩灯和声音传感器组合来显示音乐的音量高低变化。1.2系统的设计方案从系统方案的设计到完成音乐盒的全部工作由以下几个步骤分别实现：1）首先，构造出音乐盒的整体设计方案；2）接着，选择音乐盒的主控制器和外围电路；3）其次，用编程软件编译系统的主程序和子程序；4）最后，对音乐盒进行硬件的测试和软件的调试。根据设计要求，可构造出如图1的方案。考虑到系统的适用性和成本的可行性，该设计我选用STC12C5A60S单片机作为主控制器，和一些必要的外围电路，来完成电子音乐盒的制作。此系统中，按键电路、音频模块电路和声音采集电路为输入电路，彩灯电路和显示模块为输出电路。当有按键被按下时，芯片的控制器读取存储器的信息，通过数模转换器将数字信号转化为模拟信号，再将模拟信号进行放大，驱动音频模块放出音乐。声音采集模块采集到扬声器放出的声音后，进行放大和转换处理后将数据输出给单片机，从而驱动LED彩灯的闪烁。将按键电路用以写入数据，然后通过单片机进行识别，处理后通过输出模块，即显示模块写出数据。彩灯电路和音频模块电路的组合使得音乐盒在带来音乐上享受的同时，还能带来观赏性。且用户可以将自己喜欢的音乐存入内存卡中，通过音频模块听到自己喜欢的音乐。图1总体设计框图2系统硬件电路设计2.1主控电路单片机的主控电路，即最小系统，是指用最少的元件组成的单片机可以正常工作的系统。就本设计采用的单片机来说，最小系统由以下几个部分组成：STC12C5A60S2单片机、晶振电路和复位电路。最小系统是整个电路的核心，如图2所示：图2最小系统单片机在型号的选择上要考虑到很多方面，如控制系统的成本效益、抗干扰能力、保密性、耗能、工作电压、速度等因素。就本课题而言,在单片机型号的选择过程中有两点尤为重要:第一个是要有较高的性价比;第二个就是具有较高的实用性。由于51单片机在我国使用最广，在诸多的51系列单片机中，STC12C5A60S2在我国所有的STC公司的1T增强系列中有着很强的竞争力，它不但能和8051单片机指令、管脚完全兼容，而且内部具有大容量程序存储器且是FLASH工艺的，就内部具有高达60KFLASHROM来说，这类型的存储器使用者能够利用电的方法快速的改变和清除。这种单片机在开发设备上需求量小，且制作的效率也很高。写入单片机内的程序有着很强的保密性，能够保护好自己的劳动果实。故本系统采用STC12C5A60S2单片机作为电子音乐盒的核心部件，能够给很多的应用场合带来较高的效益，并且在不同的控制领域都有较高的适用性。STC12C5A60S2单片机共有40个引脚，大致可由以下几个部分组成：电源、时钟、控制各I/O引脚。单片机是通过时间来作为参考并提供各种命令，该电路称为时钟电路，通常以外部振荡和内部振荡的形式获得。STC12C5A60S2微控制器具有构成振荡器的高增益方向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。由于外部振荡会使电路变得复杂，所以本次设计采用的是内部振荡，其获得的信号也相对稳定，且实际中会经常用到。本设计中外界晶振以及电容C6和C7构成并联谐振电路，主要功能是稳定振荡频率并快速起振，其均值在20PF左右，且为了得到精准的波特率，本系统采用11.0592MHz的晶振频率。单片机内的一些电路在供电后不经复位就开始工作，一些干扰会导致单片机的程序发生错误，而不能正常工作，因此，复位电路在最小系统中是不可缺少的，其作用是单片机在通电时，回到初试状态并开始工作。通常单片机的复位是通过外部电路实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现超过两个机器周期时间的高电平，就可以复位系统，但引脚RST不间断地显示为高电平时，微控制器处于循环复位状态。按键电路分为上电复位电路和按键手动复位，这次采用的是上电复位，引脚RST是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，通过图2中的K4键来实现。2.2按键电路在音乐盒的设计中按键电路是比较常见的外围电路，按键实际上是一个轻触开关松开是触电断开，按下时则是闭合状态，通过程序的控制则可以实现不同功能的设置和选择。本设计中音乐的播放是通过不同的按键单独进行控制，K1控制音乐的播放/暂停，K2、K3键控制音乐的播放和切换，是用手动控制音乐盒播放的主要方法。由图4我们可以看出，本设计作品是通过独立的按键控制音乐的播放，即每个按键分别连接到I/O端口，并且每个按键处于独立的工作状态，而不影响其他的I/O端口的状态，这种的按键方式便捷，应用范围广。按键电路如图3所示图3按键电路2.3音频模块电路在许多语音提示情况下，需要相对较高的声音质量，故常规的低成本语音合成芯片无法满足要求。因此，MP3-TF-16P模块应运而生，这类模块使用起来方便，音质好，适合于高要求的语音提示场合，如收费站语音提示、机电设备故障自动报警、消防语音报警提示、自动广播设备等，都有很好的应用。为了保证系统的可靠性，以及使用简便，MP3-TF-16P模块有I/O控制模式、串口模式、AD按键控制模式三种方式可供选择；提供了USB接口，更加方便的通过电脑来更新歌曲;可以用FAT16、FAT32文件系统，能够支持32G的内存卡；其内部自带扬声器，且可以驱动外部的扬声器。本设计用到放音模块是个16角芯片，其各引脚功能表如表1所示：表1引脚功能表引脚序号引脚名称功能描述备注1VCC电源工作电压3.3V到5V之间，正常情况下建议用5V2RXUART串行数据输入3TXUART串行数据输出4DAC_K音频输出右声道骤动耳机、功率放大器5DAC_L音频输出左声道驱动耳机、功率放大器6SPK2接小喇叭+驱动小于3W喇叭7GND地电源地8SPK1接小喇叭一驱动小于3W喇叭9I01触发口默认上一曲（长按音量—）10GND地电源地HI02触发口默认下一曲（长按音量+）12ADKEY1AD口1与触发时是第一段(长按循环第一段）13ADKEY2AD口2当触发时是第五段（长按循环第五段）14USB+USB+DP接U盘或插电脑的USB口15USB-USB-DM接U盘或揷电脑的USB口16Busy播放指令会输出低电平，不会输出高电平一个完整的音频模块电路分为以下几个部分：中央处理器、解码器、存储设备、主机通讯端口、音频DAC和功放和控制键。其中核心设备是中央处理器和解码器。首先把歌曲文件从存储卡里取出来，然后读取内存中的信号，在解码芯片上对信号进行解码，经引脚RX将信号传输到中央处理器中，然后使用数模转换器进行处理，将数字信号转换为模拟信号，经引脚TX将信号传输到芯片中，然后把转换后的模拟音频放大，低通滤波后通过引脚SPK1和SPK2接到扬声器，最后我们就能够听到音乐了。音频模块电路如图4所示：图4音频模块2.4声音采集电路声音传感器是一个声音采集电路的基本设备，能够很灵敏地测量到周围环境的声音强度，在日常生活和工业领域上有着广泛的应用，如城市区域环境噪声检测、交通干道噪声检测、社会环境噪声评估等。本课题中声音传感器和麦克风有着相同的功能，里面有一个对声音可以快速做出反应的电容式驻极体话筒，从而扬声器发出的声波可使麦克风的驻极体薄膜振动，电容也会发生相应的变化，产生了一个变动非常小的电压，通过处理将其转化为一个低于5V的电压，在数据采集器接收到这个A/D转换后的电压之后，传输给微控制器，通过单片机来检测高低电平，并对数据进行处理得到采集声音的分贝值。采集模块如图5所示：图5采集模块2.5彩灯电路人们的生活水平逐渐提高之后，国家在大力提倡要节约能源，越来越多的人会注重装饰和节能，因此LED彩灯在日常生活中得到大家的青睐，它要比普通的灯泡更节省电，而且发光颜色选择会更多。此次设计中有LED，能够使音乐盒更加酷炫一点，更有氛围感。此课题的LED闪烁电路由4个发光二极管组成，二极管的一边连接着5V的电源，另一遍连接着一个阻值足够的电阻，以此来达到限流，保护二极管的目的，然后分别接到单片机的P3.2-P3.5管脚，当其中一个管脚被程序控制为高电平，则其所在的LED是个二极管，符合二极管的工作原理，则处于截止状态，无电流流过，因此灯是灭的。反之，当某个管脚被程序控制为低电平时，这时候的电流就可以通过二极管，所以灯是亮的。通过和声音采集电路组合采集到声音的高低，输出给P3口的脉冲频率发生变化，控制彩灯的闪烁频率，从而可以达到彩灯的多种亮灭情况。彩灯电路如图6所示：图6彩灯电路2.6显示模块工业中常见的液晶显示屏可以分为以下几类：TN型液晶、STN型液晶、DSTN型液晶等。考虑到系统的实用性，我选择的是LCD1602液晶，在该系统中主要显示播放音乐的分贝值，是一个集成块。LCD1602，它是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02，即32个字符，可以显示两行，每行16个字符液晶模块。它的工作原理比较简单，利用液晶独立的物理特征，有利于对电压进行控制和改变显示部分。LCD与单片机连接对应接口如图7所示，其功能如下：引脚VSS和引脚VDD分别可以作为液晶接地和一个液晶电源引脚，引脚VL作为一个液晶背光手动调节引脚，通过10K这个电位器可以进行手动接地，背光灯也同样可以通过这个电位器的手动转换功能来自行手动完整调节液晶灯光的实际亮度；引脚RS和引脚E为单片机的液晶电路选择式电源控制引脚，分别用于控制连接液晶电源电路到单片机的32脚、34脚；引脚DB7~DB14作为一个电源数据传输接口，与单片机的21~28脚直接交互相连，从而实现了对电源数据的自动采集和数据传输；引脚A和引脚K作为一个新的液晶电源背光调节控制器引脚，可以用于控制连接电路到液晶电源和其他工作用的场所，为一个拓展接口。图7LCD1602模块3系统整体设计软件在以STC12C5A60S单片机为核心的电子音乐盒中，各个硬件和软件模块之间既是独立存在又是相互协作，接到输入指令后会立刻硬性相对应的程序，实现设计的各项功能，从而控制音乐的播放。对于本次系统程序的编译，我选用了KEIL5软件。从近年的发展来看，KEIL5软件被认为是当前最流行，且被广泛使用的开发MCS-51系列单片机的软件，它已经可以为使用者提供了一个可以完整开发的解决方案，并且还包括模拟仿真和调试器都具有很强的作用。可以使一个独立的集成开发环境将这些部分紧密联系到了一起，能够有效地帮助我们在嵌入式开发上做好模拟硬件的配置，以及详尽的测试报告，针对所有的定量数据采集进行简单合理的分析，也具有高级的语言优势。3.1系统主程序流程图良好的软件和硬件相结合，系统才能够更加平稳的运用，音乐的播放才更加稳定。由于这些基本条件，该系统软件主要由主程序、显示子程序等几个部分组成。音乐盒通电后系统初始化，系统扫描键盘，当有按键按下时判断键值并执行相关指令直到结束。主程序流程图如图8所示：图8系统主程序流程图3.2显示子程序流程图图9是LCD显示子程序流程图，每显示一个字符自动加1，LCD1602显示字符前输入字符所在的地址。图9LCD显示子程序流程图4系统实现与测试4.1系统的实现为了达到最好的原理图绘制效果，本设计我选用的是PROTEUS绘图软件。本次设计中，最后确定了设计方案和对元器件,以及硬件电路的设计仿真、软件系统的设计调试，在Altiumdesigner软件中进行原理图与PCB图绘制，在Keil5软件中进行程序的编译后，生成一个hex的文件，并将文件写入单片机中。考虑到成本的原因，最终在万用板上进行各元器件的焊接。在PCB板焊接完成后，将单片机程序通过开发板下载到单片机中，然后将单片机芯片正确安装，安装完成后的电路实物图如图10所示：图10电路实物图4.2系统的测试在对电路反复调试检查无误后，便开始对电路进行通电，通电后实物照片如图11所示，图中是电路在静态时显示的画面。切换按键换曲