毕业设计(论文)基于单片机的音乐播放器的设计与制作.doc
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1、1 引言1.1绪论如今,电子技术获得了飞速的发展,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域。目前,单片机正朝着高性能个多品种方向发展趋势将是进一步想着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路装化等几个方面发展。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机,和计算机相比,单片机只缺少了I/O设备。概括的讲:一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线
2、,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也是低的,一般不超过10元即可。单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。目前单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的
3、网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。利用单片机实现音乐播放有很多要点,例如外部电路简单,控制方便等,因而备受广大单片机爱好者的喜爱。通过音乐发声器的设计方案,掌握C语言的编程方法。并熟练的运用89C51单片机定时器产生固定频率的方波信号,推动喇叭发出旋律,按下单键可以演奏预先设置的歌曲旋律,最重要的是自己还可
4、以通过程序设计输入自己喜欢的歌曲来演奏,本设计采用简易音阶编码直觉式输入法方便设计音乐旋律。通过音乐发声器的设计方案,掌握了汇编语言的编程方法。并熟练的运用89C51单片机定时器产生固定频率的方波信号,推动喇叭发出旋律,按下单键可以演奏预先设置的歌曲旋律,最重要的是自己还可以通过程序设计输入自己喜欢的歌曲来演奏,本设计采用简易音阶编码直觉式输入法方便设计音乐旋律,可以扩充功能,比如:可设计多个按键操作来选择演奏哪一首歌曲,以随机数方式自动演奏歌曲,设计程序可以以按键来实现前进和后退,修改程序可以演奏伴奏音或是如手机上播放的和谐铃声。1.2 单片机简介 单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模
5、集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。2 音乐发生器设计流程及思路在进行设计前,首先要对音乐知识有基本的理解,其次要明白单片机产生音乐脉冲的原理,最后完成硬件原理图和相关程序的设计。2.1音乐基础音作为一种物理现象,是由于物体振动而产生的,振动产生的声波作用于人耳,听觉系统将神经冲动传达给大脑,进而产生听觉。人耳能听到的声音频率大约在1120000Hz,而音乐中使用的音一般在2741
6、00Hz。乐音体系中各音级的名称叫做音名,被广泛采用的是C D E F G A B(do re mi fa so la si则多用于歌唱,称为唱名)。乐音体系中音高关系的最小尽量单位叫做半音,两个半音构成一个全音。乐音中有几十个高低不同的音,但是最基本的只有这七个音,其他高、低音的音名都是在这个基础上变化出来的。在乐谱表上用来表示正在进行的音的长短的符号,叫做音符。不同的音符代表不同的长度。音符有一下几种:全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符、三十二分音符、六十四分音符。此外,还有一种附点音符,它就是指带附点的音符,所谓附点就是记载音符右边的小圆点,表示增加前面音符时值的一半。音持
7、续的长短即时值,一般用拍数表示,休止符表示暂停发音。音符与节拍数之间的对应关系如表2.1所示。表2.1 音符与节拍数之间的对应关系表音符节拍数音符节拍数x-(全音符)4拍x(附点八分音符)3/4拍x-(二分音符)2拍x(附点十六分音符)3/8拍X(四分音符)1拍000(三分休止符)休止3拍X(八分音符)1/2拍00(二分休止符)休止2拍X(十六分音符)1/4拍0(四分休止符)休止1拍x(附点四分音符)1.5拍 0(八分休止符)休止1/2拍 一首音乐及时由许多不同的音符组成的,而每一个音符对应着不同的频率,这样就可以利用不同的频率的组合,加以拍数对应的延时来构成不同的音乐。2.2 音频脉冲和音乐
8、节拍的实现音乐是由不同的音乐脉冲和音乐节拍配合产生的,因此设计之前,首先要对它们进行了解。2.2.1 音频脉冲的产生音乐的产生需要不同频率的音频脉冲,对于单片机而言,可以利用它的定时/计数器产生这样的方波频率信号。具体地说,只要知道某一音频的频率,求得它的周期,然后将次周期除以2,得到半周期的时间,利用定时/计数器计时这半个周期,计时到后就将输出脉冲的I/O反相。就可以在I/O端口上得到此脉冲。单片机工作在12MHz时钟频率下,其时钟周期为1us,因此可以利用89C51(设计因器件限制使用89S52代替)的内部定时/计数器T0,使其工作模式为1,工作在计数器状态下,改变计数初值TH0和TL0以
9、产生不同频率的脉冲信号。T的值决定了计数初值TH0和TL0的值,TH0=T/256,TL0=T%256。(1.1)计数值公式如下: 式中,:单片机内部时钟周期为1us,所以其频率为1MHz。 :产生音符所需的频率。通过上式计算,可以求得各个音符频率的计数值T。C调各音符频率与计数值T的对照如表2.2所示。表2.2 C调各音符频率与计数值T的对照值音符频率/Hz简谱码(T)音符频率/Hz简谱码(T)低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763731中5SO74864898低2RE29463835#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA88064968
10、低3M33064021#6LA#93264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高3M131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE57864684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA1760
11、65252中3M65964777#6LA#186565268中4FA69864820高7SI1967652832.2.2 音乐节拍的产生 节拍是指音乐持续的长短,是除音符之外音乐的另一关键组成部分,在单片机系统中可以通过延时来实现。如果1/4拍的延时设为0.2s,则1拍的时间为0.8s。以此类推,可以求出其余节拍的值,节拍的延时时间值与音乐的曲调值有相对应的关系,表2.3所示为不同曲调下的1/4和1/8节拍的时间设定。如果单片机要实现自己播放音乐,那么必须在程序设计中考虑到节拍的设置,在89C51中,可以用一个直接存储一个音符,其中低4位是节拍码。节拍数和节拍码的对照表如表2.4所示。表2.3
12、 各调节拍的时间设定曲调值(1/8节拍)DELAY曲调值(1/4节拍)DELAY调4/462ms调4/4125ms调3/494ms调3/4185ms调2/4125ms调2/4250ms 表2.4 节拍数与节拍码的对照节拍码节拍数节拍码节拍数11/4拍11/8拍22/4拍21/4拍33/4拍33/8拍41拍41/2拍51.25拍55/8拍61.5拍63/4拍82拍81拍A2.25拍A1.25拍C3拍C1.5拍F3.75拍2.3 音频功放音乐的播放最后是通过扬声器完成的,但是直接用单片机产生的音频脉冲不足以直接驱动扬声器来完成音乐的播放,因此这就要求在单片机端口与扬声器之间链接功率放大电路,以实现
13、最终的目的。评定功率放大电路有3个重要的指标,即输出功率、效率、非线性失真。输出功率P0:功率放大器应在输出不失真的情况下给出最大的交流输出功率P0以推动负载工作,维持,功放元件一般工作在大信号状态,这就使功放元件的安全工作成为功率放大器的重要问题。效率:功率放大器的效率定义为功率放大器的输出信号功率P0和直流电源供给功率放大器功率PE之比,用表示。功率放大器要求高效率地工作,一方面是为了提高输出功率,另一方面是为了降低管耗。直流电源供给的功率除了一部分变成有用的信号功率以外,剩余部分编程晶体管的管耗。管耗过大将使功率管发热损坏。所以,最与功率放大器,提高效率也是一个重要问题。非线性失真:功率
14、放大器为了获得足够大的输出功率,需要大信号激励,从而使信号动态范围往往超出晶体管的线性区域,导致输出信号失真。因此减小非线性失真,成为功率放大器的又一个重要问题。总的来说,要求功率放大器在保证系统安全运用的情况下,获得尽可能大的输出功率、尽可能高的效率和尽可能小的非线性失真。常用的音频功放电路有两种方法,一种是基于三极管的音频功放电路,另一种是基于LM386的音频功放电路(将在下一章节硬件电路设计中讲述)。3 硬件设计硬件电路主要由AT89S52单片机、LM386音频功放电路和扬声器3部分组成,电路结构比较简单。3.1 主要器件3.1.1 微处理器 AT89C51单片机是一款低功耗,低电压,高
15、性能CMOS8位单片机,功能强,灵活性高且价格合理的单片机,可方便的应用在各个控制领域。AT89C51是用静态逻辑来设计的,其工作频率可下降到0Hz,并提供两种可用软件来选择的省电方式空闲方式(Idle Mode)和掉电方式(Power Down Mode)。在空闲方式中,CPU停止工作,而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。在掉电方式中,片内振荡器停止工作,由于时钟被“冻结”,使一切功能都暂停,只保存片内RAM中的内容,直到下一次硬件复位为止。本实验的替代芯片AT89S52也是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel公司高
16、密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash,256字节RAM,32 位I/O 口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口
17、、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。图3.1 单片机引脚图各端口作用:P0口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验 时,需要外部上拉电阻。P1口:P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1
18、”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。此外,P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX),具体如下表所示。在flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1.0 T2(定时器/计数器T2的外部计数输入),时钟输出P1.1 T2EX(定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制)P1.5 MOSI(在系统编程用)P1.6 MISO(在系统编程用)P1.7 SCK(在系统编程用) P2口:P2口是一个具有内部上
19、拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX DPTR)时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX RI)访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时,P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,p3输出缓冲器能驱动4个T
20、TL逻辑电平。对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89S52特殊功能(第二功能)使用,如下表所示。在flash编程和校验时,P3口也接收一些控制信号。端口引脚第二功能P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断0)P3.3 INT1(外中断1)P3.4 TO(定时/计数器0)P3.5 T1(定时/计数器1)P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器读选通)此外,P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程
21、序校验的控制信号。 RST复位输入。当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是:每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外,该引脚会被
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