单片机实现音乐盒的设计.doc
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1、摘 要本设计是采用单片机为核心设计的数字音乐盒。具体硬件电路包括:AT89C2051单片机、音频发生器、音频放大器、按键电路、复位电路、时钟电路。本音乐盒可以播放三首音乐,通过软件程序来控制单片机内部的定时器使其产生音乐频率,演奏出优美动听的音乐同时,用户通过选择按键电路来选择自己喜欢的音乐,同时具有播放暂停功能。与传统的机械式音乐盒相比,用单片机设计的音乐盒体积更小巧,且制作工艺简单,音质更优美能演奏出和弦音乐。关键词:音乐盒 AT89C2051 播放暂停AbstractThis design is used as the core design of single chip digital
2、 music box. Specific hardware circuit includes: AT89C2051 microcontroller, audio generator, audio amplifier, keypad circuit, reset circuit, clock circuit. The music box can play three songs, through the software program to control the microcontrollers internal timer frequency to produce music, playi
3、ng the beautiful sounds of music at the same time, the user by selecting the button circuit to select your favorite music, both play pause function. With the traditional mechanical music box than a music box with a single chip design is more compact size and simple fabrication process, can play a so
4、und more beautiful polyphonic music. Keywords: music box AT89C2051 Broadcast pause 目 录摘 要iAbstractii第一章 绪论1第一节 选题目的和意义1第二节 国内外发展情况1第三节 设计所研究的内容及所做工作1第二章 方案论证3第二节 设计方案3第二节 设计方案的确定3第三章 音乐盒的硬件系统设计5第三节 音乐盒的硬件电路设计框图5第二节 控制系统的设计5一、AT89C2051介绍5二、复位电路设计8三、复位电路的设计11第三节 音频放大器的设计13一、音频放大器的作用13二、LM386的性能介绍14第四节
5、 按键选择输入电路16一、键盘接口设计16二、键盘模块处理方式18三、键盘设计实用技巧20第四章 音乐盒的软件系统设计22第四节 音符盒的发音原理22一、音符频率22二、音符节拍24三、建立曲谱编码表25第二节 程序模块设计27一、主程序模块设计27二、音乐部分模块设计28三、外部中断模块设计33四、定时器模块设计36第五章 软硬件调试39第一节 硬件调试39第二节 软件调试40第三节 性能分析40第六章 抗干扰措施42第一节 干扰的来源及后果42一、干扰的来源42二、干扰产生的后果42第二节 硬件抗干扰设计43第三节 软件的抗干扰设计43结束语45参考文献46附录一:音乐盒硬件电路原理图47
6、附录二:程序48外文资料53中文翻译56致 谢59第一章 绪论第一节 选题目的和意义通过设计电子音乐盒这个系统,有利于进一步巩固单片机的知识,将所学知识综合运用到实际当中来,并且提高自身的设计能力、动手操作能力以及解决问题的能力。第二节 国内外发展情况音乐盒的起源,可追溯至中世纪欧洲文艺复兴时期。当时为使教会的钟塔报时,而将大小的钟表装上机械装置,被称为“可发出声音的组钟”。音乐盒有着300多年的发展历史,是人类文明发展的历史见证。传统的音乐盒多是机械音乐盒,其工作原理是通过齿轮带动一个带有铁钉的铁桶转动,铁桶上的铁钉撞击铁片制成的琴键,从而发出声音。但是,机械式的音乐盒体积比较大,比较笨重,
7、且发音单调。水、灰尘等外在因素,容易使内部金属发音条变形,从而造成发音跑调。另外,机械音乐盒放音时为了让音色稳定,必须放平不能动摇,而且价格昂贵,不能实现大批量生产。音乐盒300多年的产品发展,同时也是人类文明300多年发 展的历史鉴证。每个不同时期的音乐盒造型,都能折射出当时不同的社会心态和文明发展现状,它也成了时代的一面镜子。现今,音乐盒的制造,延袭传统,结合现代,正日益成为人们或为了典藏一段岁月,或为了收藏一份情感,或出于对音乐的追求,或对于旧时代的怀念,或为了居室的美化,等等,而得到众多品位人士的追求。最重要的是现在的音乐盒体积小,轻巧易携带,且音质好,功能多,有时出现一些问题时只需要
8、改一改软件部分的程序即可。本文设计的音乐盒,是基于单片机设计制作的电子式音乐盒。与传统的机械式音乐盒相比更小巧,音质更优美且能演奏和弦音乐。电子式音乐盒动力来源是电池,制作工艺简单,可进行批量生产,所以价格便宜。基于单片机制作的电子式音乐盒,控制功能强大,可根据需要选歌,使用方便。所放歌曲的节奏可以根据需要进行设置,根据存储容量的大小,可以尽可能多的存储歌曲。第三节 设计所研究的内容及所做工作本设计以AT89C2051单片机为核心器件,外部加上时钟与复位电路、选择按键电路、音频发生器、音频放大器、扬声器,以此来实现音乐演奏控制器的硬件电路,通过汇编来控制单片机内部的定时器使其产生音频,演奏出优
9、美动听的音乐。用户可以按照自己的喜好通过选择按键来选择音乐。设计完成的内容:1.提出了音乐盒的整体设计方案,以AT89C2051单片机为核心器件,对硬件各个模块进行了设计2.对音符频率进行了编码,并对主流程图及各个子程序模块进行了设计3.完成了硬件和软件及软硬件联调,并针对工作中出现的噪音提出相应的一些防干扰措施4.通过加按键电路,采用中断方式,达到选曲的目的第二章 方案论证第二节 设计方案 设计中考虑了两种设计方案,两种设计方案中主要区别在于硬件电路的不同,对于本设计通过模拟电路和单片机设计均可以实现,最后根据设计要求、可行性和设计成本的考虑选择了单片机设计的方案。现在一一介绍论证如下: 方
10、案一: 此方案采用的是模拟电路,其中涉及有几部分: 1.基准频率产生器,产生基准频率,其值应根据音调发生器的频率要求决定。 电路可由晶振构成时钟脉冲振荡器。 2.音调发生器,音调发生器产生各个音区与音符所对应的频率;音符代码存储器,用来存储与乐曲的音符对应的数字代码及乐曲的数量。 3.通常先将乐曲进行编码,再将其代码存储在EPROM存储器。 4.节拍发生器与地址计数器,节拍发生器的振荡频率由乐曲演奏的速度所决 定。演奏的速度越快,节拍发生器的速度越高。 5节拍分配器,将节拍分配好,产生驱动打击的节拍信号。6.声音驱动电路,使乐曲的节拍和频率通过发音演奏出所想要的乐曲。方案二:采用单片机来设计电
11、路。其中主要涉及以下几个部分:1.AT89C2051单片机,通过对其进行编程,利用其内部的定时器/计数器改变计数初值,可以实现不同的音调。2.按键电路 每按一次按键就可顺序播放一首歌曲,实现选曲的目的。3.时钟与复位电路 由石英晶体振荡器产生单片机工作时所必须的时钟信号。振荡器采用12MHZ的晶振,使之机器周期 Tcy=1us,方便发音程序的计算和编译。 4.音频放大器 经过音频放大器,音频信号经过适当的功率放大,可以驱动扬声器使之发声。第二节 设计方案的确定经过查资料、构思和自己的设计,为保证电路基本功能实现,经过分析,从实现难度、性能、经济等方面综合就以上两种方案进行比较:1.从实现音乐盒
12、电路的硬件方面看,用单片机实现所用硬件电路比用模拟电路实现所用器件少,接线图简单,功耗较小,稳定性和抗干扰性及相对方案1好 2.用单片机实现音乐盒,通过编程就可实现音频和节拍,省去了节拍发生器和节拍分配器,实现音乐的产生较简单3.AT89C2051微处理器的性价比高,用它完全可以实现本设计当中要求的功能,且体积小,便于产品小型化,功耗小,工作电压范围宽。4.用单片机设计的音乐盒通过LM386功率放大器以后音质较方案一好5.用单片机设计的音乐盒电路可以加按键电路实现播放暂停及选曲功能综合以上因素,选择方案二比较可行。第三章 音乐盒的硬件系统设计 该设计选择AT89C2051单片机,硬件电路包括时
13、钟与复位电路、按键电路、音频放大器、音频发生器等几部分。其中通过T0定时中断,并配合P3.0引脚(P3.0引脚输出接扬声器)构成音频发生器输出音频频率,通过P3.2引脚接入“播放下一曲”选择按键,中断方式接入。在P1口接入64个发光二极管,可以输入音符的编码,将它们点亮,像“满天星”一样闪烁,能增加一些情趣。第三节 音乐盒的硬件电路设计框图音乐盒的硬件电路有六部分组成:单片机、时钟与复位电路、选择按键输入电路、音频发生器、音频放大器和扬声器。音乐盒的硬件电路设计框图如图3-1所示。图3-1 电路设计框图第二节 控制系统的设计一、AT89C2051介绍1.AT89C2051的特点AT89C205
14、1是美国爱特梅尔(ATMEL CORPORATION)半导体制造公司生产的一种高性能的单片机,它的指令集和引脚结构与INTEL公司的MCS51系列单片机高度兼容、低功耗、可以在接近零频率下工作,广泛的应用于各种计算机系统、工业控制、电讯设备、宇航设备及消费类产品中。由于ATMEL是全球最大的FLASH和EEPROM生产制造公司,加之以其EEPROM技术与INTEL的80C31内核技术交换,使ATMEL从此拥有80C31内核的使用权,从而该公司的89C51系列单片机具有极高的性能价格比。 AT89C2051的性能结构:AT89C2051是一个功能强大的单片机,它将AT89C51的P0口、P2口、
15、EA/Vcc、ALE/PROG、 口线简化后,形成的一种仅20个引脚的单片机,相当于INTEL8031的最小应用系统。这对于一些不太复杂的控制场合,仅用一片AT89C2051就足够了。由于将多功能的8位CPU和2KB闪速存储器以及模拟电压比较器集成到单个芯片上,从而成为一种多功能的微处理器,这为许多嵌入式控制提供了一种极佳的方案,使传统的51系列单片机的体积大、功耗大、可选模式少等诸多困扰设计工程师们的致命弱点不复存在。 AT89C2051的主要特点:2K字节闪速可编程可擦除只读存储器(FLASH EEPROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),重复擦写10000次,数据保存
16、时间10年,工作电压范围:2.76V,作频率:024MHz ,5根可编程I/O引线,2个16位定时器/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行口,一个精密模拟比较器,两级程序加密,输出口可直接驱动LED显示,低功耗的闲置和调电保护工作方式,以及片内振荡器和时钟电路。如下:(1)Intel MCS-51系列和Winbond-78系列单片机兼容;(2)2KB可重编程Flash存储器;(3)久性高,1000次写/擦除;(4)4.76V的操作范围;(5)静态操作,024MHz;(6)级加密程序存储器;(7)288位内部RAM;(8)5条可编程I/O引线;(9)2个16位定时/计数器;(10)5个
17、中断源;(11)编程串行通用异步接受发送器UART;(12)接LED驱动输出;(13)内模拟比较器;(14)功耗空闲和掉电方式; 2.引脚功能说明AT89C2051的引脚结构如图3-2所示,各项功能说明如下所示。3-2 AT89C2051引脚图(1)Vcc接地端。(2)GND :接地端。(3)P1:P1是一个8位准双向I/O端口。引脚P1.2P1.7提供上拉电阻。P1.0和P1.1要求外部提供上拉电阻。P1.0和P1.1还可分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN0)端和反相输入(AIN1)端。当P1.0端输入的电压高于P1.1端的电压时,P3.6输出为高电平,否则为低电平。P1输出缓冲器
18、可吸收20mA电流,并能直接驱动LED显示。当P1引脚写入“1”后,才可以用作输入端,这也是准并行端口的含义。当引脚P1.2P1.7用作输入端并被外部拉低时,将因内部的上拉电阻而输出电流。P1还在Flash编程和程序校验期间接受代码数据。4.P3: P3的P3.0P3.5, P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O引脚。P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号,不能作为一个通用I/O引脚来进行访问。P3缓冲器可吸收20mA电流。当P3引脚写入“1”时,它们被上拉电阻拉高并可用作输入端。在用作于输入端时,被外部拉低的P3引脚将会在上拉电阻的作用下输出电流。P3还可以用于实现AT89C2051的
19、其他功能,如表1示。另外P3还用于接收一些Flash存储器编程和程序校验的控制信号。端口引脚第二功能P3.0RXD串行输入端口P3.1TXD串行输出端口P3.2外部中断0P3.3外部中断1P3.4T0定时器0外部中断P3.5T1定时器1外部中断表1 P3引脚功能(5)RST:复位输入。RST一旦变成高电平,所有的I/O端口就复位到“1”。当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需要12个振荡周期或时钟周期。 (6)XTAL1:作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。(7)XTAL2:作为振荡器反相放大器的输出。(8)AT89C2051不允
20、许构造外部总线来扩充程序/数据存储器,所以它不需要ALE、PSEN、RA、WR一类的引脚。 二、复位电路设计1.内部时钟方式该单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。图3-3是51单片机内部时钟方式的振荡器电路。外接晶体(在频率稳定性要求不高而希望尽可能廉价时,可选用陶瓷谐振器)以及电容C和C构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求,但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度稳定性。外接晶
21、体时,C1和C2的值通常选择为30pF左右;外接陶瓷谐振器时,C1和C2的典型值约为47pF。再设计印刷电路板时,晶体或陶瓷谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近,以减少寄生电容,更好地保证振荡器的稳定和可靠工作。为了提高温度稳定性,应采用具有温度补偿特性的单片陶瓷电容。 51单片机常选择振荡频率为6MHz或12MHz的石英晶体,随着集成电路制造工艺技术的发展,单片机的时钟频率也在逐步提高,现在的高速单片机时钟芯片的频率已达40MHz。图3-3 片内时钟方式2.外部时钟方式 外部时钟方式是使用外部振荡脉冲信号,常用于多片单片机同时工作,以便于同步。对外部脉冲信号只要求高电平持续时间内大于2
22、0微妙。一般为低于12 MHz的方波。这时,外部振荡器的信号接至XTAL2,即内部时钟发生器的输入端,而内部反相放大器的输入端XTAL1应接地,如图4-3所示。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的,故建议外接一个上拉电阻。图3-4 外部时钟方式本设计采用内部时钟方式即可,各参数如图3-5所示.由于内部时钟方式中的C1和C2电容起着系统时钟频率微调和稳定的作用,因此,在本系统中的实际应用中一定注意正确选择参数(3010pF),并保证电路的对称性(尽可能匹配),选用正牌厂家生产的瓷片或云母电容,如果可能的话,温度系数要尽可能低。该系统时钟电路的选的电容C1和C2的参数为22pF。图3-5 时钟电
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