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1、数字音乐盒设计摘 要电子音乐已广泛的应用于社会生活的各个领域，其类型从音乐卡片到CD、MP3等多种多样。利用单片机控制的电子音乐发生器软硬件上具有独特的优点，系统的开发周期短，成本低，电路制作容易。更换歌曲时，硬件电路无需作任何修改，只需修改软件即可实现。本文设计了单片机控制的音乐发生器系统，主要有硬件电路设计和软件设计两部分。硬件方面选择内部存储资源丰富的AT89C51单片机，时钟采用12MHz晶体振荡电路，软件方面使用汇编语言，同时还可根据个人的习好通过软件改变节拍的延时时间，增加电子音乐的趣味性。关键字：AT89C51芯片，LED数码管，LED显示器，蜂鸣器。目录一、相关知识介绍1（一）
2、单片机音乐盒介绍1（二）显示屏控制技术状况3二、总体方案论证与设计4（一）单片机的选取4（二）LED显示方式4（三）LED驱动模式5（四）系统总体结构框图5（一）AT89C51 芯片功能和硬件连接6（二）LED显示器8（三）键盘9（四）系统复位电路的设计10（五）时钟电路模块10（六）输出显示电路11（七）音频输出部分11（八）整体硬件电路12四、系统软件设计13（一）主模块的设计13（二）外部中断源系统设计13（三）基本显示模块设计14（四）系统初始化程序15（五）音调、节拍以及编码的确定方法15（六）程序流程19（七）文档顶端程序清单19五、调试结果26（一）系统总电路图26（二）运行结果
3、及分析26设计小结28参考文献29致谢30一、相关知识介绍（一）单片机音乐盒介绍1.发音原理发音原理：播放一段音乐需要的是两个元素，一个是音调，另一个是音符。首先要了解对应的音调，音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升。另外，音符的频率有所不同。音符的发音主要靠不同的音频脉冲。利用单片机内部定时器/计数器0，使其工作在模式1，定时中断，然后控制P3.7引脚的输出音乐。只要算出某一音频的周期（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期的时间，利用定时器计时这个半周
4、期时间，每当计时到后就将输出脉冲的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脚上得到此频率的脉冲。 2.音符频率的产生音符及定时器初始值：例如：中音1（do）的音频=523HZ,周期T=1/523s=1912定时器/计数器0的定时时间为：T/2=1912/2=956定时器956的计数值=定时时间/机器周期=956/1=956(时钟频率=12MHZ) 装入T0计数器初值为65536-956=64580将64580装入T0寄存器中，启动T0工作后，每计数956次时将产生溢出中断，进入中断服务时，每次对P3.0引脚的输出值进行取反，就可得到中音DO（523HZ）的音符音频。将5
5、1单片机内部定时器工作在计数器模式1下，改变计数初值TH0,TL0以产生不同的频率。下表1是C调各音符频率与计数初值T的对照表： 表1 C调各音符频率与计数初值T的对照表音符频率（Hz）/初值()音符频率（Hz）/初值()低1DO262/63627中1DO523/64580高1DO1042/65056低2RE294/63835中2RE589/64687高2RE1245/65134低3M330/64021中3M661/64780高3M1318/65157低4FA350/64107中4FA700/64822高4FA1397/65178低5SO393/64264中5SO786/64900高5SO15
6、68/65217低6LA441/64402中6LA882/64969高6LA1760/65252低7SI495/64526中7SI990/65031音符、音符编码及定时器初始值：为了产生音符，必低须求出音符低音5高音5的计数初值。例如C调的1DO的THTL=65536-50000/262=63627，中音DO的THTL=65536-500000/523=64580,高音DO的THTL=65536-500000/1042=65056。为了方便写谱，对其进行简单的编码，在编程时，根据音符编码（表2）查找对应的计数初值。比如说音乐是C调的，那么出现低音的5SO，直接将代码写为1；出现低音6LA,直接
7、写一个2的代码；出现低音7SI，直接写一个3代码。表2 音符编码表音符音符编码音符音符编码不发音0低5SO1低6LA2低7SI3中1DO4中2RE5中3M6中4FA7中5SO8中6LA9中7SIA高1DOB高2REC高3MD高4FAE高5SOF高6LAG3.节拍频率的发生节拍的产生与编码：音乐中的节拍用延时时间产生。例如，1拍=0.4s，1/4拍=0.1s，以此类推。假设1/4拍执行一次延时程序，则1/2拍就执行两次延时程序，所以只要求出1/4拍的延时时间，其余节拍就是它的倍数。为了方便，将节拍数也进行了编码，并且计算了乐谱节拍编程时的延时时间，如表3和表4所示。 表3 节拍数编码表按1/4拍
8、为一个延时时间的节拍编码与节拍对应的表按1/8拍为一个延时时间的节拍编码与节拍对应的表节拍编码节拍节拍编码节拍节拍编码节拍节拍编码节拍11/466/411/866/822/488/422/888/833/4A10/433/8A10/844/4C12/444/8C12/855/4F15/455/8表4 乐谱节拍编程时的时间延时表乐谱节拍1/4拍的延时时间乐谱节拍1/8拍的延时时间4/4125 ms4/462 ms3/4187 ms3/494 ms2/4250 ms2/4125 ms音符编码和节拍编码完成后，在编程时，每个音符占一个字节，高四位是音符编码，低四位是节拍编码。（二）显示屏控制技术状况
9、1.串行输入与并行输入LED显示屏的数据传输方式主要有串行和并行两种。日前普遍采用串行控制技术，显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联单元之间，每个时钟仅传送一位数据。采用这种方式的驱动IC种类较多，不同显示单元之间的联线较少，可减少显示单元的数据传输驱动元件，从而提高整个系统的可靠性和性价比，具体工程实现也较为容易。2.动态扫描与静态锁存技术LED显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式。一般室内显示屏多采用动态扫描技术，即一行发光二极管共用一行驱动寄存器，根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目，分为1/4、1/16扫描等。室外显示屏基本上采用静态锁存技术，即每
10、一个发光二极管都对应有一个驱动寄存器，无需时分工作，从而保证了每一个发光二极管的亮度占空比为100%。动态扫描法可以大大减少控制器的I/O口，因此应用较广。3.自动检测及远程控制技术LED显示屏的构成复杂，特别是室外显示屏，环境亮度、环境温度条件等都直接影响显示屏的正常运行。在LED显示屏的控制系统中，因根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测控制，也可根据需要，远程实现对显示屏的亮度、色度调节、图像水平和垂直位置的调节以及工作方式的转换等。二、总体方案论证与设计本设计是基于单片机的数字音乐盒设计,由单片机AT89C51芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成的一个单片机电子数字音乐盒。
11、要求利用I/O口产生一定频率的方波，驱动蜂鸣器，发出不同的音调并采用LCD显示信息，从而演奏乐曲，开机时有英文欢迎提示字符，播放时显示歌曲序号（或名称），可通过功能键选择乐曲，暂停，播放。本设计采用4*4键盘，16*2 LCD，七段显示数码管LED。下面对各模块的设计逐一进行论证比较。（一）单片机的选取首先选择单片机中最为普遍的MCS51系列。其中AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标
12、准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C2051单片机可应用于许多高性价比的应用场合。主要性能：l 和MCS-51产品兼容l 2KB可重编程FLASH存储器（1000次）l 2.7-6V电压范围l 全静态工作：0Hz-24KHzl 2级程序存储器保密锁定l 128*8位内部RAMl 15条可编程I/O线l 两个16位定时器/计数器l 6个中断源l 可编程串行通道l 高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）l 直接驱动LED的输出端口由于完成核心功能音频输出只需一个I/O口，并且额外功能LED移位显示可根据所选单片机的剩余I/O口进行设计
13、，因此AT89C2051足以满足基本要求。其20个引脚体积小巧，内部2k字节的程序存储器容量适中，低压低频工作条件，并且价格低廉容易购得。（二）LED显示方式动态显示。对一幅画面进行分割，对组成画面的各部分分别显示，是动态显示方式。动态显示方式，可以避免静态显示的问题。但设计上如果处理不当易造成亮度低,闪烁问题。因此合理的设计既应保证驱动电路易实现，又要保证图像稳定、无闪烁。动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式，复用的程度不是无限增加的，因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短，发光的亮度等因素。通过实验发现，当扫描刷新频率（发光二
14、极管的停闪频率）为50Hz，发光二极管导通时间1ms时显示亮度较好，无闪烁感。（三）LED驱动模式采用动态扫描方式，通过三极管驱动并联在一起的LED发光管的一端(共阴或共2端)，LED发光管的另一脚接通用I/O口，控制其亮灭。该方法能驱动较多的LED，控制方式较灵活，而且节省单片机的资源。（四）系统总体结构框图系统结构框图如图1所示：图1系统结构框图三、系统硬件的设计本设计中用到了AT89C51单片机，4*4键盘，蜂鸣器，2 LCD等硬件电路常用元器件。（一）AT89C51 芯片功能和硬件连接AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1.AT89C51的主要特性与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：1
