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1、 潍 坊 学 院单单片片机机 原原理理 与与应应用用 课课程程设设计计说说明明书书题题 目目： 系系 部：部： 信息与控制工程学院 专专 业：业： 班班 级级： 学生姓名学生姓名: : 学学 号号: 指导教师指导教师: 王文成 2009 年 12 月 15 日单片机实现简单音乐发生器目目录录1 设计任务与要求.12 设计方案.12.1 音乐相关知识.12.2 如何用单片机产生音频脉冲.22.3 如何用单片机实现音乐的节拍.32.4 音频功放.43 硬件设计.43.1 结构框图.43.2 主要器件.533 电路原理图及说明.64 软件设计.65 小结.15主要参考文献.16单片机实现简单音乐发生
2、器1单单片机片机实现简单实现简单音音乐发乐发生器生器1 1 设计任务与要求设计任务与要求本例将实现一种由单片机控制的简单音乐发生器，它具有 16 个音的键盘，我们可以根据乐谱在键盘上进行演奏，通过扬声器将音乐播放出来。本次课程设计的任务是，设计一种由单片机控制的简单音乐发生器，要求键盘有 16 个键，能过用 51 单片机 C 语言编写程序来实现音乐发生器的发音。要求：1.设计思路切明确；2.对各个芯片的功能要有所了解；3.对设计中的各个电路图能够要有所说明；。4.对设计的、中的源程序要有所注释。5.在按音乐发生器的 16 个键的同时能够听到不同的音乐。2 2 设计方案设计方案进行本例的设计之前
3、，首先需要了解音乐的一些相关知识。2.12.1 音乐相关知识音乐相关知识在人类还没有产生语言时，就已经知道利用声音的高低、强弱来表达自己的思想和感情。声带、琴眩等物体震动时会发出声波，声波通过空气传播进入人耳，人们就听到了声音。声音有噪音和乐音之分，振动由规律的声音是乐音，如人声带发出的歌声、由琴眩发出的琴音等。音乐中所有的声音主要是乐音。乐音听起来有的高，有的低，这就叫音高。音高是由发音物体震动频率的高低决定的，频率高声音就高，频率低声音就低。比如，女人唱歌时声带频率振动高，男人唱歌时声带振动频率低，所以男生比女生低。音乐中所有音乐的范围从每秒中振动 16 次的最低到每秒中振动 4186 次
4、 的最高音，大约 97 个。现在最大的钢琴可以奏出其中 的 88 音，是音乐范围最大的乐器，人唱歌时因受生理限制，所能唱出 的乐音仅是乐音范围的一小部分。不同音高的乐音是用 C,D,E,F,G,A,G 来表示的，这 7 个字母就是乐音的音名，单片机实现简单音乐发生器2他们一般唱成 DO,RE,MI,FA,SO,LA,SI，即唱成简谱的 1,2,3,4,5,6,7，相当于汉字“多来米发梭拉西”的读音，这是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名，把C,D,E,F,G,A,B 这一组音的距离分成 12 个等份，每一个等份叫一个“半音” 。两个音之间的距离有两个“半音”的，就叫“全音” 。在钢琴等键盘乐器上，C
5、-D,D-E,F-G,G-A,A-B 两音之间隔着一个黑键，他们之间的距离就是全音；E-F，B-C 两音之间没有黑键相隔，他们之间的距离就叫半音。通俗地说，那些唱成 1,2,3,4,5,6,7 的音就叫自然音，那些在他们的左上角加上#号（如#4，#1）或者 b 号（如 b7,b3）的叫变化音。#叫升记号，表示把音在原来基础上升高半音；b 叫降记号，表示把音在原来基础上降低半音。音持续时间的长短叫时值，一般用拍数表示。休止符表示暂停发音。一首音乐是由许多不同的音符组成的，每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，加以与拍数对应的延时，构成音乐。2.22.2 如何用单片机产生音频脉
6、冲如何用单片机产生音频脉冲了解音乐的一些基本知识后可知，产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐。对于单片机而言，产生不同频率的脉冲非常方便，可以利用他的定时计数器来产生这样方波频率信号。因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系。本例中，单片机工作在 12MHz 时钟，使用其定时计数器 T0，工作模式为 1，改变计数值 TH0 和 TL0 可以产生不同频率的脉冲信号。在此情况下，C 调的各音符频率与计数值 T 的对照表如表所示。T 的值决定了 TH0 和 TL0 的值，其关系如下。TH0=T/256，TL0=T%256。单片机实现简单音乐发生器3C 调各音符频率 T（12M
7、Hz 单片机，T0 工作模式 1）对照表 音符频率简谱码（T 值）音符频率简谱码（T 值）低 1D026263628#4FA#74064860 低#1DO#27763731中 5SO78464898 2RE29463835中#5SO#8314934 #2RE#311639286LA88064968 低 3MI33064021693264994 低 4FA34964103中 7SI98865030 #4FA#37064185高 1DO104665058 低 5SO39264260#1DO#110965085音符频率简谱码(T 值)音符频率简谱码（T 值）#5SO41564331高 2RE1175
8、65110 低 6LA44064400#2RE#124565134 #646664463高 3MI131865157 低 7SI49464524高 4FA139765178 中 1DO52364580#4FA#148065198 1DO#55464633高 5SO156865217 中 2RE58764684#5SO#166165235 #2RE#62264732高 6LA176065252 中 3MI65964777#6186565268 中 4FA69864820高 7SI1967652832.32.3 如何用单片机实现音乐的节拍如何用单片机实现音乐的节拍除了音符以外，节拍也是音乐的关键组
9、成部分。节拍实际上是音持续时间的长短，在单片机系统中可以用延时来实现。如果 1/4拍的延时设为 0.4 秒，则 1 拍的延时是 0.4 秒。只要知道 1/4 拍的延时时间，其余的节拍延时时间就是它的倍数。表 1-2 所示的为 1/4 节拍和 1/8 节拍的延时时间设定。表 1-2 各调 1/4 节拍和 1/8 节拍的延时时间设定 曲调值（1/4 节拍） 延时 DELAY曲调值（1/8 节拍）延时 DELAY调 4/4125ms调 4/462ms 调 3/4187ms调 3/494ms单片机实现简单音乐发生器4调 2/4250ms调 2/4125ms如果单片机要自己播放音乐，那么必须在程序设计中
10、考虑到节拍的设置。由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制民。2.42.4 音频功放音频功放在一定频率范围内，具有固定频率的振动就能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器 LM386 实现音频功放电路。LM386 具有以下功能特性。适合于电池工作;使用外部元件少；供电范围宽：412V 或者 518V;低静态电流消耗：4mA;电压增益范围：20200V。LM386 的增益可调，它广泛用于各种音频电路中。3 3 硬件设计硬件设计本例的硬件电路较为简单，主要由键盘、单片机、音频
11、功在放及扬声器构成。3.13.1 结构框图结构框图系统硬件的结构框图如图 1-1 所示。扬声器本例依然采用 44 键盘。44键盘51 单片机音频功放单片机实现简单音乐发生器53.23.2 主要器件主要器件显然，本例的核心器件是单片机芯片和音频功放芯片。单片机采用 Atmel 公司的 51 单片机芯片 AT89C52，完全可以满足本例的功能需求，而且使用方便，价格便宜，易于获取。音频功放芯片选用半导体公司的 LM386，其内部电路如图 1-2 所示。+Vout6VsBYPASS7+IN3-IN2 15k8GAIN 1GAINV7V2R715k 1.35k15k15k50k50k图 1-2 LM3
12、86 内部电路图图 1-2 中,如果 1 脚,8 脚均悬空,则 1.35K 电阻设置电路增益为 20V.LM386 的引脚分布如图 1-3 所示.GAIN -IN+INGND图 1-3 LM386 引脚分部图4GND LM38612348765GAINBYPAS S VsVout单片机实现简单音乐发生器6其引脚功能说明如下.GAIN(1 脚,8 脚):增益控制引脚.如果此两脚悬空,则增益为 20V;如果两脚之间接一个大的极性电容,则增益可达到 200V;如果在和电容串联一个电阻,增益可设置为20 200V 之间.-IN(2 脚):负极性输入脚.在单极性输入时,此引脚接地.+IN(3 脚):正极性输入脚.在单极性输入时,此引脚接输入信号.GND（4 脚）：接地端。V out（5 脚）：电压输出端。此引脚为音频攻放电路的输出。Vs（6 脚）：电源脚。供电范围：412V 或者 518V。BYPASS（7 脚）：旁路端。此引脚可悬空或者旁接一个大电容到地。3 33 3 电路原理图及说明电路原理图及说明电路原理图分为两部分：一是由 Atmel 公司的 AT89C52 实现的单片机及键盘电路原理图，如图 1-4 所示：
