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1、湄洲湾职业技术学院声光音乐盒设计说明书系 别： 自动化工程系 目 录1 前言12 系统设计技术参数要求23 系统设计33.1系统设计总体框图33.2各模块原理说明33.3 系统总原理图说明53.4系统印刷电路板的制作63.5 系统的操作说明63.6系统操作注意事项6参考文献7致谢词8附录9附录1 系统总原理图9附录2 系统印刷电路板的制作图10附录3 元件清单11附录4 源程序12湄洲湾职业技术学院2013届毕业设计产品说明1.前言随着人类社会的发展，人们对视觉、听觉方面的享受提出了越来越高的要求。小小的音乐盒可以给人们带来美好的回忆，提高人们的精神文化享受。传统音乐盒多是机械型的，体积笨重，
2、发音单调，不能实现批量生产。本文设计的音乐盒是以AT89C51单片机为核心元件的电子式音乐盒，体积小，重量轻，能演奏和弦音乐，功能多，外观效果多彩，使用方便，并具有一定的商业价值。单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。因此，单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。 电子式音乐盒是现代电子科技与音乐结合的产物，它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。本文的主
3、要内容是用STC89C51单片机为核心控制元件，设计一个电子式音乐盒。以单片机作为主控核心，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块。 本文主要对使用单片机设计简易电子式音乐盒进行了分析，并介绍了基于单片机电子式音乐盒系统统硬件组成。利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，可以播放事先保存的三首优美的曲目。本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。通过设计本系统有助于增进了解单片机的基本功能，使制作者对单片机的原理的理解和应用能力显著提高。182.系统设计技术参数要求1利用按键切换演奏出不同的乐曲。扬声器发出乐曲，按键可以切换LED闪烁的样式。使用6个按键，两个用
4、来切换歌曲，一个切换八路LED的变化花样。一个用来启动，一个用来停止，另一个是复位。2用PROTEL 99 SE设计电路图，PCB图等。3歌曲可以自己随意的写进音乐盒中。4由于歌曲占用内存比较大，单片机内存小，将两块单片机一同使用，两者可以通讯。5数码管显示当前播放的是哪一首歌曲。3.系统设计3.1系统设计总体框图 放歌模块流水灯显示模块电源模块按键模块晶振电路单片机数码管显示模块复位电路1.单片机的选择方案一。采用AVR单片机，AVR单片机的I/O线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输入/输出、可设定（初始）高阻输入、驱动能力强（可省去功率驱动器件）等特性；片内具备多种独立的时钟分频器，分
5、别供URAT、I2C、SPI使用；但是AVR单片机的硬件设计方面本人熟悉。方案二。采用STC89C51单片机，这款单片机是51内核的传统八位单片机，该款单片机采用5V供电，与绝大部分数字和模拟芯片电平兼容；同时STC89C51单片机具有比较强的运算能力和较快的处理速度；其片内硬件资源相对丰富，有五个中断（包括外部中断0、外部中断1、定时器中断0、定时器中断1和串行中断）和三十二个I/O口，能满足此次设计的要求。方案三。采用MSP430F149单片机，MSP430F149单片机是德州仪器推出的一款16位超低功耗微处理器，单片机有四种低功耗模式，对于手持式设备有很大优势。除此之外，MSP430F1
6、49单片机还有很丰富的片内外设，如硬件乘法器、AD等等；同时，MSP430F149单片机的时钟配置也相当方便，可以通过程序配置各个模块的时钟源和时钟分频，以达到对片内硬件资源合理配置并且降低了系统整体的功耗，但是MSP430F149单片机价格昂贵,外部硬件设计难度大，同时该款单片机供电电压是+3.3V，与大部分的模拟和数字芯片不兼容。综上所述，本次设计采用方案二，因为这款单片机自身的硬件资源完全可以胜任此次设计的要求，外部电路设计也相当简单，同时这款单片机的价格也很便宜，性价比优于上述的另外两款单片机。2.通信方式的选择方案一。采用RS-232通信。RS-232通信是串行通信，规定最大的负载电
7、容为2500pF，这个电容限制了传输距离和传输速率，由于RS-232的发送器和接收器之间具有公共信号地（GND），属于非平衡电压型传输电路，不使用差分信号传输，因此不具备抗共模干扰的能力，共模噪声会耦合到信号中，在不使用调制解调器（MODEM）时，RS-232能够可靠进行数据传输的最大通信距离为15米通信速度慢。方案二。采用并行通信。八位并口通信各数据位同时传输，传输速度快、效率高，多用在实时、快速的场合。并行传递的信息不要求固定的格式，通常是8位、16位或32位为传输单位，一次传送一个字长的数据，适合于进行近距离、大量和快速的信息交换。并行数据传输只适用于近距离的通信，通常传输距离小于30米
8、。并行传输的数据宽度可以是1128位，甚至更宽，但是有多少数据位就需要多少根数据线，因此传输的成本较高。方案三。采用RS-485通信。逻辑“1”以两线间的电压差为+(26)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(26)V表示。接口信号电平比RS-232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接。RS-485的数据最高传输速率为10Mbps。RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好；但是RS-485通信需要专用芯片来完成。综上所述，本次设计采用方案二，一方面由于单片机自身的I/O口完全足够用,并且可以留出并口
9、通信的接口；另一方面，串行通信的程序设计方面相对复杂，会降低系统的稳定性，因此采用八位并口通信方式。3.音乐播放模块的选择方案一。使用扬声器。单片机自身不能驱动扬声器，需要外接功率放大模块，硬件电路相对复杂。但是扬声器的音质好，使音乐播放出来更有质感，听起来不至于刺耳，使音乐品质得到提升。方案二。使用蜂鸣器。蜂鸣器驱动电路简单，只需一个三极管即可，但是蜂鸣器的声音刺耳、干涩，听起来很不舒服。综上所述，本次设计采用方案一。3.2各模块原理说明1.STC89C51单片机STC89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中
10、央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。STC89C51具有如下特点：40个引脚（引脚图如图1所示），4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，STC89C51可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据
11、，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。图1 STC89C51单片机引脚图2.复位电路复位是单片机的初始化操作，只要给RESET引脚加上2个机器周期以上的高电平信号，就可使AT89C51单片机复位。复位的主要功能是把PC初始化为0000H，使AT89C51单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态，为摆脱死锁状态，也需按复位键重新启动。 单片机的复位电路通常采用上电复位和按钮复位的两种方式。本设计采用图2.3上电复位电路.上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上
12、电复位。图2 复位电路3.时钟电路模块时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。高频率的时钟有利于程序更快的运行，也有可以实现更高的信号采样率，从而实现更多的功能。但是高速对系统要求较高，而且功耗大，运行环境苛刻。考虑到单片机本身用在控制，并非高速信号采样处理，所以选取合适的频率即可。
13、合适频率的晶振对于选频信号强度准确度都有好处，本次设计选取12.000M无源晶振接入XTAL1和XTAL2引脚，并联2个30pF陶瓷电容帮助起振。图3 时钟电路模块电路图4.音乐播放模块图4 音乐播放模块3.3 系统总原理图说明原理图参见附录一。1.要产生音频脉冲，只要计算某一音频的周期，然后将此周期除以2，即为半周期的时间。利用定时器记时这个半周期时间，每当记时到后就输出脉冲的I/O反相，然后重复记时此半周期的时间再对I/O反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。2.利用8051的内部定时器使其工作在计数器模式MODE1下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法，例如频率为523HZ，
14、其周期T=1/523=1912us，因此只要令计数器记时956us/1us=956，在每次计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523HZ）。计数脉冲值与频率的关系公式如下:N=Fi/2/Fr,其中N是计数值，Fi是8051内部频率，一般用的是1MHZ（因为8051内部记时一次时间为1us），Fr为要产生的频率。3.计数初值的求法如下：T=65536-N=65536-Fi/2/Fr 例如：求低音DO（261HZ）中音DO（523HZ）高音DO（1046HZ）的计数值。T=65536-N=65536- Fi/2/Fr=65536-1000000/2/Fr=65536-50000/Fr低音
15、DO的65536-50000/262=65345中音DO的65536-50000/523=65440高音DO的65536-50000/1047=654883.4系统印刷电路板的制作见附录23.5系统的操作说明开机后，电子音乐盒默认不播放音乐，按一下播放键之后，开始播放第一首音乐。按下下一首按键，播放下一首音乐；按下上一首按键，播放上一首音乐；按下停止按键，停止播放音乐；按下彩灯按键，彩灯闪烁。从上到下的按键的作用：1播放键，2上一首按键，3下一首按键，4停止按键，5彩灯按键。彩灯切换键：提供了三种彩灯闪烁模式。 3.6系统操作注意事项1严禁在系统连接错的情况下通电。2通电前先检查电路板有没有短路或开路。3通电前要把电路放在绝缘物体上，避免短路烧坏元件。4调试电路时应小心操作，避免万用表表笔或其他工具造成短路。5更换元件时，应注意焊接时断开电源再进行焊接，避免元器件击穿或造
