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1、前 言乐曲演奏广泛用于自动答录装置、手机铃声、集团电话、及智能仪器仪表设备。实现方法有许多种，在众多的实现方法中，以纯硬件完成乐曲演奏，随着FPGA集成度的提高，价格下降，EDA设计工具更新换代，功能日益普及与流行，使这种方案的应用越来越多。如今的数字逻辑设计者面临日益缩短的上市时间的压力，不得不进行上万门的设计，同时设计者不允许以牺牲硅的效率达到保持结构的独特性。使用现今的EDA软件工具来应付这些问题，并不是一件简单的事情。FPGA预装了很多已构造好的参数化库单元LPM器件。通过EDA软件工具，设计者可以设计出结构独立而且硅片的使用效率非常高的产品。本文介绍在EDA开发平台上利用单片机及汇编
2、语言设计音乐硬件演奏电路，并定制单片机存储音乐数据，以十首乐曲为例，将音乐数据存储到单片机，就达到了以纯硬件的手段来实现乐曲的演奏效果。只要修改单片机所存储的音乐数据，将其换成其他乐曲的音乐数据，再重新连接到程序中就可以实现其它乐曲的演奏。目 录摘 要4第1章 概述5第2章 音乐盒的发音原理62.1 播放音乐的原理62.2 音符频率的产生62.3 节拍频率的产生8第3章 硬件电路设计93.1 硬件电路93.2 整体硬件电路103.3 原理说明 112.4 键盘按键 11第4章 软件设计124.1 程序设计流程124.2 设计源程序代码12第5章 仿真及调试135.1 调试 135.2 仿真 1
3、35.3 程序调试中出现的问题及解决的办法 15第6章 设计小结及建议17致谢 18参考文献 19附录一 元器件清单 20附录二 部分源程序代码21基于AT89C51单片机的音乐盒的设计【摘要】：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。传统的音乐盒多是机械型的，体积笨重，发音单调，不能实现批量生产。本文设计的音乐盒是以单片机为核心元件的电子式音乐盒，体积小，重量轻，能演奏和旋音乐，功能多，使用方便，可以批量生产，具有一定的商业价值。【关键词】：音乐盒；单片机；LCD第1章 概述传统的音乐盒多是机械音乐盒，
4、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，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。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
5、储容量的大小，可以尽可能多的存储歌曲。另外，可以设计彩灯外观效果，增设放歌时间、序号显示灯功能，使音乐盒的功能更加丰富，如图1-1所示。单片机音乐播放时间显示播放音乐序号音乐播放扬声器时钟、复位电路选歌按键图1-1 单片机音乐盒功能框图第2章 音乐盒的发音原理2.1 播放音乐的原理发音原理：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。基于上面的内容，这样就对发音的
6、原理有了一些初步的了解。 音符的发音主要靠不同的音频脉冲。利用单片机的内部定时器/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。2.2 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(
7、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51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2-1是C调各音符频率与计数初值T的对照表： 表2-1 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1DO 523/64580高1DO1042/65056低2RE 294/63835中2RE58
8、9/64687高2RE 1245/65134低3M330/64021中3M 661/64780高3M1318/65157低4FA 350/64107中4FA700/64822高4FA 1397/65178低5SO393/64264中5SO 786/64900高5SO1568/65217低6LA 441/64402中6LA 882/64969高6LA 1760/65252低7SI 495/64526中7SI 990/65031高7SI 1967/65282音符、音符编码及定时器初始值：为了产生音符，必须求出音符低音5高音5的计数初值。例如C调的低1DO的THTL=65536-50000/262=
9、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,直接写一个2的代码；出现低音7SI，直接写一个3代码。表2-2 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6LAG2.3 节拍频率的产生节拍的产生与编码：
10、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2-3和表2-4所示。表2-3 节拍数编码表按1/4拍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11/466/411/866/822/488/422/888/833/4A10/433/8A10/844/4C12/444/8C12/855/4F
11、15/455/8表2-4 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。第3章 硬件电路设计3.1 硬件电路本设计中用到了AT89C51单片机，4*4键盘，蜂鸣器，16*2 LCD等硬件电路常用元器件。3.1.1 时钟复位电路时钟电路由单片机XTAL1、 XTAL2引脚外接晶振（12MHz）及起振电容C1、C2（均为30pf）组成。如图3-1所示：图3-1 时钟复位电路
12、3.1.2 按键输入电路按键输入电路由4*4矩阵键盘组成， P1口作为输入控制按键，其中P1.0P1.3扫描行，P1.4P1.7扫描列。3.1.3 输出显示电路用P2.0P2.2作为LCD的RS、R/W、E的控制信号；用P0.0P0.7作为LCD的D0D7的控制信号。由于P0口作为输出，应加上拉电阻。用P3.7口控制蜂鸣器。输出显示电路如图3-2所示：图3-2 输出显示电路3.2 整体硬件电路如图3-3所示：图3-3 音乐盒硬件电路原理图3.3 原理说明：当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。同时启动定时器T1，显示乐曲播放的时间，并驱动LCD,显示歌曲号及播放时间。（1）硬件电路中用P1.0P1.7控制按键，其中P1.0P1.3扫描行，P1.4P1.7扫描列； （2）用P2.0P2.2作为LCD的RS、R/W、E的控制信号；（3）用P0.0P0.7作为LCD的D0D7的控制信号； （4）用P3.7口控制蜂鸣器； （5）电路为12MHz晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为30pf。 3.4 键盘按键 键盘按键分布如下：0123456789ABCDEF按键功能说明：1A
