电子音乐盒(单片机课程设计)说明书

课程设计工作内容与基本要求(设计要求、设计任务、工作计划1．设计要求查阅资料，了解单片机控制单音喇叭发声原理；设计基于单片机的电子音乐盒；通过按钮可选择不同的音乐。创新设计：1、安装复位键，暂停、播放键;2、有6首不同的音乐用程序编出可供选择。2.设计任务与要求2.1系统硬件电路设计根据该系统设计的功能要求选择所用元器件，设计硬件电路。要求用Proteus绘制整个系统电路原理图。2.2软件设计根据该系统要求的功能进行软件设计，绘制整个系统的软件流程图；根据流程图编写程序并汇编调试通过；列出软件清单，软件清单要求逐条加以注释。2.3Proteus仿真用Proteus对系统进行仿真并进行软硬件调试。2.4编写设计说明书内容包括任务书、设计方案分析、硬件部分设计、软件部分设计、调试结果整理分析、设计调试的心得体会等，字数不少于4000字；硬件部分设计要绘制整个系统电路原理图，对各部分电路设计原理做出说明；软件设计部分要绘制整个系统及各部分的软件流程图，列出程序清单，逐条加以注释，并在各功能块前加程序功能注释。电子音乐盒1设计任务和要求.................................................12总体方案设计.................................................13硬件设计...................................................23.1硬件电路.............................................23.2系统总框图.............................................23.3器件选择.............................................23.4原理图设计............................................33.5原理说明.............................................64软件设计...................................................75仿真、安装和调试..............................................8收获与体会......................................................10参考文献........................................................11附件1：元件清单...............................................12附件2:总电路图...............................................13附件3：音乐程序...............................................14第1页1设计任务和要求1.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，从而演乐曲(内存六首乐曲)。2.采用七段数码管显示当前播放的歌曲序号。3.可通过功能键选择乐曲，包括暂停和播放，上一曲，下一曲，复位。2总体方案设计1.要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期(1/音频),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口反相,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,改变记数值TH0及TL0以产生不同频率的方法。例如频率为523HZ,其周期T=1/523=1912微秒,因此只要令计数器定时956/1=956在每记数9次时将I/O口反相,就可得到中音D0(523HZ)。记数脉冲值与频率的关系公式如下：N=Fi/2/FrN：记数值Fi：内部计时一次为1微秒．故其频率为1MHZFr；要产生的频率3.起记数值的求法如下：T＝65536－N＝65536－Fi／2／Fr例如：设K＝65536，F＝1000000＝Fi＝1MHZ，求低音D0（523HZ），高音的D0（1046HZ）的记数值。T＝65536－N＝65536－Fi／2／Fr＝65536－1000000／2／Fr＝65536－500000／Fr低音D0的T＝65536－500000／262＝63627中音D0的T＝65536－500000／523＝64580低音D0的T＝65536－500000／1047＝65059第2页3系统硬件设计3.1硬件电路本设计中用到89C51单片机，喇叭，七段显示数码管LED。（硬件电路原理图如图1所示）3.2系统总框图图1总体方案图3.3器件选择1、单片机的选择采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为电子音乐盒的核心部件，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。2、7SEG-DIGITAL简介七段显示器显示原理七段显示器可用来显示单一的十进制或十六进制的数AT89C51晶振电镀复位电路七段显示数码管LED蜂鸣器键盘电路第3页字，它是由八个发光二极管所构成的(每一个二极管依位置不同而赋予不同的名称，请参见图4.1)。我们可以简单的说，要产生数字，便是点亮特定数据的发光二极管。例如要产生数字「0」，须只点亮A、B、C、D、E、F等节段的发光二极管；要产生数字「5」，则须点亮A、C、D、F、G等节段发光二极管，以此类推，参见图4.6。因此，以共阳极七段显示器而言，要产生数字「0」，必须控制CycloneIIFPGA芯片接连至A、B、C、D、E、F等接脚呈现“低电位”，使电路形成通路状态。表4.1则为共阳极七段显示器显示之数字编码。3.4原理图设计1、晶振电路单片机需要一个时间基准来为各种操作提供秩序，此电路叫时钟电路，采用不同的接线方式可以获得不同时钟电路，有内部时钟电路和外部时钟电路,外部时钟电路会使电路复杂，故采用的是内部时钟电路。时钟电路在单片机的外部通过XTAL1,XTAL2这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容,构成稳定的自激振荡器.本系统采用的为12MHz的晶振,一个机器周期为1us,C1,C2为30uF。2、复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。复位电路分为上电自动复位和按键手动复位,如图2所示。RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效.这次采用的是手动复位，复位通过电容C3，C4和电阻R1,R2来实现,按键手动复位是图中复位键来实现的。第4页图2晶振与复位电路3、键盘部分键盘是由一组按压式或触摸式开关构成的阵列，是一种常用的输入设备。键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘两种。（1）.编码键盘通过硬件电路产生被按按键的键码，这种键盘所需程序简单，但硬件电路复杂、价格昂贵通常不被单片机系统采用。（2.）非编码键盘常用一些按键排列成行列矩阵，其硬件逻辑与按键编码不存在严格的对应关系，而要由所用的程序来决定。非编码键盘的硬件接口简单，但是要占用较多的CPU时间，通常采用可编程键盘管理芯片来克服这个缺点。本设计使用两种按键，一种是按键式非编码键盘和轻触式非编码开关。图3键盘电路4、7SEG-DIGITALLCD七段显示器LCD显示原理用P1.0-P1.6控制七段码a,b,c,d,e,f，g第5页图4LCD显示电路5、蜂鸣器部分一般所指的蜂鸣器是以压电陶瓷为主要元件的。压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能力的特殊陶瓷。这种能力缘于其特殊的晶体结构。当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体结构发生形变时，它就会在内部产生一个电流，并且电流的变化与压力的变化密切相关。反之亦然。所以利用这一特性，在压电陶瓷上通过一定频率的电流，就会引起压电陶瓷微小形变，这一形变带动空气发生振动，如果频率适当，就可以被人耳所听见，也就是产生了蜂鸣声。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。图5蜂鸣器电路3.5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,显示歌曲号。（1）硬件电路中用0INT、1INT分别接S1、S2作为上、下一曲的功能键（2）用P1.0-P1.6控制七段码a,b,c,d,e,f。（3）用P2.0口控制喇叭。（4）电路为12MHZ晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为30pf。第6页图1音乐盒原理图4软件设计本程序可以实现课程设计的基本要求，并可以通过按键播放歌曲，程序流程图如下：第7页5仿真、安装和调试按照上面设计的电路在proteus软件内画图,打开单片机软件开发系统Keil,选择89c51单片机,在其中编写程序,运行生成一个后缀名为hex的文件,然后将该文件下载到proteus中的AT89c51单片机中进行仿真,观察实验现象。仿真能实现播放音乐，按键选择曲目，暂停、播放，复位功能。仿真成功后，安装好实验板,然后将音乐程序下载到电路板内,观察结果。能实现播放音乐，按键换曲等功能。程序调试中出现的问题及解决的办法：（1）有时会出现程序一点错误也没有，但就是不能正常运行的现象，最后开始初始化设置音节起始位置设置节拍间距读取音阶，音符显示当前播放歌曲序号节拍结束音乐结束第8页我们发现是因为程序中有的指令书写得不规范导致的，例如有的RET返回指令一定要按正确格式书写或在两行指令间最好不要留空行。（2）程序中的跳转指令的运用很重要，为保险起见，都用LJMP,我们就遇到过跳转指令用错程序无法正常运行的现象。当用JNZ指令时，跳转范围比较少，这时要用一个标号中转。（3）编程时要注意，在程序开始时，要写入各定时器中断的入口地址。（4）编程过程中要注意加注释或分割线，否则，在程序过长时容易变得很乱，不便于查找或更改。（5）编程前要加流程图，这样会使思路清晰，例如数字音乐盒的设计思路完全可以按着MP3的工作方式列写流程图。（6）LCD计时正常显示的解决办法：a.两个定时器同时工作，存在中断时序问题，刚开始时我们把定时器1设定在方式3，计250us，由于定时中断过于频繁，使CPU负载过大，导致音乐不能正常播放，时间不能正常显示。解决办法：将定时器1设定在工作方式1，16位计数，计50ms,效果有很大改观。但还有问题。b.当音乐为全4拍起始时，此时音乐节奏与定时器T1中断频率错开，LCD显示和音乐播放都会好一些。c.另外，在歌曲中，当遇到一个音符发音为4拍，在编曲中为*CH，因时间较长，当定时器T1此时来中断时，就会对歌曲播放产生影响，若改为发音一拍，中断对歌曲播放影响减弱，但音乐效果变差。改进方案：若采用可以定时时间更长的单片机，可以避免所有问题。第9页收获与体会(1)上学期学习单片机的课时不多，对单片机的硬件设计，软件设计掌握的深度不够，但通过此次课程设计，明显的改善了，首先对于硬件电路的工作原理有了进一步的学习，同时有了一个提升；软件方面，在程序的设计，程序的调试方面都有了很大的进步。(2)在一个好的氛围里才能踏下心来做东西，在这一段时间里，寝室成员都认真对待这次课程设计，除了自己做好自己的课题外，在遇到不懂的地方互相讨论，查阅资料，互助