基于单片机实现的电子音乐和设计.doc
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1、基于单片机的电子音乐盒设计毕业论文【摘要】:单片机的易用性与多功能性使它广泛应用于各种微控制系统。本文介绍了一种基于单片机的电子音乐盒的设计,它是以STC89C52RC单片机为控制核心,辅以一些外围器件,采用汇编语言编写程序,实现音乐播放功能。并在音乐盒基础上利用单片机闲置P1口拓展了数码管显示功能。整个系统电路结构简单,可靠性能高,测试结果满足设计要求。本文着重介绍了该系统的设计原理,硬件设计方法与软件编程思路。关键字:单片机;音乐盒;数码管Abstract: SCM ease of use and versatility make it widely used in various mic
2、ro-control system. This paper describes a microcontroller-based electronic music box design, it is STC89C52RC microcontroller for the control of the core, supplemented by a number of peripheral devices, the use of assembly language programming, playback of music. And based on the use of the music bo
3、x chip idle port P1 expands digital display. The whole system simple circuit structure, high reliability, the test results meet the design requirements. This article highlights the system design principles, hardware design and software programming ideas.Keywords: single-chip digital music box目录绪论11
4、单片机介绍12 STC89C52RC单片机内部结构23 单片机音乐4第1章 设计要求及理论基础51.1 设计要求51.2 音乐知识51.3 单片机产生音频脉冲原理51.4 单片机实现音乐的节拍6第2章 硬件外围电路82.1 选择按键输入电路82.2 音频发生器8第3章 软件设计93.1 设计原理图93.2 各部分程序流程图103.3 所需要的软件123.3.1 PROTEUS软件简介123.3.2 KEIL简介133.4 相关程序代码13设计总结171 设计过程中遇到的问题及解决方法172 设计体会17参考文献18致谢1920绪论1 单片机介绍单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路
5、技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片机也被称为微控制器(Microcontroller Unit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器
6、,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。 早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位,并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百
7、倍。目前,高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价格跌落至1美元,最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。由于单片机具有控制功能强,体积小,成本低,功耗小等一系列的特点,使它在工业控制,智能仪器,节能技术改造,通信系统,信号处理及家用电器产品中都得到广泛的应用,随着数字技术的发展及单片机在电子系统中的广泛应用,在很大程度上改变了传统的设计方法。以往采用
8、模拟电路,数字电路实现的电路系统,大部分功能单元都可以通过对单片机硬件功能的扩展及专用程序的开发来实现系统提出的要求,这意味着许多电路设计问题将转化为程序设计问题。这种用模拟技术,数字技术的综合设计系统,用软件取代硬件实现和提供系统系能的新的设计思想体系,一般称之为微控制技术。在微控制系统的设计中,系统设计和软件设计起着关键性的作用。2 STC89C52RC单片机内部结构AT89C2051单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上,除模拟比较器外其内部结构与8051内部结构基本一致。如果按功能划分,它由如下功能部件组成,即微处理器、数据存储器、程序存储器、并
9、行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成,其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。其内部结构框图见图。1)微处理器该单片机中有一个8位的微处理器,与通用的微处理器基本相同,同样包括了运算器和控制器两大部分。2)数据存储器片内为128个字节,用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等,所以称为数据存储器。3)程序存储器片内只读存储器有64k字节。4)中断系统具有6个中断源,2级中断优先权。5)定时/计数器片内有2个16位的定时器/计数器, 具有
10、四种工作方式。6)串行口1个全双工的串行口,具有四种工作方式。可用来进行串行通讯,扩展并行I/O口,甚至与多个单片机相连构成多机系统,从而使单片机的功能更强且应用更广。7)P1口、P3口为2个并行8位I/O口,15根可编程I/O引线。8)特殊功能寄存器共有19个,用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器,是一个具有特殊功能的RAM区。由上可见,STC89C52RC 单片机的硬件结构具有功能部件种类全,功能强等特点。图STC89C52RC单片机内部结构框图3 单片机音乐电子音乐已广泛地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,制
11、作原理也各不相同。声音是通过振动产生的。单片机对某一I/O引脚以一定的频率循环置1和清0,这一引脚便产生一定频率的方波,该方波作用于蜂鸣器便产生一定频率的声音。若改变输出方波的频率,产生的声音也就改变了。通过控制输出方波的时间长短,声音的长短也就得到控制。因此,根据乐谱,单片机就可产生电子音乐。音乐中最关键的两个要素是音符和节拍。单片机控制的音乐发生器系统由硬件电路和软件两部分构成。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。软件编程时,可用51系列单片机的汇编语言或C51语言实现。同时
12、还可根据个人的习好通过软件改变节拍的延时时间。第1章 设计要求及理论基础1.1 设计要求 以单片机为控制核心设计的音乐盒 用数码管显示歌曲号 有两个独立按键来控制歌曲的开始/停止和播放下一首 内部存至少三首歌曲1.2 音乐知识音乐分为两个要素,音符和节拍。只要控制好他们就能让单片机发出美妙的声音。本文讲述的是以单片机中的计数器T0来控制输出频率,形成不同的音符。利用软件延时来控制节拍的。1.3 单片机产生音频脉冲原理音符频率例如:中音1(DO)的频率=523Hz,周期 T=1/f;定时/计数器0的定时时间为:T0=T/2 ;装入定时器0的计数初值THTL = 65536-956 = 64580
13、。将64580装入TH0、TL0寄存器中,启动T0工作后,每计数956次时将产生溢出中断,进入中断服务程序,每次对该引脚的输出值进行取反,就可得到中音DO(523Hz)的音符频率。通过上述方法依次求出音符C调低音高音的所有计数初值。例如:C调的低音DO的THTL=65536500000/262=63627,高音DO的THTL=65536500000/1047=65058。为了编程记谱方便,对它们进行简单的音符编码,如表所示。在编程中,歌曲的音符用音符编码记谱,然后根据音符编码查找对应的计数初值。音符编码记谱表符音调音C262294330350393441495D2943303713934414
14、95556E330371416441495556624F350393441467525589661G393441495525589661742A441495556589661742833B495556589661742833935每个音符都有不同各自的频率,根据他本身的频率就能算出他的周期,我们可以利用单片机中的计数器对他计时,每经过半个周期就将连接外部蜂鸣器的I/O口取反,从而产生一定频率的方波来驱动蜂鸣器产生不同的音调。经过计算产生各个音符所需计数器的初值为: 字符与计数值初值表音符THTL音符编码音符THTL音符编码642631765031A64402265087B64526365136
15、C164580465161D264668565200E364780665236F4648227不发音0564900866497091.4 单片机实现音乐的节拍音乐盒功能程序部分主要包括音乐盒功能主程序、音频节拍读取子程序、T0中断服务子程序、节拍延时子程序。在建立了音符编码和节拍编码后,编程时,每个音符占用一个字节,高4位是音符编码,低4位是节拍编码。根据上述原则建立乐谱编码表,以及按照音符顺序对应的THTL值表。例如:在生日快乐歌中,第一个音符“5”的音符编码为“8” ,对应的THTL值为64900,见表2-2。第一个音符“5”的节拍是2/4拍,节拍编码为“2”,见表2-3。则定义该音符编码
16、为“82H” 。为了听好两个同音符,在两者之间空1/4拍,即在55见加入“01H”编码。同理,整首歌的乐谱编码表舅可以得出。在程序运行过程中顺序取出乐谱编码,然后查表找到对应的THTL值。首先通过对TMOD控制字将定时器0初始化为工作方式1,通过控制字IE允许定时器0中断。接着等待选择按键的按下,经过按键去抖程序确认按下之后为按键次数赋初值0。之后到第一首歌曲的简谱码取简谱码。经过音频节拍读取子程序将节拍、音频分别读取后空音符则直接将定时器0暂停,非空音符则通过对音符表的查询提取T值后,经中断服务子程序发出音频,后都经音频节拍子程序完成一个音乐节拍的输出。之后将提取简谱码的指针加1,再次循环上
17、述步骤。歌曲节拍表生日快乐歌|5565|7|5565|祝 你生日快乐,祝 你生日快乐。|55|76 |5565|我 们高声歌唱,祝 你生日快乐。节拍的控制可以通过软件的延时来达到,通过延时以1/4拍为一个单位,需要几个就循环几次,下图是各个节拍所需要的时间。节拍时间表乐谱节拍1/4拍的延时时间/ms乐谱节拍1/8拍的延时时间/ms4/41254/4623/41873/4942/42502/4125第2章 硬件外围电路2.1 选择按键输入电路通过对P3.2脚按键次数进行计数,从而通过编程实现与按键次数相对应的歌曲播放。选择按键电路如图2-1所示,其中R选值1k。图2-1 选择按键电路2.2 音频
18、发生器音频发生器由单片机内部的定时/计数器0和P1.7引脚配合。定时/计数器0计时某一音符的半周期时长,计时结束P1.7口电平取反,这样形成该音符相应频率的方波信号。 图2-2 发音系统第3章 软件设计3.1 设计原理图图3-1 原理图3.2 各部分程序流程图主程序流程图显示子程序流程图播放子程序流程图播放子程序与中断0程序流程图3.3 所需要的软件Keil单片机编译软件,protuse 单片机仿真软件,protel99se 电子制图软件,STC_ISP_V483 STC专用下载器,FLOW4 画流程图软件等 3.3.1 PROTEUS软件简介Proteus软件是英国Labcenter ele
19、ctronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/1
20、6/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。 3.3.2 KEIL简介单片机开发中除必要的硬件外,同样离不开软件,我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法,一种是手工汇编,另一种是机器汇编,目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码,用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51,随着单片机开发技术的不断发展,从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发,单片机的开发软件也
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- 基于 单片机 实现 电子音乐 设计
