基于单片机的自动音乐播放器的方案设计书17107.docx
《基于单片机的自动音乐播放器的方案设计书17107.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的自动音乐播放器的方案设计书17107.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于单片机的自动音乐播放器的方案设计书17107
摘要
为方便人们的日常生活，优化学校、机关等单位的计时系统，采用以单片机为基础设计了一种的自动音乐播放器。
本设计利用单片机89C58RD+的定时和计数功能，来完成时间的显示和定时功能。
并且，通过对定时器初值的设定来产生不同频率的声音，利用定时器中断来完成对音乐节拍长度的控制。
通过LM386N1音频功率放大器，将单片机输出的信号放大，再通过喇叭播放乐曲。
通过MAX232型芯片，可以转换PC机上的电压和单片机的电源电压，再通过串口接入PC机，这样就能从PC机上将用C语言编写的程序下载到单片机上。
最后可在数码管上显示时间，当定时时间到后，喇叭自动播放一段连续的音乐。
此设计摆脱了传统闹钟的刺耳声音，取而代之的是美妙的音乐，能为人们的日常生活提供准确的计时，且成本低廉，值得推广。
关键词:
单片机；自动音乐播放；音频转换；时间显示；LM386N1音频功率放大器
2．1音乐编程原理及其流程图
2.1.1声音的产生
声音是音频振动的结果，振动的频率高则为高音，频率低则为低音。
音频范围为20HZ-200KHZ之间，而人类耳朵比较容易辨识的声音大概是200HZ-20KHZ。
一般音响电路是以正弦波信号驱动喇叭，产生悦耳的音乐的；在数字电路里，则是以脉冲信号驱动喇叭以产生声音。
同样的频率，脉冲信号或正弦信号产生的音效，对于人类的耳朵来说很难有所区别。
若用单片机产生声音，可利用程序产生频率，送到输入/输出端口，例如P1.0，再从该点连接到喇叭的驱动电路，即可驱动喇叭。
2.1.2音频转换原理
若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期，再将此周期除以2，即为半周期的时间。
利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将P1.0反相，然后重复计时再反相。
就可在P1.0引脚上得到此频率的脉冲。
利用单片机的内部定时器使其工作计数器模式（MODEL1）下，改变其计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶。
例如，频率为523HZ，其周期T=1/523=1912us，因此只要令计时器计时956us/1us=956，每计数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式是：
N=F1/2/F2（式3-2-1）
式3-2-1中，N是计数值；F1是机器频率（晶体振荡器为12MHZ时，其频率为1MHZ）；F2为想要产生的声音频率。
其计数初值T的求法如下：
T=65536–N=65536-F1/2/F2（式3-2-2）
本次设计采用16位定时方式，晶体振荡器频率为6MHZ，根据式3-2-1和式3-2-2可以计算出各音乐频率的计数器初值，再将十进制的计数器初值转换为四位16进制，将其制表写入程序中，通过查表装入要求的初值即可。
音阶与频率的对应关系如表3-1所示。
表2-1
音符
DO
RE
ME
FA
SO
LA
SI
低音简谱码
1
2
3
4
5
6
7
频率/Hz
523
587
659
698
784
880
987
高音简谱码
1
2
3
4
5
6
7
频率/Hz
1046
1174
1318
1396
1567
1760
1975
2.1.3节拍的产生
音阶的频率是固定的，而节拍有快有慢，拍子越短节奏越快，拍子越长节奏越慢。
控制发音的时间有两种方法：
调用延时子程序或采用定时器中断。
本次设计采用的是定时器终端方式。
首先在整首乐曲中找出最短的拍子，一般为1/4拍，拍子的时间约为0.125s。
然后以1/4拍为基准，然后设定每0.125s产生一次中断，其定时器值为125000，定时常数为08F3H。
若采用模式2，定时器值太小，不是很好用。
所以采用模式1，将定时器值设为62500，即0CDCH，则只需要执行2次定时器中断就可以产生1/4拍的时间长度。
同样，若要产生其它的拍子（如1/2拍，3/4拍……）,只需要定时器中断N次，产生N*0.125s定时，使其满足各个节拍的时间长度即可。
设计的程序按如下方法编写：
（1）将音符代码装入8位字节高4位，节拍代码装入低4位，组成一个字节，以此类推。
将整段乐曲转换成一定长度的编码表。
具体编程方法如下：
1.首先，定义toneh[]和tonel[]两个数组，将各个音乐频率的定时器初值的16进制数的高8位装入toneh[]，低8位装入tonel[]。
2.利用单片机的定时器中断，将toneh[]和tonel[]的数据分别装入TH0和TL0，并且，收到信号P1.0就反相。
voidtimer0（void）interrupt1using1
{
P1_0=!
P1_0。
TH0=toneh[rti]。
TL0=tonel[rti]。
}
3.利用定时器1控制音乐节拍的时间长度，将上文所述的定时器初值装入定时器1。
voidtimer1（void）interrupt3using2
{
TH1=0x0c。
TL1=0xdc。
m++。
}
（2）在程序执行时顺序查此表，取出音符代码，查频率表，置入T/C口，取出节拍代码，供定时器使用，启动后即可发出声音。
2.1.4音频转换流程图
设计的软件流程如图2-2所示。
程序开始运行时先对单片机进行初始化，其中包括定时器及其工作方式的选择、外部中断设定、定时器初值的设定。
利用单片机，通过软件的方式产生所需要的音乐频率，并将收到的信号与音频编码表进行对比。
若信号在编码表中，则将该频率的定时器初值写入定时器中，并读取频率的音阶，再从单片机的P1.0口输出，经过音频放大器驱动喇叭发出声音，利用驱动喇叭演示程序即可控制音乐的节拍。
若信号不在编码表中，则返到初始化。
2.2时间显示程序设计
2.2.1设计思路
对于时间程序的设计，主要依靠单片机内部定时器的计数功能实现。
时钟由秒针、分针和时针组成，在程序中分别由sdata，mdata，hdata表示各单位的数据。
首先对sdata，mdata，hdata分别设定一个初值，其中sdata设为0，表示秒针初始为0。
然后利用定时器对秒针计数，当计数值达到1秒的时间后产生定时器中断，sdata的数据就加1。
由于本次设计采用的晶振频率为6MHz，所以定时器取值为2500。
将hdata的数据装入第一和第二个数码管，将mdata的数据装入第三和第四个数码管。
当sdata的数据为59时，若此时再来一个定时器中断，则秒针重新归零，而分针就加1。
同样，分针和时针的进位也是同一道理。
当设定的闹钟时间一到，程序即转入音频程序，驱动喇叭放出音乐。
2.2.2时钟程序流程图
时钟程序流程图如图2-3所示。
（应有简单的文字叙述或解释）
3硬件电路的设计
3.1硬件流程模块
设计的硬件流程模块如图3-1所示。
首先，PC机通过串口及MAX232芯片将程序下载到单片机中，其中包括把一个个的单音写入单片机的ROM存储器中，程序运行时再将音乐数据按顺序读出，利用单片机的定时器中断控制音乐节拍的长度，这样就能形成一段乐曲。
在单片机P1.0口接入音频放大电路，将单片机输出的信号放大，再通过喇叭播放音乐。
单片机P2口接4位共阴LED数码管，并外接1K欧的排阻，利用单片机内部的定
时器中断控制时间程序，然后在数码管上显示出时间。
3.2模块电路的设计
3.2.189C58RD+型单片机介绍
89C58RD+是一种带32KB闪烁可编程/可擦除制度存储器（EPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS的8位微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51的指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，因而ATMEL的89C58RD+是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
并且，比起跟它同种类型的89C51，它具有更大的Flash存储器，可下载很大容量的程序代码，因此功能更加强大，应用范围更广泛。
89C58RD+有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，9个中断源，内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,可编程UART串行通信口，SPI串行口，89C58RD+可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
89C58RD+有PDIP、TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同应用系统的需求。
89C58RD+管脚如图3-2所示,其中
（1）时钟引脚
XTAL1：
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发声器的输入端。
XTAL2：
接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部，它是构成内部振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。
注意：
如果采用片内的振荡电路，要在单片机的引脚XTAL1和XTAL2之间连接一个石英晶体或陶瓷谐振器，并接两个电容到地。
（2）控制线或其他电源的复位引脚
RST：
复位输入端。
ALE/
：
当访问外部寄存器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在Flash编程期间，此管脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE以不变的频率周期输出正脉冲信号，次频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如果禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行外部执行状态ALE禁止，置位无效。
：
外部程序存储器的选通信号。
在有外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次
有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的
信号将不出现。
/Vpp：
当
保持低电平时，则在此期间访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意要加密方式1时，
将内部锁定为RESET；当
断保持高电平时，此间访问内部程序存储器。
在Flash编程期间，此管脚也用于施加12V编程电源（Vpp）。
（3）输入/输出引脚
P0口：
P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。
P0口能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在Flash编程时，P0口作为原码输入口，当Flash进行校验时，P0口输出原码，此时，P0口外部必须被拉高。
P1口：
P1口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在Flash编程和校验时，P1口为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高。
且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉底，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部8位地址数据校验时，P2口输出其特殊功能起存器的内容。
P2口在Flash编程和校验时，接收高8位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为一些特殊功能口，如表2-1所示。
表2-1
口
管脚
备选功能
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
外部中断0
P3.3
外部中断1
P3.4
T0
计时器0外部输入
P3.5
T1
计数器1外部输入
P3.6
外部数据存储器写选通
P3.7
外部数据存储器读选通
3.2.2LM386N1及外围电路的设计
LM386N1乃音频功率放大器，主要应用于低压消费类产品。
为使外围元件最少，电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。
输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,加之封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式，使LM386N1具有静态功耗低（约为4mA），可用电池供电；工作电压范围宽（4-12Vor5-18V）；外围元件少等特点。
LM386N1管脚示意图如图3-3。
LM386N外围电路如图3-4所示意。
其中R3为正相输入电阻，取值为10K；R4、R5是分压电阻，取值分别为0.5K和0.01K；C9、C10是旁路电容，取值分别为0.1uf、10uf；C11是一个耦合电容，取值为47uf；C12是旁路电容，取值为0.047uf。
3.2.3串行通信和MAX232芯片
在单片机和PC机之间，要通过MAX232芯片进行电平转换，MAX232芯片主要是完成TTL←→EIA双向电平转换。
EIA-RS-232C与TTL转换：
EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。
目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。
MAX232芯片可完成TTL←→EIA双向电平转换。
MAX232电路具有的特点是：
单5V电源工作；两个驱动器及两个接收器；±30V输入电平；低电源电流（典型值是8mA）；符合甚至优于ANSII标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28。
MAX232的外围电路如图2-4所示。
MAX232的13、14脚（Rli、Tlo）分别接串口的数据发送端、数据输出端，11、12脚（Rlo、Tli）分别接单片机的11、10脚（TXD、RXD）。
在1脚和3脚、4脚和6脚、2和16脚、6和15脚以及15和16脚之间分别接1个1uf的电容，即可使芯片正常工作，完成电平转换功能。
3.2.4AT89C52的定时/计数器概述
AT89C52单片机有3个独立的16位定时/计数器，即定时/计数器0（T0），定时/计数器1（T1）和定时/计数器2（T2）。
它们都有定时或事件计数功能，可用于定时控制、延时、对外事件计数和检测等场合。
3个16位定时/计数器，其中T0，T1可作16位加1计数器，T2既可作16位加1计数器，也可作减1计数器，每个定时/计数器都可由软件设置为定时工作方式或计数工作方式。
当设置为计数工作方式时，通过引脚T0（P3.4）,T1（P3.5）,T2（P1.0）对外部脉冲信号计数，当输入脉冲信号从1到0负跳变时，计数器就自动就1。
为了确保某个电平在变化之前至少被采样一次，要求电平保持时间至少是一个完整的机器周期。
当设置为定时方式时，AT89C52片内振荡器输出的时钟经12分频或6分频后，作为定时器的计数脉冲。
每当来一个时钟下降沿时，定时器T0，T1或T2的数值加1，直至计满溢出为止。
3.2.5LED显示
LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外,编程方法也是不同的。
共阴和共阳极数码管的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。
将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳极连在一起即为共阳式。
以共阴式为例，如把阴极接地，在相应段的阳极接上正电源，该段即会发光。
当然，LED的电流通常较小，一般均需在回路中接上限流电阻。
假如我们将"b"和"c"段接上正电源，其它端接地或悬空，那么"b"和"c"段发光，此时，数码管显示将显示数字“1”。
而将"a"、"b"、"d"、"e"和"g"段都接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管将显示“2”。
四位共阳数码管管脚图如图3-6。
4KEIL仿真软件及Protel99SE的应用
4.1KEIL51的应用
硬件与软件的设计一般都要分别借助一些软件，如我们通常用作电路设计与制版的Protel，MCS-51程序开发工具KEIL等。
KeilC51uVision2集成开发环境是基于80C51内核的软件开发平台，支持工程建立、程序的编译与链接、软件仿真、硬件仿真、目标代码的生成等功能。
KeilC51编译器在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平。
与大多数集成开发环境类似，KeilC51集成开发环境也是用工程的方法来管理文件，在一个工程文件中源程序（C51程序、汇编程序）、头文件等都可以进行统一管理。
安装运行KEIL51，使用KEIL的开发工具进行工程开发过程，与其他软件开发工程的过程基本上相同：
1）创建C语言或汇编语言的源程序。
2）编译或汇编源文件。
3）纠正源文件中的错误。
4）从编译器和汇编器连接目标文件。
5）测试连接的应用程序。
4.2Protel99SE的应用
Protel软件是由澳大利亚的ProtelTechnolgy公司推出的，一直是从事印刷电路板设计的首选软件。
在1990年，Protel软件由DOS平台发展到Windos平台，是世界上第一家运行在Windos平台的EDA（电子设计自动化）软件。
Protel99SE是由Protel99版本发展而来的，是基于Windos环境下的EDA软件。
Protel99SE主要的功能模块
1）电路原理图（Schematic）设计模块。
该模块主要包括设计原理图的原理图编辑器，用于修改、生成原件符号的元件库编辑器以及各种报表的生成器。
2）印刷电路板（PCB）设计模块。
该模块主要包括用于设计电路板的PCB编辑器，用于PCB自动布线的Route模块。
用于修改、生成元件封装的元件封装库编辑器以及各种报表的生成器。
3）可编程逻辑器件（PLD）设计模块。
该模块主要包括具有语法意识的文本编辑器、用于编译和仿真设计结果的PLD模块。
4）电路仿真（Simulate）模块。
该模块主要包括一个功能强大的数/模混合信号电路仿真器，能提供连续的模拟信号和离散的数字信号仿真。
4.3PCB板的设计制作
印制电路板（PCB）是电子产品中电路元件和器件的支撑件．它提供电路元件和器件之间的电气连接，是从原理图到实际产品必经的一道设计工序。
PCB设计的好坏对抗干扰能力影响很大。
要使电子电路获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。
为了设计质量好、造价低的PCB．应遵循以下一般原则：
1）布局
（1）首先，要考虑PCB尺寸大小。
PCB尺寸过大时，印制线条长，成本也增加；过小，元器件排列太密集，则会增加布线难度，还会引起相邻线的干扰。
在确定PCB尺寸后，再确定特殊元件的位置。
最后，根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局。
（2）某些元器件或导线之间可能有较高的电位差，应加大它们之间的距离，以免放电引出意外短路。
带高电压的元器件应尽量布置在调试时手不易触及的地方。
（3）重量超过15g的元器件、应当用支架加以固定，然后焊接。
（4）以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。
元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在PCB上．尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。
（5）应留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。
2）布线
（1）输入输出端用的导线应尽量避免相邻平行。
最好加线间地线，以免发生反馈藕合。
（2）电源线和地线的宽度应尽量的大，一般在2-3mm以上。
（3）PCB布线不可以走成直角，以免产生阻抗突变。
（4）尽量避免使用大面积铜箔，否则，长时间受热时，易发生铜箔膨胀和脱落现象。
3）焊盘
焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。
焊盘太大易形成虚焊。
焊盘外径D一般不小于（d+1.2）mm，其中d为引线孔径。
对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取（d+1.0）mm。
5仿真及调试过程
5.1硬件调试过程
本次设计的硬件电路主要由单片机89C58RD+、MAX232和LM386N1的外围电路组成，在调试电路的过程中也碰到了一些问题。
问题一：
单片机无法正常下载程序。
调试步骤：
（1）检查单片机和串口电路是否连接错。
发现单片机的18、19脚的印制线接在了17、18脚上，导致晶振无法正常工作。
出现错误原因则是制作PCB板时，制作板子的人将印制线连错。
解决方法：
把17脚的印制线用小刀切断，再将19脚与晶振用导线连接起来。
（2）检查串口的接口是否连接正确。
发现串口连接线的数据接收和发送两端接反了，导致单片机无法接受到数据。
解决方法：
将串口DB9端拆开，把连接2和3脚的数据线交换。
（3）检查焊接电路是否有虚焊和漏焊。
（4）检查串口助手的芯片选择是否正确。
MAX232工作电压如表6-1所示。
表6-1
管脚
电压值（V）
管脚
电压值（V）
1
6.67
9
4.70
2
8.78
10
0
3
2.52
11
4.77
4
4.13
12
0.44
5
-4.25
13
-9.85
6
-8.16
14
-7.60
7
8.26
15
0
8
0
16
4.79
问题二：
下载音频程序后无法播放音乐。
调试步骤：
1.检查电源是否正常接入电路中。
2.利用示波器测试单片机输出端是否有信号输出，发现信号输出正常，说明单片机正常工作。
3.利用示波器测试音频放大电路输出端是否有信号输出，发现信号输出正常，说明音频放大电路工作正常，同时说明是喇叭部分出现了问题。
4.故障原因：
焊接时将发声器件烧坏了，导致发不出声音。
解决方案：
重新换一个8欧姆喇叭，即可正常播放音乐。
5.2软件仿真及调试过程
本次设计的软件部分由时间显示程序和音乐播放程序组成。
1.时间显示程序仿真
对于时间显示程序，我采用了Preteus软件来仿真。
首先进入Preteu界面，设计一个简单的仿真电路，及一个单片机的基本外围电路，在P0.0-P0.7接一个4位共阴数码管和排阻，如图6-1。
最后，把程序调入单片机中，开始运行。
1）调试过程中所遇到的问题：
运行程序时LED4位共阴数码管显示程乱码。
原因分析：
数码管初始设置有错。
解决方案：
重新设置数码管显示参数，正确的设置为{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}。
2）数码管显示的时间与真正的时间进度不一致。
原因分析：
定时器初值设置有误。
本次设计的晶振为6MHZ，而程序中的初值却设置成了12MHZ晶振所采用的值5000，导致显示的时间比真正的时间要慢。
解决方案：
将定时器初值改为12MHZ晶振初值的一半，及2500即可。
2、音乐播放程序调试过程
关于音乐播放程序的调试，我首先采用Preteus软件来仿真，但是该仿真软件中没有喇叭或蜂鸣器等声音播放工具。
于
升级会员 