基于单片机的音乐播放器.docx
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基于单片机的音乐播放器
目录
第1章绪论1
1.1电子音乐概述1
1.2国内外电子音乐的发展1
1.3音乐发生器的扩展2
第2章设计方案3
2.1设计方案论证3
2.1.1方案一3
2.1.2方案二4
2.1.2方案三5
2.1.3方案比较6
第3章硬件设计7
3.1电路组成及工作原理7
3.1.1电路组成7
3.1.2电路工作原理7
3.2AT89C51的简介8
3.2.1AT89C51功能概述8
3.2.2AT89C51的管脚图8
3.2.3AT89C51单片机的引脚介绍9
3.3晶振电路9
3.4扬声器电路10
3.5显示电路10
3.6更换歌曲电路11
3.7复位电路12
3.8程序存储器外部扩展电路13
第4章液晶显示原理及LM016L简介14
4.1液晶显示原理及分类14
4.1.1液晶显示原理14
4.1.2液晶显示器的分类14
4.1.3液晶显示器各种图形的显示原理:
14
4.2LCD1602简介15
第5章稳压电源17
5.1稳压电源的功能17
5.2直流稳压电源17
5.3２２０v交流电转５v直流电的电源设计18
5.3.1电路工作原理18
5.3.2电路原理图19
第6章软件系统设计20
6.1软件流程设计20
6.2性能分析22
结论23
致谢24
参考文献25
附录25
基于单片机的音乐播放器
第1章绪论
1.1电子音乐概述
电子音乐是现代音乐的一种形式，是一种与古典截然不同的音乐形式。
而今，越来越多钟情于电子音乐的音乐家们相信，通过电流产生的声音打破音乐的结构及人们习惯的听觉经验，人与人之间的情感是可以沟通的。
电子音乐是一种科技的见证。
也就是说，借助电子音乐，技术可以见证音乐，音乐可以见证技术。
电子音乐是对传统音乐的延承和背叛，它紧密地依偎着这个“科技与信息”的时代。
音乐电声的一个重要内容就是电子音乐。
电子琴的出现，开辟了音乐的一个新天地。
但是自从电子合成器问世以来，电子音乐就又进入了一个更高的阶段。
目前，由于电子音乐的普及，电子合成器（合成器实际上是一台声音的频率合成仪，可以制作各种声音，改变各种音色）可以解决相当一部分的歌唱及舞厅的伴奏问题。
可以事先制作伴奏音乐或背景音乐，而不需要乐队，或者部分代替乐队。
由于音乐合成器制作和修改方便，成本低，音乐丰满，所以市场需求量很大，因此，世界许多国家的厂商都不断地在发展并推出新的型号，每年都要更新换代。
当前的发展趋势是不断的采用先进技术，例如有的合成器有“跟随”功能，即经预置，每一个音后可以跟随一个二度或三度音，“重叠”功能，轻奏或重奏时可以发不同音调或音色；另外，合成器还向轻便、使用操作方便等方向发展。
1.2国内外电子音乐的发展
早期“电子音乐”靠模拟电路产生声音的，它的主要功能是产生电子音频和对人耳所能听到的所有泛音列进行编辑。
“电子音乐”向人们展现出了混合新音色、非常规音色制作方式的优势，大大提高了制作和创作音乐的效率，带动了新的音乐风格的发展。
60多年来，“电子音乐”主要经历了从“录音机音乐”到“合成器音乐”再到“电脑音乐”这三个阶段的演变。
电子乐器的发展在“电子音乐”的诞生后，使人们充分认识到了“电子乐器”运用到“电子音乐”中的可行性。
这必将为“电子音乐”渲染上一片神话色彩，映照着人类生生不息的智慧。
没有这个发展就不可能有当代电脑音乐的出现。
电子音乐在我国的发展
“电子音乐”最初是70年代末到80年代初的“改革开放”以来，西方现代音乐思潮与实践在中国的传播。
90年代以来，“电子音乐”创作与教育已经开始逐步广泛开展。
1993年，中央音乐学院作曲家张小夫教授创建了中国现代电子音乐中心，有力的推动了中国电子音乐的发展。
并于此开始开设关于此项技术一些相关领域的研究生、本科生。
以MIDI为代表的音乐数码技术从20世纪80年代中期开始逐步进入我国的音乐生活，并以惊人的速度从多方面影响着专业音乐。
尤其是作曲与作曲技术理论专业的思想观念、表现手法与工作程序，社会生产和消费也因此引发了急切的用人需求。
现在随着计算机的兼容性越来越好，多媒体计算机进入千家万户，计算机进行综合音乐制作能力更强，音乐作品可以把它储存成一定的格式，通过软盘或网络进行传播，听众直接在计算机上听音乐。
它容声音、图形、文字于一体，极富有刺激性，比现场演出还精彩，更明白。
除了网络中的应接不暇的应用，技术也逐步普及到了大众手机铃音领域。
可以自行剪切编辑、录制喜欢的音乐或声音作为个性手机铃音。
综合上述，从“电子音乐”的过去、现在、未来发展的进程中可以看出，它给音乐制作能普及至社会个人便携操作的影响，是不可磨灭的功绩。
它的统治地位趋势已成不可逆转的状态。
电子音乐已经深入地影响到了现代人的音乐审美观念,并有继续发展的强烈趋势。
在这个趋势中，电脑音乐也许不会成为今后音乐的主流，但它在整个人类音乐史上的地位已经不容置疑地确立了，相信它会越来越深入地浸透到音乐创作和欣赏的领域中，并且将在一定程度上影响人们对音乐的理解和诠释。
用单片机制作的音乐发生器也会越来越多，这将必然成为一种趋势。
1.3音乐发生器的扩展
熟练的运用89C51单片机定时器产生固定频率的方波信号，推动喇叭发出旋律，按下单键可以演奏预先设置的歌曲旋律，最重要的是自己还可以通过程序设计输入自己喜欢的歌曲来演奏中，本设计采用简易音阶编码直觉式输入法方便设计音乐旋律，可以扩充其功能如下：
（1）可以显示歌曲的名称
（2）可以设置睡眠关机时间
（3）可以设置歌曲的播放模式，单曲循环还是顺序播放
（4）可以存储多首歌曲
第2章设计方案
2.1设计方案论证
2.1.1方案一
利用AT89C51、74LS373锁存器和27512外部扩展组成的音乐播放器
（1）硬件设计
电路以AT89C51为主控制器，74LS373和27512进行外部程序存储器的扩展，播放/暂停键为播放/暂停歌曲，下一曲键和上一曲键分别为调整歌曲的下一曲和上一曲选择键的按钮。
晶振采用12MHz，音乐信号由P3．0口输出，经喇叭发声而播放歌曲如图2-1所示框架图。
图2-1方案一框架图
（2）软件设计
程序中根据音选取的是C调三个8度内的音符，共24个音阶。
每个音符对应频率由定时器T0产生。
为了程序调用方便，每个音符都对应一个编码，占用一个字节。
在程序中以查表的方式加载计数初值。
当值为00H时表示空拍，与节拍码配合完成节拍发音。
节拍码也占一个字节，每个音符的时间长度等于基本时间乘以节拍码的值，由定时器产生。
当节拍码值为01H时，表示当前乐曲结束，为00H时，表示全部乐曲结束。
为了编码简单，一般节拍码高半字节表示整拍，低半字节表示分数，只要基本延时设定恰当即可并且在按开始按钮后，可以播放歌曲。
在播放程序中设置三个变量，分别用于用于存放时、分、秒，每次定时中断发生时，对基准时间计数，当达到一秒时，把秒加一，达到一分时，将分加一……同时调用数码管显示子程序，将时分秒分别拆分为个位、十位进行显示。
利用外部中断1、2实现上一曲、下一曲以及暂停功能，设置一个计数变量，检测到上一曲或下一曲按下时，分别对计数变量加一或减一，检测到暂停被按下时，等待按键再一次按下后，继续播放，方案中歌曲的循环模式为列表循环
2.1.2方案二
（1）硬件设计
电路以AT89C51为主控制器，74LS373和27512进行外部程序存储器的扩展，采用利用4X4组成的16个按钮矩阵键盘来实现对播放的控制，其中包括下一曲、上一曲、暂停按钮（分别为C、D、E键），当按下1~A其中的一个时，跳到相应的曲谱进行演奏，显示电路采用六个共阴极数码管进行显示，晶振采用12MHz，音乐信号由P3．0口输出，经喇叭发声而播放歌曲，如图2-2所示。
图2-2方案二框架图
（2）软件设计
程序中音选取的是C调三个8度内的音符，共24个音阶。
每个音符对应频率由定时器T0产生。
为了程序调用方便，演奏时时每个音符都对应一个编码，占用一个字节。
在程序中以查表的方式加载计数初值,为了编码简单，一般节拍高半字节表示整拍，低半字节表示分数，只要基本延时设定恰当即可，为了及时响应键盘操作，程序的编写以键盘扫描为主线编写（即主程序循环扫描按键，在按键模块中调用其他功能模块）,按键每按下一次，按键扫描模块计算出键值，并储存键值，根据键值跳转至响应的标号执行程序，播放相应的歌曲，歌曲循环模式为单曲循环，其他功能的实现与方案一类同
2.1.2方案三
（1）硬件设计
电路以AT89C51为主控制器，采用利用4X4组成的16个按钮矩阵键盘来上实现对播放的控制，其中C、D、E分别为功能键上一曲、下一曲以及暂停。
F键为开机画面显示，1~A号按键中每按一个键，跳到相应的曲谱进行演奏，显示电路采用液晶显示器LM016L进行显示，晶振采用12MHz，音乐信号由P3．0口输出，经喇叭发声而播放歌曲，如图2-3所示。
（2）软件设计
程序中音选取的是C调一个8度内的音符，共7个音阶。
根据十二平均律，（即将八度定义为1200音分，其中全因音符占200音分，半音占100音分，共十二个半音）每个音符对应频率由定时器T0产生。
为了程序调用方便，将十二个半音的定时器初值放于表中，演奏时无需计算定时器初值，在程序中以查表的方式加载计数初值,每个音符都对应一个编码，占用一个字节。
由于人耳的分辨力有限，为了编程简单，曲谱中的节拍码用延时来代替，每个音符发音30MS。
由于采用的是矩阵式键盘，为了及时响应按键，程序的编写以键盘扫描为主线编写（即主程序循环扫描按键，在按键模块中调用其他功能模块）。
按键每按下一次，按键扫描模块计算出键值，并储存键值，跳转至响应的标号执行程序，并调用液晶显示子程序，将键值在液晶显示器制定位置显示，如果检测到F键被按下，调用液晶显示模块，显英文字符欢迎，以及作者信息，本程序中，由于音符的长度是固定的30MS，T1用于更新剩余时间。
剩余时间的显示同上。
2.1.3方案比较
从以上三种方案，方案一采用的是独立式按键，按键太少，不能实现歌曲的快速选择，几乎没有拓展功能的可能，而方案二虽然采用的是矩阵式键盘，无论从扩展功能上将还是快速选择都优于方案一，但数码管显示不稳定，编程以及困难，占用CPU时序太多，方案三显然不存在方案一、方案二的缺点，使用了液晶显示屏，编程简单，显示稳定，占用CPU时序少，并且可以实现许多方案一、方案二无法实现的功能，无论是矩阵式键盘，还是液晶显示器，都有许多可扩展的功能，并且在播放音乐时简单实用，在使用上及其功能的实现上都优于前两种方案。
更重要的是液晶显示器是当今电子设计的主流，通过这次设计，我能够学习到许多东西。
通过方案对比，最终选择方案三，音乐发生器电路原理图见附录所示。
第3章硬件设计
3.1电路组成及工作原理
3.1.1电路组成
音乐发生器的电路设计方框图如上图方案三所示，电路原理图见附录1所示，主要由单片机控制系统、行列式键盘、液晶显示屏、内存外部扩充电路、复位电路等组成。
单片机AT89C51是本系统的核心，它主要负责控制各个部分协调工作。
在其外围接上：
复位电路、数码管、按钮及扬声器。
元件为：
晶振X1、电容、电阻、扬声器、4*4行列式键盘、74LS373锁存器、27512外部程序存储器扩展、LM016L液晶显示屏。
硬件电路中用P1.0~P1.7控制按键，其中P1.0~P1.3扫描行，P1.4~P1.7扫描列，用，P2.0~P2.2作为LCD的RS,R/W,E的控制信号。
用P0.0~P0.7作为LCD的D0~D7的控制信号。
用P3.7口控制蜂鸣器，电路为12MHZ晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为30pf。
将P0口作为74LS373锁存器的输入以及27C512的数据输入口，锁存器输出至27C512的低八位地址口，将P2口作为27C512高八位地址口，27C512的控制信号OE/VPP接至单片机的PSEN，实现片外ROM的读写控制。
3.1.2电路工作原理
本音乐发生器是用单片机来设计制作完成，其功能的实现主要通过软件编程来完成，AT89C51单片机片内带有4KB和外部程序存储器扩展的256K的内存，并且允许在系统内改写或用编程器编程。
该音乐发生器的效率较高，其误差主要由晶振自身的误差所造成。
存储歌曲是采用的外部扩展，4*4行列式键盘来实现的，按键将单片机I/0口的电平拉低，单片机检测到I/O口电平为0时，判断并存储键值。
并自动跳转至相应曲号的标号处执行代码。
显示采用的是液晶显示屏LM016L，显示稳定清晰，并且能显示多个信息，当片内4K的程序存储器存满后，自动跳转到片外256K程序存储器继续存储
3.2AT89C51的简介
3.2.1AT89C51功能概述
自从1971年微型计算机问世以来，随着大规模集成电路技术的进一步发展，导致微型计算机正向两个主要方向发展：
一是高速度、高性能、大容量的高档微型机及其系列化向大、中型计算机的挑战；另一个是稳定可靠、小而廉、能适应各种控制领域需要的单片机。
MCS—51系列是Intel公司在1980年推出的高档8位单片机，具有性能价格比高、品种多、兼容性强、开发用的仿真机较完善等优点，所以在国际上和国内的占有率相当高。
它拥有8位微处理器和控制器，内含一个一位布尔运算处理器，可直接对数据的位进行操作和运算，特别适用于逻辑控制。
内部含有4KB的程序ROM并且在外部扩展了256K的存储空间，2个16位的计数/定时器。
本次采用的是AT89C51单片机，其电路如3-1所示，它的中断功能比较强，有5个中断源，即外部中断2个，定时器中断2个，串行中断1个，有2个中断优先级。
中断控制电路主要包括用于中断控制的四个寄存器：
定时器控制寄存器TCON，串行口控制寄存器SCON，中断允许控制寄存器IE，中断优先级控制寄存器IP等。
内部时钟振荡器，全双工方式的串行接口（UART），两极中断优先权的6个中断源/5个中断矢量的中断逻辑。
哈佛结构的存储器组织，支持高达64K为单周期指令，支持六种寻址方式。
最高时钟振荡频率可达12MHZ，大部分指令执行时间为1µs，乘、除指令为4µs。
3.2.2AT89C51的管脚图
MCS-51系列单片机采用40引脚双列直插式封装（DIP），其引脚排列和逻辑符号如图2-3所示，4个并行口共有32根引脚，可分别作地址线、数据线和I/O线；2根电源线；2根时钟振荡电路引脚和4根控制线。
3.2.3AT89C51单片机的引脚介绍
AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有许多引脚具有第二功能，各引脚功能说明如下：
（1）输入/输出口线
A．
口8位双向口线
B．
口8位双向口线
C．
口8位双向口线
D．
口8位双向口线
（2）ALE地址锁存控制信号
在系统扩展时，ALE用于控制把
口输出的底8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。
此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
（3）
外部程序存储器读选通信号
在读外部ROM时
有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。
（4）
访问程序存储器控制信号
当
信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当
信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
（5）RST复位信号
当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位操作。
（6）XTAL1和XTAL2外接晶体引线端
当使用芯片内部时钟时，这两个引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
（7）电源、地线GND
VCC、GND。
VCC一般接+5V电源，GND接地。
3.3晶振电路
MCS-51片内有一个高增益的反相放大器，其输入端为引脚XTAL1和输出端为引脚为XTAL2，用于外接石英晶体振荡器和微调电容，构成稳定的的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路，如图3-2所示。
电容C1和C2对频率有微调作用，电容一般取20pF左右。
晶体振荡频率范围是1．2MＨz～12MHz，一般情况下，选用振荡频率为12MHz的石英晶体。
振荡脉冲信号经过内部时钟发生器进
行二分频之后，才成为单片机的时钟信号。
图3-2晶振电路
3.4扬声器电路
本设计是采用蜂鸣器用来发出声音，由于在实际应用中，单片机输出的标准高电平为5伏，输出功率很有限，所以本设计中，理论联系实际，用一个PNP型三极管驱动蜂鸣器，由于三极管具有放大作用，在实际应用中，输出功率将会提高很多。
图3-3扬声器电路
3.5显示电路
图3-4显示电路
本设计显示是采用液晶显示器LM016L进行显示，LM016L的功能、显示原理以及使用方法将会在后文中介绍，P0口是一个地址/数据复用的双向I/O口，当使用P0口访问外部存储器和数据存储器时，P0口内部已有上拉电阻，当P0口作程序检验，输出指令字节时，必须外接上拉电阻。
LM016L的控制信号RS、RW、
E分别接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2。
本设计中主要用LM016L显示开机画面、
图3-4显示电路
作者信息、播放剩余时间、歌曲号/键号。
电路如图3-4所示。
3.6更换歌曲电路
采用4*4行列式键盘来实现选择歌曲播放，以及对歌曲号做基本的操作，即上一曲、下一曲以及暂停/播放。
在本设计中1-A号按键用于选择歌曲的曲号播放，C、D、E分别为下一曲、上一曲、播放/暂停按钮，此外F键用于开机画面显示，0号按键在本设计中未使用，留作扩展功能使用。
用P1.0~P1.7控制按键，其中P1.0~P1.3扫描行，P1.4~P1.7扫描列。
电路如图3-5所示。
图3-5选择及更换歌曲电路
3.7复位电路
AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。
复位引脚RST通过一个施密特触发器用来抑制噪声，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
本设计是采用上电自动复位，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，就可以实现自动上电复位。
时钟频率用12MHZ时C取20PF。
图3-6复位电路
3.8程序存储器外部扩展电路
本设计是采用了一个74LS373锁存器和一个27512程序存储器外部扩展组成，其主要的功能就是为了在外部扩展单片机内存，使它有足够的空间存放系统中的程序，而达到使它实现所要得到的功能和应用的领域，其图如图3-7所示
图3-7存储器扩展电路
第4章液晶显示原理及LM016L简介
4.1液晶显示原理及分类
4.1.1液晶显示原理
液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。
液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
4.1.2液晶显示器的分类
液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（SimpleMatrix）和主动矩阵驱动（ActiveMatrix）三种。
4.1.3液晶显示器各种图形的显示原理:
（1）线段的显示
点阵图形式液晶由M×N个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共16×8=128个点组成，屏上64×16个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。
例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H——00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，……（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。
这就是LCD显示的基本原理。
（2）字符的显示
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
（3）汉字的显示
汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5……右边为2、4、6……根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节……直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。
4.2LCD1602简介
LM016l与LCD1602原理是一样的，只不过PROTEUS中016没显示调
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×2个字符
芯片工作电压:
4.5—5.5V
工作电流:
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×4.35（W×H）mm
（1）引脚功能说明:
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表4-1所示:
表4-1：
引脚接口说明表
引脚名称omingcheng
符号
引脚说明
引脚名称
引脚说明
VSS
电源地
D2
D2
数据
VDD
电源正极
D3
D3
数据
VL
液晶显示偏压
D4
D4
数据
RS
RS
数据/命令选择
D5
D5
数据
R/W
读/写选择
D6
D6
数据
E
使能信号
D7
D7
数据
D0
D0
数据
LED+
BLA
背光源正极
D1
D1
数据
LED-
BLK
背光源负极
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
（2）1602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
（说明：
1为高电平、0为低电平）
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，
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