毕业设计单片机控制的音乐播放器1.docx
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毕业设计单片机控制的音乐播放器1
一、前言
二、设计课题及要求
三、控制任务及要求
四、单片机的硬件设计
五、单片机的软件设计及要求
六、软件流程图
七、程序设计
八、模拟调试的过程和出现的问题分析
九、调试程序所用的实验设备
十、毕业设计体会
十一、参考文献
前言
单片机自20世纪70年代问世以来，作为微型计算机的一个很重要的分支，应用非常广泛，已对人类社会产生了巨大的影响。
尤其是MCS-51系列的单片机，由于其具有集成度高、功能强、可靠性好、系统结构简单、价格低廉、易于扩展和使用等优点，在我国已得到广泛的应用并收到很好的成果。
虽然世界各大公司也有各种型号的高性能单片机问世，但MCS-51系列单片机仍然是我国在单片机应用领域的首选机型。
在这我以AT89C52单片机为基础设计音乐播放器。
一、设计课题及要求
本次设计的是单片机控制的音乐播放器，要使单片机播放出一首音乐。
二、控制任务及要求
在调控单片机时控制面板上的扩音器能放出音乐，能通过仿真软件实现程序的完整运行。
三、硬件设计
（1）、确定机型
可选用AT89C52单片机，晶振频率选择6HZ。
（2）、选择元器件
根据系统要求，应具有蜂鸣器及驱动电路构成单片机音乐演奏器，拟选用蜂鸣器、LCD、三极管、电阻若干、电容若干。
（3）、硬件原理
本系统通过AT89C52单片机的P1.1口控制几个9012PNP三极管、三极管、LCD、扩音器等控制电磁蜂鸣器的电源通断。
单片机控制的音乐播放器原理图：
四、软件设计及要求
（1）、声音三要素
由于人耳听觉系统非常复杂，迄今为止人类对它的生理结构和听觉特性还不能从生理解剖角度完全解释清楚。
所以，
对人耳听觉特性的研究目前仅限于在心理声学和语言声学。
人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声域。
在人耳的声域范围内，声音听觉心理的主观感受主要有响
度、音高、音色等特征和掩蔽效应、高频定位等特性。
其中响度、音高、音色可以在主观上用来描述具有振幅、频
率和相位三个物理量的任何复杂的声音，故又称为声音“三要素”；而在多种音源场合，人耳掩蔽效应等特性更重
要，它是心理声学的基础。
下面简单介绍一下以上问题。
（一）、声音三要素
1．响度
响度，又称声强或音量，它表示的是声音能量的强弱程度，主要取决于声波振幅的大小。
声音的响度一般用声压
（达因／平方厘米）或声强（瓦特／平方厘米）来计量，声压的单位为帕（Pa），它与基准声压比值的对数值称为声压级，
单位是分贝（dB）。
对于响度的心理感受，一般用单位宋（Sone）来度量，并定义lkHz、40dB的纯音的响度为1宋。
响
度的相对量称为响度级，它表示的是某响度与基准响度比值的对数值，单位为口方（phon），即当人耳感到某声音与
1kHz单一频率的纯音同样响时，该声音声压级的分贝数即为其响度级。
可见，无论在客观和主观上，这 两个单位
的概念是完全不同的，除1kHz纯音外，声压级的值一般不等于响度级的值，使用中要注意。
响度是听觉的基础。
正常人听觉的强度范围为0dB—140dB（也有人认为是-5dB—130dB）。
固然，超出人耳的可听频率范围（即频域）的声音，即使响度再大，人耳也听不出来（即响度为零）。
但在人耳的可听频域内，若声音弱到或强
到一定程度，人耳同样是听不到的。
当声音减弱到人耳刚刚可以听见时，此时的声音强度称为“听阈”。
一般以1kHz纯音为准进行测量，人耳刚能听到的声压为0dB（通常大于0．3dB即有感受）、声强为10-16W/cm2时的响度级定为0口方。
而当声音增强到使人耳感到疼痛时，这个阈值称为“痛阈”。
仍以1kHz纯音为准来进行测量，使人耳感到疼痛时的声压级约达到140dB左右。
实验表明，闻阈和痛阈是随声压、频率变化的。
闻阈和痛阈随频率变化的等响度曲线（弗莱彻—芒森曲线）之间的
区域就是人耳的听觉范围。
通常认为，对于1kHz纯音，0dB—20dB为宁静声，30dB--40dB为微弱声，50dB—70dB为
正常声，80dB—100dB为响音声，110dB—130dB为极响声。
而对于1kHz以外的可听声，在同一级等响度曲线上有无
数个等效的声压—频率值，例如，200Hz的30dB的声音和1kHz的10dB的声音在人耳听起来具有相同的响度，这就是所谓的“等响”。
小于0dB闻阈和大于140dB痛阈时为不可听声，即使是人耳最敏感频率范围的声音，人耳也觉察不
到。
人耳对不同频率的声音闻阈和痛阈不一样，灵敏度也不一样。
人耳的痛阈受频率的影响不大，而闻阈随频率变化相当剧烈。
人耳对3kHz—5kHz声音最敏感，幅度很小的声音信号都能被人耳听到，而在低频区（如小于800Hz）和高频区（如大于5kHz）人耳对声音的灵敏度要低得多。
响度级较小时，高、低频声音灵敏度降低较明显，而低频段比高频段灵敏度降低更加剧烈，一般应特别重视加强低频音量。
通常200Hz--3kHz语音声压级以60dB—70dB为宜，频率范围较宽的音乐声压以80dB—90dB最佳。
2．音高
音高也称音调，表示人耳对声音调子高低的主观感受。
客观上音高大小主要取决于声波基频的高低，频率高则音调高，反之则低，单位用赫兹（Hz）表示。
主观感觉的音高单位是“美”，通常定义响度为40方的1kHz纯音的音高为1000
美。
赫兹与“美”同样是表示音高的两个不同概念而又有联系的单位。
人耳对响度的感觉有一个从闻阈到痛阈的范围。
人耳对频率的感觉同样有一个从最低可听频率20Hz到最高可听频率别20kHz的范围。
响度的测量是以1kHz纯音为基准，同样，音高的测量是以40dB声强的纯音为基准。
实验证明，音高与
频率之间的变化并非线性关系，除了频率之外，音高还与声音的响度及波形有关。
音高的变化与两个频率相对变化的对数成正比。
不管原来频率多少，只要两个40dB的纯音频率都增加1个倍频程（即1倍），人耳感受到的音高变化则相同。
在音乐声学中，音高的连续变化称为滑音，1个倍频程相当于乐音提高了一个八度音阶。
根据人耳对音高的实际感受，人的语音频率范围可放宽到80Hz--12kHz，乐音较宽，效果音则更宽。
3．音色
音色又称音品，由声音波形的谐波频谱和包络决定。
声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音，各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。
单一频率的音称为纯音，具有谐波的音称为复音。
每个基音都有固有的频率和不同响度
的泛音，借此可以区别其它具有相同响度和音调的声音。
声音波形各次谐波的比例和随时间的衰减大小决定了各种声源的音色特征，其包络是每个周期波峰间的连线，包络的陡缓影响声音强度的瞬态特性。
声音的音色色彩纷呈，变化万千，
高保真（Hi—Fi）音响的目标就是要尽可能准确地传输、还原重建原始声场的一切特征，使人们其实地感受到诸如声源定位感、空间包围感、层次厚度感等各种临场听感的立体环绕声效果。
另外，表征声音的其它物理特性还有：
音值，又称音长，是由振动持续时间的长短决定的。
持续的时间长，音则长；反之则短。
从以上主观描述声音的三个主要特征看，人耳的听觉特性并非完全线性。
声音传到人的耳内经处理后，除了基音外，还会产生各种谐音及它们的和音和差音，并不是所有这些成分都能被感觉。
人耳对声音具有接收、选择、分析、判断响度、音高和音品的功能，例如，人耳对高频声音信号只能感受到对声音定位有决定性影响的时域波形的包络（特别是变化快的包络在内耳的延时），而感觉不出单个周期的波形和判断不出频率非常接近的高频信号的方向；以及对声音幅度分辨率低，对相位失真不敏感等。
这些涉及心理声学和生理声学方面的复杂问题。
（2）、人耳的掩蔽效应
一个较弱的声音（被掩蔽音）的听觉感受被另一个较强的声音（掩蔽音）影响的现象称为人耳的“掩蔽效应”。
被掩蔽音单独存在时的听阈分贝值，或者说在安静环境中能被人耳听到的纯音的最小值称为绝对闻阈。
实验表明，3kHz—5kHz绝对闻阈值最小，即人耳对它的微弱声音最敏感；而在低频和高频区绝对闻阈值要大得多。
在800Hz--1500Hz范围内闻阈随频率变化最不显著，即在这个范围内语言可储度最高。
在掩蔽情况下，提高被掩蔽弱音的强度，使人耳能够听见时的闻阈称为掩蔽闻阈（或称掩蔽门限），被掩蔽弱音必须提高的分贝值称为掩蔽量（或称阈移）。
1．掩蔽效应
已有实验表明，纯音对纯音、噪音对纯音的掩蔽效应结论如下：
A.纯音间的掩蔽
①对处于中等强度时的纯音最有效的掩蔽是出现在它的频率附近。
②低频的纯音可以有效地掩蔽高频的纯音，而反过来则作用很小。
B.噪音对纯音的掩蔽噪音是由多种纯音组成，具有无限宽的频谱
若掩蔽声为宽带噪声，被掩蔽声为纯音，则它产生的掩蔽门限在低频段一般高于噪声功率谱密度17dB，且较平坦；超过500Hz时大约每十倍频程增大10dB。
若掩蔽声为窄带噪声，被掩蔽声为纯音，则情况较复杂。
其中位于被掩蔽音附近的由纯音分量组成的窄带噪声即临界频带的掩蔽作用最明显。
所谓临界频带是指当某个纯音被以它为中心频率，且具有一定带宽的连续噪声所掩蔽时，如果该纯音刚好能被听到时的功率等于这一频带内噪声的功率，那么这一带宽称为临界频带宽度。
临界频带的单位叫巴克（Bark），1Bark＝一个临界频带宽度。
频率小于500Hz时，1Bark约等于freq／100；频率大于500Hz时，1Bark约等于9+41og（freq／1000），即约为某个纯音中心频率的20％。
通常认为，20Hz--16kHz范围内有24个子临界频带。
而当某个纯音位于掩蔽声的临界频带之外时，掩蔽效应仍然存在。
2．掩蔽类型
（1）频域掩蔽
所谓频域掩蔽是指掩蔽声与被掩蔽声同时作用时发生掩蔽效应，又称同时掩蔽。
这时，掩蔽声在掩蔽效应发生期间一直起作用，是一种较强的掩蔽效应。
通常，频域中的一个强音会掩蔽与之同时发声的附近的弱音，弱音离强音越近，一般越容易被掩蔽；反之，离强音较远的弱音不容易被掩蔽。
例如，—个1000Hz的音比另一个900Hz的音高18dB，则900Hz的音将被1000Hz的音掩蔽。
而若1000Hz的音比离它较远的另一个1800Hz的音高18dB，则这两个音将同时被人耳听到。
若要让1800Hz的音听不到，则1000Hz的音要比1800Hz的音高45dB。
一般来说，低频的音容易掩蔽高频的音；在距离强音较远处，绝对闻阈比该强音所引起的掩蔽阈值高，这时，噪声的掩蔽阈值应取绝对闻阈。
（2）时域掩蔽
所谓时域掩蔽是指掩蔽效应发生在掩蔽声与被掩蔽声不同时出现时，又称异时掩蔽。
异时掩蔽又分为导前掩蔽和滞后掩蔽。
若掩蔽声音出现之前的一段时间内发生掩蔽效应，则称为导前掩蔽；否则称为滞后掩蔽。
产生时域掩蔽的主要原因是人的大脑处理信息需要花费一定的时间，异时掩蔽也随着时间的推移很快会衰减，是一种弱掩蔽效应。
一般情况下，导前掩蔽只有3ms—20ms，而滞后掩蔽却可以持续50ms—100ms
（3）、音符发音原理：
乐曲中不同的音符，实质就是不同频率的声音。
通过单片机产生不同的频率的脉冲信号，经过放大电路，由蜂鸣器放出，就产生了美妙和谐的乐曲。
（4）、单片机产生不同频率脉冲信号的原理：
1）要产生音频脉冲，只要算出某一音频的脉冲（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的时间，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的时间再对I/O反相，就可以在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，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法如下：
例如，频率为523Hz，其周期天/523S=1912uS，因此只要令计数器计时956uS/1us=956，在每计数956次时就将I/O反接，就可得到中音DO（532Hz）。
计数脉冲值与频率的关系公式如下：
N=Fi/2/Fr
（N：
计数值，Fi：
内部计时一次为1uS，故其频率为1MHz，Fr：
要产生的频率）
3）、其计数值的求法如下：
T=65536-N=65536-Fi/2/Fr
计算举例：
设K=65536,F=1000000=Fi=1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。
T=65536-N=65536-Fi/2/Fr=65536-1000000/2/Fr=65536-500000/Fr
低音DO的T=65536-500000/262=63627
中音DO的T=65536-500000/523=64580
高音DO的T=65536-500000/1047=65059
4）C调个音符频率与计数值T的对照表如下表所示：
表9.1C调各音符频率与计数值T的对照表
音符频率（Hz）简谱码T值音符频率（Hz）简谱码T值
低1DO26263628#4FA#74064860
#1DO#27763731中5SO78464898
低2RE29463835#5SO#83164923
#2RE#31163928中6LA88064968
低3M33064103#693264994
低4FA34964103中7SI98865030
#4FA#37064260高1DO104665058
低5SO39264260#1DO#110965085
#5SO#41564331高2RE117565110
低6LA44064400#2RE#124565124
#646664463高3M131865157
低7SI49464524高4FA139765178
中1DO52364580#4FA#148065198
5）每个音符使用1个字节，字节的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的节拍，下表为节拍码的对照。
但如果1拍为0.4秒，1/4拍是0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。
假设1/4节拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY，以此类推。
所以只要求得1/4拍的DELAY时间，其余的节拍就是它的倍数，如下表为1/4和1/8节拍的时间设定。
表9.2节拍码对照表
1/4节拍1/8节拍
节拍码节拍数节拍码节拍数
11/4拍11/8拍
22/4拍21/4拍
33/4拍33/8拍
41拍41/2拍
51又1/4拍55/8拍
61又1/2拍63/4拍
71又3/4拍77/8拍
82拍81拍
92又1/4拍91又1/8拍
A2又1/2拍A1又1/4拍
B2又3/4拍B1又3/8拍
C3拍C1又1/2拍
D3又1/4拍D1又5/8拍
E3又1/2拍E1又3/4拍
F3又3/4拍F1又7/8拍
1/4节拍1/8节拍
曲调值DELAY曲调值DELAY
调4/4125毫秒调4/462毫秒
调3/4187毫秒调3/494毫秒
调2/4250毫秒调2/4125毫秒
5）建立音乐的步骤：
1）先把吧乐谱的音符找出，然后由上表建立T值表的顺序。
2）把T值表建立在TABLE1，构成发音符的计数值放在“TABLE”。
7）简谱码（音符）为高位，节拍为（节拍数）为低4位，音符节拍码放在程序的“TABLE”处。
表9.4简谱对应的简谱码、T值、节拍数
简谱发音简谱码T值节拍码节拍数
5低5SO16426011/4拍
6低6LA26440022/4拍
7低7SI36452433/4拍
1中1DO46458041拍
2中2RE56468451又1/4拍
3中3M66477761又2/4拍
4中4FA76482071又3/4拍
5中5SO86489882拍
6中6LA96496892又1/4拍
7中7SIA65030A2又2/4拍
1高1DOB65058B2又3/4拍
2高2REC65110C3拍
3高3MD65157D3又1/4拍
4高4FAE65178E3又2/4拍
5高5SOF65217F3又3/4拍
不发音0
1/4拍的延迟时间=187毫秒
DELAY:
MOVR7,#2
D2:
MOVR4,#187
D3:
MOVR3,#248
DJNZR3,$
DJNZR4,D3
DJNZR7,D2
RET
（4）音符设计
A、B、C、D、E、F、G。
经过声学家的研究，全世界都用这些字母来表示固定的音高。
比如，A这个音，标准的音高为每秒钟振动440周。
升C调：
1＝#C，也就是降D调：
1＝BD；277（频率）
升D调：
1＝#D，也就是降E调：
1＝BE；311
升F调：
1＝#F，也就是降G调：
1＝BG；369
升G调：
1＝#G，也就是降A调：
1＝BA；415
升A调：
1＝#A，也就是降B调：
1＝BB。
466,
C262#C277D294#D（bE）311E330F349#F369G392#G415
A440.#A466B494
所谓1＝A，就是说，这首歌曲的“导”要唱得同A一样高，人们也把这首歌曲叫做A调歌曲，或叫“唱A调”。
1＝C，就是说，这首歌曲的“导”要唱得同C一样高，或者说“这歌曲唱C调”。
同样是“导”，不同的调唱起来的高低是不一样的。
经常看到一些刚学单片机的朋友对单片机演奏音乐比较有兴趣，本人也曾是这样。
在此，本人将就这方面的知识做一些简介，但愿能对单片机演奏音乐比较有兴趣而又不知其解的朋友能有所启迪。
一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波频率，也就是说不能象电子琴那样能奏出多种音色的声音。
因此单片机奏乐只需弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和“节拍”。
音调表示一个音符唱多高的频率，节拍表示一个音符唱多长的时间。
在音乐中所谓“音调”，其实就是我们常说的“音高”。
在音乐中常把中央C上方的A音定为标准音高，其频率f=440Hz。
当两个声音信号的频率相差一倍时，也即f2=2f1时，则称f2比f1高一个倍频程,在音乐中1（do）与
，2（来）与
……正好相差一个倍频程，在音乐学中称它相差一个八度音。
在一个八度音内，有12个半音。
以1—i八音区为例， 12个半音是：
1—＃1、＃1—2、2—＃2、＃2—3、3—4、4—＃4，＃4—5、5一＃5、＃5—6、6—＃6、＃6—7、7—i。
这12个音阶的分度基本上是以对数关系来划分的。
如果我们只要知道了这十二个音符的音高，也就是其基本音调的频率，我们就可根据倍频程的关系得到其他音符基本音调的频率。
知道了一个音符的频率后，怎样让单片机发出相应频率的声音呢？
一般说来，常采用的方法就是通过单片机的定时器定时中断，将单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反，或者说来回清零，置位，从而让蜂鸣器发出声音，为了让单片机发出不同频率的声音，我们只需将定时器予置不同的定时值就可实现。
那么怎样确定一个频率所对应的定时器的定时值呢？
以标准音高A为例：
A的频率f=440Hz,其对应的周期为：
T=1/f=1/440=2272μs
由上图可知,单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反的时间应为：
t=T/2=2272/2=1136μs
这个时间t也就是单片机上定时器应有的中断触发时间。
一般情况下，单片机奏乐时，其定时器为工作方式1，它以振荡器的十二分频信号为计数脉冲。
设振荡器频率为f0，则定时器的予置初值由下式来确定：
t=12*（TALL–THL）/f0
式中TALL=216=65536,THL为定时器待确定的计数初值。
因此定时器的高低计数器的初值为：
TH=THL/256=（TALL–t*f0/12）/256
TL=THL%256=（TALL–t*f0/12）%256
将t=1136μs代入上面两式（注意：
计算时应将时间和频率的单位换算一致），即可求出标准音高A在单片机晶振频率f0=12Mhz，定时器在工作方式1下的定时器高低计数器的予置初值为：
TH440Hz=（65536–1136*12/12）/256=FBH
TL440Hz=（65536–1136*12/12）%256=90H
根据上面的求解方法，我们就可求出其他音调相应的计数器的予置初值。
音符的节拍我们可以举例来说明。
在一张乐谱中，我们经常会看到这样的表达式，如1=C
、1=G
……等等，这里1=C,1=G表示乐谱的曲调，和我们前面所谈的音调有很大的关联，
、
就是用来表示节拍的。
以
为例加以说明，它表示乐谱中以四分音符为节拍，每一小结有三拍。
比如：
其中1、2为一拍，3、4、5为一拍，6为一拍共三拍。
1、2的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，3、4的时长为八分音符的一半，即为十六分音符长，5的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，6的时长为四分音符长。
那么一拍到底该唱多长呢？
一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为400—500ms。
我们以一拍的时长为400ms为例，则当以四分音符为节拍时，四分音符的时长就为400ms，八分音符的时长就为200ms，十六分音符的时长就为100ms。
可见，在单片机上控制一个音符唱多长可采用循环延时的方法来实现。
首先，我们确定一个基本时长的延时程序，比如说以十六分音符的时长为基本延时时间，那么，对于一个音符，如果它为十六分音符，则只需调用一次延时程序，如果它为八分音符，则只需调用二次延时程序，如果它为四分音符，则只需调用四次延时程序，依次类推。
通过上面关于一个音符音调和节拍的确定方法，我们就可以在单片机上实现演奏音乐了。
具体的实现方法为：
将乐谱中的每个音符的音调及节拍变换成相应的音调参数和节拍参数，将他们做成数据表格，存放在存储器中，通过程序取出一个音符的相关参数，播放该音符，该音符唱完后，接着取出下一个音符的相关参数……，如此直到播放完毕最后一个音符，根据需要也可循环不停地播放整个乐曲。
另外，对于乐曲中的休止符，一般将其音调参数设为FFH，FFH，其节拍参数与其他音符的节拍参数确定方法一致，乐曲结束用节拍参数为00H来表示。
下面给出部分音符（三个八度音）的频率以及以单片机晶振频率f0=12Mhz，定时器在工作方式1下的定时器高低计数器的予置初值：
C调音符
频率Hz
262
277
293
311
329
349
370
392
415
440
466
494
TH/TL
F88B
F8F2
F95B
F9B7
FA14
FA66
FAB9
FB03
FB4A
FB8F
FBCF
FC0B
C调音符
1
1#
2
2#
3
4
4#
5
5#
6
6#
7
频率Hz
523
553
586
621
658
697
739
783
830
879
931
987
TH/TL
FC43
FC78
FCAB
FCDB
FD08
FD33
FD5B
FD81
FDA5
FDC7
FDE7
FE05
C调音符
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