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课程设计论文
摘要
本次课程设计是基于AT89C52单片机设计一个音乐播放器。
通过单片机音乐播放器系统设计和研究，对于切实掌握单片机相关知识具有重要的理论和实际意义。
这次课程设计的音乐播放器是软件和硬件的结合，不同音符表现形式就是不同频率地声音。
通过单片机产生不同的频率的脉冲信号，通过放大电路，由蜂鸣器放出，就产生了美妙和谐优美动听的乐曲。
根据各音阶频率算出定时器定时常数，根据节拍给出该音阶持续的时间，最终实现播放简单歌曲的功能。
关键字：
单片机,MP3,AT89C52
ABSTRACT
ThiscourseisdesignedbasedonsinglechipmicrocomputerAT89C52designamusicplayer.Throughthesingle-chipmicrocomputermusicplayersystemdesignandresearch,tobemasteredmicrocontrollerrelatedknowledgeisofimportanttheoreticalandpracticalsignificance.Thecoursedesignofthemusicplayeristhecombinationofsoftwareandhardware,Differentnotesinthemusic,theessenceisdifferentfrequencyofsound.Throughthesingle-chipmicrocomputerproducedifferentfrequencyofthepulsesignal,amplifiedcircuit,releasedbyabuzzertoproducetheharmoniousbeautyofmusic.accordingtoeachoctavefrequencycalculatetimertimeconstant,accordingtobeatthethedurationofthescalearegiven,finallyrealizestheplaysimplesongsfunction.Forexample"mumisthebestintheworld".
Keywords:
single-chipmicrocompute,MP3,AT89C52
引言
概述
单片机是单片微型机地简称，常用英文字母的缩写MCU表示单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），，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，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
单片机是靠程序运行的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，电子宠物、程控玩具等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的
每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。
因此通过对音乐播放器设计和研究，可以了解以及掌握单片机知识具有理论和实际意义。
课程设计的目的及意义
这样的课程设计是为了丰富学生的课余生活，让学生能深入地了解单片机知识的应用，并且还能帮助学生培养对单片机的兴趣。
课程设计结束后，让学生在知识、能力、素质等综合能力上能得到充分的提高，为以后走上工作岗位奠定坚实的专业基础。
课程设计的要求
本设计采用单片机为核心，设计
具体要求有：
1.可以通过按键进行曲目的选择；
2.可以通过按键进行曲目的播放和停止；
3.CPU可以控制声音的音节和长短；
4.音频数据信息记录需要大量非易失性数据存储器实时快速地记录数据。
因此需要具有掉电保护功能的大容量存储器；
5.可以通过显示器知道曲目的序号；
软件方面：
1.系统中外扩的各器件的初始化工作均在主程序中完成，其次，要设计如何调用显示子程序以及乐曲播放程序。
2.在实际的控制过程，常要求有实时时钟，以实现定时或延时控制，所以需要此类中断服务程序。
3.由于按键为机械开关结构，机械触点的弹性及电压突跳等原因，往往在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。
为保证键识别的准确，在电压信号抖动的情况下不能进行状态的输入。
为此需要进行去抖动处理的中断服务程序。
（当然这种问题也可以通过硬件方案解决。
）
总体方案设计与论证
系统整体方案设计
设计的课题是“基于单片机的音乐播放器设计”，它是以单片机AT89C52作为硬件核心控制部件，结合负脉冲电路和LM386功率放大器，数码管构成典型的显示电路，以及其他外围设备组成的音乐播放系统。
根据音乐演奏控制器所要实现的显示与选曲及音乐产生功能原理，系统包括演奏扬声器、选曲、播放和显示几部分。
其中，S1开关用来选曲，通过显示器显示歌曲序号。
S2按钮用作播放。
所设计的单片机乐曲播放控制器不仅能够播放悦耳的歌曲，同时设置按钮使所设计的程序能在五首歌曲之间进行选曲，并通过显示器使其显示歌曲序号
系统整体方案论证
单片机的选择
方案一：
基于C8051F350单片机和AT45DB642D存储器的音频播放器
音频播放器系统结构如图2-2-1-1所示,它主要由C8051F350单片机、PC机、AT45DB642D存储器、RS232串行通信接口、显示电路、键盘电路以及信号放大电路等组成。
系统中单片机是控制核心,通过UART串口与PC机通讯,SPI串口对存储器进行读、写操作。
写操作就是数据下载过程,即写入存储器的音频文件经PC机里的LabWindows/CVI软件处理,通过RS232串行通信接口传输到单片机,由单片机通过SPI串口写入存储器。
[1]读操作就是音频信号播放过程,即由键盘选择播放曲目,单片机通过SPI串口读取存储器中的音频代码,以单片机的电流模式DAC输出,再经信号放大电路后音频输出。
键盘用来调节信号频率、控制音量和选择曲目,单片机通过扫描方式读取键盘接口命令,并根据查表程序选择相应的控制命令,执行相应的操作。
液晶显示模块显示曲目序号和相应的播放时间。
该系统突出特点是合理应用了Flash存储器AT45DB642D,可以根据需要由PC机将音频文件转换为适合音频播放器播放的文本文件,并下载到存储器。
存储在AT45DB642D中的音频信息由单片机读取后播放,用户可以根据爱好调节播放频率和音量。
图2-2-1-1C51F350单片机播放器系统结构图
系统控制核心器件选用美国Cygnal公司的C8051F350单片机,C8051F350的CIP-8051结构,流水作业执行指令,大大提高指令的运行速度AT45DB642D存储器（FlashRAM）具有宽电源电压、大容量、接口简单、读写速度快等特点。
设计应用中,由于AT45DB642D同时有EPROM的掉电数据不丢失和E2PROM的电可擦写功能,又能像SRAM进行随机快高密度、高可靠性的存储器。
液晶显示屏采用定制的段位式液晶,采用HT1620驱动器驱动,单片机和液晶屏的接口只需3条数据线。
方案二：
基于SPCE061A16位单片机的音乐播放器
音乐播放器的硬件结构如图2-2-1-2所示,选用SPCE061A单片机作为嵌入式系的微处
图2-2-1-2 SPCE061A16位单片机音乐播放器硬件结构框
理器,SPCE061A是一款资源丰富、功能强大、集成度高的16位结构微控制器,数字信号处理功能是其特色.它功耗小,系统处于备用状态（睡眠状态）时的耗电仅为2μA/3.6V;内置2K字SRAM和32K的FLASH;2个16位可编程定时器/计数器;2个10位DAC（数/模转换）输出通道;2个16位通用可编程输入/输出端口IOA和IOB;丰富的中断资源:
定时器A/B中断、时基中断、2个外部中断以及触键唤醒中断;7通道10位电压模/数转换器（ADC）和单通道声音模/数转换器;具备串行设备接口（SIO）;低电压复位功能和低电压检测功能;WatchDog功能等。
该系统集成了存储器、高速数/模转换器和原驱鸟器芯片功率放大器、键盘4个功能模块,具有对语音信号压缩、存储、解码和播放的功能,以及数字滤波语音信号实时数/模转换和定时播放,并将语音信号输出到功率放大电路。
从以上两种方案中可以看出不同的设计方法各有优缺点：
方案一：
基于C8051F350单片机和AT45DB642D存储器的音频播放器采用AT45DB642D存储器解决了嵌入式系统中大容量数据存储的问题,采用功能强大的C8051F350单片机作为控制核心,减少了系统的外围器件,简化了硬件设计,提高了可靠性,降低了成本。
缺点在于信号放大及音频输出系统比较复杂，成本较高。
播放器模式较多，不够简化。
方案二：
基于SPCE061A16位单片机的音乐播放器使用常用的音频形式和压缩算法,波形编码:
sub-band即SACM-A2000,其特点是高质量、高码率,适于高保真语音/音乐。
声音播放模块决定对存储在语音芯片中的驱鸟声音的调用方式,并调用定时模块进行间隔播放和随机播放。
.高速和高精度保证了转换后的信号的质量和平滑性。
缺点是存储器容量不大，声音采集通道单一。
对于C51单片机，它抗干扰性较强，且集成度高、功能强、指令丰富等，可以应用的地方较数字电路更多些，广泛应用于工业控制系统，数据采集系统、智能化仪器仪表，及通讯设备、日常消费类产品、玩具等。
而且单片机已经深入到工业生产的各个环节以及人民生活的各层次中，如车间流水线控制、自动化系统等、智能型家用电器（冰箱、空调、彩电）等，都含有C51单片机控制器。
通过综合比较我们不采用上面的两种方案，我采用的是基于C51单片机的音乐播放器的设计，该系统控制性能良好，硬件电路简单、经济实惠，能得到更好的效果。
该系统设计将在下文做详细介绍。
合适单片机的选择
在硬件上是基于单片机AT89C52为核心器件进行控制及信号的产生，共有两个按键S1和S2，S1开关用来选曲，通过显示器显示歌曲序号。
S2按钮用作播放。
本设计
图2-2-2C52音乐播放器组成框图
的音乐演奏控制器是通过控制单片机内部的定时器来产生不同频率的方波，驱动喇叭发出不同音节的声音。
再利用延迟来控制发音时间的长短，即控制音调中的节拍。
同时设置按钮使所设计的程序能在几首歌曲之间进行选曲，设计显示器使其显示歌曲序号。
对于电路抖动，论文决定用软件方案解决。
而为了不丢失外部中断，笔者选择边沿触发。
。
MP3的硬件设计
电路设计
流是由很多帧组成。
帧头是一个32byte长的数据，它包含输入输出采样率、输出比特率以及单双声道等信息。
对每一帧的576（单声道，1152或立体声）个输入音频采样压缩而等到的音频数据，具体的压缩MP3为获取很高的数据压缩比，根据音频位流语法，采用了较为复杂的位流结构。
MP3码后的比特数可以根据公式等到。
图3-1中可以看出，是MP3音频编码器的一个流程图。
数字音频采样通过由两个滤波器组成的滤波器组输入到心理声学模型中，由心理声学模型的输出控制音频屏蔽等参数，最终通过量化和霍夫曼（Huffman）编码得到输出比特流。
单片机最小系统的设计
由以上晶振电路、复位电路、电源、接地即可组成单片机最小系统如图3-2-1所示：
图3-2-1单片机最小系统
单片机功能介绍
单片机引脚封装图如图所示。
图3-2-1单片机的引脚封装图
功能
又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在 产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师
单片机时钟电路
单片机要想工作必须要在XTAL1和XTAL2端口加晶振电路，单片机工作速度也是由晶振电路决定的。
典型的晶振电路如图3-2-2所示：
图3-2-2晶振电路
在晶振电路中，电路中电容C3和C4对振荡频率有微调作用，通常的取值范围30±10pF；石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。
其结果只是机器周期时间不同，影响记数器的记数初值和运算速度。
单片机最小系统包括晶振电路、复位电路、电源、接地。
晶振电路已经在上一节介绍了，下面简单介绍下复位电路。
单片机复位电路
论文采用微分型复位电路，电路图如图3-2-3所示，
图3-2-3微分型复位电路
工作原理：
高电平为例，电源上电时，VCC可以认为一阶跃信号复位端电压是由于下拉电阻R1在CPU复位端引起的电压值，一般为0.3V以下。
但在实际应用中，VCC不可能为理想的阶跃信号。
其主要原因有两点：
（1）稳压电源的输出开关特性；
（2）我们通常在设计电路时，为保证电源电压稳定性，往往在电源的输入端并联一个大电容，从而导致了VCC不可能为阶跃信号特征。
从而影响了的复位电压的复位特性。
外围电路的设计
系统工作需要电源，本设计所需电源电压为+5V，而所提供的为+24V电压，所以本文也要对电源电路进行设计，以满足系统的工作要求，LM2575产生的为+5V电压，以下作详细介绍。
人们常用7805稳压块产生5V电压。
但7805的一个明显缺点，是当输入电压大于12伏时，发热会很厉害，最大的输入电压也只能到15伏左右。
原因在于7805属于线性稳压。
即如果输入12V，就有7V电压是完全的发热浪费掉。
解决这个问题的有效方法是改用开关式的电源IC。
LM2575的系统主要特性如下：
1.有3.3、5、12、15伏，及可以调整输出电压的版本可供选择。
比如本文介绍的LM2575,就是固定+5V的输出。
2．可调整输出的电压版本输出电压为1.37V到37V（HV版本可达到57V）。
3．最大输出电流为1A。
4．最大输出电压为40V（HV版本可达60V）。
5．只需要4只外围原件。
6．内部振荡频率为52K。
7．TTL关闭功能，待机状态极低功耗。
8．使用高可靠的标准电感（330uH）。
9．温度及电流限制保护。
10．版本提供增加的测试功能。
概述
LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。
是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。
该系列分为LM1575、LM2575及LM2575HV三个系列，其中LM1575为军品级产品，LM2575为标准电压产品，LM2575HV为高电压输入产品。
每一种产品系列均提供3.3V、5V、12V、15V及可调（ADJ）等多个电压档次产品。
除军品级产品外，其余两个系列均提供TO-200直脚、TO-220弯脚、塑封DIP-16脚、表面安装DIP-24脚、表面安装T）-263-5脚等多种封装形式，并分别用后缀T、FlowLB3、N、M、S表示。
对于5V输出的LM2575产品，不同的封装形式，其完整表示分别为LM2575T-5.0、LM2575T-5.0FlowLB03、LM2575N-5、M2575M-5.0、M2575S-5.0。
引脚图
图3-3-2是LM2575集成稳压器的两种引脚图：
其引脚功能如下：
1.VIN稳压电压输入端。
2.OUTPUT开关电压输出端接电感或快速恢复二极管。
3.GND公共端。
4.FEEDBACK反馈输入端。
图3-3-2LM2575集成稳压器的两种引脚图
5.ON\OFF控制输入端，接公共端时，稳压电路工作；接高电平时，稳压
路停止。
工作原理
LM2575的内部框图如图3-3-3所示，该框图对应于TO-220封装的引脚。
其中R1=1kΩ（ADJ时开路），R2分别为1.7kΩ（3.3V）、3.1kΩ（5V）、8.8kΩ（12V）、11.3kΩ（15V）和0（ADJ），可以看出LM2575内含52kHz振荡器、基准电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压等电路。
将稳压输出的电压接到反馈输入端的目的是同内部电压基准比较，若电压偏低，则用放大器来控制内部振荡器以提高输出占空比，从而提高输出电压。
图3-3-3LM2575内部框图
电源电路的设计
LM2575的设计电路（备注：
1N5819是最高耐压40V的肖特基二极管）
此电路为LM2575应用的经典电路，未经过处理的电压由Vin端口接入，基准电压从Fb口输出，给系统各个部分供电。
电源电路的设计电路图
内部结构图如图3-3-4所示：
图3-3-4内部结构图
从上面的结构图可以看出，不同输出版本的区别，只是电阻R1与R2的区别。
以下对照表：
音频功率放大电路
由于C52芯片输出的音频信号很微弱,不能直接去驱动扬声器,因此需要一个音频放大电路对输出的音频信号进行放大,然后再去驱动扬声器。
我们采用由集成功率放大器LM386组成的音频功率放大器。
R1
R2
3.3V
1.0K
1.7K
5V
1.0K
3.1K
12V
1.0K
8.84K
15V
1.0K
11.3K
输出电压可调
Open
0
表3-4音频功率放大器
功率放大原理
一、数字功放与D类功放的区别
常见D类功放（PWM功放）的工作原理：
PWM功放只能接受模拟音频信号，用内部三角波发生器产生的三角波和它进行比较，其结果就是一个脉宽调制信号（PWM），然后将PWM信号放大并还原成模拟音频信号。
因此，PWM功放是用脉冲宽度对模拟音频幅度进行模拟的，其信息的传递过程是模拟的、非量化的、非代码性的。
并且由于目前器件性能的限制，PWM功放不可能采用太高的采样频率，在性能指标上尚达不到Hi-Fi级的水平。
而数字功放采用一些宽度固定的脉冲来数字地量化、编码模拟音频信号，使音频信号的还原更为真实。
二、数字功放和模拟功放的区别
数字功放由于工作方式与传统模拟功放完全不同，因此克服了模拟功放固有的一些缺点，并且具备了一些独有的特点。
1．过载能力与功率储备
数字功放电路的过载能力远远高于模拟功放。
模拟功放电路分为A类、B类或AB类功率放大电路，正常工作时功放管工作在线性区；当过载后，功放管工作在饱和区，出现谐波失真，失真程度呈指数级增加，音质迅速变坏。
而数字功放在功率放大时一直处于饱和区和截止区，只要功放管不损坏，失真度不会迅速增加，如图3-12所示。
由于数字功放采用开关放大电路，效率极高，可达75%~90%（模拟功放效率仅为30%~50%），在工作时基本不发热。
因此它没有模拟功放的静态电流消耗，所有能量几乎都是为音频输出而储备，加之前后无模拟放大、无负反馈的牵制，故具有更好的“动力”特性，瞬态响应好，“爆棚感”极强。
图3-4-1 全数字功放与普通功放过载失真度比较
2．交越失真和失配失真
模拟B类功放在过零失真，这是由于晶体管在小电流时的非线性特性而引起的在输出波形正负交叉处的失真（小信号时晶体管会工作在截止区，无电流通过，导致输出严重失真）。
而数字功放只工作在开关状态，不会产生交越失真。
模拟功放存在推挽对管特性不一致而造成输出波形上下不对称的失配失真，因此在设计推挽放大电路时，对功放管的要求非常严格。
而数字功放对开关管的配对无特殊要求，基本上不需要严格的挑选即可使用。
3.功放和扬声器的匹配
由于模拟功放中的功放管内阻较大，所以在匹配不同阻值的扬声器时，模拟
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