1、单片机课程设计电子音乐盒的设计课程设计(说明书)电子音乐盒的设计 院（系）名称工学院机械系 专业名称机械设计制造及其自动化 学生姓名 指导教师 2013年01月 12日课程设计任务书题目: 电子音乐盒的设计 课程: 单片机课程设计 课程设计时间 2012年 12月21 日 至2012年1 月3日 共 2 周课程设计工作内容与基本要求(设计要求、设计任务、工作计划、所需相关资料)（纸张不够可加页）1设计要求 查阅资料，了解单片机控制单音喇叭发声原理；设计基于单片机的电子音乐盒；通过按钮可选择不同的音乐。 创新设计： 1、安装复位键，暂停、播放键; 2、有6首不同的音乐用程序编出可供选择。2. 设
2、计任务与要求 2.1系统硬件电路设计根据该系统设计的功能要求选择所用元器件，设计硬件电路。要求用Proteus绘制整个系统电路原理图。 2.2软件设计根据该系统要求的功能进行软件设计，绘制整个系统的软件流程图；根据流程图编写程序并汇编调试通过；列出软件清单，软件清单要求逐条加以注释。 2.3 Proteus仿真用Proteus对系统进行仿真并进行软硬件调试。 2.4 编写设计说明书内容包括任务书、设计方案分析、硬件部分设计、软件部分设计、调试结果整理分析、设计调试的心得体会等，字数不少于4000字；硬件部分设计要绘制整个系统电路原理图，对各部分电路设计原理做出说明；软件设计部分要绘制整个系统及
3、各部分的软件流程图，列出程序清单，逐条加以注释，并在各功能块前加程序功能注释。3工作计划 序号设计内容所用时间1布置任务及调研天3制作与调试天4撰写设计报告书2天合 计14天4主要参考资料单片机课程设计指导书 皮大能 北京理工大学出版社 2010.78051单片机实践与应用 吴金戎 清华大学出版社 2003.8单片机技术基础教程与实践 夏路易 电子工业出版社 2008.1MCS-51单片机原理接口及应用 王质朴 北京理工大学出版社2009.11基于Proteus的单片机系统设计与仿真实例 蒋辉平 机械工业出版社 2009.7 指导老师签字: 日 期:电子音乐盒1 设计任务和要求 . 12 总体
4、方案设计 . 13 硬件设计 . 2 3.1 硬件电路 . 2 3.2 系统总框图 . 2 3.3 器件选择 . 2 3.4 原理图设计 . 3 3.5 原理说明 . 64 软件设计 . 75 仿真、安装和调试 . 8收获与体会 . 10参考文献 .11附件1：元件清单 .12附件2: 总电路图 .13附件3：音乐程序 .141 设计任务和要求1.利用I/O口产生一定频率的方波，驱动蜂鸣器，发出不同的音调，从而演乐曲(内存六首乐曲)。2.采用七段数码管显示当前播放的歌曲序号。3.可通过功能键选择乐曲，包括暂停和播放，上一曲，下一曲，复位。2 总体方案设计1. 要产生音频脉冲，只要算出某一音频的
5、周期(1/音频),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时间再对I/O口反相,就可在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,改变记数值TH0及TL0以产生不同频率的方法。例如频率为523HZ,其周期T=1/523=1912微秒,因此只要令计数器定时956/1=956在每记数9次时将I/O口反相,就可得到中音D0(523HZ)。记数脉冲值与频率的关系公式如下：N=Fi/2/Fr N：记数值Fi：内部计时一次为1微秒故其频率为1MHZ Fr；要产生的频率3. 起
6、记数值的求法如下：T65536N65536Fi2Fr例如：设K65536，F1000000Fi1MHZ，求低音D0（523HZ），高音的D0（1046HZ）的记数值。T65536N65536Fi2Fr6553610000002Fr65536500000Fr低音D0的T6553650000026263627中音D0的T6553650000052364580低音D0的T655365000001047650593 系统硬件设计3.1 硬件电路本设计中用到89C51单片机，喇叭，七段显示数码管LED。（硬件电路原理图如图1所示）3.2 系统总框图图1 总体方案图3.3 器件选择1、单片机的选择采用AT
7、MEL公司生产的AT89C51单片机作为电子音乐盒的核心部件，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。2、7SEG-DIGITAL简介七段显示器显示原理七段显示器可用来显示单一的十进制或十六进制的数字，它是由八个发光二极管所构
8、成的( 每一个二极管依位置不同而赋予不同的名称，请参见图4.1 ) 。我们可以简单的说，要产生数字，便是点亮特定数据的发光二极管。例如要产生数字0，须只点亮A、B、C、D、E、F等节段的发光二极管；要产生数字5，则须点亮A、C、D、F、G等节段发光二极管，以此类推，参见图4.6。因此，以共阳极七段显示器而言，要产生数字0，必须控制Cyclone II FPGA芯片接连至A、B、C、D、E、F 等接脚呈现“低电位”，使电路形成通路状态。表4.1则为共阳极七段显示器显示之数字编码。 3.4 原理图设计1、晶振电路单片机需要一个时间基准来为各种操作提供秩序，此电路叫时钟电路，采用不同的接线方式可以获
9、得不同时钟电路，有内部时钟电路和外部时钟电路,外部时钟电路会使电路复杂，故采用的是内部时钟电路。时钟电路在单片机的外部通过XTAL1,XTAL2这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容,构成稳定的自激振荡器.本系统采用的为12MHz的晶振,一个机器周期为1us,C1,C2为30uF。2、复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。复位电路分为上电自动复位和按键手动复位,如图2所示。RST引脚是复位信号的输入端,复位信号是高电平有效.这次采用的是手动
10、复位，复位通过电容C3，C4和电阻R1,R2来实现,按键手动复位是图中复位键来实现的。图 2 晶振与复位电路3、键盘部分键盘是由一组按压式或触摸式开关构成的阵列，是一种常用的输入设备。键盘可分为编码式键盘和非编码式键盘两种。（1）.编码键盘通过硬件电路产生被按按键的键码，这种键盘所需程序简单，但硬件电路复杂、价格昂贵通常不被单片机系统采用。（2.）非编码键盘常用一些按键排列成行列矩阵，其硬件逻辑与按键编码不存在严格的对应关系，而要由所用的程序来决定。非编码键盘的硬件接口简单，但是要占用较多的CPU时间，通常采用可编程键盘管理芯片来克服这个缺点。本设计使用两种按键，一种是按键式非编码键盘和轻触式
11、非编码开关。图 3 键盘电路3、7SEG-DIGITAL LCD七段显示器LCD显示原理 用P1.0-P1.6控制七段码a,b,c,d,e,f图4 LCD显示电路4、蜂鸣器部分一般所指的蜂鸣器是以压电陶瓷为主要元件的。压电陶瓷是一类有将压力与电流相互转换能力的特殊陶瓷。这种能力缘于其特殊的晶体结构。当压电陶瓷在一定方向上受到一个压力使其晶体结构发生形变时，它就会在内部产生一个电流，并且电流的变化与压力的变化密切相关。反之亦然。所以利用这一特性，在压电陶瓷上通过一定频率的电流，就会引起压电陶瓷微小形变，这一形变带动空气发生振动，如果频率适当，就可以被人耳所听见，也就是产生了蜂鸣声。由于蜂鸣器的工
12、作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。图5 蜂鸣器电路3.5 原理说明当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。同时启动定时器T1,显示歌曲号。（1） 硬件电路中用、分别接S1、S2作为上、下一曲的功能键（2） 用P1.0-P1.6控制七段码a,b,c,d,e,f。（3） 用P2.0口控制喇叭。（4） 电路为12MHZ晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为30pf。 图1 音乐盒原理图4 软件设计本程序可以实现课程设计的基本要求，并可以通过按键播放两首歌曲，程序流程图如
13、下：5 仿真、安装和调试按照上面设计的电路在proteus软件内画图, 打开单片机软件开发系统Keil,选择89c51单片机,在其中编写程序,运行生成一个后缀名为hex的文件,然后将该文件下载到proteus中的AT89c51单片机中进行仿真,观察实验现象。仿真能实现播放音乐，按键选择曲目，暂停、播放，复位功能。仿真成功后，安装好实验板,然后将音乐程序下载到电路板内 ,观察结果。能实现播放音乐，按键换曲等功能。程序调试中出现的问题及解决的办法：（1） 有时会出现程序一点错误也没有，但就是不能正常运行的现象，最后我们发现是因为程序中有的指令书写得不规范导致的，例如有的RET返回指令一定要按正确格
14、式书写或在两行指令间最好不要留空行。（2） 程序中的跳转指令的运用很重要，为保险起见，都用LJMP,我们就遇到过跳转指令用错程序无法正常运行的现象。当用JNZ指令时，跳转范围比较少，这时要用一个标号中转。（3） 编程时要注意，在程序开始时，要写入各定时器中断的入口地址。（4） 编程过程中要注意加注释或分割线，否则，在程序过长时容易变得很乱，不便于查找或更改。（5） 编程前要加流程图，这样会使思路清晰，例如数字音乐盒的设计思路完全可以按着MP3的工作方式列写流程图。（6） LCD计时正常显示的解决办法：a. 两个定时器同时工作，存在中断时序问题，刚开始时我们把定时器1设定在方式3，计250us，
15、由于定时中断过于频繁，使CPU负载过大，导致音乐不能正常播放，时间不能正常显示。解决办法：将定时器1设定在工作方式1，16位计数，计50ms,效果有很大改观。但还有问题。b. 当音乐为全4拍起始时，此时音乐节奏与定时器T1中断频率错开，LCD显示和音乐播放都会好一些。c. 另外，在歌曲中，当遇到一个音符发音为4拍，在编曲中为*CH，因时间较长，当定时器T1此时来中断时，就会对歌曲播放产生影响，若改为发音一拍，中断对歌曲播放影响减弱，但音乐效果变差。改进方案：若采用可以定时时间更长的单片机，可以避免所有问题。收获与体会 (1) 上学期学习单片机的课时不多，对单片机的硬件设计，软件设计掌握的深度不
16、够，但通过此次课程设计，明显的改善了，首先对于硬件电路的工作原理有了进一步的学习，同时有了一个提升；软件方面，在程序的设计，程序的调试方面都有了很大的进步。(2) 在一个好的氛围里才能踏下心来做东西，在这一段时间里，寝室成员都认真对待这次课程设计，除了自己做好自己的课题外，在遇到不懂的地方互相讨论，查阅资料，互助解决问题。另外在编程中出现问题时，一定要戒骄戒躁，脚踏实地，认真看书，仔细分析，仔细调试，就一定会发现错误。我们也是这么做的，这一点在这次的课程设计中十分重要。(3) 通过这次课程设计，我体会到了成功的喜悦，听着自己设计的程序下载到单片机中播放出音乐,心理非常自豪。这次的课程设计在一定
17、程度上改变了我学习单片机这门课程的态度，从最初的认为学它没有什么实际意义，到如今爱上单片机学习，并希望能将理论运用到实践，设计出更好更完整的系统。我明白了一个人要想做好一件事，就必须具备自信心，耐心，还要有毅力，要胆大心细，要勇于尝试，要手脑并用，最后才能交出一份令人满意的答卷。参考文献1 许珉.单片机原理及应用M.北京:中国电力出版社,2007.082 三恒星科技.MCS-51单片机原理与应用实例M. 北京：电子工业出版社，2008.013 王为青，程国钢.单片机Keil Cx51应用开发技术M. 北京：人民邮电出版社,2007.024 John Markus.电子电路大全M.北京：计量出版
18、社，19955 阎石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，1998.12，第4版6 邓元庆.数字电路与逻辑设计M.北京：电子工业出版社，20017 附件1：元件清单名称数量（个）型号备注电阻5排阻RX8(1个)1k(2个),5.5k(1个),10k(1个),15(1个)数码管17SEG-DIGITAL开关4BUTTON单片机1AT89C51三极管12N3906扬声器1SPEAKER电源35V电容330pf(2个),10uf(1个)晶振1CRYSTAL附件2:总电路图附件3：音乐程序OUT BIT P2.0 ;定义音频输出端口,p2.0N EQU 6 ;歌曲总数OUT_NUM EQU P1
19、 ;数码管显视当前所放歌曲曲数 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP LAST_SONG ;外部中断0用于接上一曲歌按键 ORG 000BH AJMP F_T0 ;定时器0用于定时，作音符发生器用 ORG 0013Hq4: AJMP NEXT_SONG ;外部中断1接下一曲歌按键 ORG 001BH AJMP START_PAUSE ;定时器1用计数，这里用作中断，接开始/暂停键,初值为0ffH，方式2 ORG 0030HMAIN: MOV SP,#60H MOV DPTR,#TABLE ;DPRT指向每首歌曲的入口地址的地址。 MOV R0,#30H ;R0中
20、存入数据30H，这里在以30H开始的单元存放每首歌曲的入口地址，其中30H,31H存放 ;歌曲的节拍入口地址，32H，33H存放歌曲音符入口地址，每首歌占用四个存储存单元。 MOV R5,#00H ;R5中存放表TABLE中正在执行操作的序号 MOV R6,#1 ;R6存放正在设置入口信息的歌曲数SET_TAB: MOV A,R5 ;设置每首歌曲的入口信息，存放在以30H开始的存储单元中。 MOVC A,A+DPTR MOV R0,A INC R5 INC R0 MOV A,R5 MOVC A,A+DPTR MOV R0,A INC R5 INC R0 MOV A,R5 MOVC A,A+DP
21、TR MOV R0,A INC R0 INC R5 MOV A,R5 MOVC A,A+DPTR MOV R0,A INC R0 INC R5 INC R6 ;设置完一首歌曲后，歌曲数加一 CJNE R6,#N+1,SET_TAB ;是否设置完，没有便继续，否则进行下面的操作 ;* 对中断，计数器的相关参数进行设置 MOV TMOD, #61H ;计数器0工作方式1，计数器1工作方式2 MOV TH1,#0FFH ;给计数器1置初值0FFH，又由于是工作方式2，所以 MOV TL1,#0FFH ;计数器计数为1，相当于一外部中断。 SETB ET1 ;允许计数器1中断 SETB ET0 ;允许
22、计数器具0中断 CLR PT0 ;计数器0为低优先级 SETB PT1 ;计数器1为高优先级 SETB IT0 ;外部中断0为跳沿触发 SETB PX0 ;高优先级 SETB IT1 ;外部中断1为跳沿触发 SETB PX1 ;高优先级 SETB EX1 ;允许外部中断1中断 SETB EX0 ;允许外部中断定0中断 SETB EA ;开中断总开关 SETB TR1 ;定时器1开始工作，作中断用 SETB OUT ;音频输出端口初始化 ;* ;设置结束 CLR F0 ;设置F0=0，用来作暂停/播放的标置位用 MOV 22H,#01H ;22H单元中存放正在播放的歌曲编号 MOV DPTR,#
23、OUT_TAB ;将正在播放的歌曲编号送数码管显视 MOV A,22H MOVC A,A+DPTR MOV OUT_NUM,A MOV R7,#00H ;R7中存放歌曲总信息的入口地址START0:MOV R4,#00H ;R4存放当前正在播放歌曲的第几个节拍数 MOV R0,#30H ;30H开始的单元中存放歌曲的入口信息 MOV A,R7 ;将歌曲的节拍表的入口地址送到DPTR ADD A,R0 MOV R0,A MOV DPH,R0 INC R0 MOV DPL,R0 INC R0 MOV A,R4 INC R4 MOVC A,A+DPTR ;取出第一节拍数,其实第一个节拍不是歌曲的第一
24、个节拍，而是表示几分音符;* MOV 26H,A ;将取出的音符数+节拍数保存在职26H单元中NEXT: MOV R0,#30H ;开始取出歌曲的第一个数据 MOV A,R7 ADD A,R0 MOV R0,A MOV DPH,R0 INC R0 MOV DPL,R0 INC R0 MOV A,R4 INC R4 MOVC A,A+DPTR ;放在A中;* JZ END0 ;若为0，则表示为休止符，不唱，本次音符不唱， MOV R1,A ;不为0，取出节拍数 ANL A,#0FH MOV R2,A MOV A,R1 SWAP A ANL A,#0FH JNZ SING ;音符不为0，唱 CLR
25、 TR0 ;为0，不唱,关频率发生器 SJMP SING1SING: DEC A ;开始唱,进行相应的数据处理 MOV R3,A RL A MOV DPH,R0 INC R0 MOV DPL,R0 INC R0 MOVC A,A+DPTR MOV 21H,A MOV TH0,A MOV A,R3 RL A INC A MOVC A,A+DPTR MOV 20H,A MOV TL0,A SETB TR0 ;开唱SING1:LCALL DELAY ;每个音符唱多久 JB F0,FOR ;是否暂停， AJMP NEXT ;没有暂停，继续FOR: CLR TR0 ;暂停，不唱 JB F0,$ ;等待播
26、放 AJMP NEXT ;开始播放END0: CLR TR0 ;不唱 MOV A,22H ;唱完处理 CJNE A,#N,WW ;是不是全部歌曲都唱完 MOV 22H,#01H ;全部唱完，则从第一首开始再唱 MOV R7,#00H MOV OUT_NUM,#11111001B ;数码管显视第一首歌曲编号 AJMP WWWWW: MOV A,R7 ;没有全部唱完，唱下一首,歌曲的入口信息调整 ADD A,#4 MOV R7,A INC 22H CLR EA PUSH DPH PUSH DPL MOV A,22H MOV DPTR,#OUT_TAB MOVC A,A+DPTR MOV OUT_NUM,A ;数码管显视相应的歌曲编号 POP DPL POP DPHWWW: SETB EA AJMP START0 ;开始下一首的演唱F_T0: MOV TH0,21H ;定时器0置初值 MOV TL0,20H CPL OUT ;频率产生 RETINEXT_SONG: PUSH ACC ;下一曲中断程序处理，保护现场 PUSH DPH PUSH DPL CLR EA ;关中断 MOV A,22H CJNE A,#N,Q ;是最后一首吗？ MOV
