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第 屆 電子設(shè)計大賽論文 單片機音樂發(fā)生器 組長： 組員： 目 錄 1、系統(tǒng)方案 - 2 - 1.1、方案比較與選擇 - 2 - 1.1.1、單片機選擇與論證 - 2 - 1.1.2、功放選擇與論證 - 2 - 1.1.3、顯示器件選擇與論證 - 2 - 1.1.4、鍵盤形式選擇與論證 - 3 - 1.1.5、材料選擇與論證 - 3 - 2、理論分析與計算 - 3 - 2.1、聲音播放的原理 - 3 - 2.1.1、普通聲音產(chǎn)生原理................................. - 3 - 2.1.2、音樂產(chǎn)生原理......................................- 4 - 2.2、音符節(jié)拍處理 - 5 - 3、電路與程序設(shè)計 - 6 - 3.1、電路的設(shè)計 - 6 - 3.1.1、總體框圖設(shè)計 - 6 - 3.1.2、時鐘電路設(shè)計 - 6 - 3.1.3、復(fù)位電路設(shè)計 - 7 - 3.1.4、按鍵電路設(shè)計 - 7 - 3.1.5、顯示電路設(shè)計 - 8 - 3.1.6、揚聲器電路設(shè)計 - 9 - 3.2、程序設(shè)計...............................................- 10 - 3.2.1、系統(tǒng)整體流程圖 - 10 - 3.2.2、鍵盤子程序流程圖 - 10 - 3.2.3、液晶顯示子程序流程圖 - 11 - 4、測試方案與測試結(jié)果 - 12 - 4.1、測試方案 - 12 - 4.2、測試結(jié)果 - 12 - 4.3、測試分析 - 13 - 附錄 - 13 - 附錄1：電路原理圖 - 13 - 附錄2：部分源程序 - 14 - 1、系統(tǒng)方案 1.1、方案比較與選擇 1.1.1、單片機選擇與論證 方案一：8051單片機。8051內(nèi)部包含一個8位CPU，128BRAM,4KBROM,21個特殊功能寄存器，4個8位并行I/O口，一個全雙工串行口，2個16位定時器、計數(shù)器，5個中斷源。 方案二：SST單片機。SST單片機省去了開發(fā)用的編程器和仿真器。省去了外部EEPROM、電壓監(jiān)控芯片、上電復(fù)位電路和5個UART的擴展芯片。它自帶在線下載和在線仿真功能，帶有5路PCA模塊(主成分分析)，PCA功能比普通單片機有更強的計時性。利用PCA的脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式可產(chǎn)生一個8位PWM。 方案三：AT89C52單片機。AT89C52是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS８位單片機，片內(nèi)含4k字節(jié)的可反復(fù)擦寫1000次的只讀程序存儲器（PEROM）和128字節(jié)的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。 基于對功能齊全性的考慮，我們采用方案三。 1.1.2、功放選擇與論證 方案一：LM386。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內(nèi)鏈增益可調(diào)整、電源電壓范圍大和總諧波失真小等優(yōu)點的功率放大器。 方案二：NPN型三極管。集電極電流受基極電流的控制，并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系。 出于對市場供應(yīng)情況和價格方面的考慮，我們采用方案一。 1.1.3、顯示器件選擇與論證 方案一：數(shù)碼管。數(shù)碼管顯示能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與CMOS、ITL電路兼容。發(fā)光響應(yīng)時間極短(<0．1μs)，高頻特性好，單色性好，亮度高。體積小，重量輕，抗沖擊性能好。壽命長，使用壽命在10萬小時以上，甚至可達(dá)100萬小時。但顯示功能有限，只能顯示數(shù)字和個別字母。 方案二：液晶顯示器(LCD)。液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，顯示質(zhì)量高。其接口都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 方案三：陰極射線管顯示器(CRT)。此種顯示器圖像色彩豐富，還原性好，有豐富的幾何失真調(diào)整能力。但不能長期暴露在磁場下，會磁化或損壞，不能讓強光直射，會降低發(fā)光效率，不能在高溫下使用，工作性能和使用壽命會大打折扣。 出于價格和電路復(fù)雜程度的考慮，在鍵控音符輸入時采用方案一，在歌曲信息的顯示時采用方案三。 1.1.4、鍵盤形式選擇與論證 方案一：獨立式按鍵。獨立按鍵的輸入線較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般適用于按鍵較少，操作速度較高的場合。 方案二：行列式鍵盤。行列式鍵盤由行和列線交叉組成，一般適用于按鍵較多的場合。使用44矩形鍵盤，這樣鍵盤模塊僅使用8根線與處理器相連，節(jié)省了系統(tǒng)資源。 由于我們功能比較少，矩形鍵盤占用電路板位置較大且電路復(fù)雜，因此選擇方案一。 1.1.5、材料選擇與論證 方案一：玻璃板。玻璃板光滑、透明，但是質(zhì)量較重，易碎，并且不易加工。 方案二：塑料板。塑料板質(zhì)量輕，不易碎，但是也不好加工，且不環(huán)保。 方案三：木板。木板質(zhì)量比塑料板重，但比玻璃板輕，易于加工，可塑性強。 基于成本及加工復(fù)雜程度的考率，采用方案二。 2、理論分析與計算 2.1、聲音播放的原理 2.1.1普通聲音產(chǎn)生原理 人耳能聽到的聲音頻率范圍是幾十到幾千赫茲之間，單片機的I/O輸出引腳上能輸出高電平或低電平。設(shè)計一個程序，令單片機的某一個引腳按照一個的時間間隔輸出一些符合規(guī)律的高低電平信號，那么就能得到一系列的矩形波。入伏哦這種時間間隔反映的頻率在人耳所能聽到的頻率范圍內(nèi)，那么就能輸出一定的聲音信息。 圖1 要輸出的穩(wěn)定的矩形波，可以利用延時程序來控制輸出高電平或低電平的持續(xù)時間，當(dāng)持續(xù)時間到時就令該信號反向，從而實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，如圖1所示。圖中，從單片機引腳上輸出的信號，高電平和低電平保持的時間分別為t1和t2，信號的基本輸出周期為T，即頻率f的倒數(shù)。在程序編寫時，可令t1和t2相等。這樣，當(dāng)要產(chǎn)生某一頻率的音頻信號時，只要先計算得到這個周期時間的一半，然后利用延時程序來控制單片機的輸出引腳在該時間內(nèi)輸出穩(wěn)定的高電平或低電平。該時間結(jié)束時，又利用程序使單片機的輸出引腳的輸出信號電平發(fā)生反相。如此循環(huán)執(zhí)行后，就能得到設(shè)計要求的音頻信號了。 2.1.2音樂產(chǎn)生原理 一首樂曲是由多個音符構(gòu)成的。每一個音符都對應(yīng)著一個確定的頻率。另外，每一個音符會根據(jù)樂曲的要求設(shè)定一個確定的節(jié)拍 音符頻率的處理方法如下： 程序設(shè)計如果利用定時器計數(shù)的方式來產(chǎn)生延時的效果，就可以將歌曲中每一個音符所對應(yīng)的頻率換算成相對應(yīng)的技術(shù)初值。然后，將這首音樂所有音符的計數(shù)初值編成一個表，并把每一個音符的計數(shù)初值與一個確定的數(shù)字碼來聯(lián)系。如表1所示為利用定時器T0工作于方式1時，一些簡譜音符所對應(yīng)的頻率，計數(shù)初值和簡譜碼。 音符 頻率(Hz) 簡譜碼(T) 音符 頻率(Hz) 簡譜碼(T) 低1D0 262 63628 #4FA# 740 64860 #1D0# 277 63731 中5SO 748 64898 低2RE 294 63835 #5S0# 831 64934 #2RE# 311 63928 中6LA 880 64968 低3M 330 64021 #6LA# 932 64994 低4FA 349 64103 中7S1 988 65030 #4FA# 370 64185 高1DO 1046 65058 低5SO 392 64260 #DO# 1109 65085 #5S0# 415 64331 高2RE 1175 65110 低6LA 440 64400 #2RE# 1245 65134 #6LA# 466 64463 高3M 1318 65157 低7S1 494 64524 高4FA 1397 65178 中1DO 523 64580 #4FA# 1480 65198 #1D0# 554 64633 高5SO 1568 65217 中2RE 578 64684 #5SO# 1661 65235 #2RE# 622 64723 高6LA 1760 65252 中3M 659 64777 #6LA# 1865 65268 中4FA 698 64820 高7SI 1967 65283 表1 例如，要計算中音DO、中音RE、中音MI的計數(shù)初值 中音DO: TC=2∧16– 10∧6/(523*2)=65536-956=65480=0FC44H 中音RE: TC=2∧16 - 10∧6/(587*2)=65536-888=64684=0FCACH 中音MI: TC=2∧16 - 10∧6/(659*2)=65536-759=64777=0FD09H 2.2、音符節(jié)拍的處理 一首樂曲的每一個音符除了頻率之外，還有不同的節(jié)拍，也就是這個音符發(fā)音的持續(xù)時間。如表2所示為節(jié)拍碼與實際碼之間的對照表。 節(jié)拍碼 實際節(jié)拍 節(jié)拍碼 實際節(jié)拍 1 1/4拍 5 1又1/4拍 2 2/4拍 6 1又1/2拍 3 3/4拍 8 2拍 4 1拍 A 2又1/2拍 表2 如果1拍為0.4s，1/4拍是0.1s，只要設(shè)定延遲時間就可求得節(jié)拍的時間。假設(shè)1/4拍為1DELAY,那么1拍應(yīng)為4DELAY。如表3所示為1/4和1/8拍的時間設(shè)定。 1/4拍的時間設(shè)定 1/8拍的時間設(shè)定 曲調(diào)值 DELAY 曲調(diào)值 DELAY 調(diào)4/4 125ms 調(diào)4/4 62ms 調(diào)3/4 187ms 調(diào)3/4 94ms 調(diào)2/4 250ms 調(diào)2/4 125ms 表3 1/4拍的延遲時間=187ms 延時程序為： DELAY: MOV R7，#02 DELA1：MOV R4, #187 DELA1：MOV R3，#248 DJNZ R3， $ DJNZ R4， DELA2 DJNZ R7， DELA1 3、電路與程序設(shè)計 3.1、電路的設(shè)計 3.1.1、總體框圖設(shè)計 系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。 單 片 機 時鐘與復(fù)位 鍵盤輸入 拓展RAM 拓展ROM 音頻發(fā)生 音頻放大大 揚聲器 LCD顯示 圖2 3.1.2、時鐘電路設(shè)計 AT89C52內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端引腳為XTAL2。這兩個引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容，構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖3所示為AT89C52的內(nèi)部時鐘方式的電路。 圖3 圖中電容C1和C2的值選擇為30pF。該電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性和起振的快速性。晶體振蕩頻率的范圍通常是在1.2～12MHz。晶體的頻率越高，系統(tǒng)的時鐘頻率越高，單片機的運行速度也就越快。但同時，運行速度快對存儲器的速度要求也就越高，對印制電路板的工藝要求也就越高，即要求線間的寄生電容要小。晶體和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作。 3.1.3、復(fù)位電路設(shè)計 AT89C52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路實現(xiàn)的，在本次設(shè)計中，我們采用了按鍵電平復(fù)位電路。按鍵手動電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通來實現(xiàn)，具體電路如圖4所示。 圖4 3.1.4、按鍵電路設(shè)計 此電路實現(xiàn)的功能是每當(dāng)有按鍵按下時，通過數(shù)碼管顯示相應(yīng)數(shù)字。每個按鍵代表不同的音符，通過程序控制揚聲器發(fā)出不同音符。如圖5所示為獨立式按鍵的具體電路。 圖5 3.1.5、顯示電路 3.1.5.1 LED數(shù)碼管顯示電路 在本次設(shè)計中我們采用的是7管LED數(shù)碼管，它由7個發(fā)光二極管組成。這七個發(fā)光二極管a-g呈“日”字形排列，當(dāng)某一發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)地點亮某一點或某一段筆畫，通過發(fā)光二極管不停地亮暗組合形成不同的數(shù)字、字母等符號。由于采用的是共陰極接法，所以在單片機輸出口和LED輸入口相連時沒有外接電阻。如圖6所示為數(shù)碼管實際連接電路。 圖6 3.1.5.2 LCD液晶顯示器電路 在本次設(shè)計中，我們采用的是FG12864E LCD，它是一種圖形點陣液晶顯示器。由于LCD的電源供電情況有別于普通的+5V電源，其驅(qū)動電源情況必須通過一個供電電路來提供，如圖7所示。 圖7 圖8 如圖8所示為LCD具體連接電路。顯示數(shù)據(jù)通過單片機的P0引腳來傳送；左半屏與右半屏顯示的選擇，引腳分別連接LCD的CS1和CS2。 3.1.6、揚聲器電路 圖9 如圖9所示為揚聲器電路實際連接圖，將單片機與喇叭通過一個LM386連接，揚聲器的工作原理是當(dāng)兩輸入端有電平差時，揚聲器發(fā)聲。所以將喇叭的一個輸出端接地，另一端與集成運放的輸出相連。突出采用的連接方式，可以通過改變滑動變阻器的大小來改變接入運放的電壓，并實現(xiàn)控制音量大小的調(diào)節(jié)。 3.2、程序的設(shè)計 3.2.1、系統(tǒng)整體流程圖 圖10 如圖10所示為系統(tǒng)整體流程圖。將歌曲的節(jié)拍和頻率儲存到數(shù)據(jù)表中，播放歌曲時利用查表函數(shù)為計數(shù)器賦初值，產(chǎn)生周期不等的方波，即可播放音樂。 3.2.3、鍵盤子程序流程圖 如圖11所示為鍵盤子程序流程圖。 圖11 3.2.2、液晶顯示子程序流程圖 如圖12所示為液晶顯示子程序流程圖。 圖12 4、測試方案與測試結(jié)果 4.1、測試方案 基本要求（1）：能播放標(biāo)準(zhǔn)C調(diào)的Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si、Do作為起始測試音。 基本要求（2）：測試音結(jié)束后等待2秒，播放一首自選曲目，時間>30秒。 發(fā)揮部分（1）：能播放指定曲目。 發(fā)揮部分（2）：具有鍵盤，可現(xiàn)場編曲并播放。 發(fā)揮部分（3）：具有液晶顯示功能，可顯示簡譜。 發(fā)揮部分（4）：可將簡譜轉(zhuǎn)換成顯示五線譜。 4.2、測試結(jié)果 4.2.1、仿真測試 通過Keil和Proteus仿真，在播放Do,Re,Mi,Fa,So,La,Xi,Do等待兩秒后，可以聽到自選歌曲和指定曲目，LCD顯示歌曲信息。按下控制鍵后，進(jìn)入編曲模式，7個獨立鍵盤分別代表七個音符，可現(xiàn)場編曲。同時，數(shù)碼管顯示每個按鍵代表的數(shù)字。如圖13所示，為數(shù)碼管仿真結(jié)果。 圖13 4.2.2、成品測試 通過對成品進(jìn)行調(diào)試實驗，所得到的結(jié)果與仿真結(jié)果相同。 4.3、測試分析 由測試結(jié)果可以看出，成品滿足基本要求和發(fā)揮部分的部分要求。 附錄 附錄1：電路原理圖 附錄2：部分源程序 #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define LCDPORT P0 #define E P3^1 #define RW P3^3 #define DI P3^4 #define CS1 P3^6 #define CS2 P3^5 #define BUSYSTATUS P0^7 #define LCDSTARTROW 0xc0 #define LCDPAGE 0xB8 #define LCDLINE 0x40 void Run(void);//主程序 void KeyScan(void); // 按鍵 void PlayKey(void); //按鍵程序 void delay_1ms(uchar i);//延時1ms void PlayMusic1(void); // 播放12345671 void PlayMusic(void); //播放同一首歌 void PlayMusic2(void); //播放規(guī)定曲目1 void DisPlay(void); // 數(shù)碼管 //void lcd_init(void); //lcd初始化 void init_com(void); void sound_delay(uchar n); void timer0(void); uchar code hz1[]; /*一系列變量*/ sbit Beep=P2^7; //sbit busy=P0^1; uchar Th0,Tl0; uchar flag=0;//模式，0表示音樂，1表示按鍵 uchar key=0;//按鍵代號 uchar a; uchar gaodi=0; //uchar data count=0; //uint counter=0; //12345671的頻率 uchar code SONG_TONE[]={115,102,91,86,77,68,61,0}; //12345671的節(jié)拍 uchar code SONG_LONG[]={17,18,20,21,23,25,28,0}; /*比賽規(guī)定曲目*/ //魂斗羅 赤色要塞 uchar code SONG_TONE2[]={34,38,45,51,45,51,57,61, 57,61,68,77,68,102,91,77, 68,68,45,51,45,43,38, 68,68,45,51,45,43,57, 68,68,45,51,45,43,38, 68,68,45,51,45,43,57,0}; //魂斗羅的節(jié)拍 uchar code SONG_LONG2[]={13,12,10,9,10,9,8,28, 8,7,6,6,6,5,5,6, 35,13,10,9,19,11,85, 35,13,10,9,19,11,68, 35,13,10,9,19,11,85, 35,13,10,9,19,11,68,0}; /*同一首歌的源代碼*/ uchar code Music[]={ 0Xef,0Xef, 0X88,0X14,0X24,0X36,0X42,0X34,0X14,0X28,0X14,0X94, 0X1f,0X88,0X14,0X24,0X34,0X32,0X42,0X54,0X14, 0X46,0X32,0X54,0X22,0X32,0X32,0X22,0X2C,0X38,0X54,0X74, 0X76,0X62,0X68,0X54,0X52,0X62,0X74,0X62,0X52,0X3f, 0X46,0X42,0X54,0X64,0X54,0X42,0X32,0X28,0X0a4,0Xa2, 0X92,0X84,0X94,0X1f,0Xb8,0X68,0X46,0X52,0X68, 0X74,0X72,0X72,0X74,0X62,0X52,0X3f,0Xb8,0X68, 0X46,0X52,0X68,0X64,0X62,0X62,0X64,0X42,0X32,0X2f, 0X58,0X14,0X24,0X36,0X42,0X34,0X12,0X12,0X26,0X22,0X24,0X22,0X12, 0X94,0X9c,0Xa8,0Xa6,0X92,0X84,0X64,0X54,0X22,0X22,0X46,0X42,0X44,0X32,0X22, 0X5f, 0Xef,0Xef,0xFF, } //按鍵音符 uchar code KeyCode[ ]= {0XFF,0XFF,0xF8,0x8B,0xF9,0x5B,0xFA,0x14,0xFA,0x66,0xFB,0x03,0xFB,0x8F,0xFC,0x0B,//低音 0xFC,0x43,0xFC,0xAB,0xFD,0x08,0xFD,0x33,0xFD,0x81,0xFD,0xC7,0xFE,0x05,//中音 0xFE,0x21,0xFE,0x55,0xFE,0x84,0xFE,0X99,0XFE,0xC0,0xFE,0xE3,0xFF,0x02,//高音}; //功能程序 void Run(void) { if(flag==0){ PlayMusic1(); //12345671 PlayMusic(); //同一首歌 PlayMusic2();//魂斗羅 } else PlayKey(); } void KeyScan(void)//按按鍵1-7,數(shù)碼管的顯示 { if(P1==0X7f)//如果P1.7=0 { delay_1ms(5); if(P1==0X7f) gaodi++; if(gaodi>2) gaodi=0; a=gaodi; } else if(P1==0XFE) { delay_1ms(12); if(P1==0XFE) key=1; a=key; } else if(P1==0XFD) { delay_1ms(12); if(P1==0XFD) key=2; a=key; } else if(P1==0XFB) { delay_1ms(12); if(P1==0XFB) key=3; a=key; } else if(P1==0XF7) { delay_1ms(12); if(P1==0XF7) key=4; a=key; } else if(P1==0XEF) { delay_1ms(12); if(P1==0XEF) key=5; a=key; } else if(P1==0XDF) { delay_1ms(12); if(P1==0XDF) key=6; a=key; } else if(P1==0XBF) { delay_1ms(12); if(P1==0XBF) key=7; a=key; } else return; } void PlayKey(void) { if(key==0) return; else { Th0=KeyCode[gaodi*14+key*2]; Tl0=KeyCode[gaodi*14+key*2+1]; TR0=1; delay_1ms(187); TR0=0; key=0; } } time0() interrupt 1 //定時器0中斷 { TH0=Th0; TL0=Tl0; Beep=~Beep; } void interrupt0() interrupt 0 //外部終端0 { flag=~flag; if(flag==0) { a=8; P2=0; } } //延時1ms void delay_1ms(uchar i) { uchar j,k; for(j=0;j>4); jiepai=(Music[i]&0X0F); if(yinfu==0) continue; Th0=MusicCode[(yinfu-1)*2]; Tl0=MusicCode[(yinfu-1)*2+1]; TR0=1; for(j=jiepai;j>0;--j) { delay_1ms(150);//調(diào)歌曲快慢:187(越大越慢) } TR0=0; if(flag!=0) break; } } void PlayMusic2(void) { uint i=0; uint j,k; while(SONG_LONG2[i]!=0||SONG_TONE2[i]!=0) { //播放各個音符，SONG_LONG 為拍子長度 for(j=0;j0 ;n--) for ( i=500; i>0 ; i--); } bit bCheckBusy () { LCDPORT=0xff; RW = 1; DI=0; E=1; E=0; return BUSYSTATUS ; } void vWriteData (unsigned char ucData) { while(bCheckBusy()) ; LCDPORT=0xff; RW=0; DI=1; LCDPORT=ucData; E=1; E=0; } void vWriteCMD(unsigned char ucCMD) { while ( bCheckBusy() ); LCDPORT=0xff; RW=0; DI=0; LCDPORT=ucCMD; E=1; E=0; } void vLCDInitialize() { CS1=1; CS2=1; vWriteCMD (0x38) ; vWriteCMD (0x0f) ; vWriteCMD (0x01) ; vWriteCMD (0x06) ; vWriteCMD (LCDSTARTROW); } Void vShowCustomRow ( unsigned char ucPage ,unsigned char ucLine ,unsigned char ucWidth ,unsigned char *ucaRow) { unsigned char ucCount ; if(ucLine<64) { CS1=1; CS2=0; vWriteCMD(LCDPAGE+ucPage) ; vWriteCMD(LCDLINE+ucLine) ; if ((ucLine + ucWidth)<64) { for (ucCount =0 ; ucCount

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