基于單片機的音樂盒研究與設計正文

1、一緒論錯誤！未定義書簽。1.1 課題意義11.2 發(fā)展和現(xiàn)狀及市場價格 2二.設計方案論證 3三音樂盒的發(fā)音原理4四硬件電路設計44.1.1 管腳說明54.2 時鐘復位電路64.2.1 時鐘電路64.2.2 復位電路74.3按鍵輸入電路84.4輸出顯示電路84.5 整體硬件電路104.6 原理說明104.7 選歌按鍵的設計 11五軟件設計115.1 主程序的設計115.2 子程序的設計12總結12致謝12參考文獻12附錄14附錄一元器件清單14一緒論1.1課題意義音樂盒的起源，可追溯至中世紀歐洲文藝復興時期。當時為使教會的鐘塔報時， 而將大小的鐘表裝上機械裝置，被稱為“可發(fā)出聲音的組鐘”。音樂

2、盒有著300多年 的發(fā)展歷史，是人類文明發(fā)展的歷史見證。傳統(tǒng)的音樂盒多是機械音樂盒，其工作原理是通過齒輪帶動一個帶有鐵釘?shù)蔫F桶 轉動,鐵桶上的鐵釘撞擊鐵片制成的琴鍵，從而發(fā)出聲音。但是，機械式的音樂盒體 積比較大，比較笨重，且發(fā)音單調(diào)。水、灰塵等外在因素，容易使內(nèi)部金屬發(fā)音條變 形，從而造成發(fā)音跑調(diào)。另外，機械音樂盒放音時為了讓音色穩(wěn)定，必須放平不能動搖，而且價格昂貴，不能實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。本文設計的音樂盒，是基于單片機設計制作的電子式音樂盒。和傳統(tǒng)的機械式音 樂盒相比更小巧，音質更優(yōu)美且能演奏和弦音樂。電子式音樂盒動力來源是電池，制 作工藝簡單，可進行批量生產(chǎn)，所以價格便宜?；趩纹瑱C制作的電

3、子式音樂盒，控 制功能強大，可根據(jù)需要選歌，使用方便。所放歌曲的節(jié)奏可以根據(jù)需要進行設置， 根據(jù)存儲容量的大小，可以盡可能多的存儲歌曲。另外，可以設計彩燈外觀效果，增 設放歌時間、序號顯示燈功能，使音樂盒的功能更加豐富。在本設計中，首先提出了發(fā)音盒的整體設計方案； 然后對音樂盒所播放的音樂進 行了程序設計；其次設計了音頻驅動電路，以驅動播放揚聲器；最后設計了直流穩(wěn)壓 電源，用于為單片機和音頻部分、顯示部分提供穩(wěn)定的 +5V電壓。1.2發(fā)展和現(xiàn)狀及市場價格音樂盒悠揚的樂聲，經(jīng)常勾起人們對美好往事的回憶，甚至魂牽夢縈，墜入 時光歲月的追憶中。300多年來席卷全球市場的機械音樂盒的最大魅力，也許就在

4、于 它能將抽象的音樂，凝固成具象的藝術品。音樂盒機械音樂盒的發(fā)展史，可追溯至 14世紀初期，所發(fā)明掛在教堂鐘樓上的排鐘，這種用發(fā)條裝置來演奏的樂器，能發(fā)出 清脆如水晶般的樂聲，一度風靡荷蘭，比利時和法國北部。1811年以來，瑞士曾經(jīng)是這項技藝的中心，它和瑞士鐘表工業(yè)一樣，兩者相輔相成，一段時間名領風騷，稱 霸全球。二戰(zhàn)以后，美國的大兵將精致的音樂盒帶至日本，給這個正處在戰(zhàn)爭之后， 陣痛呻吟中的民族以很大的撫慰，日本的技術人員借鑒了瑞士的制造技術， 并作了進 一步的更新，使得音樂盒的造價在當時降低了很多， 并提高了產(chǎn)量，打敗了位于瑞士 侏羅山區(qū)的眾多廠商，并且逐漸形成以瑞士的Regue和日本的S

5、ankyo,稱霸全球音樂盒市場二足鼎立的格局。調(diào)查顯示，目前音樂盒市場上的主要品牌包括：巧匠屋、 伊泰蓮娜、尚禮、WSA精品、清涼音、雷曼士、 sunly、瑞士 REUGE日本Sankyo 和國內(nèi)第一家專業(yè)品牌音樂盒締造者一清涼音。而主要米用的機芯上大致有：日本 SANKY機芯、韻升機芯、Regue機芯還有紙帶譜曲式的等等?，F(xiàn)在全球音樂盒市場占 據(jù)較大份額的是瑞士的Regue和日本的Sankyo,形成了兩分天下的格局，其余品牌 占據(jù)了剩余的較少的市場份額。音樂盒市場隨著近年來送禮熱潮的興起也逐漸發(fā)現(xiàn)， 奢華昂貴的音樂盒市場也逐漸壯大，一些城市也開了音樂盒專賣的店鋪，主要經(jīng)營的 是做工較精細的音

6、樂盒，這樣的店鋪一般還較少存在，可見高檔音樂盒市場正在處于 發(fā)展階段。隨著人們對商品要求的更高，奢華精美的音樂盒市場也會出現(xiàn)一些經(jīng)濟發(fā) 達的城市。通過在淘寶網(wǎng)等電子商務網(wǎng)站的了解，目前市場上銷售的音樂盒，價格較 低價格主要分布在10-200之間，多數(shù)水晶球音樂盒價格都在50元人民幣左右。品牌 多以韻升等國產(chǎn)品牌為主，制作較為低端，做工屬于中等水品，機芯多使用日本 sankyo機芯。旋轉木馬系列的音樂盒，根據(jù)大小和馬的多少幾個會有所區(qū)別，一個 160*160*247（長/寬/高）四飛馬音樂盒大概在500元人民幣左右，而120*120*205（長 /寬/高）三飛馬音樂盒大概在150元人民幣左右。根

7、據(jù)做工和品牌知名度不同，價格 也會有所區(qū)分。進日本、瑞士、德國品牌的旋轉木馬音樂盒，根據(jù)大小和奢華程度， 價格也有所差異，美國 Mr. Christmas游樂場八音盒，尺寸：長25*寬25*高30cm 價格一般是1200元人民幣左右。臺灣 WSA精品，韻升機芯的大號玫瑰花紋四馬自動 升降豪華型變光旋轉木馬八音盒也在 1200多人民幣的價位。二.設計方案論證方案一：用四個按鍵控制音樂的播放。3個按鍵選擇3首不同的音樂播放，另一 個按鍵控制音樂的停止。按下播放鍵，用一點簡單的控制之后，才開始播放音樂。比 如，用定時器控制，亮燈倒計時10秒然后觸發(fā)音樂播放。方案二：用4*4小鍵盤來實現(xiàn)音樂的選擇播放

8、，1A按鍵控制播放10首音樂，C F按鍵分別實現(xiàn)歡迎頁面、上一首、下一首、停止播放。方案三：為了充分利用實驗板的功能，進一步擴充音樂盒的功能。設計用七段顯 示數(shù)碼管LCD顯示播放時歌曲序號。設置三個鍵，一個按鍵控制開機、播放、暫停音 樂，另外兩個按鍵分別實現(xiàn)上一首、下一首。1）在方案1中，共用了 4個按鍵，其中3個按鍵控制播放3首音樂，另一個鍵 控制音樂播放的停止。但是只能選擇 3首音樂，不能顯示是哪首歌局限性太 強。2）在方案3中，共用了 3個按鍵，其中一個鍵用于控制開機、播放、暫停，另兩個鍵用于上一首和下一首切換。使用數(shù)碼管作為顯示輸出。功能過于單一，顯示效果不佳?？紤]到設計要求和時間上的

9、局限，本次課程設計使用了方案二。本次設計是一個基于AT89C5系列單片機的音樂盒，依據(jù)單片機技術原理，通過 硬件電路制作以及軟件編譯，設計制作出一個多功能多功能音樂盒。該音樂盒主要由 按鍵電路、復位電路、時鐘電路、蜂鳴器以及顯示電路組成。使用一個按鍵來控制開 始，播放和暫停。利用兩個按鍵分別切換上一曲和下一曲來演奏出不同的樂曲，共三首音樂，蜂鳴器發(fā)出某個音調(diào)，和之相對應的 LED亮起。本設計利用KEIL編程軟件對 音樂盒源程序進行編程并調(diào)試，配合PROTEUS仿真軟件對硬件進行仿真調(diào)試。音樂盒的系統(tǒng)結構以AT89C51單片機位控制核心，加上矩陣按鍵、時鐘復位電路、 蜂鳴器、LCD莫塊組成。單片

10、機負責接收按鍵的輸入，根據(jù)輸入控制音樂播放曲目和音樂花樣燈的顯示樣式以及蜂鳴器發(fā)音。系統(tǒng)組成框圖如圖2-1所示。音樂播放 時間顯示音樂播放、才/ 揚聲器按鍵碩播放/暫停歌曲。按鍵2,圖2-1總體框圖音樂盒的功能結構如圖3-2所示換播放歌曲，播放歌曲共3首,0同時顯示3負責切相應的曲目，顯示曲目標號共 3種。播放音樂序號時鐘、復位 電路按鍵1:播放/暫停按鍵2, 3 上一曲，下一曲選歌按鍵圖2-2音樂盒功能三音樂盒的發(fā)音原理發(fā)音原理：播放一段音樂需要的是兩個元素，一個是音調(diào)，另一個是音符。首先 要了解對應的音調(diào)，音調(diào)主要由聲音的頻率決定，同時也和聲音強度有關。對一 定強度的純音，音調(diào)隨頻率的升降

11、而升降；對一定頻率的純音、低頻純音的音 調(diào)隨聲強增加而下降，高頻純音的音調(diào)卻隨強度增加而上升。另外，音符的頻率 有所不同?；谏厦娴膬?nèi)容，這樣就對發(fā)音的原理有了一些初步的了解。音符的發(fā)音主要靠不同的音頻脈沖。利用單片機的內(nèi)部定時器/計數(shù)器0,使其工作在模式1,定時中斷，然后控制P3.0引腳的輸出音樂。只要算出某一音頻的周 期（1/頻率），然后將此周期除以2,即為半周期的時間，利用定時器計時這個半周 期時間，每當計時到后就將輸出脈沖的I/O反相，然后重復計時此半周期時間再對I/O反相，就可在I/O腳上得到此頻率的脈沖。四硬件電路設計4.1.1管腳說明VCC供電電壓。GND接地。P0 口： P0

12、口為一個8位漏級開路雙向I/O 口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1 口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它 可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH 進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸 出4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下 拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電

13、阻的8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。 并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣 故。P2 口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出 地址的高八位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù) 存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在FLASH編程和校驗 時接收高八位地址信號和控制信號。P3 口： P3 口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出4個TTL門 電流。當P3 口寫入“

14、1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由 于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流（ILL ）這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳備選功能P3.0 RXD （串行輸入口）P3.1 TXD （串行輸出口）P3.2 /INTO （外部中斷0）P3.3 /INT1 （外部中斷1）P3.4 T0 （記時器0外部輸入）P3.5 T1 （記時器1外部輸入）P3.6 /WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機

15、器周期的高電平時間。ALE/PROG當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位 字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8E®址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOV， MOVC旨令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀 態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器

16、周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出 現(xiàn)。/EA/VPP:當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH， 不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V 編程電源（VPP。XTAL1:反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2來自反向振蕩器的輸出。4.2 時鐘復位電路AT89C51的最小系統(tǒng)由時鐘 復位電路構成。時鐘和復位電路的接法具有多種性， 在使用時在根據(jù)使用系統(tǒng)的要求進行合理的選擇。單片

17、機的最小系統(tǒng)就是盡可能的減 少外部電路的條件下，使單片機工作的系統(tǒng)。4.2.1時鐘電路根據(jù)AT89C5仲片機產(chǎn)生的時鐘方式的不同，可將時鐘電路分為內(nèi)部時鐘方式及 外部時鐘方式兩種。在XTAL1和XTAL2引腳之間外接石英晶體振蕩器及兩個諧振電容，就可構成內(nèi)部 時鐘電路。如果單片機的時鐘采用某一個外接時鐘信號，貝冋用外部時鐘信號。本設計用的時鐘電路由單片機XTAL1和 XTAL2引腳外接石英晶體振蕩器（12MHZ 及起諧振電容C1 C2 （均為30PF）組成。如圖4-1所示XTAL1 :外接晶振輸入端XTAL2 :外接晶振輸出端4.2.2 復位電路復位是單片機的初始化操作，只要 RST引腳處至少

18、保持2個機器周期（24個振 蕩器的周期）的高電平就可實現(xiàn)復位。單片機復位電路有兩種形式：上電復位和按鈕復位。上電復位是利用電容充電來完成的。通常晶振為 6MHZ寸，復位電路元件參數(shù)為 22卩F的電解電容和1 KQ的電阻，若晶振為12MHZ寸，復位電路元件參數(shù)為10卩 F電解電容和10 K Q的電阻。本設計采用的是12MHZi振振蕩器。如圖4-1所示圖4-1 時鐘復位電路C310uFR210kC1hir30pFX1CRYSTAL |C2II30pF> XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP

19、0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENALEP2.3/A11P2.4/A12P2.6/A14P2.7/A15P1.1P3.1/TXDP1.2P1.3P1.4P1.5P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P1.6P1.7P3.6/WRP3.7/RDU119189291212303134567821222324252627281011131415163937363534333217AT89C514.3按鍵輸入電路設計所用的鍵盤原理圖如圖4-2所示。3-=-o1|0Q-1J=L.k Ap J1 pnP1#p h p* JInFFS 廚 3 TFT圖4-2 矩陣鍵盤

20、原理圖為了提高CPU勺工作效率，采用中斷查詢方式。即無鍵按下時，CPI#理自己的工作，當有鍵按下時，產(chǎn)生中斷請求，CPU專去執(zhí)行鍵盤掃描子程序，并識別鍵號。 中斷掃描工作方式的一種鍵盤接口電路如上圖所示。途中接有一個四輸入端和門，其輸入端分別和各列線相連，輸出端接單片機外部中斷輸入。初始化時，使鍵盤列輸出 口全部置零，行全部置高電平作輸入。但有鍵按下時，外部中斷為低電平，向CPU發(fā)出中斷申請，若CPU開放外部中斷，貝U響應中斷請求，進入中斷服務程序。在中斷 服務程序中先保護現(xiàn)場，然后執(zhí)行鍵盤確定。4.4 輸出顯示電路本設計采用的是16*2LCD用P2.0P2.2作為LCD的RSR/W E的控制

21、信號；用 P0.0P0.7作為LCD的D0D7勺控制信號。由于 P0 口作為輸出，應加上拉電阻。用P3.7 口控制蜂鳴器。輸出顯示電路如圖 4-3所示。RS:數(shù)據(jù)/命令寄存器選擇端。高電平表示選通數(shù)據(jù)寄存器，低電平表示選通命 令寄存器。R/W讀/寫選擇端，高電平表示讀操作，低電平表示寫操作。E:使能端，平有效。D0D7數(shù)據(jù)輸入/輸出端。VSS接地端。VDD電源正極LCD1LM016L19182931U1XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A

22、10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12kP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1.1P3.1/TXDP1.2P3.2/IN P1.3P3.3/INI1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/R2628101112039383736353433322122231RP123"456789RESPACK-8AT89C51圖4-3輸出顯示電路R11kQ1PNPLS1SPEAKER84.5整體硬件電路C310uFC1LCD1LM016L1R210k30pFX1CRYSTALU119C230pF39373

23、3325 6 78 91 1 1312425262728:121314151617XTAL 1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P 1 .0P3.0/RXDP 1.1P3.1/TXDP1.2P3.2/INT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RD1892129125683

24、4AT89C51RP110K23 456 789LS1SPEAKER1-A：十首歌曲C：下一首歌曲D：上一首歌曲E：暫停F：開機畫面圖4-3音樂盒硬件電路原理圖4.6 原理說明當鍵盤有鍵按下時，判斷鍵值，啟動計數(shù)器TO,產(chǎn)生一定頻率的脈沖，驅動蜂鳴器，放出樂曲。同時啟動定時器 T1，顯示樂曲播放的時間，并驅動 LCD顯示歌曲 號及播放時間。（1） 硬件電路中用P1.0P1.7控制按鍵，其中P1.0P1.3掃描行，P1.4P1.7 掃描列；（2）用P2.0P2.2作為LCD的RS R/W E的控制信號；（3）用P0.0P0.7作為LCD的 D0D7的控制信號；（4）用P3.7 口控制蜂鳴器；（5

25、）電路為12MHz晶振頻率工作，起振電路中 C1,C2均為30pf。鍵盤按鍵分布如下：按鍵功能說明:0123456789ABCDEF五軟件設計1 A十首歌曲C下一首歌曲D上一首歌曲E暫停/播放F開機畫面5.1主程序的設計通過主程序對單片機的電路實行控制并結合按鍵功能實現(xiàn)播放，暫停，停止，上一曲，下一曲。音階和節(jié)拍的配合實現(xiàn)歌曲（共三首歌）演奏，并利用數(shù)碼管顯示當 前播放序號。按下開始按鈕之后，程序初始化，再按下播放按鍵，程序開始判斷按鍵 是否按下，若按下就開始判斷曲目標號，送相應表首地址給dptr,再調(diào)用音樂子程序， 播放相應曲目，數(shù)碼管會顯示相應的曲號。按下“上一曲”或“下一曲”后會使音樂 程序加一或減一，再送相應表首地址給 dptr，這樣可以實現(xiàn)任意曲目的切換。主程序 流程圖如下所示：雄標號加15.2 子程序的設計圖5