單片機(jī)音樂發(fā)生器.doc
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第 屆 電子設(shè)計(jì)大賽論文 單片機(jī)音樂發(fā)生器 組長(zhǎng)： 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(jī)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(jì)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(jì) - 6 - 3.1、電路的設(shè)計(jì) - 6 - 3.1.1、總體框圖設(shè)計(jì) - 6 - 3.1.2、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) - 6 - 3.1.3、復(fù)位電路設(shè)計(jì) - 7 - 3.1.4、按鍵電路設(shè)計(jì) - 7 - 3.1.5、顯示電路設(shè)計(jì) - 8 - 3.1.6、揚(yáng)聲器電路設(shè)計(jì) - 9 - 3.2、程序設(shè)計(jì)...............................................- 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(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 - 12 - 4.1、測(cè)試方案 - 12 - 4.2、測(cè)試結(jié)果 - 12 - 4.3、測(cè)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(jī)選擇與論證 方案一：8051單片機(jī)。8051內(nèi)部包含一個(gè)8位CPU，128BRAM,4KBROM,21個(gè)特殊功能寄存器，4個(gè)8位并行I/O口，一個(gè)全雙工串行口，2個(gè)16位定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷源。 方案二：SST單片機(jī)。SST單片機(jī)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(gè)UART的擴(kuò)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(jī)有更強(qiáng)的計(jì)時(shí)性。利用PCA的脈沖寬度調(diào)制（PWM）模式可產(chǎn)生一個(gè)8位PWM。 方案三：AT89C52單片機(jī)。AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS８位單片機(jī)，片內(nèi)含4k字節(jié)的可反復(fù)擦寫1000次的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元。 基于對(duì)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(diǎn)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(huì)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(duì)市場(chǎng)供應(yīng)情況和價(jià)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(dòng)發(fā)光，能與CMOS、ITL電路兼容。發(fā)光響應(yīng)時(shí)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(zhǎng)，使用壽命在10萬(wàn)小時(shí)以上，甚至可達(dá)100萬(wàn)小時(shí)。但顯示功能有限，只能顯示數(shù)字和個(gè)別字母。 方案二：液晶顯示器(LCD)。液晶顯示器每一個(gè)點(diǎn)在收到信號(hào)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(jī)系統(tǒng)的接口更加簡(jiǎn)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(dòng)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(zhǎng)期暴露在磁場(chǎng)下，會(huì)磁化或損壞，不能讓強(qiáng)光直射，會(huì)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(huì)大打折扣。 出于價(jià)格和電路復(fù)雜程度的考慮，在鍵控音符輸入時(shí)采用方案一，在歌曲信息的顯示時(shí)采用方案三。 1.1.4、鍵盤形式選擇與論證 方案一：獨(dú)立式按鍵。獨(dú)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(chǎng)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(chǎng)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(qiáng)。 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(jì)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(jī)的I/O輸出引腳上能輸出高電平或低電平。設(shè)計(jì)一個(gè)程序，令單片機(jī)的某一個(gè)引腳按照一個(gè)的時(shí)間間隔輸出一些符合規(guī)律的高低電平信號(hào)，那么就能得到一系列的矩形波。入伏哦這種時(shí)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(shí)程序來(lái)控制輸出高電平或低電平的持續(xù)時(shí)間，當(dāng)持續(xù)時(shí)間到時(shí)就令該信號(hào)反向，從而實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換，如圖1所示。圖中，從單片機(jī)引腳上輸出的信號(hào)，高電平和低電平保持的時(shí)間分別為t1和t2，信號(hào)的基本輸出周期為T，即頻率f的倒數(shù)。在程序編寫時(shí)，可令t1和t2相等。這樣，當(dāng)要產(chǎn)生某一頻率的音頻信號(hào)時(shí)，只要先計(jì)算得到這個(gè)周期時(shí)間的一半，然后利用延時(shí)程序來(lái)控制單片機(jī)的輸出引腳在該時(shí)間內(nèi)輸出穩(wěn)定的高電平或低電平。該時(shí)間結(jié)束時(shí)，又利用程序使單片機(jī)的輸出引腳的輸出信號(hào)電平發(fā)生反相。如此循環(huán)執(zhí)行后，就能得到設(shè)計(jì)要求的音頻信號(hào)了。 2.1.2音樂產(chǎn)生原理 一首樂曲是由多個(gè)音符構(gòu)成的。每一個(gè)音符都對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的頻率。另外，每一個(gè)音符會(huì)根據(jù)樂曲的要求設(shè)定一個(gè)確定的節(jié)拍 音符頻率的處理方法如下： 程序設(shè)計(jì)如果利用定時(shí)器計(jì)數(shù)的方式來(lái)產(chǎn)生延時(shí)的效果，就可以將歌曲中每一個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的頻率換算成相對(duì)應(yīng)的技術(shù)初值。然后，將這首音樂所有音符的計(jì)數(shù)初值編成一個(gè)表，并把每一個(gè)音符的計(jì)數(shù)初值與一個(gè)確定的數(shù)字碼來(lái)聯(lián)系。如表1所示為利用定時(shí)器T0工作于方式1時(shí)，一些簡(jiǎn)譜音符所對(duì)應(yīng)的頻率，計(jì)數(shù)初值和簡(jiǎn)譜碼。 音符 頻率(Hz) 簡(jiǎn)譜碼(T) 音符 頻率(Hz) 簡(jiǎn)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(jì)算中音DO、中音RE、中音MI的計(jì)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(gè)音符除了頻率之外，還有不同的節(jié)拍，也就是這個(gè)音符發(fā)音的持續(xù)時(shí)間。如表2所示為節(jié)拍碼與實(shí)際碼之間的對(duì)照表。 節(jié)拍碼 實(shí)際節(jié)拍 節(jié)拍碼 實(shí)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(shí)間就可求得節(jié)拍的時(shí)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(shí)間設(shè)定。 1/4拍的時(shí)間設(shè)定 1/8拍的時(shí)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(shí)間=187ms 延時(shí)程序?yàn)椋? 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(jì) 3.1、電路的設(shè)計(jì) 3.1.1、總體框圖設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。 單 片 機(jī) 時(shí)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(yáng)聲器 LCD顯示 圖2 3.1.2、時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) AT89C52內(nèi)部有一個(gè)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(gè)引腳跨接石英晶體和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖3所示為AT89C52的內(nèi)部時(shí)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(huì)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(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。但同時(shí)，運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求也就越高，對(duì)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(jī)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(jì) AT89C52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)的，在本次設(shè)計(jì)中，我們采用了按鍵電平復(fù)位電路。按鍵手動(dòng)電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體電路如圖4所示。 圖4 3.1.4、按鍵電路設(shè)計(jì) 此電路實(shí)現(xiàn)的功能是每當(dāng)有按鍵按下時(shí)，通過數(shù)碼管顯示相應(yīng)數(shù)字。每個(gè)按鍵代表不同的音符，通過程序控制揚(yáng)聲器發(fā)出不同音符。如圖5所示為獨(dú)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(jì)中我們采用的是7管LED數(shù)碼管，它由7個(gè)發(fā)光二極管組成。這七個(gè)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(shí)，相應(yīng)地點(diǎn)亮某一點(diǎn)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(hào)。由于采用的是共陰極接法，所以在單片機(jī)輸出口和LED輸入口相連時(shí)沒有外接電阻。如圖6所示為數(shù)碼管實(shí)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(jì)中，我們采用的是FG12864E LCD，它是一種圖形點(diǎn)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(dòng)電源情況必須通過一個(gè)供電電路來(lái)提供，如圖7所示。 圖7 圖8 如圖8所示為L(zhǎng)CD具體連接電路。顯示數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的P0引腳來(lái)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(yáng)聲器電路 圖9 如圖9所示為揚(yáng)聲器電路實(shí)際連接圖，將單片機(jī)與喇叭通過一個(gè)LM386連接，揚(yáng)聲器的工作原理是當(dāng)兩輸入端有電平差時(shí)，揚(yáng)聲器發(fā)聲。所以將喇叭的一個(gè)輸出端接地，另一端與集成運(yùn)放的輸出相連。突出采用的連接方式，可以通過改變滑動(dòng)變阻器的大小來(lái)改變接入運(yùn)放的電壓，并實(shí)現(xiàn)控制音量大小的調(diào)節(jié)。 3.2、程序的設(shè)計(jì) 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(chǔ)存到數(shù)據(jù)表中，播放歌曲時(shí)利用查表函數(shù)為計(jì)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(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 4.1、測(cè)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(cè)試音。 基本要求（2）：測(cè)試音結(jié)束后等待2秒，播放一首自選曲目，時(shí)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(chǎng)編曲并播放。 發(fā)揮部分（3）：具有液晶顯示功能，可顯示簡(jiǎn)譜。 發(fā)揮部分（4）：可將簡(jiǎn)譜轉(zhuǎn)換成顯示五線譜。 4.2、測(cè)試結(jié)果 4.2.1、仿真測(cè)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(gè)獨(dú)立鍵盤分別代表七個(gè)音符，可現(xiàn)場(chǎng)編曲。同時(shí)，數(shù)碼管顯示每個(gè)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(cè)試 通過對(duì)成品進(jìn)行調(diào)試實(shí)驗(yàn)，所得到的結(jié)果與仿真結(jié)果相同。 4.3、測(cè)試分析 由測(cè)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下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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