基于51单片机的音乐盒的设计与实现
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沈阳航空航天大学
课 程 设 计 报 告
课程设计名称：单片机系统综合课程设计 课程设计题目：基于51单片机的音乐盒的设 计与实现
目
第1章 总体设计方案 1.1 设计原理 1.2 设计思路 1.3 实验环境 第2章 详细设计方案 2.1 硬件电路设计 2.2 主程序设计 2.3 功能模块的设计与实现 第3章 结果测试及分析 3.1 结果测试 3.2 结果分析 参考文献 附录1：元件清单 附录2: 总电路图 附录3： 程序代码
图2.9 曲目选择子程序功能图
第3章 结果测试及分析
3.1 结果测试
音乐播放器很好的实现了播放/暂停、上一曲、下一曲的 功能，并满足了数码管显示的特殊要求。 音效良好，能很好 听出乐曲的曲名。当然设计的音乐播放器也存在着不足之处。 8位LED数码管只能显示10以内的歌曲曲目，超过10将无法显 示。
附 录1 元件清单
名称 电阻 数码管 开关 单片机 三极管 扬声器 电源 电容 晶振 译码器 地址锁存器 七路反向器 三态反向八D锁 存器 数量 （个） 3 1 3 1 3 1 2 3 1 1 1 1 1 74LS138 74LS373 ULN2003A 74LS374 AT89C51 2N3906 SPEAKER 5V 22pf(2个) CRYSTAL 7SEG-DIGITAL BUTTON 型号 备注
如图2.6播音电路所示，播音电路是由数字扬声器连接p1.0 接口实现音乐的输出。如果通过p1.0直接接通扬声器，肯定不
会发出音乐，这里还需要通过一个三极管将电流放大，然后通 过单片机调用相应程序，并将音乐信号由p1.0口输出，驱动扬 声器发出美妙的音乐。
图2.6 播音电路
2.2 主程序设计
主程序实现对单片机进行初始化后，进入曲目识别子程 序，进行歌曲曲目判断。确定歌曲曲目后，数码管再进行显 示。然后，子程序对是否播放进行循环判断，得到播放中断的 指令后再进行播放。 执行播放后，关闭数码管显示并调用查表子程序进行播放 音乐。在播放音乐的过程中，查表子程序循环判断音乐是否结 束。当音乐结束时，程序跳转回曲目识别子程序。 主程序流程图如图2.7所示。
1.2 设计思路
采用汇编语言程序设计的方法结合硬件电路设计方法，利 用Lab6000实验箱上已有芯片来实现音乐盒的各项功能。
1) 提出方案
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。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
CLR F0 MOV 22H,#01H MOV DPTR,#OUT_TAB MOV A,22H MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#8004H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#8002H MOV A,#01H MOVX @DPTR,A MOV R7,#00H START0: MOV R4,#00H MOV R0,#30H MOV A,R7 DPTR ADD A,R0
参考文献
[1]王爱英.计算机组成与设计 [M]. 北京：教育出版社，2003 [2]杨素行.微型计算机系统原理及应用 [M]. 北京：清华大学出 版社，1996 [3]张雪兰.汇编语言程序设计 [M]. 北京：清华大学出版社， 2006 [4]龚尚福.微机原理与接口技术 [M]. 西安：西安电子科技大学 出版社，2003 [5]王中民.微型计算机原理 [M]. 西安：西安电子科技大学出版 社，2003 [6]沈美明，温冬婵.IBM-PC汇编语言程序设计[M]. 北京：清华 大学出版社，200
3.2 结果分析
调试过程中所遇到的问题： （1）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。 （2）数码管显示的时间与真正的时间进度不一致。 原因分析：定时器初值设置有误。本次设计的晶振为 6MHZ，而程序中的初值却设置成了6MHZ晶振所采用的值5000， 导致显示的时间比真正的时间要慢。
1.3 实验环境
硬件环境：Lab6000实验箱，PC机。 软件环境：Wave应用软件。
第2章 详细设计方案
2.1 硬件电路设计
硬件电路的设计需要借助Protel软件来实现。基于单片机音 乐盒的硬件电路设计是由8751单片机芯片、晶振电路、键控 电路、播音电路和显示电路几部分组成，总体框架图如图2.1 所示。
图2.1 硬件电路连线图
1） 单片机电路的设计
图2.2是8751单片机图，8751单片机是把那些作为控制应用 所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上， 除模拟比较器外其内部结构与8051内部结构基本一致。如果按 功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储 器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断 系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而 成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但 对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方 式。在8751单片机中存在中断源，其中有两个外部中断源、两 个内部中断源和一个串行中断源。通过TXAL1 与TXAL2输入 时钟信号，通过p0.0~p0.7输出控制现实控制信号的显示，通过 P1.0输出控制蜂鸣器发声，有INT0，INT1，T1分别作为上一 曲、下一曲和开始暂停的控制输入。
图2.7 主程序流程图
2.3 功能模块的设计与实现
功能模块包括，对开始/暂停，上一曲，下一曲三个中断
子程序的设计，具体的设计与实现如下几点所示：
1）播放/暂停子程序功能模块的设计与实现
播放/暂停在程序利用内部中断T0口。将T0口设为计数中 断并工作在方式2下。标识符初值赋值为R1=00H，计数初值设 为TH0=0FFH,TL0=0FFH。当按键第一次产生中断信号时，播放/ 暂停子程序改变标志符R1，将其赋值为01H。此时播放器由暂 停状态进入播放状态。当按键第二次产生中断信号时，播放/ 暂停子程序判断R1是否为02H后，将R1再次赋值为00H。此时， 播放器由播放状态进入暂停状态。具体流程图如图2.8所示。
INC R0 INC R5 INC R6 CJNE R6,#N+1,SET_TAB ;*********************************** MOV TMOD, #61H MOV TH1,#0FFH MOV TL1,#0FFH SETB ET1 SETB ET0 SETB PT1 SETB IT0 SETB IT1 SETB EX1 SETB EX0 SETB EA SETB TR1 SETB P1.0 ;设置F0=0，用来作暂停/播放的标置位用
乐曲。同时在LCD显示歌曲序号和歌曲名称。
2) 总体方案实现
(1)要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期(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)。
;将歌曲的节拍表的入口地址送到
MOV R0,A MOV DPH,@R0 INC R0 MOV DPL,@R0 INC R0 MOV A,R4 INC R4 MOVC A,@A+DPTR MOV 26H,A 中 NEXT: MOV R0,#30H 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 JZ END0 MOV R1,A ANL A,#0FH MOV R2,A MOV A,R1 SWAP A ANL A,#0FH JNZ SING CLR TR0 SJMP SING1 SING: DEC A MOV R3,A RL A MOV DPH,@R0 INC R0
Fra Baidu bibliotek
图2.3 键控电路
3） 显示电路的设计
如果所有的发光二极管的阴极接在一起，称之为共阴极结 构，则数码管显示段输入高电平有效，当某段输入高电平该段
便发光；使用时管子的上下端正中间的两个或者一个（内部公 共端已经接在一起）接线端接低电平，其它的每段显示如图 2.4所示。 本次课设通过单片机的P0.0-P0.7分别与数码管的 a、b、c、d、e、f、g、dp间接连接，从而显示播放音乐的序 号。
附 录2 总电路图 附 录3 程序代码
N EQU 3 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP LAST_SONG ORG 000BH AJMP F_T0 ORG 0013H AJMP NEXT_SONG ORG 001BH AJMP START_PAUSE ORG 0030H MAIN: MOV DPTR,#TABLE MOV R0,#30H MOV R5,#00H MOV R6,#1 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+DPTR MOV @R0,A INC R0 INC R5 MOV A,R5 MOVC A,@A+DPTR MOV @R0,A
图2.8 播放/暂停子程序功能图
2）曲目选择子程序功能模块的设计与实现
曲目选择子程序分为上一曲子程序和下一曲子程序。上一 曲和下一曲功能实现方式类似，分别由外部中断和外部中断。 下面以实现上一曲功能为例：首先设置标识符R7初始值为 00H。当按键产生中断信号，上一曲中断子程序改变标识符R7 的值为01H并改变曲目R0的值。播放子程序判断出标识符R7改 变后，先将R7赋值为00H，然后跳转到曲目识别子程序。具体 流程图如图2.9所示。
图2.2 8751单片机
2） 键控电路的设计
如图2.3控制电路所示，下一曲按键与单片机的INT1相连、 上一曲按键与INT0相连、开始/暂停键与T1相连。当电键按下 时接口接低电平，从而实现对音乐播放器的控制。下一曲按键 接通实现下一曲更换，上一曲按键接通实现上一曲更换，开 始/暂停按键接通实现开始/暂停操作。
录
第1章 总体设计方案
.1 设计原理
电子音乐已广泛地应用于社会生活的各个领域。其类型从 音乐卡片到CD、MP3 等多种多样，制作原理也各不相同。声 音是通过振动产生的。单片机对某一I/O引脚以一定的频率循 环置1和清0，这一引脚便产生一定频率的方波，该方波通过放 大后作用于扬声器便产生一定频率的声音。若改变输出方波的 频率，产生的声音也就改变了。通过控制输出方波的时间长 短,声音的长短也就得到控制。因此，根据乐谱，单片机就可 产生电子音乐。音乐中最关键的两个要素是音符和节拍。单片 机控制的音乐发生器系统由硬件电路和软件两部分构成。利用 单片机控制的电子音乐发生器软硬件上具有独特的优点，系统 的开发周期短，成本低，电路制作容易。更换歌曲时，硬件电 路无需作任何修改，只需修改软件即可实现。软件编程时，可 用51系列单片机的汇编语言。同时还可根据个人的习好通过软 件改变节拍的延时时间，增加电子音乐的趣味性。
图2.4 数码管
4） 晶振电路的设计
如图2.5所示，晶振电路由两个22pF的电容和一个6Mhz的晶 体振荡器组成。图中第一条输入线与8751单片机的X1相连接， 图中第二条输入线与单片机的X2相连接。晶振电路为单片机提 供时间信号，为音乐的播放节拍控制提供基本时间单位。
图2.5 晶振电路
5） 播音电路的设计
课 程 设 计 报 告
课程设计名称：单片机系统综合课程设计 课程设计题目：基于51单片机的音乐盒的设 计与实现
目
第1章 总体设计方案 1.1 设计原理 1.2 设计思路 1.3 实验环境 第2章 详细设计方案 2.1 硬件电路设计 2.2 主程序设计 2.3 功能模块的设计与实现 第3章 结果测试及分析 3.1 结果测试 3.2 结果分析 参考文献 附录1：元件清单 附录2: 总电路图 附录3： 程序代码
图2.9 曲目选择子程序功能图
第3章 结果测试及分析
3.1 结果测试
音乐播放器很好的实现了播放/暂停、上一曲、下一曲的 功能，并满足了数码管显示的特殊要求。 音效良好，能很好 听出乐曲的曲名。当然设计的音乐播放器也存在着不足之处。 8位LED数码管只能显示10以内的歌曲曲目，超过10将无法显 示。
附 录1 元件清单
名称 电阻 数码管 开关 单片机 三极管 扬声器 电源 电容 晶振 译码器 地址锁存器 七路反向器 三态反向八D锁 存器 数量 （个） 3 1 3 1 3 1 2 3 1 1 1 1 1 74LS138 74LS373 ULN2003A 74LS374 AT89C51 2N3906 SPEAKER 5V 22pf(2个) CRYSTAL 7SEG-DIGITAL BUTTON 型号 备注
如图2.6播音电路所示，播音电路是由数字扬声器连接p1.0 接口实现音乐的输出。如果通过p1.0直接接通扬声器，肯定不
会发出音乐，这里还需要通过一个三极管将电流放大，然后通 过单片机调用相应程序，并将音乐信号由p1.0口输出，驱动扬 声器发出美妙的音乐。
图2.6 播音电路
2.2 主程序设计
主程序实现对单片机进行初始化后，进入曲目识别子程 序，进行歌曲曲目判断。确定歌曲曲目后，数码管再进行显 示。然后，子程序对是否播放进行循环判断，得到播放中断的 指令后再进行播放。 执行播放后，关闭数码管显示并调用查表子程序进行播放 音乐。在播放音乐的过程中，查表子程序循环判断音乐是否结 束。当音乐结束时，程序跳转回曲目识别子程序。 主程序流程图如图2.7所示。
1.2 设计思路
采用汇编语言程序设计的方法结合硬件电路设计方法，利 用Lab6000实验箱上已有芯片来实现音乐盒的各项功能。
1) 提出方案
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。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
CLR F0 MOV 22H,#01H MOV DPTR,#OUT_TAB MOV A,22H MOVC A,@A+DPTR MOV DPTR,#8004H MOVX @DPTR,A MOV DPTR,#8002H MOV A,#01H MOVX @DPTR,A MOV R7,#00H START0: MOV R4,#00H MOV R0,#30H MOV A,R7 DPTR ADD A,R0
参考文献
[1]王爱英.计算机组成与设计 [M]. 北京：教育出版社，2003 [2]杨素行.微型计算机系统原理及应用 [M]. 北京：清华大学出 版社，1996 [3]张雪兰.汇编语言程序设计 [M]. 北京：清华大学出版社， 2006 [4]龚尚福.微机原理与接口技术 [M]. 西安：西安电子科技大学 出版社，2003 [5]王中民.微型计算机原理 [M]. 西安：西安电子科技大学出版 社，2003 [6]沈美明，温冬婵.IBM-PC汇编语言程序设计[M]. 北京：清华 大学出版社，200
3.2 结果分析
调试过程中所遇到的问题： （1）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。 （2）数码管显示的时间与真正的时间进度不一致。 原因分析：定时器初值设置有误。本次设计的晶振为 6MHZ，而程序中的初值却设置成了6MHZ晶振所采用的值5000， 导致显示的时间比真正的时间要慢。
1.3 实验环境
硬件环境：Lab6000实验箱，PC机。 软件环境：Wave应用软件。
第2章 详细设计方案
2.1 硬件电路设计
硬件电路的设计需要借助Protel软件来实现。基于单片机音 乐盒的硬件电路设计是由8751单片机芯片、晶振电路、键控 电路、播音电路和显示电路几部分组成，总体框架图如图2.1 所示。
图2.1 硬件电路连线图
1） 单片机电路的设计
图2.2是8751单片机图，8751单片机是把那些作为控制应用 所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上， 除模拟比较器外其内部结构与8051内部结构基本一致。如果按 功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储 器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断 系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而 成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但 对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方 式。在8751单片机中存在中断源，其中有两个外部中断源、两 个内部中断源和一个串行中断源。通过TXAL1 与TXAL2输入 时钟信号，通过p0.0~p0.7输出控制现实控制信号的显示，通过 P1.0输出控制蜂鸣器发声，有INT0，INT1，T1分别作为上一 曲、下一曲和开始暂停的控制输入。
图2.7 主程序流程图
2.3 功能模块的设计与实现
功能模块包括，对开始/暂停，上一曲，下一曲三个中断
子程序的设计，具体的设计与实现如下几点所示：
1）播放/暂停子程序功能模块的设计与实现
播放/暂停在程序利用内部中断T0口。将T0口设为计数中 断并工作在方式2下。标识符初值赋值为R1=00H，计数初值设 为TH0=0FFH,TL0=0FFH。当按键第一次产生中断信号时，播放/ 暂停子程序改变标志符R1，将其赋值为01H。此时播放器由暂 停状态进入播放状态。当按键第二次产生中断信号时，播放/ 暂停子程序判断R1是否为02H后，将R1再次赋值为00H。此时， 播放器由播放状态进入暂停状态。具体流程图如图2.8所示。
INC R0 INC R5 INC R6 CJNE R6,#N+1,SET_TAB ;*********************************** MOV TMOD, #61H MOV TH1,#0FFH MOV TL1,#0FFH SETB ET1 SETB ET0 SETB PT1 SETB IT0 SETB IT1 SETB EX1 SETB EX0 SETB EA SETB TR1 SETB P1.0 ;设置F0=0，用来作暂停/播放的标置位用
乐曲。同时在LCD显示歌曲序号和歌曲名称。
2) 总体方案实现
(1)要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期(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)。
;将歌曲的节拍表的入口地址送到
MOV R0,A MOV DPH,@R0 INC R0 MOV DPL,@R0 INC R0 MOV A,R4 INC R4 MOVC A,@A+DPTR MOV 26H,A 中 NEXT: MOV R0,#30H 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 JZ END0 MOV R1,A ANL A,#0FH MOV R2,A MOV A,R1 SWAP A ANL A,#0FH JNZ SING CLR TR0 SJMP SING1 SING: DEC A MOV R3,A RL A MOV DPH,@R0 INC R0
Fra Baidu bibliotek
图2.3 键控电路
3） 显示电路的设计
如果所有的发光二极管的阴极接在一起，称之为共阴极结 构，则数码管显示段输入高电平有效，当某段输入高电平该段
便发光；使用时管子的上下端正中间的两个或者一个（内部公 共端已经接在一起）接线端接低电平，其它的每段显示如图 2.4所示。 本次课设通过单片机的P0.0-P0.7分别与数码管的 a、b、c、d、e、f、g、dp间接连接，从而显示播放音乐的序 号。
附 录2 总电路图 附 录3 程序代码
N EQU 3 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP LAST_SONG ORG 000BH AJMP F_T0 ORG 0013H AJMP NEXT_SONG ORG 001BH AJMP START_PAUSE ORG 0030H MAIN: MOV DPTR,#TABLE MOV R0,#30H MOV R5,#00H MOV R6,#1 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+DPTR MOV @R0,A INC R0 INC R5 MOV A,R5 MOVC A,@A+DPTR MOV @R0,A
图2.8 播放/暂停子程序功能图
2）曲目选择子程序功能模块的设计与实现
曲目选择子程序分为上一曲子程序和下一曲子程序。上一 曲和下一曲功能实现方式类似，分别由外部中断和外部中断。 下面以实现上一曲功能为例：首先设置标识符R7初始值为 00H。当按键产生中断信号，上一曲中断子程序改变标识符R7 的值为01H并改变曲目R0的值。播放子程序判断出标识符R7改 变后，先将R7赋值为00H，然后跳转到曲目识别子程序。具体 流程图如图2.9所示。
图2.2 8751单片机
2） 键控电路的设计
如图2.3控制电路所示，下一曲按键与单片机的INT1相连、 上一曲按键与INT0相连、开始/暂停键与T1相连。当电键按下 时接口接低电平，从而实现对音乐播放器的控制。下一曲按键 接通实现下一曲更换，上一曲按键接通实现上一曲更换，开 始/暂停按键接通实现开始/暂停操作。
录
第1章 总体设计方案
.1 设计原理
电子音乐已广泛地应用于社会生活的各个领域。其类型从 音乐卡片到CD、MP3 等多种多样，制作原理也各不相同。声 音是通过振动产生的。单片机对某一I/O引脚以一定的频率循 环置1和清0，这一引脚便产生一定频率的方波，该方波通过放 大后作用于扬声器便产生一定频率的声音。若改变输出方波的 频率，产生的声音也就改变了。通过控制输出方波的时间长 短,声音的长短也就得到控制。因此，根据乐谱，单片机就可 产生电子音乐。音乐中最关键的两个要素是音符和节拍。单片 机控制的音乐发生器系统由硬件电路和软件两部分构成。利用 单片机控制的电子音乐发生器软硬件上具有独特的优点，系统 的开发周期短，成本低，电路制作容易。更换歌曲时，硬件电 路无需作任何修改，只需修改软件即可实现。软件编程时，可 用51系列单片机的汇编语言。同时还可根据个人的习好通过软 件改变节拍的延时时间，增加电子音乐的趣味性。
图2.4 数码管
4） 晶振电路的设计
如图2.5所示，晶振电路由两个22pF的电容和一个6Mhz的晶 体振荡器组成。图中第一条输入线与8751单片机的X1相连接， 图中第二条输入线与单片机的X2相连接。晶振电路为单片机提 供时间信号，为音乐的播放节拍控制提供基本时间单位。
图2.5 晶振电路
5） 播音电路的设计