单片机课程设计报告-音乐盒

课程设计报告

( 2014—2015 年度第二学期)

课程：单片机及嵌入式系统A

题目：音乐盒

院系：自动化系

班级：测控1201

学号：201202030102

201202030110

学生姓名：*****

****

指导教师：张妍

设计周数：一周

成绩：

日期：2015年6 月11 日

一、课程设计内容与要求

1．针对所选择的设计题目进行硬件设计，合理选用所需元器件，绘制系统结构框图、硬件接线图，并在实验系统上完成电路的连接和调试。

2．根据所选题目的要求进行程序设计，绘制程序总体流程图并编写源程序上机调试。

3．写出课程设计报告，对整个设计过程进行归纳和综合，对设计中所存在的问题和不足进行分析和总结，提出解决的方法、措施、建议和对这次设计实践的认识和收获。

二、课程设计正文

(1)设计题目:音乐盒

(2)设计思想阐述:应用AT89C51单片机，4*4矩阵键盘，蜂鸣器，数码管实现音乐盒功能。其中以AT89C51芯片为主芯片的控制电路达到如下的设计要求：

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，从而演奏乐曲（一共四首）。

播放过程中数码管显示歌曲编号（4-7）

开机时数码管显示为0，等待按下功能键（按暂停键没有反应）

可通过矩阵键盘中的功能键（0-3）选择音乐暂停，播放，上一首，下一首，以及直接按键（4-7）选择所要播放的歌曲

播放完当前歌曲后如果没有任何操作则直接播放下一首，实现四首歌曲循环播放

(3)系统工作原理介绍:电路设计采用的是51单片机学习板，电路图如下：

本设计中用到了AT89C51单片机，4*4键盘，蜂鸣器，2 数码管等硬件电路常用元器件。

<3.1>AT89C51 芯片功能和硬件连接：

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性：

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：1000写/擦循环

·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明（如图3.1）：图3.1

VCC：供电电压。 GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”

后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

管口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：/EA保持低电平时，在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH 编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

<3.2> LED数码管

LED（Light Emitting Diode）是发光二极管英文名称的缩写。LED显示器是由发光二极管构成的，所以在显示器前面冠以“LED”。LED显示器在单片机系统中的应用非常普遍。LED显示器的结构: 常用的LED显示器为8段。每一个段对应1个发光二极管，这种显示器有共阳极和共阴极两种：共阴极LED显示器的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED显示器的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压，当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，相应的段被显示。为了使LED显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为LED提供代码，因为这些代码可使LED相应的段发光，从而显示不同字型，因此该代码称为段码。

7段发光二极管，再加上1个小数点位，共计8位。因此提供给LED显示器的段码正好是1B。各段与字节中各位对应关系如下表3.1：

表3.1 8段LED结构及外形

LED显示器工作原理:

由N个LED显示块可以拼接成N位的LED显示器。如图是LED显示器的结构原

理图

N个LED显示器有N个位选线和8*N位根段码线。

段码线控制显示字符的字型，而位选线为各个LED显示块中

各段的公共端，它控制该LED显示位的亮或暗。LED显示器

有静态显示和动态显示两种。

<3.3>键盘

键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘输入的特点:

键盘实质上是一级按键开关的集合。通常，键盘开关利用了机械触点的合、断作用。

按键的确认:

键的闭合与否，反映在行线输出电压上就呈现高电平或低电平，如果高电平表示键断开，低电平则表示键闭合，通过对行线电平高低状态的检测，便可确认按键按下与否。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键有效，必须消除抖动的影响。按键输入电路由4*4矩阵键盘组成，P3口作为输入控制按键，其中P3.0~P3.3扫描行，P3.4~P3.7扫描列。

如何消除按键的抖动:

采用软件来消除按键抖动的基本思想是：在一次检测到有键按下时，该键所对应的行线为低电平，执行一段延时程序后，确认该行线电平是不否仍为低电平，如果仍为低电平，则确认为该行确实有键按下。当按键松开时，行线的低电平变为高电平，执行一段延时程序后，检测该行线为高电平，说明按键确实已经松开。

<3.4>发音原理介绍

发音原理：播放一段音乐需要的是两个元素，一个是音调，另一个是节拍。首先要了解对应的音调，音调主要由声音的频率决定。对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升。这样就对发音的原理有了一些初步的了解。

音符的发音主要靠不同的音频脉冲。利用单片机的内部定时器/计数器1，使其工作在模式1，定时中

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反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。

音符频率的产生：音符及定时器初始值：

例如：中音1（do）的音频=523HZ,周期T=1/523s=1912

s μ

定时器/计数器0的定时时间为：T/2=1912/2

sμ=956sμ

定时器956

sμ的计数值=定时时间/机器周期=956sμ/1sμ=956(时钟频率=12MHZ) 装入T0计数器初值为65536-956=64580

将64580装入T0寄存器中，启动T0工作后，每计数956次时将产生溢出中断，进入中断服务时，每次对P3.0引脚的输出值进行取反，就可得到中音DO（523HZ）的音符音频。将51单片机内部定时器工作在计数器模式1下，改变计数初值TH0,TL0以产生不同的频率。下表1.1是C调各音符频率的对照表：

表4.1 C调各音符频率的对照表

音符、音符编码及定时器初始值：

为了产生音符，必须求出音符低音5—高音5的计数初值。例如C调的中音DO的THTL=65536-500000/523=64580,高音DO的THTL=65536-500000/1042=65056。为了方便写谱，对其进行简单的编码，在编程时，根据音符编码（表1.2）查找对应的计数所减值。

音乐的节拍产生：音乐中的节拍用延时时间产生。例如，1拍=1s，1/4拍=0.25s，以此类推。假设1/4拍执行0.25s延时程序，则1/2拍就执行1s延时程序，所以只要求出1/4拍的延时时间，其余节拍就是它的倍数。

(4)系统程序设计:源程序见附录1，程序流程图见附录2

(5)系统调试结果：通过调试达到了预期目标，实现了音乐盒播放音乐盒的各种功能按下0号键播放，按下1号键暂停，按下2号键播放上一首歌曲，按下3号键播放下一首歌曲，按下4号键播放编号为0 的歌曲，按下5号键播放编号为1的歌曲，按下6号键播放编号为2的歌曲，按下7号键播放编号为3的歌曲，其他按键按下无反应。

三、课程设计总结

1、对整个设计工作过程进行归纳和综合:我组成员在本学期第十二周开始准备此次课设，课设之前，我组针对老师在课程设计中所要求的功能进行了解，并且查阅大量资料，在丰富了思路之后结合课上所学知识确定了我组自己的设计方案。按照功能要求，运用仿真软件画出了实验所需的图，并初步写出设计程序，通过对程序的多次调试，基本实现了音乐盒的功能，在本周，我们进行了音乐盒的功能后期完善工作。前期我组所设计的音乐盒只能实现最简单的功能，按下K1按键，开始播放歌曲，再按下则进行音乐切换，若不按则当前歌曲播放完毕后自动播放下首歌曲，在后期完善中，我组新添了矩阵键盘的8个按键，增加了暂停，播放，上一首，下一首等功能，并且优化程序，使程序看起来简洁易懂，在原有的音符代码中，将音调和节拍代码段合二为一，减少代码段，减小了hex文件的大小。并在程序中添加注释，使之简单易懂。

2、对设计中所存在的问题和不足进行分析和总结：

（1）不能显示完整的歌曲名称，只能显示编号，51单片机数码管显示功能较为简单

（2）所存歌曲曲目太少，51单片机自带内存太小

（3）使用学习板所播放的音乐不好听，听起来像噪音，51单片机上的蜂鸣器不太好，不能播放出好听的声音

3、提出解决问题的方法、建议和对这次设计实践的认识和收获：

（1）将单片机中数码管换为1602液晶显示，就可以显示完整歌曲名称，并且可以显示开机欢迎语。

（2）使用外带存储器，加大存储空间，存储更多音乐。

（3）改接电路，将学习板中的蜂鸣器换个质量好点的喇叭。

收获：本次课程设计通过编写C语言程序、利用AT89C52芯片及其他硬件接口，设计并实现了音乐盒拟发声系统，并在此基础上进行了程序优化，使扬声器能播放四首乐曲。

通过此次课程设计，对单片机系统分析和设计，我们对《单片机原理与实践指导》中所学内容有了更为深刻的理解。与此同时，我们也基本掌握了程序设计的基本方法，了解了计算机发声原理，进一步熟悉了定时器编程方法、键盘扫描电路工作原理及编程方法，并顺利实现了音乐盒的设计。

课设过程中，我组也遇到一些问题，在程序运行有误时，我们分析程序并找到问题所在的能力还有待提高，对乐曲的演奏也不是非常完美。我们对困难不断攻克，最终顺利完成。对程序的设计，对软件的学习，对乐谱的分析……面对种种困难，我们两人团结协作，互帮互助。思考和讨论的同时，其他同学和老师的帮助让我们拨开迷雾，发现并解决问题。

总之，通过此次课程设计，我们对单片机系统的基本设计能力得到提高，同时也提高了我们的实践动手能力和创新能力，在今后的学习中，我们将总结经验吸取教训，将所学的基础知识更多、更好地运用到理论研究和科学实践中去。

四、参考文献

[1] 杨振江冯军 单片机原理与实践指导. 中国电力出版社, 2008年8月第一版. 2012年5月

[2]https://www.360docs.net/doc/5d17771105.html,/link?url=Pj3pw2RvKKU2I7RTiN1WgpoGidSgj4GsD_7uXYWT7LQYHHlZDNvZA p9FmgJAm4u-ycbvQrIFgtJrVaKf-InptUezJIRmHMf4gQbjjwcGvsS

附录1：程序

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit P16=P1^6;

uchar n,th,tl,smg=0,sum=0,flag=0,keycode_L,keycode_H,i,keycode,flag1=1,yindiao,jiepai;

uint T;

uchar code

tab[16]={0x0C0,0x0F9,0x0A4,0x0B0,0x99,0x92,0x82,0x0F8,0x80,0x90,0x88,0x83,0x0C6,0x0A1,0x86,0x08E};

//数码管0~f字形码

uchar code

keycode_tab[]={0xee,0xed,0xeb,0xe7,0xde,0xdd,0xdb,0xd7,0xbe,0xbd,0xbb,0xb7,0x7e,0x7d,0x7b,0x77};

uint code scale[15]={ 0,956,852,759,716,638,568,506, //中音1234567频率

478,426,379,358,319,284,253 //高音1234567频率

};

uint code song[4][80]={

//小星星

{

0x14,0x14,0x54,0x54,0x64,0x64,0x58,0x04,

0x44,0x44,0x34,0x34,0x24,0x24,0x18,0x04,

0x54,0x54,0x44,0x44,0x34,0x34,0x28,0x04,

0x54,0x54,0x44,0x44,0x34,0x34,0x28,0x04,

0x14,0x14,0x54,0x54,0x64,0x64,0x58,0x04,

0x44,0x44,0x34,0x34,0x24,0x24,0x18,0x04,

0x54,0x54,0x44,0x44,0x34,0x34,0x28,0x04,

0x54,0x54,0x44,0x44,0x34,0x34,0x28,0x04,

0x14,0x14,0x54,0x54,0x64,0x64,0x58,0x04,

0x44,0x44,0x34,0x34,0x24,0x24,0x18,0xfc

},

//欢乐颂

{

0x34,0x34,0x44,0x54,0x54,0x44,0x34,0x24,0x14,0x14,0x24,0x34,0x36,0x22,0x28,0x04,

0x34,0x34,0x44,0x54,0x54,0x44,0x34,0x24,0x14,0x14,0x24,0x34,0x26,0x12,0x18,0x04,

0x24,0x24,0x34,0x14,0x24,0x32,0x42,0x34,0x14,0x24,0x32,0x42,0x34,0x24,0x14,0x24,0x58,0x04,

0x34,0x34,0x44,0x54,0x54,0x44,0x34,0x24,0x14,0x14,0x24,0x34,0x26,0x12,0x18,0xfc

},

//天空之城

{

0x62,0x72,0x86,0x72,0x84,0xa4,0x7c,0x04,

0x32,0x32,0x66,0x52,0x64,0x82,0x58,0x04,

0x32,0x32,0x46,0x32,0x42,0x16,0x38,0x04,

0x82,0x82,0x82,0x76,0x42,0x44,0x74,0x78,0x04,

0x62,0x72,0x86,0x72,0x84,0xa4,0x78,0x04,

0x32,0x32,0x66,0x52,0x64,0x84,0x5c,0x04,

0x32,0x44,0x82,0x72,0x74,0x84,0x92,0x92,0xa2,0x84,0x04,

0x82,0x72,0x62,0x62,0x74,0x54,0x68,0xfc

},

//致爱丽丝

{

0xa3,0x93,0xa3,0x93,0xa3,0x73,0x93,0x83,0x66,0x04,

0x13,0x33,0x63,0x76,0x04,0x33,0x53,0x73,0x86,0x04,

0x33,0xa3,0x93,0xa3,0x93,0xa3,0x73,0x93,0x83,0x66,0x04,

0x13,0x33,0x63,0x76,0x04,0x33,0x83,0x73,0x6c,0xfc

}

};

//定时器延时

void time() interrupt 1

{

T--; //计数减1

TH0=0x0fc;

TL0=0x66; //定时器0再次赋初值

}

//产生占空比为0.5的声音信号

void PWM() interrupt 3

{

TH1=th;

TL1=tl;

}

void main()

{

TMOD=0x11; //T0工作方式1,T1工作方式1

TH0=0x0fc;

TL0=0x66; //对T0赋初值，定时为1ms，11.0592MHz EA=1; //打开总中断

ET0=1; //打开T0定时器

ET1=1;

P2=0x0fe; //选通个位数码管

P0=0x0c0; //使数码管初始显示0

while(1)

{

P3=0xf0;

keycode_H=P3&0xf0;

if(keycode_H!=0xf0)

{

T=5;

TR0=1;

while(T>0);

TR0=0;

if(keycode_H!=0xf0)

keycode_H=P3&0xf0;

}

P3=0x0f;

keycode_L=P3&0x0f;

if(keycode_L!=0x0f)

{

T=5;

TR0=1;

while(T>0);

TR0=0;

if(keycode_L!=0x0f)

while(P3!=0x0f);

flag=1;

}

keycode=keycode_H+keycode_L; //keycode：键值

for(i=0;i<16;i++)

{

if(keycode==keycode_tab[i])

n=i; //n:按键序号}

if(flag==1)

{

switch(n)

{

case 0:{flag1=0;break;}

case 1:{flag1=1;break;}

case 2:{flag1=0;smg--;if(smg==-1)smg=3;sum=0;break;}

case 3:{flag1=0;smg++;if(smg==4)smg=0;sum=0;break;}

case 4:{flag1=0;smg=n-4;sum=0;break;}

case 5:{flag1=0;smg=n-4;sum=0;break;}

case 6:{flag1=0;smg=n-4;sum=0;break;}

case 7:{flag1=0;smg=n-4;sum=0;break;}

}

flag=0;

}

if(flag1==1)continue;

yindiao=song[smg][sum]/16;

jiepai=song[smg][sum]%16;

if(yindiao==0)

{

P16=0;

T=100*jiepai;

TR0=1;

while(T>0)

{

P3=0xf0;

if(keycode_H!=0xf0)T=0;

}

TR0=0;

sum++;

P0=tab[smg];

}

if(yindiao==15)

{

smg++;

if(smg==4)smg=0;

sum=0;

P0=tab[smg];

}

if(yindiao<15&&yindiao>0)

{

th=(65536-scale[yindiao])/256;

tl=(65536-scale[yindiao])%256;

TR1=0;

TH1=th;

TL1=tl; //以上代码对T1赋初值

T=100*jiepai; //确定节拍时间数

TR0=1;

TR1=1;

while(T>0)

{

P3=0xf0;

keycode_H=P3&0xf0;

if(keycode_H!=0xf0)T=0;

}

P16=1;

TR0=0;

TR1=0; //关闭T0，T1定时器中断sum++; //播放下个音符

P0=tab[smg];

}

附录2：主程序流图