简易电子音乐盒设计

目录

[中文摘要] (1)

引言 (2)

一、设计方案 (2)

1．1 概述 (3)

1．2 方案论证 (3)

二、系统硬件简介及组成 (5)

2.1 8051的内部资源和结构特点 (5)

2.1.1 中央处理器 (6)

2.1.2 存储器组织 (7)

2.2 扣扣204440748提供完整版本 (7)

2.2.1 芯片的引脚描述 (7)

2.2.2 MCS-51单片机的片外总线结构 (10)

2.3 系统总体设计 (10)

2.3.1 时钟电路设计 (11)

2.3.2 复位电路设计 (11)

2.3.3 16按键键盘电路设计 (12)

2.3.4 8位LED显示器电路设计 (15)

2.3.5 外部存储器扩展电路 (19)

2.3.6 串行接口电路 (19)

2.3.7 蜂鸣器及驱动电路的介绍 (20)

三、软件设计 (20)

3.1 编程思路 (20)

3.2 播放方法 (21)

3.3 程序清单实例 (23)

四、总结 (39)

致谢及声明 (40)

参考文献 (41)

摘要

本课题是利用单片机原理设计一个简易的电子音乐盒。以8051单片机为核心（它由5V 直流电源供电），利用I/O口产生一定频率的方波，使用运算放大器的同相放大方式进行电路驱动（驱动蜂鸣器），发出不同的音调，从而演奏乐曲；使用七段LED数码管来进行显示歌曲序号（其中LED采用的是动态扫描显示），通过功能选择键并加以必要的外围电路来控制来选择、暂停和播放音乐。软件方面采用C语言和汇编语言综合编程及模块化结构设计，阐述了程序的各个模块和实现过程，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了，当知道模块的输入和所要求的输出时，就可直接测试小模块，增加了程序的可读性和可移植性,为了便于扩展和更改。

关键词: 单片机电路 LED 音乐盒中断编程

引言

电子音乐 ------ 当下时代的音乐标志,电子音乐的出现也以其特有的优势,同样把这种延伸提高到了一个全新的高度。与传统音乐的本质区别在于，它打破了千万年来传统音乐用“声乐语言”和“器乐语言”表达乐思的基本格局，以及手工操作的各种常规方法的局限性,而代之以任何声音都可入乐和改变了传统记谱法,并采用许多时代的软体化电子化的创作手段,确立了电子音乐以科学技术为依托和动力的发展思路，借助先进的技术手段探寻全新的音乐领域。正是由于这些独特优势才使电子音乐成为当下时代的音乐标志。

所谓单片机就是在一片硅片上集成了包括中央处理器CPU（Central Processing Unit）、随机存储器RAM（Random Access Memory）、只度存储器ROM（Read Only Memory）、中断系统、定时器以及多种I/O口（Input/Output ports）的一个不带外部设备的微型计算机，即

单片微型计算机，简称单片机。

单片机是微型计算机应用技术的一个重要分支，单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，得到了广泛的应用和迅速的发展，它已经渗透到我们生活的各个领域。单片机的应用无处不在，利用单片机控制音乐播放也多不胜举。音乐芯片也相当之多,而利用单片机存储音乐,控制播放最为广泛。它有功能多﹑价格优﹑外围电路简单的特点,备受音乐爱好者及音乐芯片制造商的青昧。

一、设计方案

1．1 概述：

本次设计任务是做一个电子音乐盒,用51单片机及少数外围电路控制音乐播放,对于单片机产生音乐,关键是控制频率的输出。我们知道,不同的声音对应不同的频率,产生有规律的频率输出就可以得到相应规律的声音。在音乐中,有8个基本音符:do﹑re﹑mi﹑fa﹑so ﹑la﹑xi﹑do八个不同的音符对应着不同的频率。只要对照音符输出相对应的频率,就可以产生美妙的音乐了。

当有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出音乐。同时启动定时计数器T1，显示播放时间，并驱动LCD，显示歌曲号及播放时间，可以在LED 显示歌曲号。

1．2 方案论证：

设计中我考虑了两种设计方案，两种设计方案中主要去区别在于硬件电路的不同，对于本设计通过模拟电路和单片机设计均可以实现，最后根据设计要求、可行性和适合性的考虑选择了单片机设计的方案。现在一一介绍论证如下：

[方案一]

此方案采用的是模拟电路，其中涉及有几部分：

（1）基准频率产生器，产生基准频率，其值应根据音调发生器的频率要求决定。电路可由晶振构成时钟脉冲振荡器。

（2）音调发生器，音调发生器产生各个音区与音符所对应的频率；音符代码存储器，用来存储与乐曲的音符对应的数字代码及乐曲的数量。

（3）通常先将乐曲进行编码，再将其代码存储在EPROM存储器。

（4）节拍发生器与地址计数器，节拍发生器的振荡频率由乐曲演奏的速度所决定。演奏的速度越快，节拍发生器的速度越高。

[方案二]

采用单片机进行设计：

在大体上对音乐播放器的功能按几个部分进行了划分,其中包括键盘扫

描、单键演奏、键盘点播乐曲、音乐输入存储及播放、液晶显示等几个部分。

随后进行分工，主要分为键盘扫描、键盘点播乐曲、音乐存储及播放部分，

并合作了实现电子琴演奏功能的部分，最后把程序整和在一起与硬件电路进行调试完成。

其中对于音乐的存储和演奏进行讨论。起初设想把音乐的声调高低这些信

息用不同的电压代表。将音符按音高和音长直接存储在数据存储器里并与按键相关联，调用自动演奏子程序产生相应频率和时长的方波电压输出到喇叭即可。通过A\D转换存储到内存单元里，而这不同的电压正可以通过不同的按键实现，后来在具体编程时发现有困难，于是在网上查到相应音高的分频值存储在寄存器里，并将其与对应的按键进行关联，通过键盘扫描子程序将对应的分频值送入单音播放子程序即可产生相应频率的电压方波，再将其输出到喇叭即可产生对应的音高实现电子音乐功能。

二、系统硬件简介及组成

2.1 8051的内部资源和结构特点

单片机又称微控制器，是在一块硅片集成了各种部件的微型计算机。8051是MCS-51系列单片机中的一个产品。它片内程序储存器ROM为掩膜型的，在制造芯片时已将应用程序固化进去，使它具有了某种专用功能，是HMOS工艺的器件。8051的结构包含下列几个部件：8位CPU；

片内振荡器及时钟电路；

32根I/O线；

外部存储器ROM和RAM寻址范围各64KB；

2个16位的定时器/计数器；

5个中断源，2个中断优先级；

全双工串行口；

布尔处理器。

其内部结构图示如下：

图2 - 1 8051 单片机的内部结构框图

以下分别介绍内部结构功能和特点:

2.1.1 中央处理器：

8051的中央处理器CPU由运算器（ALU）和控制逻辑（EU）构成，其中还包括若干特殊功能寄存器（SFR）

（1）运算部件：

它包括算术、逻辑部件ALU、布尔处理器、累加器ACC、寄存器B、暂存器TMP1和TMP2、程序状态字寄存器PSW以及十进制调整电路等。运算部件的功能是实现数据的算术逻辑运算、位变址处理和数据传送操作。

MCS-51单片机的ALU功能十分强，它不仅可对8位变量进行逻辑“与”、“或”、“异或”、循环、求补、清零等基本操作，还可以进行加、减、乘、除等基本运算。MCS-51单片机的ALU还具有一般微机ALU，如Z80、MCS-48所不具备的功能，即布尔处理功能。单片机指令系统中的布尔指令集、存储器中的位地址空间与CPU中的位操作构成了片内的布尔功能系统，它可对位（bit）变量进行布尔处理，如置位、清零、求补、测试转移及逻辑“与”、“或”等操作。在实现位操作时，借用了程序状态标志器（PSW）中的进位标志Cy作为位操作的“累加器”。

运算部件中的累加器ACC是一个8位的累加器（ACC也可简写为A）。从功能上看，它与一般微机的累加器相比没有什么特别之处，但需要说明的是ACC的进位标志Cy就是布尔处理器进行位操作的一个累加器。

MCS-51单片机的程序状态PSW，是一个8位寄存器，它包含了程序的状态信息如下：

（2）控制部件：

它是单片机的神经中枢，它包括时钟电路、复位电路、指令寄存器、译码以及信息传送控制部件。它以主振频率为基准发出CPU的时序，对指令进行译码，然后发出各种控制信号，完成一系列定时控制的微操作，用来控制单片机各部分的运行。其中有一些控制信号线能简化应用系统外围控制逻辑，如控制地址锁存的地址锁存信号ALE，控制片外程序存储器运行的片内外存储器选择信号EA，以及片外取指信号PSEN。

2.1.2 存储器组织：

MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：

1）片内程序存储器

2）片外程序存储器

3）片内数据存储器

4）片外数据存储器

但在逻辑上，即从用户的角度上，8051单片机有三个存储空间：

1）片内外统一编址的64K的程序存储器地址空间（MOVC）

2）256B的片内数据存储器的地址空间（MOV）

3）以及64K片外数据存储器的地址空间（MOVX）

在访问三个不同的逻辑空间时，应采用不同形式的指令，以产生不同的存储器空间的选通信号。EA为CPU的控制器专门提供的一个控制信号，当EA = 1，寻址内部ROM；EA = 0，寻址外部ROM，地址长度：16位。8051内部程序存储器寻址范围： 00H ~ FFH 容量64KB 。

8051单片机的特殊功能寄存器中包含有堆栈指针SP，堆栈是在内在中专门开辟出来的按照“先进后出，后进先出”原则进行存取的区域。

2.2 8051单片机的引脚描述和片外总线结构

2.2.1 芯片的引脚描述

HMOS制造工艺的MCS-51单片机都采用40引脚的直插封装（DIP方式），制造工艺为

CHMOS的80C51/80C31芯片除采用DIP封装方式外，还采用方型封装工艺，引脚排列如图。其中方型封装的CHMOS芯片有44只引脚，但其中4只引脚（标有NC的引脚1、12、23、34）是不使用的。在以后的讨论中，除有特殊说明以外，所述内容皆适用于CHMOS芯片。

图2 - 3 8051单片机引脚图

上图，是MCS-51的逻辑符号图。在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制或与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。

下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。

1）主电源引脚VCC和VSS

VCC——（40脚）接+5V电压；

VSS——（20脚）接地。

2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）接外晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对HMOS单片机，该引脚接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对XHMOS，此引脚应悬浮。

3）控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP

①RST/VPD（9脚）当振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

推荐在此引脚与VSS引脚之间连接一个约8.2k的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10μF的电容，以保证可靠地复位。

VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围（5±0.5V）内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

②ALE/PROG（30脚）：当访问外部存贮器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

对于EPROM单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

③PSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

④EA/VPP（引脚）：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH（对851/8751/80C51）或1FFFH（对8052）时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器。对于常用的8031来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

对于EPROM型的单片机（如8751），在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21V的编程电源（VPP）。

4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）

①P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LS型的TTL负载。

②P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

③P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电

路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

④P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口，在MCS-51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3能驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。

作为第一功能使用时，就作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。

作为第二功能使用时，各引脚的定义如表所示。

值得强调的是，P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。

2.2.2 MCS-51单片机的片外总线结构

综合上面的描述可知，I/O口线都不能当作用户I/O口线。除8051/8751外真正可完全为用户使用的I/O口线只有P1口，以及部分作为第一功能使用时的P3口。

单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入，用户I/O口外，其余管脚是为实现系统扩展而设置的。这些引脚构成MCS-51单片机片外三总线结构，即：

①地址总线（AB）：地址总线宽为16位，因此，其外部存储器直接寻址为

64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供8位地址（A0至A7）；

P2口直接提供8位地址（A8至A15）。

②数据总线（DB）：数据总线宽度为8位，由P0提供。

③控制总线（CB）：由P3口的第二功能状态和4根独立控制线RESET、EA、

ALE、PSEN组成。

2.3 系统总体设计：

本系统是一个适用于教学用的单片机系统，它包括：时钟电路、复位电路、16按键键盘、8位LED显示，以及驱动电路和蜂鸣器等。本设计将每一个功能电路都独立起来设计，当做是一个个模块，然后再进行组装，就成了这套完整的系统。

2.4 2.

3.1 时钟电路设计

8051内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。其输入端接引脚XTAL1，输出端接引脚XTAL2。在XTAL1和XTAL2之间接晶体振荡器，就构成稳定的自激振荡器，如图所示，电容器C1和C2通常都取20~30PF左右，对频率有微调作用。本系统为满足传输功能的要求，

晶体采用11.0592MHZ设计。

时钟电路是CPU的工作时序脉冲，是CPU能否正常工作的一个关键之处，时钟信号被干扰将导致CPU的工作时序发生混乱，使得系统不能正常工作，因此该时钟电路在本系统制作成实物时作如下处理：

①时钟脉冲电路尽量靠近CPU，引脚尽量段而粗；

②用地线包围振荡电路，晶体外壳接地；

③晶体电路电容要性能稳定，容量准确且远离发热元件；

2.3.2复位电路设计

8051的引脚RST/VPD通过片内一个施密特触发器与片内复位电路相连接，施密特触发器的输出在每个机器周期S5P2由复位电路采样一次。当RST/VPD引脚上保持2个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平时，8051进入复位状态。复位后，PC指向0000H，使单片机从程序存储器的起始地址0000H开始重新执行程序。

单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种，它们都是利用电容器的充电快放电慢来实现保持2个机器周期以上的高电平复位的。本系统中复位电路同时采用了上电自动复位和按键手动复位两种复位方式，且该处的按键手动复位方式采用的是按键电平复位方式。