完整版康辉 毕业设计.docx
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完整版康辉毕业设计
西安工业大学北方信息工程学院
本科毕业设计(论文)
题目:
基于单片机的音乐播放器设计
系别光电信息系
专业光电信息工程
班级B110106
姓名康辉
导师巩蕾
2015年5月
西安工业大学毕业设计(论文)任务书
1.毕业设计(论文)题目:
基于单片机的音乐盒播放器设计
2.题目背景和意义:
语音及音乐播放在仪器仪表、家用电器及各种玩具中应用非常广泛。
掌握基于单片机的语音存储、编码、解码及播放对提高学生的电子类产品设计能力有很大的帮助。
本课题使用语音芯片来存储播放语音片段,在单片机的控制下实现语音播放、音量控制、循环等功能。
3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标):
1)编解码的一些基本原理;
2)画出硬件原理图,包括单片机、语音芯片和键盘;
3)画出软件流程图,采用单片机C语言或汇编语言进行编程;实现自行定义按键盘,当有键按下时,能相应的播放出歌曲。
有一个停止键能控制音乐的播放;
4)完成硬件与软件调试综合调试,实现预定功能。
4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点):
(1)毕业设计的态度端正、认真,目的明确;
(2)按照《西安工业大学本科毕业设计(论文)撰写规范》撰写论文;
(3)论文的字数要求15000字以上;
(4)参考文献15篇以上;
(5)按照任务书的要求、进度完成相应的工作;
(6)按照老师所指定的时间向老师汇报所做的工作情况。
(7)不懂的问题应及时与老师讨论。
毕业设计的进度安排:
1-4周:
方案论证,完成开题报告,进行开题答辩。
5-8周:
设计算法流程,编制程序。
完成中期报告和外文翻译,准备中期答辩。
9-13周:
调试。
14周:
书写论文,准备毕业答辩。
5.毕业设计(论文)的工作量要求
①实验(时数)*或实习(天数):
上机100小时以上
②图纸(幅面和张数)*:
③其他要求:
论文字数约15000字,其中参考文献不少于15篇,外文不少于3篇,不少于3000字的文献翻译1篇。
指导教师签名:
年月日
学生签名:
年月日
系主任审批:
年月日
说明:
1本表一式二份,一份由学生装订入附件册,一份教师自留。
2带*项可根据学科特点选填。
基于单片机的音乐盒播放器设计
摘要
基于单片机的音乐盒,利用VS1003语音芯片和LCD12864液晶显示屏来实现音乐解码和显示播放曲目的信息,以及利用PAM8403实现功率放大。
本文阐述一种基于STC12C5A60S2单片机的一种音乐播放器系统,通过按键来控制音乐的播放暂停和上一曲下一曲等功能。
着重给出了硬件系统的各部分电路以及软件流程设计的基本思想。
着重阐述了STC12C5A60S2单片机的基本功能、最小系统设计、按键设计、VS1003音乐芯片的基本功能与设计思路以及软件程序的整体设计方案。
该电路设计新颖、功能强大、结构简单。
并且基于STC12C5A60S2单片机和VS1003语音芯片组合的音乐播放器在生活中的有很强的实用性和广泛的适用性。
关键词:
增强型8051单片机;液晶显示;按键控制;解码;音乐播放器
MusicBoxPlayerBasedonMicrocontroller
Abstract
MusicBoxisbasedonMicrocontroller,useVS1003voicechipandLCD12864LCDmonitortoachievemusicdecodinganddisplayplayingtrackinformation,andtheuseofPAM8403achievepoweramplification.
ThispaperdescribesamusicplayersystemofamicrocontrollerbasedSTC12C5A60S2,tothroughthekeycontrolthemusicplaybackpauseandpreviousnexttrackfunctions.Emphasisisgivenforeachpartofthecircuitof,ThebasicfunctionofSTC12C5A60S2Microcontrollerminimumsystemdesign,buttondesign.
VS1003chipmusicbasicfunctionsanddesignideasaswellastheoveralldesignofthesoftwareprogram.Thecircuitdesignisnovel,powerful,simplestructure.MusicplayerconsistsofSTC12C5A60S2microcontrollerandVS1003voicechip,life.
KeyWords:
Single-ChipMicrocomputerofenhanced8051;LCD;buttoncontrol;decoding;MusicPlayer
1绪论1
1.1题目背景及研究意义1
1.2国内外发展状况1
1.3主要技术指标2
1.4本文主要研究内容2
2方案论证3
2.1设计要求3
2.2主控器部分3
2.2.1方案一3
2.2.2方案二4
2.3音乐芯片部分5
2.3.1方案一5
2.3.2方案二6
2.4液晶显示部分8
2.5功放部分9
2.6系统方案10
2.7本章小结11
3硬件电路设计12
3.1AltiumDesigner介绍12
3.2STC12C5A60S2的概况13
3.3单片机最小系统18
3.3.1电源电路18
3.3.2振荡电路19
3.3.3单片机最小系统电路20
3.4其他部分电路21
3.5选择键盘监测方法23
3.6整体电路24
3.7本章总结24
4软件电路25
4.1STC单片机开发环境介绍25
4.2VS1003芯片程序26
4.3总程序28
4.4本章小结28
5系统试验及调试29
5.1硬件调试29
5.2软件调试30
5.3综合测试30
5.4本章小结31
6结论32
参考文献34
致谢36
毕业设计(论文)知识产权声明37
毕业设计(论文)独创性声明38
附录A电路原理图39
附录B总程序42
1绪论
1.1题目背景及研究意义
当在进入21世纪后,单片机产品的发展正朝着高性能和多品种方向,并且发展趋势是进一步朝着CMOS化、小体积、低功耗、大容量、高性能、低价格以及外围的电路内装化等几个方面去发展[1]。
单片机的应用的重要意义还是在于它是从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
过去必须要由模拟电路或者数字电路才可以实现的大部分的功能,现在已能完全可以用单片机通过软件的方法来实现了。
单片机可以说渗透到了我们生活的各个方面,几乎难以找到哪个领域里没有单片机的踪迹。
导弹中的导航装置,飞机里安装的各种仪表的控制,计算机里的网络通讯与数据传输方面,工业自动化过程中实时控制和数据处理方面,民用的高档轿车的安全保障系统,摄像机、录像机、全自动洗衣机所涉及的控制方面,这些全都是离不开单片机的[2]。
随着科学技术的进步和社会的发展,人类所接触的信息也在不断增加并且日益复杂。
面对浩如烟海的信息,人们已经能够利用计算机等工具高效准确地对之进行处理,但要想将处理完的信息及时,清晰地传递给别人,还必须通过寻求更加卓越的显示技术来实现。
单片机技术与液晶显示技术的结合,使信息传输交流向着智能可视化方向迅速发展[3]。
随着人类社会的发展,人们对视觉、听觉方面的享受提出了越来越高的要求。
小小的音乐盒可以给人们带来美好的回忆,提高人们的精神文化享受。
传统音乐盒多是机械型的,体积笨重,发音单调,不能实现批量生产。
1.2国内外发展状况
在在国内外都已经得到了充分的发展。
据统计,我国的单片机年需求量已达1-3亿片,且每年以大约16%的速度增长,但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。
特别是沿海地区的电子厂,其产品多数要用到单片机,并不断地向内地辐射,这说明单片机应用在我国才刚刚起步,有着广阔的前景。
这种基于单片机的音乐播放器都非常流行[4]。
据网络公司JupiterMediaMetriX的统计数据显示:
使用基于单片机音乐播放器(无论是离线播放器还是网络播放器)的家庭用户从2011年10月的33200万猛增到2012年的41700万以单片机为基础的音乐播放器设计成本低、音质效果好,值得推广[5]。
扩展功能强大的音乐播放器是未来音乐播放器的发展趋势,体积小,携带方便而且功能又强大,这也是现在所有电子产品的未来。
1.3主要技术指标
(1)语音存储及编解码的基本原理;
(2)用Altiumdesigner画出硬件原理图,包括单片机、语音芯片和键盘;
(3)画出软件流程图,采用单片机C语言或汇编语言进行编程;实现自定义按键,当有键按下时,能相应的播放出歌曲;有一个停止键能控制音乐的播放。
(4)完成硬件与软件调试综合调试,实现预定功能。
1.4本文主要研究内容
本文分为五部分来介绍该设计的详细方法:
第一章绪论总体的介绍本次设计的背景,以及技术指标;
第二章将从硬件部分的选取开始,分别陈述了单片机、音乐芯片、LCD、功放的选取,以及硬件电路的整体设计方案;
第三章从硬件部分的设计做以介绍,主要包括单片机最小电路的设计,音乐芯片的周围电路设计,显示屏的电路设计,功放的电路设计,控制按钮的电路设计;
第四章讲述了软件部分的设计思路以及各部分程序的设计方法;
第五章介绍了整体的软件和硬件的分别调试和综合调试。
2方案论证
2.1设计要求
(1)语音存储及编解码的基本原理;
(2)用Altiumdesigner画出硬件原理图,包括单片机、语音芯片和键盘;
(3)画出软件流程图,采用单片机C语言或汇编语言进行编程;实现自行定义按键盘,当有键按下时,能相应的播放出歌曲。
有一个停止键能控制音乐的播放;
(4)完成硬件与软件调试综合调试,实现预定功能。
2.2主控器部分
2.2.1方案一
方案一采用AT89C52单片机实现。
单片机软件编程的自由度大,可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。
而且体积小,硬件实现简单,安装方便。
既可以对U盘进行读写操作,又可对VS1003模块进行SPI通信控制。
另外AT89C52在工业控制上也有着广泛的应用,编程技术及外围功能电路的配合使用都很成熟。
ATMEL公司生产的AT89C52单片机采用高性能的静态80C51设计,由先进工艺制造,并带有非易失性Flash程序存储器。
它是一种高性能、低功耗的8位CMOS微处理芯片,市场应用最多[6]。
主要性能特点有:
●8KBFlashROM,可以擦写1000次以上,数据保存10年。
●256字节内部RAM。
●电源控制模式
●时钟可停止和恢复;
●空闲模式;
●掉电模式。
●6个中断源。
●4个中断优先级。
●4个8位IO口。
●全双工增强型UART。
●3个16位定时计数器,T0、T1(标准80C51)和增加的T2(捕获和比较)。
●全静态工作方式:
0~24MHz。
2.2.2方案二
方案二采用STC12C5A60S2八位单片机实现[7]。
STC12C5A60S2单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟机器周期和6时钟机器周期可以任意选择。
主要性能特点有:
●增强型8051单片机,6时钟机器周期和12时钟机器周期可以任意选择,指令代码完全兼容传统8051;
●工作频率范围:
0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率可达48MHz;
●用户应用程序空间为60K字节;片上集成512字节RAM;
●通用IO口(32个)复位后为:
P1P2P3是准双向口,P0口是漏极开路输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为IO口用时,需加上拉电阻。
●ISP(在系统可编程)IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器,可通过串口(RxDP3.0,TxDP3.1)直接下载用户程序;;
●具有看门狗功能;
●共3个16位定时器计数器。
即定时器T0、T1、T2;
●外部中断4路,下降沿中断或低电平触发电路,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒;
●掉电模式:
典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒,中断返回后,继续执行原程序;
●空闲模式:
典型功耗2mA典型功耗;
●正常工作模式:
典型功耗4mA~7mA典型功耗;
STC12C5A60S2和AT89C52外形对比,如图2.1所示:
图2.1STC12C5A60S2和AT89C52外形对比
由于读写U盘数据需要大量缓存和大量空间,速度快。
而AT89C51读写速度慢,内部程序FLASH空间只有8K,且RAM只有256Bit。
STC12C5A60S2内部有60K的程序FLASH空间和1280Bit的RAM,能满足本次设计的要求,主频速度是普通的AT89C51的12倍。
并且支持在线编程,使用很方便,烧写程序的时候不用再反复插拔单片机,使单片机的寿命大大增长,并且结合本课题要求的多功能,体积小,灵敏度高等特点,因而本设计采用STC12C5A60S2单片机作为本课题的单片机。
2.3音乐芯片部分
2.3.1方案一
方案一采用WT588D语音芯片,具有独特的单片机功能,功能多、音质好、应用范围广、性能稳定是WT588D系列语音单片机的特长,弥补了以往各类语音芯片应用领域狭小的缺陷,MP3控制模式、按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制IO口扩展输出模式,让应用人员能将产品投放在几乎可以想象得到的场所[8]。
作为一款以语音为基础的芯片,对音质的追求当然也是精益求精的,完全支持6K-22KHz采样率的音频加载,芯片的独到之处便是将加载的音频音质几乎完整无损的展现出来。
WT588D系列语音单片机能通过配套软件WT588DVoice-Chip轻而易举的做到语音组合播放、插入完美的陶冶静音。
静音的时长控制得绝无丝毫误差。
可控制的语音地址位能达到220个。
每个地址位里能加载可组合语音为128段语音。
WT588D系列语音单片机模块内置SPI-FLASH存储器,WT588D系列语音单片机芯片可根据实际用法外置SPI-FLASH存储器,众多的控制模式、语音组合只需更换SPI-FLAS的内容,即可完全实现操作方式的切换。
WT588D系列语音单片机支持SPI-FLASH内容在线下载,这是一个应用人员不可或缺的优势。
主要性能特点有:
●根据外挂或者内置SPI-Flash的不同,播放时长也不同,支持2MBit-64MBit的SPI-Flash存储器;
●内嵌DSP高速音频处理器,处理速度快;
●内置13BitDA转换器,以及12BitPWM输出,音质好;
●PWM输出可直接推动0.5W8Ω扬声器,推挽电流充沛;
●支持DACPWM两种输出方式;
●支持加载WAV音频格式;
●可通过专业上位机操作软件,随意组合语音,可插入静音,插入的静音不占用内存的容量,一个已加载语音可重复调用到多个地址;
●USB下载方式,支持在线下载脱机下载;即便是在WT588D语音芯片通电的情况下,也一样可以正常下载数据到SPI-Flash;
●支持MP3控制模式、按键控制模式、3×8按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制IO口扩展输出模式;
●三线串口控制模式切换到三线串口控制IO口扩展输出模式只需发送数据可以进行切换。
切换后仍可把切换前的最后一个工作状态带进切换后的模式工作;
2.3.2方案二
方案二语音解码芯片采用芬兰公司VLSI的VS1003,是目前解码效果甚佳的DSP核的解码器,LQFP48小型封装,支持解码音乐格式包括MP3、WMA、WAV、MIDI、P-MIIDI,编码格式IMAADPCM(单声道)[9]。
VS1003是一个单片MP3WMAMIDI音频解码器和ADPCM编码器,它包含一个高性能,自主产权的低功耗DSP处理器核VS_DSP4,为用户应用提供5KB的指令RAM和0.5KB的数据RAM,串行的控制数据接口、4个常规用途的IO口、一个UART和一个高品质可变采样率的ADC和立体声DAC,还有一个耳机放大器和地线缓冲器。
VS1003通过一个串行接口来接收输入的比特流,它可以作为一个系统的从机。
输入的比特流被解码,然后通过一个数字音量控制器到达一个18位过采样多位ε-ΔDAC。
通过串行总线控制解码器。
除了基本的解码,在用户RAM中它还可以做其他特殊应用,例如DSP音效处理。
主要性能特点有:
文件;WAV(PCM+IMA AD-PCM);产生MIDISP-MIDI 文件。
●对话筒输入或线路输入的音频信号进行IMA ADPCM编码
●支持MP3 和WAV 流
●高低音控制
●单时钟操作12--13MHz
●内部PLL锁相环时钟倍频器
●低功耗
●内含高性能片上立体声数模转换器,两声道间无相位差
●内含能驱动30 欧负载的耳机驱动器
●模拟,数字,IO 单独供电
●为用户代码和数据准备的5.5KB片上RAM
●串行的控制数据接口
●可被用作微处理器的从机
●特殊应用的SPI Flash引导
●供调试用途的UART接口
WT588D和VS1003外形对比,如图2.2所示:
图2.2WT588D和VS1003外形对比
由于VS1003语音芯片能支持MP3、WMA、WAV、MIDI、P-MIIDI格式文件流的解码,而且内部立体声双声道输出,内部有频谱输出,相对于WT588D功能更强大,更重要的是能支持大容量FLASH文件存储器,所以选择VS1003作为此次设计的语音芯片。
2.4液晶显示部分
液晶显示部分选用LCD12864,LCD12864分为两种,带字库和不带字库的,不带字库的,因为显示汉字的时候可以选择自己喜欢的字体,而带字库的液晶,只能显示GB2312的宋体,当然了,也可以显示其他的字体,不过不是液晶本身字库中带的了,而是用图片的形式显示[10~11]。
中文字库的点阵图形液晶显示模块;其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字,和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令,可构成全中文人机交互图形界面。
可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。
由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比,不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多,且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
主要功能如下:
●低电源电压(VDD:
+3.0--+5.5V)
●显示分辨率:
128×64点
●内置汉字字库,提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)
●内置128个16×8点阵字符
●2MHZ时钟频率
●显示方式:
STN、半透、正显
●驱动方式:
132DUTY,15BIAS
●背光方式:
侧部高亮白色LED,功耗仅为普通LED的15—110
●通讯方式:
串行、并口可选
●内置DC-DC转换电路,无需外加负压
●无需片选信号,简化软件设计
显示歌曲信息只需将字符对应的ASCII的数据送入液晶进行显示即可。
一个汉字的大小是16*16,占两个ASCII字符的位置,将相应的汉字的编码分两次送入液晶显示即可。
也可以用数组的方式,编译器编译时自动将转换成对应的编码。
实物如图2.3所示:
图2.3LCD12864
2.5功放部分
功率放大器选用PAM8403,PAM8403立体声D类音频功率放大器能够以D类放大器的效率提供AB类功率放大器的性能[13]。
采用D类结构,PAM8403能够以高于85%的效率提供3W功率,PAM公司独有的专利保护的低EMI调制方式可以省去传统的D类放大器输出低通滤波器从而节省了系统成本和PCB空间,是是便携式应用的理想选择。
主要新能如下:
●无滤波器的D类放大器,低静态电流和低EMI
●在4Ω负载和5V电源条件下,提供高达3W输出功率
●高达90%效率
●低THD,低噪声
●热保护
●极少外部元器件,节约空间成本
●无铅包装
广泛应用于LCD电视机、笔记本电脑、便携式扬声器、便携式DVD播放器,游戏机
手机免提电话等。
且自带调节音量装置。
实物如图2.4所示
图2.4PAM8403
2.6系统方案
综合以上的选择结果,本方案采用主控器(MCU)为STC12C5A60S2单片机控制VS1003语音模块,CH375U盘的读写,LCD12864显示歌曲信息,将信息传输到PAM8403,从而实现音乐播放的基本功能。
以STC12C5A60S2为核心的音乐播放器系统通过按键调用单片机控制并命令音乐芯片VS1003从外围FLASH存储器里面读取乐曲数据,并通过音乐芯片VS1003内部解码、编码,传输到PAM8403,,外加扬声器发出声音。
具体电路以STC12C5A60S2为主控制器,采用利用5个按钮键盘来实现对音乐播放的控制,其中A、B、C分别为功能键上一曲、暂停播放以及下一曲。
D、E为分别为左声道、右声道,方案框架图如图2.5所示:
图2.5方案框架图
2.7本章小结
本章主要围绕总体方案设计,主要阐述本课题大致的框图及具体的硬件电路设计,器件的选择与论证,详细的介绍了课题设计的具体方案和对器材的选用,明确了方向
3硬件电路设计
3.1AltiumDesigner介绍
AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统,主要运行在Windows操作系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合,为设计者提供了全新的设计解决方案,使设计者可以轻松进行设计,熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
在本设计开始之前,对AltiumDesigner中原理图及PCB图的画法及实现进行熟练掌握,初步具备画原理图及PCB图的能力;STC12C5A60S2单片机开发环境的学习,在学习过程中,首先对STC12C5A60S2单片机引脚进行系统的学习,熟悉各个引脚功能,了解其内部结构,存储器所分配的地址,及其指令系统和程序编程,再结合本课题进行相关开发。
在设计原理图之前,首先要熟悉工作环境[14]。
图3.1就是AltiumDesigner的开机界面。
图3.1AltiumDesigner的开机界面
工作环境设置:
图3.1是AltiumDesigner的开机页面,进入软件后使用DesignOptions和ToolPreferences菜单进行的,设置主要包括图纸大小、捕捉网格、电器网格、模板
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