单片机音乐播放器设计方案报告.docx

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单片机音乐播放器设计方案报告

1.1.1单片机概述

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。

概括的讲，一块芯片就成了一台计算机。

MCS-51单片机是美国INTEL公司于1980年推出的产品，与MCS-48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令，指令数达111条，MCS-51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS-51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MSC-51单片机作为代表进行理论基础学习。

MCS-51系列单片机主要包括8031、8051和8751等通用产品。

DP-51S单片机仿真实验仪是由广州致远电子有限公司设计的DP系列单片机仿真实验仪之一，是一种功能强大的单片机应用技术学习、调试。

1.1.2单片机的应用领域

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个范畴：

一、在智能仪器仪表的应用

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

二、在家用电器中的应用

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

三、在工业控制中的应用

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

四、在计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

五、单片机在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领域都有着十分广泛的用途。

1.1.3单片机的发展趋势

单片机现在可以说是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供了广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

一、微型单片化

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。

现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

二、低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。

像80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

CMOS虽然功耗低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。

所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

三、主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。

所以80C51占据了半壁江山。

而Microchip公司的PIC精简指令集合（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEX公司近年的单片机产量与日俱增，与其底价质优的优势，占据一定的市场份额。

此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。

在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。

九十年代以后，单片机在结构上采用双CPU或内部流水线，CPU位数有8位、16位、32位，时钟频率高达20MHZ，片内带有PWM输出、监视定时器WDT、可编程计数器阵列PCA、DMA传输、调制解调器等。

芯片向高度集成化、低功耗方向的发展，使得单片机在大量数据的实时处理、高级通信系统、数字信号处理、复杂工业过程控制、高级机器人以及局域网等方面得到大量应用。

这类单片机有NEC公司的MPD7800，MITSUBISHI公司的M337700，REVKWELL公司的R6500。

1.2课题概述

基于单片机的音乐播放器可应用于mp3，MP4，扩音器等很多方面，并可作为很多系统的辅助功能，作为单片机的重要硬件资源之一，利用定时器可以产生各种固定频率的方波信号，也可以产生包括"Do"、"Re"、"Me"--等音阶在内的各种频率声音。

将各个音阶连接在一起，便可组成一支曲子或是演奏一段旋律。

基于这个思想，我设计了一款特殊的"音乐播放器"，本播放器可实现播放、暂停、复位等功能。

为了体现乐曲播放过程中的动态效果，增加了1只LED，作随机闪烁以指示旋律的节奏。

由于时间及条件限制，本设计实现了一种简单的音乐播放器，其核心器件采用AT89C51单片机，本播放器具有电路简单，功能强大，易于拓展等特点。

在此基础上，可以添加按键，LED显示屏等模块，实现切换歌曲，歌名显示，动感音乐屏等功能。

第2章系统硬件原理及设计

2.1核心器件AT89C51介绍

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

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，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机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。

外形及引脚排列如图所示

图2-1AT89C51外形图及引脚序列

2.1.1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-24MHz

·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

2.1.2.管脚说明：

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

表2.1P3口被选功能

　　口管脚备选功能

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2/INT0（外部中断0）

　　P3.3/INT1（外部中断1）

　　P3.4T0（记时器0外部输入）

　　P3.5T1（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：

当/EA保持低电平时，则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）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

2.1.3.振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.1.4.芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。

在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。

在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

2.2硬件电路设计

电路主要由AT89C51芯片，LED发光二极管，喇叭，晶振电路组成，由引脚输出定时器产生的各种固定频率的方波信号，然后由喇叭产生各种频率的声音。

同理，方波信号通过发光二极管可以使二极管闪烁发光，产生韵律灯的效果。

由于该方案中使用内部振荡电路，XTAL1、XTAL2引脚外界石英晶体和微调电容构成的晶振电路。

第三章系统软件原理及设计

总体原理：

乐曲中不同的音符，实质就是不同频率的声音。

通过单片机产生不同的频率的脉冲信号，经过放大电路，由蜂鸣器放出，就产生了美妙和谐的乐曲。

3.1单片机产生不同频率脉冲信号的原理：

（1）要产生音频脉冲，只要算出某一音频的脉冲（1/频率），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的时间，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的时间再对I/O反相，就可以在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，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法如下：

例如，频率为523Hz，其周期天/523S=1912uS，因此只要令计数器计时956uS/1us=956，在每计数956次时就将I/O反接，就可得到中音DO（532Hz）。

计数脉冲值与频率的关系公式如下：

N=Fi/2/Fr

（N：

计数值，Fi：

内部计时一次为1uS，故其频率为1MHz，Fr：

要产生的频率）

（3）其计数值的求法如下：

T=65536-N=65536-Fi/2/Fr

计算举例：

设K=65536,F=1000000=Fi=1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。

T=65536-N=65536-Fi/2/Fr=65536-1000000/2/Fr=65536-500000/Fr

低音DO的T=65536-500000/262=63627

中音DO的T=65536-500000/523=64580

高音DO的T=65536-500000/1047=65059

（4）C调个音符频率与计数值T的对照表如下表所示：

表3-1C调各音符频率与计数值T的对照表

音符频率（Hz）简谱码（T值）音符频率（Hz）简谱码（T值）

低1DO26263628#4FA#74064860

#1DO#27763731中5SO78464898

低2RE29463835#5SO#83164923

#2RE#31163928中6LA88064968

低3M33064103#693264994

低4FA34964103中7SI98865030

#4FA#37064260高1DO104665058

低5SO39264260#1DO#110965085

#5SO#41564331高2RE117565110

低6LA44064400#2RE#124565124

#646664463高3M131865157

低7SI49464524高4FA139765178

中1DO52364580#4FA#148065198

（5）每个音符使用1个字节，字节的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的节拍，下表为节拍码的对照。

但如果1拍为0.4秒，1/4拍是0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。

假设1/4节拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY，以此类推。

所以只要求得1/4拍的DELAY时间，其余的节拍就是它的倍数，如下表为1/4和1/8节拍的时间设定。

表3-2节拍码对照表

1/4节拍1/8节拍

节拍码节拍数节拍码节拍数

11/4拍11/8拍

22/4拍21/4拍

33/4拍33/8拍

41拍41/2拍

51又1/4拍55/8拍

61又1/2拍63/4拍

71又3/4拍77/8拍

82拍81拍

92又1/4拍91又1/8拍

A2又1/2拍A1又1/4拍

B2又3/4拍B1又3/8拍

C3拍C1又1/2拍

D3又1/4拍D1又5/8拍

E3又1/2拍E1又3/4拍

F3又3/4拍F1又7/8拍

表3-3各调节拍的时间设定表

1/4节拍

1/8节拍

曲调值

DELAY

曲调值

DELAY

调4/4

125毫秒

调4/4

62毫秒

调3/4

187毫秒

调3/4

94毫秒

调2/4

250毫秒

调2/4

125毫秒

1/4拍的延迟时间=187毫秒

DELAY:

MOVR7,#2

D2:

MOVR4,#187

D3:

MOVR3,#248

DJNZR3,$

DJNZR4,D3

DJNZR7,D2

RET

（6）移调

一般的歌曲，有3/8、2/4、3/4、4/4等节拍类型，但不管有几拍，基本上是在C调下演奏的。

如果是C调，则音名C唱Do，音名D唱Re，音名E唱Mi，音名E唱Mi，音名F唱Fa，音名G唱So，音名A唱La，音名B唱Ti等。

但是，并不是所有的歌曲都是在C调下演奏的，还有D调、E调、F调、G调等。

D调是将C调各音符上升一个频率实现的，即C调下的音名D在D调下唱Do，C调下的音名E在D调下唱Re，C大调的音名F在D调下上升高半音符F#唱Mi，C调下的音名G在D调下唱Fa，C调下的音名C在D调下上升高伴音C#符唱Ti。

这种唱法称为移调。

表3-4C调在各调中的音名

音名

调

Do

Re

Mi

Fa

So

La

Ti

C调

C

D

E

F

G

A

B

D调

D

E

F#

G

A

B

C

E调

E

F#

G#

A

B

C

D

F调

F

G

A

B

C

D

E

G调

G

A

B

C

D

E

F#

A调

A

B

C#

D

E

F#

G#

B调

B

C

D

E

F

G

A

3.2音乐软件的设计

3.2.1音乐代码库的建立方法

（1）先找出乐曲的最低音和最高音范围，然后确定音符表T的顺序。

（2）把T值表建立在TABLE1，构成发音符的计数值放在“TABLE”。

（3）简谱码（音符）为高位，节拍为（节拍数）为低4位，音符节拍码放在程序的“TABLE”处。

（4）音符节拍码00H为音乐结束标记。

3.2.2选曲

在一个程序中，需要演奏两首或两首以上的歌曲时，音乐代码库的建立有两种方法：

（1）将每首歌曲建立相互独立的音符表T和发音符计数值TABLE。

（2）在建立公用音符表T后，再写每首歌的发音计数值TABLE中的代码

不管采用那种方法，每首歌曲结束时，在TABLE中均需加上音乐结束符00H。

3.2.3歌曲的设计

下面以歌曲《送别》和《三个和尚》的设计为例，讲述歌曲在单片机中的实现。

曲谱如下图所示

从两首歌中可看出，最低音为低7Si，最高音为高1Do。

根据音乐软件的设计方法，简谱对应的简谱码、T值、节拍数如表所示。

表3-5简谱对应的简谱码、T值、节拍数

简谱

发音

简谱码

T值

节拍码

节拍数

低7

低音Si

1

64524

1

1/4

1

中音Do

2

64580

2

2/4

2

中音Re

3

64684

3

3/4

3

中音Mi

4

64777

4

1

4

中音Fa

5

64820

5

1+1/4

5

中音So

6

64898

6

1+1/2

6

中音La

7

64968

8

2

7

中音Ti

8

65030

A

2+1/2

高1

高音Do

9

65058

C

3

低6

低音La

A

64400

F

3+3/4

低5

低音So

B

64260

程序源代码如下：

ORG0000H

LJMPSTART

ORG001BH

LJMPTIME1

START:

MOVTMOD,#10H。

T1工作在方式1

MOVIE,#88H。

中断使能

MAIN:

MOV40H,#00H。

设简谱码指针初始值

NEXT:

MOVA,40H。

简谱码指针暂存累加器A

MOVDPTR,#TABLE。

设简谱码

MOVCA,@A+DPTR

CJNEA,#00H,PLAY。

取到的简谱码不是结束码，传PLAY取节拍码

LJMPSTOP；是结束码，退出

PLAY:

MOVR1,A。

R1暂存简谱码

ANLA,#0FH。

取节拍码

MOVR2,A节拍码暂存R2

MOVA,R1

ANLA,#0F0H。

取音符码

CJNEA,#00H,MUSIC。

音符码不为0，调发音子程序

CLRTR1。

音符码为0，不发音

LJMPDEL

MUSIC:

SWAPA

DECA

MOV22H,A

ADDA,22H

MOVR3,A

MOVDPTR,#TABLE1。

取相应计数值

MOVCA,@A+DPTR

MOVTH1,A。

暂存高位字节

MOV21H,A

MOVA,R3

INCA

MOVCA,@A+DPTR。

取相应计数值的低位字节

MOVTL1,A。

暂存低位字节

MOV20H,A

SETBTR1。

启动定时器

DEL:

LCALLDELAY

INC40H。

指向下一个简谱码

LJMPNEXT

STOP:

CLRTR1。

停止计时器

LJMPMAIN

TIME1:

PUSHACC。

现场保护

PUSHPSW

CPLP1.7。

P1.7反相输出，演奏音乐

MOVTL1,20H。

重设计数值

MOVTH1,21H

POPPSW

POPACC

RETI

DELAY:

MOVR7,#02H。

4/4曲调，演示125ms子程序

DELA1:

MOVR6,#125

DELA2:

MOVR5,#248

DJNZR5,$

DJNZR6,DELA2

DJNZR7,DELA1

DJNZR2,DELAY

RET

TABLE1:

DW64524,64580,64684,64777。

简码值

DW64820,64898,64968,65030,65058

DW64400,64260

TABLE:

DB14H,42H,62H,98H。

歌曲《送别》

DB74H,92H,72H,68H

DB64H,22H,32H,44H,32H,22H

DB3CH

DB64H,42H,62H,94H,04H,82H

DB74H,94H,68H

DB64H,32H,42H,54H,04H,12H

DB2CH

DB74H,94H,98H