课程设计单片机音乐播放器最终定稿.docx
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课程设计单片机音乐播放器最终定稿
目录
绪论1
一、单片机概述1
二、单片机的应用领域1
(一)、在智能仪器仪表的应用1
(二)、在家用电器中的应用1
(三)、在工业控制中的应用1
(四)、在计算机网络和通信领域中的应用1
(五)、单片机在医用设备领域中的应用1
三、单片机的发展趋势2
(一)、微型单片化2
(二)、低功耗CMOS化2
(三)、主流与多品种共存2
正文3
一、设计任务要求3
二、硬件电路设计3
(一)、确定机型3
(二)、选择元器件3
(三)、硬件原理3
(四)、I/O口4
(五)、定时器/计数器4
(六)、键盘5
(七)、显示6
三、资源分配6
四、软件设计及流程图6
(一)、声音三要素7
(二)、音符发音原理8
(三)、单片机产生不同频率脉冲信号的原理8
(四)、音符设计10
(五)、流程图13
五、调试过程,存在问题及讨论16
(一)、系统受到干扰的主要原因和现象16
(二)、系统可靠性设计的分析和方法16
六、课程设计的体会18
七、参考文献19
附录:
源程序20
曲谱28
绪论
一、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MCS-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。
二、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、科研、教育、国防航空等领域都有着广泛的用途。
三、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。
关键词:
8051;音乐播放器
本文的主要内容是用8051单片机为核心控制元件,设计一个音乐播放器,以单片机作为主控核心、扬声器等模块组成。
利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶,最终可随意编写需要的程序,播放出音乐。
并且本文分别从原理图,主要芯片,各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。
一首音乐是许多不同的音阶组成的,而每个音阶对应着不同的频率,这样我们就可以利用不同的频率的组合.我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号,因此,我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。
一、设计任务要求
利用单片机设计模拟音乐播放器功能,播放存储在内部存储器中的乐曲。
可实现启动、停止、上一首、下一首等简单功能。
二、硬件电路设计
(一)、确定机型
8051单片机,晶振频率选择6HZ。
(二)、选择元器件
根据系统要求,应具有蜂鸣器及驱动电路构成单片机音乐演奏器,拟选用蜂鸣器、三极管、电阻若干、电容若干。
(三)、硬件原理
本系统通过AT89C51单片机的P1.0口控制几个9012PNP三极管、扩音器等控制电磁蜂鸣器的电源通断。
图1单片机音乐播放器原理图
(四)、I/O口
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。
图28051芯片的脚图1.1:
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。
P3.0RXD(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(计时器0外部输入)
P3.5T1(计时器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。
(五)、定时器/计数器
8051系列单片机有2个16位的定时/计数器T0、T1,8052以上系列单片机还有一个可用于捕获的16位加减定时/计数器。
其记数值存放在内部特殊寄存器TH0、TL0和TH1、TL1以及TH2、TL2
定时器T0、T1的工作方式及启停控制用2个特殊功能寄存器TMOD、TCON来实现,T2的工作方式及启停控制则用特殊功能寄存器T2MOD、T2CON来实现。
另外T2还具有2个特殊功能寄存器RCAP2H、RCAP2L用于实现16位的自动装载和捕获功能
计数器
图3定时器/计数器原理图
(六)、键盘
1.按键特点
键盘是一组按键开关的集合,组成键盘的按键有触点式和非触点式两种。
常用的键盘一般采用由机械触点构成的键盘开关,在按键接触过程中通常会产生抖动,如下图:
2.按键的识别
上图中,当按键开关K1没有按下时,K1键的2个触点是断开的,这时P1.0输入为高电平;当K1键被按下时,K1键的2个触点是接通的,P1.0输入为低电平。
通过对连接按键的I/O端口的电平检测,就能识别出K1键是否被按下
本实验采用的是中断查询方式独立键盘接口。
这种键盘接口方式适用于键盘操作实时性要求不高的系统。
接口电路如图
(七)、显示
LED(LightEmittingDiode)是发光二极管,常作为指示器,其导电特性与普通二极管类似。
由8个LED按照规定的排列安装就可构成LED数码管,能够显示各种数字及部分英文字母,是单片机应用系统中普遍被使用的显示器。
本课程设计采用的是数码管的静态显示。
静态显示是指每一个显示器都要占用单独的、具有锁存功能的I/O接口,以用于锁存字形代码。
三、资源分配
音频输出端口,P1.0;
定时器0用于定时,作音符发生器用;
定时器1用按键处理中断;
R0中存入数据30H,这里在以30H开始的单元存放每首歌曲的入口地址,其中30H,31H存放,歌曲的节拍入口地址,32H,33H存放歌曲音符入口地址,每首歌占用四个存储存单元;
R5中存放表TABLE中正在执行操作的序号;
R6存放正在设置入口信息的歌曲数;
设置每首歌曲的入口信息,存放在以30H开始的存储单元中;
设置F0=0,用来作暂停/播放的标置位用;
22H单元中存放正在播放的歌曲编号;
R7中存放歌曲总信息的入口地址;
R4存放当前正在播放歌曲的第几个节拍数;
将取出的音符数+节拍数保存在职26H单元中。
四、软件设计及流程图
由于人耳听觉系统非常复杂,迄今为止人类对它的生理结构和听觉特性还不能从生理解剖角度完全解释清楚。
所以,对人耳听觉特性的研究目前仅限于在心理声学和语言声学。
人耳对不同强度、不同频率声音的听觉范围称为声域。
在人耳的声域范围内,声音听觉心理的主观感受主要有响度、音高、音色等特征和掩蔽效应、高频定位等特性。
其中响度、音高、音色可以在主观上用来描述具有振幅、频率和相位三个物理量的任何复杂的声音,故又称为声音“三要素”;而在多种音源场合,人耳掩蔽效应等特性更重要,它是心理声学的基础。
下面简单介绍一下以上问题。
(一)、声音三要素
1.响度
响度,又称声强或音量,它表示的是声音能量的强弱程度,主要取决于声波振幅的大小。
声音的响度一般用声压(达因/平方厘米)或声强(瓦特/平方厘米)来计量,声压的单位为帕(Pa),它与基准声压比值的对数值称为声压级,单位是分贝(dB)。
对于响度的心理感受,一般用单位宋(Sone)来度量,并定义lkHz、40dB的纯音的响度为1宋。
响度的相对量称为响度级,它表示的是某响度与基准响度比值的对数值,单位为口方(phon),即当人耳感到某声音与1kHz单一频率的纯音同样响时,该声音声压级的分贝数即为其响度级。
响度是听觉的基础。
正常人听觉的强度范围为0dB—140dB(也有人认为是-5dB—130dB)。
固然,超出人耳的可听频率范围(即频域)的声音,即使响度再大,人耳也听不出来(即响度为零)。
但在人耳的可听频域内,若声音弱到或强到一定程度,人耳同样是听不到的。
当声音减弱到人耳刚刚可以听见时,此时的声音强度称为“听阈”。
一般以1kHz纯音为准进行测量,人耳刚能听到的声压为0dB(通常大于0.3dB即有感受)、声强为10-16W/cm2时的响度级定为0口方。
而当声音增强到使人耳感到疼痛时,这个阈值称为“痛阈”。
仍以1kHz纯音为准来进行测量,使人耳感到疼痛时的声压级约达到140dB左右。
实验表明,闻阈和痛阈是随声压、频率变化的。
闻阈和痛阈随频率变化的等响度曲线(弗莱彻—芒森曲线)之间的区域就是人耳的听觉范围。
通常认为,对于1kHz纯音,0dB—20dB为宁静声,30dB--40dB为微弱声,50dB—70dB为正常声,80dB—100dB为响音声,110dB—130dB为极响声。
而对于1kHz以外的可听声,在同一级等响度曲线上有无数个等效的声压—频率值,例如,200Hz的30dB的声音和1kHz的10dB的声音在人耳听起来具有相同的响度,这就是所谓的“等响”。
小于0dB闻阈和大于140dB痛阈时为不可听声,即使是人耳最敏感频率范围的声音,人耳也觉察不到。
人耳对不同频率的声音闻阈和痛阈不一样,灵敏度也不一样。
人耳的痛阈受频率的影响不大,而闻阈随频率变化相当剧烈。
人耳对3kHz—5kHz声音最敏感,幅度很小的声音信号都能被人耳听到,而在低频区(如小于800Hz)和高频区(如大于5kHz)人耳对声音的灵敏度要低得多。
响度级较小时,高、低频声音灵敏度降低较明显,而低频段比高频段灵敏度降低更加剧烈,一般应特别重视加强低频音量。
通常200Hz--3kHz语音声压级60dB—70dB为宜,频率范围较宽的音乐声压以80dB—90dB最佳。
2.音高
音高也称音调,表示人耳对声音调子高低的主观感受。
客观上音高大小主要取决于声波基频的高低,频率高则音调高,反之则低,单位用赫兹(Hz)表示。
主观感觉的音高单位是“美”,通常定义响度为40方的1kHz纯音的音高为1000美。
赫兹与“美”同样是表示音高的两个不同概念而又有联系的单位。
人耳对响度的感觉有一个从闻阈到痛阈的范围。
人耳对频率的感觉同样有一个从最低可听频率20Hz到最高可听频率别20kHz的范围。
响度的测量是以1kHz纯音为基准,同样,音高的测量是以40dB声强的纯音为基准。
实验证明,音高与频率之间的变化并非线性关系,除了频率之外,音高还与声音的响度及波形有关。
音高的变化与两个频率相对变化的对数成正比。
不管原来频率多少,只要两个40dB的纯音频率都增加1个倍频程(即1倍),人耳感受到的音高变化则相同。
在音乐声学中,音高的连续变化称为滑音,1个倍频程相当于乐音提高了一个八度音阶。
根据人耳对音高的实际感受,人的语音频率范围可放宽到80Hz--12kHz,乐音较宽,效果音则更宽。
3.音色
音色又称音品,由声音波形的谐波频谱和包络决定。
声音波形的基频所产生的听得最清楚的音称为基音,各次谐波的微小振动所产生的声音称泛音。
单一频率的音称为纯音,具有谐波的音称为复音。
每个基音都有固有的频率和不同响度的泛音,借此可以区别其它具有相同响度和音调的声音。
声音波形各次谐波的比例和随时间的衰减大小决定了各种声源的音色特征,其包络是每个周期波峰间的连线,包络的陡缓影响声音强度的瞬态特性。
声音的音色色彩纷呈,变化万千,高保真(Hi—Fi)音响的目标就是要尽可能准确地传输、还原重建原始声场的一切特征,使人们其实地感受到诸如声源定位感、空间包围感、层次厚度感等各种临场听感的立体环绕声效果。
另外,表征声音的其它物理特性还有:
音值,又称音长,是由振动持续时间的长短决定的。
持续的时间长,音则长;反之则短。
从以上主观描述声音的三个主要特征看,人耳的听觉特性并非完全线性。
声音传到人的耳内经处理后,除了基音外,还会产生各种谐音及它们的和音和差音,并不是所有这些成分都能被感觉。
人耳对声音具有接收、选择、分析、判断响度、音高和音品的功能,例如,人耳对高频声音信号只能感受到对声音定位有决定性影响的时域波形的包络(特别是变化快的包络在内耳的延时),而感觉不出单个周期的波形和判断不出频率非常接近的高频信号的方向。
(二)、音符发音原理
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。
(三)、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:
表一C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1DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#1DO#
277
63731
中5SO
784
64898
低2RE
294
63835
#5SO#
831
64923
#2RE#
311
63928
中6LA
880
64968
低3M
330
64103
#6
932
64994
低4FA
349
64103
中7SI
988
65030
#4FA#
370
64260
高1DO
1046
65058
低5SO
392
64260
#1DO#
1109
65085
#5SO#
415
64331
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64400
#2RE#
1245
65124
#6
466
64463
高3M
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64580
#4FA#
1480
65198
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。
表二节拍码对照表
1/4节拍
1/8节拍
节拍码
节拍数
节拍码
节拍数
1
1/4拍
1
1/8拍
2
2/4拍
2
1/4拍
3
3/4拍
3
3/8拍
4
1拍
4
1/2拍
5
1又1/4拍
5
5/8拍
6
1又1/2拍
6
3/4拍
7
1又3/4拍
7
7/8拍
8
2拍
8
1拍
9
2又1/4拍
9
1又1/8拍
A
2又1/2拍
A
1又1/4拍
B
2又3/4拍
B
1又3/8拍
C
3拍
C
1又1/2拍
D
3又1/4拍
D
1又5/8拍
E
3又1/2拍
E
1又3/4拍
F
3又3/4拍
F
1又7/8拍
表三节拍码对应的延时
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
6)建立音乐的步骤:
①先把吧乐谱的音符找出,然后由上表建立T值表的顺序。
②把T值表建立在TABLE1,构成发音符的计数值放在“TABLE”。
7)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。
表四简谱对应的简谱码、T值、节拍数
简谱
发音
简谱码
T值
节拍码
节拍数
5
低5SO
1
64260
1
1/4拍
6
低6LA
2
64400
2
2/4拍
7
低7SI
3
64524
3
3/4拍
1
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