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多功能音乐盒设计
论文
多功能音乐盒设计
摘要
21世纪,在电子技术飞速发展的推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,也有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
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。
本文设计的音乐盒是以AT89S52单片机为核心元件的电子式音乐盒,对各种信号进行识别和处理,能够同时播放多首音乐,播放音乐的同时实现音乐彩灯加以修饰,另加16个按键组合起来的矩阵按键实现简易电子琴的功能,音频放大采用LM386音频功率放大器设计。
其体积小,重量轻,能演奏和旋音乐,功能多,外观效果多彩,使用方便,并具有一定的商业价值。
关键词AT89S52/音乐彩灯/音频功率放大器
MULTIFUNCTIONALMUSICBOXOFDESIGN
ABSTRACT
Intwenty-firstCentury,therapiddevelopmentofelectronictechnologydrivebelow,themodernelectronicproductsalmostpermeatedallareasofsociety,butalsopromotedthedevelopmentofsocialproductivityandtheimprovementofsocialinformation-baseddegree,butalsomakesthemodernelectronicproductstofurtherimprovetheperformance,productupgradinghasbecomeincreasinglyfastpace.Withthedevelopmentofhumansociety,peopleofvision,hearingthingsputforwardmoreandmorerequirements.Smallmusicboxcanbringgoodmemories,improvepeople'sspiritualculture.Traditionalmusicboxisthemechanicaltype,bulky,pronunciationanddrab,cannotachievebatchproduction.
ThismusicboxisthedesignofAT89S52singlechipasthecorecomponentsoftheelectronicmusicbox,foravarietyofsignalrecognitionandprocessing,canalsoplaymoremusic,playingmusicandmusicallanterntobemodified,addedanother16keyscombinedmatrixkeystoachievethesimpleelectronicorganfunction,audioamplifierusingLM386audiopoweramplifierdesign.Itssmallsize,lightweight,andcanplaymusic,multiplefunctions,convenientuse,colorfulappearance,andhascertaincommercialvalue.
KEYWORDSAT89S52/music/audiopoweramplifier
引言
21世纪,电子技术获得了飞速的发展,在其推动下,现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时也使现代电子产品性能进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。
单片机应用的重要意义还在于它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能,现在已能用单片机通过软件方法来实现了。
这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术,是传统控制技术的一次革命。
单片机渗透到我们生活的各个领域,几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置,飞机上各种仪表的控制,计算机的网络通讯与数据传输,工业自动化过程的实时控制和数据处理,广泛使用的各种智能IC卡,民用豪华轿车的安全保障系统,录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制,以及程控玩具、电子宠物等等,这些都离不开单片机。
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。
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。
本文设计的音乐盒是以单片机为核心元件的电子式音乐盒,体积小,重量轻,能演奏和旋音乐,功能多,外观效果多彩,使用方便,并具有一定的商业价值。
1概述
1.1课题意义
音乐盒的起源,可追溯至中世纪欧洲文艺复兴时期。
当时为使教会的钟塔报时,而将大小的钟表装上机械装置,被称为“可发出声音的组钟”。
音乐盒有着300多年的发展历史,是人类文明发展的历史见证。
传统的音乐盒多是机械音乐盒,其工作原理是通过齿轮带动一个带有铁钉的铁桶转动,铁桶上的铁钉撞击铁片制成的琴键,从而发出声音。
但是,机械式的音乐盒体积比较大,比较笨重,且发音单调。
水、灰尘等外在因素,容易使内部金属发音条变形,从而造成发音跑调。
另外,机械音乐盒放音时为了让音色稳定,必须放平不能动摇,而且价格昂贵,不能实现大批量生产。
本文设计的音乐盒,是基于单片机设计制作的电子式音乐盒。
与传统的机械式音乐盒相比更小巧,音质更优美且能演奏和弦音乐。
电子式音乐盒动力来源是电池,制作工艺简单,可进行批量生产,所以价格便宜。
基于单片机制作的电子式音乐盒,控制功能强大,可根据需要选歌,使用方便。
根据存储容量的大小,可以尽可能多的存储歌曲。
另外,可以设计彩灯外观效果,使音乐盒的功能更加丰富。
1.2设计方案
此自制多功能音乐盒设计以AT89S52单片机为核心,对各种信号进行识别和处理,能够同时播放多首音乐,播放音乐的同时实现音乐彩灯加以修饰,另加16个按键组合起来的矩阵按键实现简易电子琴的功能,音频放大采用LM386音频功率放大器设计,本设计电路设计虽然简单,但对于要求的基本功能能够完全实现,发挥完成的也较好,基本实现了多功能音乐盒的完美设计。
本文通过单片机内部的定时器来产生不同频率的方波,驱动喇叭发出不同音调的音乐,再利用延迟来控制发音时间的长短。
(1)音乐盒具备电子琴功能,能够弹奏do,re,mi,fa,so,la,si,do八个音;
(2)要求音乐盒至少能播放8种不同的歌曲;
(3)音乐盒可以实现至少20秒的语音录放功能
1.3研究内容
本设计是以AT89S52芯片的电路为基础,外部加上放音设备,以此来实现音乐演奏控制器的硬件电路,通过软件程序来控制单片机内部的定时器使其演奏出优美动听的音乐。
用户可以按照自己的喜好选择音乐并将其转化成机器码存入单片机的存储器中。
对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可。
该软、硬件系统具有很好的通用性,很高的实际使用价值,为广大的单片机和音乐爱好者提供了很好的借鉴。
单片机是一种集成在电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统[1]。
单片机也被称为微控制器(MicrocontrollerUnit),常用英文字母的缩写MCU表示单片机,它最早是被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位,并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前,高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价格跌落至1美元,最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
由于单片机具有控制功能强,体积小,成本低,功耗小等一系列的特点,使它在工业控制,智能仪器,节能技术改造,通信系统,信号处理及家用电器产品中都得到广泛的应用,随着数字技术的发展及单片机在电子系统中的广泛应用,在很大程度上改变了传统的设计方法。
以往采用模拟电路,数字电路实现的电路系统,大部分功能单元都可以通过对单片机硬件功能的扩展及专用程序的开发来实现系统提出的要求,这意味着许多电路设计问题将转化为程序设计问题。
这种用模拟技术,数字技术的综合设计系统,用软件取代硬件实现和提供系统系能的新的设计思想体系,一般称之为微控制技术。
在微控制系统的设计中,系统设计和软件设计起着关键性的作用。
电子音乐已广泛地应用于社会生活的各个领域。
其类型从音乐卡片到CD、MP3等多种多样,制作原理也各不相同。
声音是通过振动产生的。
单片机对某一I/O引脚以一定的频率循环置1和清0,这一引脚便产生一定频率的方波,该方波通过放大后作用于扬声器便产生一定频率的声音。
若改变输出方波的频率,产生的声音也就改变了。
通过控制输出方波的时间长短,声音的长短也就得到控制。
因此,根据乐谱,单片机就可产生电子音乐。
音乐中最关键的两个要素是音符和节拍。
单片机控制的音乐发生器系统由硬件电路和软件两部分构成。
利用单片机控制的电子音乐发生器软硬件上具有独特的优点,系统的开发周期短,成本低,电路制作容易。
更换歌曲时,硬件电路无需作任何修改,只需修改软件即可实现。
软件编程时,可用单片机的汇编语言语言实现。
同时还可根据个人的喜好通过软件改变节拍的延时时间,增加电子音乐的趣味性。
2音乐程序的设计原理
2.1音乐的基本知识说明
声音是由物体振动产生,正在发声的物体叫声源。
振动的频率高为高音;振动的频率低为低音。
人耳比较容易辨识的声音频率范围是20Hz到20000Hz之间,一般音响电路是用正弦波信号驱动喇叭,从而产生悦耳的音乐;在数字电路里,则是用数字脉冲信号信号驱动喇叭,从而产生声音。
如果声音的频率相同,人类耳朵很难区分哪个是脉冲信号产生的声音,哪个是正弦波信号产生的声音。
图2.1声音的波形
2.2音调
不同音高的乐音是用C、D、E、F、G、A、B来表示,这7个字母就是音乐的音名,它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成简谱的1、2、3、4、5、6、7,相当于汉字“多来米发梭拉西”的读音,这是唱曲时乐音的发音,所以叫“音调”,即Tone。
把C、D、E、F、G、A、B这一组音的距离分成12个等份,每一个等份叫一个“半音”。
两个音之间的距离有两个“半音”,就叫“全音”。
在钢琴等键盘乐器上,C–D、D–E、F–G、G–A、A–B两音之间隔着一个黑键,他们之间的距离就是全音;E–F、B–C两音之间没有黑键相隔,它们之间的距离就是半音。
通常唱成1、2、3、4、5、6、7的音叫自然音,那些在它们的左上角加上﹟号或者b号的叫变化音。
﹟叫升记号,表示把音在原来的基础上升高半音,b叫降记音,表示在原来的基础上降低半音。
例如高音DO的频率(1046Hz)刚好是中音DO的频率(523Hz)的一倍,中音DO的频率(523Hz)刚好是低音DO频率(266Hz)的一倍;同样的,高音RE的频率(1175Hz)刚好是中音RE的频率(587Hz)的一倍,中音RE的频率(587Hz)刚好是低音RE频率(294Hz)的一倍。
2.3节拍
若要构成音乐,光有音调是不够的,还需要节拍,让音乐具有旋律(固定的律动),而且可以调节各个音的快满度。
“节拍”,即Beat,简单说就是打拍子,就像我们听音乐不自主的随之拍手或跺脚。
若1拍实0.5s,则1/4拍为0.125s。
至于1拍多少s,并没有严格规定,就像人的心跳一样,大部分人的心跳是每分钟72下,有些人快一点,有些人慢一点,只要听的悦耳就好。
音持续时间的长短即时值,一般用拍数表示。
休止符表示暂停发音。
一首音乐是由许多不同的音符组成的,而每个音符对应着不同频率,这样就可以利用不同的频率的组合,加以与拍数对应的延时,构成音乐。
了解音乐的一些基础知识,我们可知产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐。
对于单片机来说,产生不同频率的脉冲是非常方便的,利用单片机的定时/计数器来产生这样的方波频率信号。
因此,需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率,以及单片机定时计数的关系。
2.4音调的产生
前面讲到声音只是某一范围的频率,也就所谓的音频。
因为扬声器发生只需要半个周期即可,所以用单片机产生声音只要送电半个周期的时间就可以实现,我们用音调DO来举例,音调DO周期波形如图2.1。
我们可以用延迟函数或者Timer定时中断可以产生音调。
计算音调DO的周期:
DO频率=262Hz→T=1/f=1/262=3186μs(2.1)
所以实际送电的时间只有3826/2=1908μs,DOf=3186μs。
2.5延迟函数
对于12MHz的AT89S52系统而言,若要延迟1ms,可以用“delay1ms
(1)”;指令,若需要延迟5ms,则可使用“delay1ms(5)”;很明显,这个函数的刻度为1ms,但是如果要求小于1ms,我们可以改变内循环的数量决定延迟时间,因为内循环的数量为120,可延迟1ms,该函数的最小刻度为1ms;将内循环的数量改为12,可延迟0.1ms,该函数的最小刻度为0.1ms,即100μs[2]。
如表2.1。
表2.1延时函数表
内循环数量
最小延迟时间(ms)
最小延迟时间(μs)
120
1
1000
60
0.5
500
6
0.05
50
3
0.025
25
1
0.0083
8.3
1ms延迟函数如下:
voiddelay1ms(unsignedcharx)
{unsignedchari,j;//声明变量
for(i=0;i for(j=0;j<120;j++)}//内循环 8μs延迟函数如下: voiddelay8μs(unsignedcharx) {unsignedchari,j;//声明变量 for(i=0;i for(j=0;j<120;j++)}//内循环 音乐的拍子种类,找出其中最短的拍子,例如整首音乐中,包含1/4拍、1/2拍、3/4拍、1拍、2拍,则以1/4拍为基准,然后写一段1/4拍长度的延迟函数,若要产生1/4拍的长度,则执行该函数时,变量为1;若要产生1/2拍的长度,则执行该函数时,变量为2;如要产生3/4拍的长度,则执行该函数时,变量为3;若要产生1拍的长度,则执行该函数时,变量为4,如要产生2拍的长度,则执行该函数时,变量为8……依次类推。 2.6定时中断 在Mode1模式下,定时量最多可达65536,也就是65536μs,足以产生低音Do所需的半周期1908。 所以,若要产生低音Do的音频,则只需要执行1908定时量的timer中断即可。 每中断一次,就改变连接喇叭的输入/输出的状态,就能发出低音Do的声音。 如要产生其他音阶,只需要按表1-1的T字段设定定时量即可。 如下程序来产生低音的Do: #include sbitspeaker=P1^0;//声明输出端 main() {speaker=0;//喇叭初始值 IE=0x82;//启用Timer0 TH0=(65536-1908)/256;//填入定时量的高八位 TL0=(65536-1908)%256;//填入定时量的低八位 TR0=1;//启动Timer0 While (1);//停止 }//主程序结束 //========Timer0中断子程序=========== voidtone_int(void)interrupt1//Timer0中断之程序 {TH0=Do_H;//填入定时量的高八位 TH0=Do_L;//填入定时量的低八位 speaker=~speaker;}//喇叭反向输出 音乐中最短的拍子,例如在整首音乐中,最短的拍子为1/4拍,若1/4拍的时间为0.125s,则以1/4拍为基准,然后设定每0.125s产生一次中断,其定时量为125000,假设采用Mode1,定时量设为62500,只要执行2次中断,即可产生1/4拍的时间长度。 同理,若要产生1/2拍的长度,则执行4次中断,若要产生3/4拍的长度,则执行6次中断……依次类推。 如表2.2。 表2.2节拍数表 拍数 中断次数 拍数 中断次数 拍数 中断次数 1/8 1 1/2 4 1又1/4 10 1/4 2 3/4 6 1又1/2 12 8/3 3 1 8 2 16 2.7节拍的产生 音阶的频率是固定的,而节拍有快有慢,拍子越短,节奏越快,拍子越长,节奏越慢。 产生节拍的方法也是一种处理时间的方法。 我们以生日快乐歌为例,它的前两个音节︱1·121︱43—︱,第一个音是DO,发生这个音的时间长度是250ms;停顿一下,再发出第二个音DO,还是持续250ms;接下来发Re的音,时间长达500ms、改发出Do的音,时间长达500ms,第一小节结束。 紧接着是第二小节,首先发Fa的音,时间长达500ms;在发出Mi的音,时间长达1000ms,以下以此类推。 节拍的产生我们同样可以采用延迟函数或者Timer定时中断两种方式。 3使用功能设计 (1)该自制多功能音乐盒组要由数字音乐、电子琴、音乐彩灯组成; (2)使用时打开电源开关,可以根据自己的乐趣选择使用功能; (3)听音乐时请打开音乐盒开关,可以根据自己需要按下选歌键根据数码管显示选择自己想要听的音乐感觉现在不想听这首音乐了,可以先按下停止键再按下选歌键重新选择自己想要听的音乐。 再加上彩灯随着音乐的伴随,实现数字音乐彩灯的功能; (4)打开电子琴的控制开关,根据自己的爱好兴趣,可以在4X4组成16个按钮矩阵迷你小键盘上简单的弹奏出自己的音乐,也可以实现在按下按键的同时有彩灯提示,实现了简易电子琴的功能; (5)使用音乐彩灯可能耗电量会增加,为此本设计还增加了彩灯控制开关,可根据自己的使用进行开启或关闭。 4设计原理与分析 系统硬件以单片机AT89S52为核心,主体有5个大的模块电路: 单片机控制处理模块、电子琴控制模块、显示模块、音乐播放模块、彩灯控制模块[3]。 整体硬件设计电路图如图4.l所示: 图4.1整体硬件电路图 4.1单片机控制处理模块 单片机模块是整个音乐盒的核心,实现了控制音乐的播放、停止、选歌等几个功能,还有歌曲序号的显示控制,电子琴的控制,小灯的控制等。 AT89S52为核心的单片机电路,其中8K的E²PROMD可在固化程序时方便的进行擦写,独有的低功耗性能使器件能更好的长时间工作。 8位单片机AT89S52是MSC-51系列产品的升级版[3],有世界著名半导体公司ATMEL在购买MSC-51®设计结构后,利用自身优势技术——(掉电不丢数据)闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展,同时使用新的半导体生产工艺,最终得到成型产品。 与此同时,世界上其他的著名公司也通过基本的51内核,结合公司自身技术进行改进生产,推广一批如51F020等高性能单片机。 AT89S52片内集成256字节程序运行空间、8K字节Flash存储空间,支持最大64K外部存储扩展。 根据不同的运行速度和功耗的要求,时钟频率可以设置在0-33M之间。 片内资源有4组I/O控制端口、3个定时器、8个中断、软件设置低能耗模式、看门狗和断电保护。 可以在4V到5.5V宽电压范围内正常工作。 不断发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断降低。 同时,该单片机支持计算机并口下载,简单的数字芯片就可以制成下载线,仅仅几块钱的价格让该型号单片机畅销10年不衰。 根据不同场合的要求,这款单片机提供了多种封装,本次设计根据最小系统有时需要更换单片机的具体情况,使用双列直插DIP-40的封装,如图4.2所示。 图4.2DIP-40封装AT89S52引脚图 1、AT89S52的主要性能: (1)与MCS-51单片机产品兼容; (2)8K字节在系统可编程Flash存储器; (3)1000次擦写周期; (4)全静态操作: 0Hz-33MHz; (5)三级加密程序存储器; (6)32个可编程I/O口线; (7)三个16位定时器/计数器; (8)六个中断源; (9)全双工UART串行通道; (10)低功耗空闲和掉电模式; (11)掉电后中断可唤醒; (12)看门狗定时器; (13)双数据指针; (14)掉电标识符。 2、引脚说明 AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器,具有8K在系统可编程AT89S52引脚图DIP封装Flash存储器。 使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。 在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计
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