电子音乐盒的设计【开题报告+文献综述+毕业论文】

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本科毕业论文系列开题报告通信工程电子音乐盒设计一、课题研究意义及现状音乐盒的起源，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。传统的音乐盒主要是机械音乐盒，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。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。目前较多的音乐盒是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。所放歌曲的节奏可以根据需要进行设置，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，增设放歌时间、序号显示灯功能，使音乐盒的功能更加丰富。本课题所设计的音乐盒，是基于单片机设计制作的电子式音乐盒。电子音乐盒的发音原理：播放一段音乐需要的是两个元素，一个是音调，另一个是音符。首先要了解对应的音调，音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升。另外，音符的频率有所不同，它的发音主要靠不同的音频脉冲。利用单片机的内部定时器/计数器即可以起到调节音符的作用。通过毕业设计， 我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化。那些都让我感觉自己的努力很有价值。在大学课堂上的学习只是在给我们灌输专业知识，归根究底只是一些缺乏实践而显得空洞的知识，我们应该把所学的用到现实生活中去，这次设计中融入了所学的专业知识，使理论在实际中得到充分的应用，不但巩固加深了所学的专业知识，更拓宽了知识面，锻炼了独立思考问题以及独立选择项目方案和独立完成项目的能力。此次的音乐盒设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应社会激烈的竞争。二、课题研究的主要内容和预期目标本课题研究的主要内容是设计一个电子音乐盒。具体要求为：1、利用I/O口产生方波，驱动蜂鸣器，发出不同的音调，从而演奏乐曲。2、采用七段数码管显示当前播放的歌曲序号，可播放的歌曲不小于6首。每按一次控制按钮，响起一段歌曲，歌曲可以改变，重复循环。3、可通过功能键暂停，播放，下一曲。预期目标：完成电子音乐盒的设计、调试和测试。在完成基本功能的基础上，还可以增加以下额外功能：可以显示歌曲播放的时间和剩余的时间。三、课题研究的方法及措施通过大量阅读和参考各种有关电子音乐盒，电子琴等相关资料，基本熟悉研究对象的基本方案和具体原理，在熟悉相关内容之后可以着手选择正确的方案，结合相关的理论知识，通过实践摸索，在有了一个比较全面的理论和实际认识之后，对音乐盒所播放的音乐进行程序设计，设计音频驱动电路，以驱动播放扬声器，最后设计直流稳压电源，用于为单片机和音频部分、显示部分提供稳定的+5V电压。其控制框图如下： 本课程设计的难点所在对于频率脉冲的计算以及不同波形的各种分析方法及参数测量。在设计过程中可能遇到的问题有：程序编写不熟悉、七段数码管显示错误等。解决的方法首先要学习89C51单片机芯片手册及相关实验书籍，对89C51有一个相对系统的了解及独立编程。编程时要注意加注释和分割线，否则，程序过长时容易变得很乱，不便于查找和修改。程序的结构要设计的合理，避免上下乱调用的现象，这样会使程序更加清晰化。LED动态显示就是利用单片机依次输出每一位数码管的段选码和对应的位选码控制信号，一位一位轮流点亮各七段数码管。四、课题研究进度计划毕业设计期限：自2010年10月至2011年5月。第一阶段（5周）：学习和查找常用电子音乐的原理，学习单片机原理的相关理论知识，熟悉相关开发软件以及调试用开发板，完成开题报告、文献综述、外文翻译。具体安排如下：第1周：学习和查找常用电子音乐的原理。第2周：学习单片机原理的相关理论知识，熟悉相关开发软件以及调试用开发板；第3、4周：完成开题报告、文献综述、外文翻译；第5周：准备所需元器件以及前期工作总结。第二阶段（5周）:设计电子音乐盒的电路图并制板，焊接和调试所制好的PCB板；同时，编写相关的主控程序，进行系统调试。第1周：设计电子音乐盒的电路图并制板；第2周：焊接和调试所制好的PCB板；第3周：编写相关的主控程序；第4周：系统调试；第5周：其他辅助功能扩展，整理资料为后期写论文做准备。第三阶段（2周）：写论文及其他要求的文档。五、参考文献[1]SiliconLaboratories.C8051F0XXdatasheet[M].http：//www.silicon.com.[2]潘琢金，施国君等.C8051F单片机应用解析[M]. 北京：北京航天航空大学出版社，2002.[1]万光毅，孙九安等.SoC单片机实验、实践与应用设计--基于C8051F系列[M].北京：北京航天航空大学出版社，2006，5.[2]胡俐蕊，朱彪.多功能电子门铃的设计与实现[J].电子元器件应用,2006（10）：35-38.[3]任肖丽，王骥.基于STC89C51单片机的电子琴设计[J].电子元器件应用,2010(07):27-31.[4]宫铁波，张炳恒.记忆可视电子门铃[J].电子仪器仪表用户,2003(05):11-12.[5]李辉,张国春.电子电路问答（第二版）［M］2005年.[6]康华光.电子技术基础数字部分（第四版）［M］.高等教育出版社.2000年.[7]胡宴如.模拟电子技术（第一版）［M］.高等教育出版社2000年.[8]张靖武,周领彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真（第一版）[M].电子工业出版社.2007.[9]清源科技.PROTELDXP电路设计及应用教程（第一版）[M].机械工业出版社.2003年.[10]杨志忠.数字电子技术.高等教育出版社（第二版）［M］.2003年. 毕业论文文献综述通信工程电子音乐发生器实现方案综述摘要：本文首先介绍了电子音乐发生器的工作原理，并总结了目前常用的电子音乐发生器的实现方案，且详细给出各种方案的系统结构图和设计要点。最后给出全文总结和电子音乐发生器的应用。关键词：电子音乐发生器；方案；单片机；数字电路1引言传统的音乐发生器多是机械音乐盒，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。现今电子音乐盒的制作，沿袭传统，结合现代，正日益成为或为了典藏一段岁月，或为了收藏一份情感，或出于对音乐的追求，或对于旧时代的怀念，或为了居室的美化，等等，而得到众多品位人士的追求。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，由电池供能，制作工艺简单，可进行批量生产，所以价格便宜，广受消费者的欢迎【1】【2】【3】。2电子音乐发生器的工作原理电子音乐发生器主要是播放音乐的仪器，其工作原理需要追溯到基本的乐理知识，播放一段音乐需要的是两个元素，一个是音调，另一个是音符。首先要了解对应的音调，音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升。在以C调为基准音的八度音阶中，所对应的频率如表1所示。如果能够通过某种电路结构产生特定频率的波形信号，再通过扬声器转换为声音信号，就能制作出简易的乐音发生器，再结合乐曲的乐谱，就可实现电子音乐发生器【4】【5】。 从以上的原理分析可知，要实现电子音乐发生器就需要实现各种不同频率的信号，根据乐谱产生各种不同频率信号，利用这些信号的组合来驱动喇叭等发声设备以产生各种音乐。根据查阅各种文献资料和所学的知识，能产生这种信号的方案主要有通用电路方案、单片机方案以及可编程逻辑器件方案，下面详细介绍各种方案的构架和选型。3电子音乐发生器设计方案概述（1）通用电路方案利用通用的数字电路和模拟电路来设计电子音乐发生器，就是采用这些电路来实现各种频率的脉冲波形，能实现这种脉冲波形的电路主要有：RC振荡电路、555定时器、各种信号产生电路。RC振荡电路其电路原理图见图1。该振荡电路由两部分组成，即放大电路和选频网络。其中A和F分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。该电路能产生自激振荡的条件是|A·F|>1。可通过改变选频网络中的电阻来产生不同的振荡信号，从而能产生不同的音符【5】。图1RC振荡电路原理图555定时器本身能构成多谐振荡器，通过改变该电路中的电阻也能产生不同频率的信号，从而达到发出不同音符的效果。总的说来，该方案实现电路简单，成本低廉，但是工作不够稳定，所产生音符的音色不是十分理想。（2）单片机方案 单片机作为主流的控制器，内部具有各种功能的部件可供设计者选用，以便实现各种不同功能的产品。该方案的硬件构架图见图2。单片机作为主控设备，控制扬声器的输出，用户可以通过按键来选择所要播出的音乐。图2单片机方案硬件构架图音符的发音主要靠不同的音频脉冲。可利用单片机的内部定时器/计数器0，使其工作在模式1，定时中断，然后控制输出音乐。只要算出某一音频的周期，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时间再对I/O反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲【6】【7】。音符及定时器初始值：例如：中音1（do）的音频=523HZ,周期T=1/523s=1912定时器/计数器0的定时时间为：T/2=1912/2=956定时器956的计数值=定时时间/机器周期=956/1=956(时钟频率=12MHZ)装入T0计数器初值为65536-956=64580将64580装入T0寄存器中，启动T0工作后，每计数956次时将产生溢出中断，进入中断服务时，每次对P3.0引脚的输出值进行取反，就可得到中音DO（523HZ）的音符音频。将单片机内部定时器工作在计数器模式1下，改变计数初值TH0，TL0以产生不同的频率【8】【9】。为了产生音符，必须求出音符低音5—高音5的计数初值。例如C调的低1DO的THTL=65536-50000/262=63627，中音DO的THTL=65536-500000/523=64580,高音DO的THTL=65536-500000/1042=65056。为了方便写谱，对其进行简单的编码，在编程时，根据音符编码查找对应的计数初值。比如说音乐是C调的，那么出现低音的5SO，直接将代码写为1；出现低音6LA,直接写一个2的代码；出现低音7SI，直接写一个3代码。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 。所放歌曲的节奏可以根据需要进行设置，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，增设放歌时间、序号显示灯功能，使音乐盒的功能更加丰富【10】【11】。（3）FPGA方案该方案的实现主要是通过FPGA对晶体振荡器所产生的高频信号进行分频，以便产生各个音符所对应频率的信号，从而驱动喇叭来发声。该方案具有设计简单，可扩展性强等特点，但是由于FPGA的价格相对而言比较高，不太适合用于这种设计之中。4总结电子音乐发生器是现代电子科技与音乐结合的产物，它能构成电子音乐盒、电子琴等乐器，成为新型的娱乐乐器，能在休闲时间为人们带来生活的享受，且在现代音乐扮演着重要的角色。而单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经融入现代人们的生活中，成为不可或缺的一部分。相信以后它也一定能够随着社会的发展，应用到音乐领域，开发出更多的音乐产品，绽放出更耀眼的光芒。参考文献[1]李传军,单片机原理及应用（第一版）[M].河南科学技术出版社,2006年.[2]韩志军,沈晋源,王振波.单片机应用系统设计（第一版）[M].机械工业出版社,2005年.[3]胡文金.单片机应用技术实训教程（第一版）[M].重庆大学出版社.2005年.[4]李辉,张国春.电子电路问答（第二版）［M］2005年.[5]胡俐蕊，朱彪.多功能电子门铃的设计与实现[J].电子元器件应用,2006（10）：35-38.[6]任肖丽，王骥.基于STC89C51单片机的电子琴设计[J].电子元器件应用,2010(07):27-31.[7]宫铁波，张炳恒.记忆可视电子门铃[J].电子仪器仪表用户,2003(05):11-12.[8]康华光.电子技术基础数字部分（第四版）［M］.高等教育出版社.2000年.[9]胡宴如.模拟电子技术（第一版）［M］.高等教育出版社2000年.[10]张靖武,周领彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真（第一版）[M].电子工业出版社.2007.[11]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M ］.北京：北京航空航天大学出版社，1990. 本科毕业设计（20届）电子音乐盒的设计摘要 音乐盒历史悠久，现代音乐盒的制作，沿袭传统，结合现代，正日益成为或为了典藏一段岁月，或为了收藏一份情感，或出于对音乐的追求，或对于旧时代的怀念，或为了居室的美化，等等，而得到众多品位人士的追求[1]。课题所设计的电子音乐盒利用单片机作为整个系统的控制核心，外部加上了适应的放音设备，以此来实现音乐的演奏。该硬件电路包括：主系统电路、蜂鸣器电路、歌曲选择电路、七段数码管显示电路以及发光二级管的闪烁电路。系统软件部分则主要由主程序、音乐播放程序、按键以及显示程序等几大模块组成。经软硬件调试和测试，所设计的音乐盒可以实现音乐的播放，可以通过功能键来选择乐曲，播放或暂停，并且可以通过七段数码管显示正在播放的歌曲的序号，本音乐盒可以播放多首音乐。关键字：单片机；AT89C51；音乐盒；歌曲Abstract Musicboxhasalonghistory,modernmusicboxproduction,followedthetradition,combinedwithmodern,isincreasinglybecomingaperiodofyearsorforthecollection,orforthecollectionofanemotion,orforthepursuitofmusic,orfortheolddaysMiss,ortobeautifytheroom,etc,andhavebeenpursuinganumberofqualitypeople.Theelectronicmusicboxisdesignedusingamicrocontrollerasthecoreofthewholesystemofcontrol.Inordertoplaymusic,itequippedwithsomeexternalplaybackcircuits.Thehardwarecircuitincludesthemainsystemcircuit,buzzercircuit,songsselectioncircuit,7-segmentdigitaltubedisplaycircuitandtheflashinglightemittingdiodecircuit.Systemsoftwaremainlymadeupbythemainpart,themusicplayermodule,keysanddisplayprogram,andothermajormodulesAftertesting,thedesignofthemusicboxcanplaymusic.Songscanbeselectedplayedandpausedbythefunctionkeys.Theserialnumberofthesongwhichisplayingcanbedisplayedonthe7-segmentdigitaltube.Themusicboxcanplaylotsofsongs..朗读显示对应的拉丁字符的拼音 字典KeyWords：Microcontroller;AT89C51;MusicBox;Songs目录 1引言12总体方案22.1设计要求22.2电子音乐的实现方案论证22.3设计构架33硬件设计43.1单片机控制体统原理43.2单片机主系统电路53.2.1时钟电路63.2.2复位电路63.3蜂鸣器放大原理及电路63.4七段数码管的显示原理及电路83.5发光二极管的闪烁电路93.6歌曲选择电路93.7小结104.软件设计114.1系统主程序设计114.2音乐产生子程序设计124.2.1播放音乐的原理124.2.2音符频率的产生124.2.3节拍频率的产生144.2.4歌曲的编码改写实例154.2.5音乐播放子程序流程164.3显示模块设计174.4键盘子程序设计184.5小结195调试以及问题解决20 5.1电子音乐盒的调试205.2所遇到的问题及解决206结论22致谢23参考文献24附录1系统实物图24附录2原理图26附录3毕业设计作品说明书27 1引言音乐盒飘扬的乐声，往往勾起人们对美好往事的回忆，甚至魂牵梦萦，坠入到时光岁月的追忆中。300多年来，席卷全球市场，机械音乐盒的最大魅力，也许就在于它能将抽象的音乐，凝固成具象的艺术品。它已经成为了人们表达美好情感，追思逝去岁月的最佳选择吧！ 音乐盒从产生到如今300多年的发展，同时也是人类文明300多年历史的见证。每个不同时期的音乐盒造型，都能折射出当时不同的社会心态和文明发展现状，它也成为了时代的一面镜子。现今音乐盒的制作，沿袭传统，既保留着祖辈光荣的传统，又结合现代，用新时代的高科技创新自己。或为了典藏一段岁月，或为了收藏一份情感，或出于对音乐的追求，或对于旧时代的怀念，或为了居室的美化，等等，而得到众多品位人士的追求。历史上音乐盒一直是音乐工艺品中的贵族，从18世纪诞生以来，精湛的工艺要求是得它的价格一直居高不下。19世纪后，可以换片的点唱式音乐盒出现在人群聚集的车站及酒吧，但其价格仍然为一般老百姓难以承受。直到留声机问世之前，音乐盒一直都是平民阶层难以企及的梦想。而今单片机以它的廉价、体积小、可塑造性强、稳定性高的特性，而被广泛应用。本设计所采用的设计就是主要以AT89C51[2]单片机芯片的电路为基础，外部加上了适应的放音设备，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。 2总体方案2.1设计要求课题要求设计一个电子音乐盒播放器，其具体要求如下：1、利用I/O口产生方波，驱动蜂鸣器，发出不同的音调，从而演奏乐曲。2、采用七段数码管显示当前播放的歌曲序号，可播放的歌曲不小于6首。3、可通过功能键暂停，播放，下一曲。2.2电子音乐的实现方案论证音乐盒的实现有很多种方案，包括FPGA[3]方案，单片机方案,数字电路实现方案，单片机方案。如果采用FPGA方案，具有相当复杂的布线结构和逻辑实现，编程数据信息在系统断电时会丢失，安全性也不是很好，相对而言，它比较适合应用于触发器比较丰富的结构。其硬件电路图如图2-1所示。图2-1FPGA音乐盒硬件电路图该振荡器提供一个固定的频率至FPGA。该FPGA划分为固定频率来驱动的IO。的IO连接到扬声器通过1kΩ电阻。通过改变IO的频率时，FPGA产生不同的声音[4]。采用数字电子方式设计的音乐门铃基本框图如图2-2所示 按键输入模块比较模块扬声器扫描电路数码管计时模块声响模块图2-2数字电子音乐门铃框图若使用数字电路完成，所设计的电路就会相当复杂，大概需要十几片数字集成块，其功能也主要依赖于数字电路的各种功能模块的组合来实现，焊接的过程比较复杂，成本也非常高。本课题设计是基于单片机控制的数字音乐盒的设计，由单片机AT89C51芯片和七段数码管为核心，辅以必要的电路构成的。包括时钟电路，复位电路，音乐驱动电路。其功能的实现主要通过软件编程来完成件电路的复杂性，成本也有所降低。2.3设计构架课题采用AT89C51作为主控制器，辅以蜂鸣器放大电路、显示电路、按键电路、闪烁电路。当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。同时启动定时器T1，并驱动七段数码管显示歌曲号。此系统中，按键电路模块属于输入设备，用以写入数据，系统通过按键设备将指令输入到系统中。然后通过AT89C51进行识别，处理并通过输出模块，即显示模块，音乐播放模块写出数据。 3硬件设计3.1单片机控制体统原理为了简化电路、降低成本、提高可靠性，本系统采用AT89C51作为主控制器，它是一款与MCS51完全兼容且内部自带有4KB的Flash存储器及256KBRAM单元的芯片，因此可以不需另外扩展EEPROM及静态RAM就可以实现所需功能。除了主控器之外，还有蜂鸣器放大电路、显示电路、歌曲选择电路、闪烁电路。开关按键主控单元AT89C51歌曲选择电路显示电路蜂鸣器放大电路闪烁电路单片机控制系统原理图见图3-1。图3-1单片机控制系统原理框图电子音乐盒主要是由开关按键传来的信息并通过判断其值，按照其值启动主控模块的计数器T0，主控模块产生一定的脉冲启动蜂鸣器放大电路，放出歌曲；同时启动定时器T1,通过显示电路显示其歌曲号；并且蜂鸣器放大电路通过主控模块的控制来控制闪烁电路[5]。总控制电路图的原理说明：当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。同时启动定时器T1，显示歌曲号。 （1）硬件电路中用、分别接S1、S2作为上、下一曲的功能键（2）用P1.0-P1.6控制七段数码管的七段a,b,c,d,e,f,g。（3）用P2.0口控制喇叭和三色发光二极管。三色发光二极管伴随着音乐节奏的高低而闪烁。（4）电路为12MHZ晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为20pf。3.2单片机主系统电路单片机作为整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又是数据处理器。它由单片机、时钟电路、复位电路等组成。为了简化电路、降低成本、提高可靠性，本系统采用AT89C51作为主控制器，它是一款与MCS51完全兼容且内部自带有4KB的Flash存储器及256KBRAM单元的芯片，因此可以不需另外扩展EEPROM及静态RAM就可以实现所需功能[6]。主系统图见图3-2。图3-2单片机主系统电路图 3.2.1时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图3-2所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图3-2中外接晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30PF左右，晶振频率选12MHz。3.2.2复位电路为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(1/0)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H,SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。图3-2中R16和Cl组成上电复位电路，其值R取为1K,C1取为10μF[7]。3.3蜂鸣器放大原理及电路蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型:（1）压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.5~15V直流工作电压），多谐振荡器起振,输出1.5～2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。 （2）电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。其内部结构图如图3-3。图3-3电磁式蜂鸣器内部结构图电磁式蜂鸣器驱动原理：蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路。S51增强型单片机实验板通过一个三极管C8550来放大驱动蜂鸣器，原理图见图3-4所示。图3-4蜂鸣器放大电路图如图3-4所示，蜂鸣器的正极接到VCC（＋5V）电源上面，蜂鸣器的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P2.0引脚控制，当P2.0输出高电平时，三极管Q1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P2.0输出低电平时，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。因此，我们可以通过程序控制P2.0脚的电平来使蜂鸣器发出声音和关闭。 程序中改变单片机P2.0引脚输出波形的频率，就可以调整控制蜂鸣器音调，产生各种不同音色、音调的声音。另外，改变P2.0输出电平的高低电平占空比，则可以控制蜂鸣器的声音大小，这些我们都可以通过编程实验来验证。3.4七段数码管的显示原理及电路常见的数码管由七个条状和一个点状发光二极管管芯制成，叫七段数码管见图3-5所示，根据其结构的不同，可分为共阳极数码管和共阴极数码管两种。七段数码管的引脚图如图3-5所示。图3-5七段数码管引脚图七段数码管中各段发光二极管的伏安特性和普通二极管类似，只是正向压降较大，正向电阻也较大。在一定范围内，其正向电流与发光亮度成正比。由于常规的数码管起辉电流只有1～2mA，最大极限电流也只有10～30mA，所以它的输入端在5V电源或高于TTL高电平(3.5V)的电路信号相接时，一定要加限流电阻，以免损坏器件[8]。图3-5是显示电路的电原理图，由图中可知，选用的是共阳极的数码管，低电平点亮。显示电路见图3-6。 图3-6显示电路3.5发光二极管的闪烁电路二极管分为点接触型和面接触型两类，都是由PN结构成，具有单相导电性。闪烁电路通过三极管、电阻及发光二极管组成如图3-7。图3-7闪烁电路由图可知当P2.0输出高电平时，三极管Q2截止，二极管截止；当P2.0输出低电平时，三极管导通，这样二极管导通并发光。因此，我们可以通过程序控制P2.0脚的电平来使二极管导通和截止。3.6歌曲选择电路此设计主要是通过按键来控制歌曲的选择，其原理图见图3-8所示。 图3-8歌曲按键选择电路在图3-8中由S1来播放上一首歌，用S2来播放下一歌曲。3.7小结本文所采用的设计就是主要以AT89C51单片机芯片的电路为基础，外部加上了适应的放音设备，以此来实现音乐演奏控制器的硬件电路。包括主系统电路蜂鸣器电路七段数码管显示电路以及发光二级管的闪烁电路。该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。接下来会通过第四章的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。 4软件设计前面的硬件平台结构一旦确定，大的功能框架就已经形成。软件是在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。此次设计选用汇编语言来实现编程。4.1系统主程序设计为了保证系统的可靠运行，必须要有良好的软件相配合，而且要播放出美妙的音乐，鉴于以上要求，该系统软件部分主要由主程序、中断子程序、音乐播放程序、按键以及显示程序等几大模块组成。主程序流程图如图4-1所示。初始化计数器T0，定时器T1开始等待按键，是否按键？包括上一首键，下一首键，暂停键歌曲号显示在七段数码管上按照按键来播放相应的歌曲YN图4-1系统总体流程图 由图可以看出该系统具体工作前会进行初始化操作，包括计数器T0和定时器T1的初始化，然后转入按键程序，判断按键是否按下，当键盘有键按下时，判断键值，启动定时器T1，驱动七段数码管显示歌曲号。同时启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。如果没有键按下则进行再一次判定。4.2音乐产生子程序设计4.2.1播放音乐的原理发音原理：播放一段音乐需要的是两个元素，一个是音调，另一个是音符。首先要了解对应的音调，音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升。另外，音符的频率有所不同。基于上面的内容，这样就对发音的原理有了一些初步的了解[9]。音符的发音主要靠不同的音频脉冲。利用单片机的内部定时器/计数器0，使其工作在模式1，定时中断，然后控制P3.0引脚的输出音乐。只要算出某一音频的周期（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时间再对I/O反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。4.2.2音符频率的产生音符及定时器初始值：例如：中音1（do）的音频=523HZ,周期T=1/523s=1912定时器/计数器0的定时时间为：T/2=1912/2=956定时器956的计数值=定时时间/机器周期=956/1=956(时钟频率=12MHZ) 装入T0计数器初值为65536-956=64580将64580装入T0寄存器中，启动T0工作后，每计数956次时将产生溢出中断，进入中断服务时，每次对P3.0引脚的输出值进行取反，就可得到中音DO（523HZ）的音符音频。将51单片机内部定时器工作在计数器模式1下，改变计数初值TH0,TL0以产生不同的频率。表4-1是C调各音符频率与计数初值T的对照表[10]。表4-1C调各音符频率与计数初值T的对照表音符频率（Hz）/初值()音符频率Hz/初值()低1DO262/63627中1DO523/64580高1DO1042/65056低2RE294/63835中2RE589/64687高2RE1245/65134低3M330/64021中3M661/64780高3M1318/65157低4FA350/64107中4FA700/64822高4FA1397/65178低5SO393/64264中5SO786/64900高5SO1568/65217低6LA441/64402中6LA882/64969高6LA1760/62525低7SI495/64526中7SI990/65031高7SI1967/65282音符、音符编码及定时器初始值：为了产生音符，必须求出音符低音5—高音5的计数初值。例如C调的低一THTL=65536-50000/262=63627，中音DO的THTL=65536-500000/523=64580,高音DO的THTL=65536-500000/1042=65056。为了方便写谱，对其进行简单的编码，在编程时，根据音符编码查找对应的计数初值。比如说音乐是C调的，那么出现低音的5SO，直接将代码写为1；出现低音6LA，直接写一个2的代码；出现低音7SI，直接写一个3代码。表4-2为音符编码表。 表4-2音符编码表音符音符编码音符音符编码不发音0低5SO1低6LA2低7SI3中1DO4中2RE5中3M6中4FA7中5SO8中6LA9中7SIA高1DOB高2REC高3MD高4FAE高5SOF高6LAG4.2.3节拍频率的产生节拍的产生与编码[11]：音乐中的节拍用延时时间产生。例如，1拍=0.4s,1/4拍=0.1s，以此类推。假设1/4拍执行一次延时程序，则1/2拍就执行两次延时程序，所以只要求出1/4拍的延时时间，其余节拍就是它的倍数。为了方便，将节拍数也进行了编码，并且计算了乐谱节拍编程时的延时时间，如表4-3和表4-4所示。表4-3节拍数编码表按1/4拍为一个延时时间的节拍编码与节拍对应的表按1/8拍为一个延时时间的节拍编码与节拍对应的表节拍编码节拍节拍编码节拍节拍编码节拍节拍编码节拍11/466/411/866/822/488/422/888/833/4A10/433/8A10/844/4C12/444/8C12/855/4F15/455/8 表4-4乐谱节拍编程时的时间延时表乐谱节拍1/4拍的延时时间乐谱节拍1/8拍的延时时间4/4125ms4/462ms3/4187ms3/494ms2/4250ms2/4125ms音符编码和节拍编码完成后，在编程时，每个音符占一个字节，高四位是音符编码，低四位是节拍编码。4.2.4歌曲的编码改写实例据前两节内容，对于一首歌，只要查看其对应的音调（节拍）及音符对应的编码表就可以把一首歌写成单片机可识别的数据了，下面以康定情歌为例编一下“歌谱”。歌曲的五线谱和简谱如图4-2所示。 图4-2歌曲五线谱与简谱以第一个音符“3”为例，它是中音3M，在音乐简谱中占1/2个节拍，根据上述的编码方法，将其编码为64H。这首歌编码后的代码为：DB64H,84H,92H,91H,81H,93H,61H,54H,62HDB82H,92H,91H,81H,92H,64H,62H,82H,92H,91H,81H,93H,61HDB54H,82H,62H,51H,61H,51H,41H,52H,24H,92H,54H,82H,64H,52HDB42H,94H,82H,62H,51H,61H,51H,41H,52H,24HDB00H4.2.5音乐播放子程序流程当音乐子程序开始的时候，系统会自动将节拍常数存放位清零，然后对读取的数据进行判定，判定是否是结束符，如果是，程序即刻中断，并且重设，如果不是结束符，就会接着进行第二轮判定，如果是休止符，则地址值加1，通过查表，把节拍常数发送给R7，接着打开定时器，设定节拍时间，条用发音子程序，如果不是休止符，则会打开定时器T0，进行定时，等到定时时间到，地址值自动加1，关闭定时器，并且回到原始位置，等待新一轮操作。音乐播放子程序流程图4-4如下所示。 图4-4音乐子程序流程图4.3显示模块设计由图3-5可知，设计选用的是共阳极的数码管，低电平点亮。所有的发光二极管的阳极接在一起，称之为共阳极结构，则数码管显示段输入低电平有效，当某段输入低电平该段便发光；使用时管子的上下端正中间的两个或者一个（内部公共端已经接在一起）接线端接高电平，其它的每段显示如上图所示每一段数码管同理也要加一个限流510欧的电阻[12]。七段LED数码管与单片机的接口很简单，只须将一个8位并行I/O接口与数码管的引脚相连。要显示某字行，只要使该字形的相应字段点亮即可，实际就是送入用不同电平组合代表的数据至数码管。这种装入数码管中显示字形的数据称为字形码，又称段选码。显示字符0—9和A—F与显示段选码的关系如下图所示。通常显示段选码存放在程序存储器中的固定区域中，构成显示段选码表，当要显示某字符时，通过查表指令获取该字符所对应的段选码。段选码如表4-5所示。表4-5段选码表显示字符共阴极段码共阳极段码显示字符共阴极段码共阳极断码03FHC0H87FH80H106HF9H96FH90H25BHA4HA77H88H34FHB0HB7CH83H466H99HG39HC6H56DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8HF71H8EH熄灭00HFFH 4.4键盘子程序设计键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘[14]。编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂。非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别、决定按键的读数等仅靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。有独立式按键结构、矩阵式按键结构。键盘的确定功能，就是判断键盘中的那一个键按下，确定所在行列位置。通常采用逐行（或逐列）扫描查询识别。具体过程是：依次轮流是列线中的一列输出低电平，其它三位为高电平，再在相应的顺次读行输出口的电平状态，如某行为低电平，则该行与置为低电平的列线相交叉处的按键即为闭合的键盘，对应的在单片机内部进行调用播放歌的序号[15]。其流程图见图4-4。图4-4按键子程序流程图 其相关控制程序如下：main:jnbplay,first;判断P3.2键是否按下sjmpmainfirst:acalldel20jnbplay,first;判断P3.2键是否释放movshuzhi,#00hmovdul,#0f9h;显示数值1movwel,#7fh;显示位送P2口movdptr,#dat1;表1首地址送DPTRacallmusic0acallnextretnext:incshuzhi;shuzhi+1mova,shuzhicjnea,#01,loop3;A是否=1,不等就跳转到LOOP3movdptr,#dat2;表2首地址送DPTRmovdul,#0a4h;显示数值2movwel,#7fhacallmusic0incaloop3:cjnea,#02,loop4;A是否=2,不等就跳转到LOOP4movdptr,#dat3;表3首地址送DPTRmovdul,#0b0h;显示数值3movwel,#7fhacallmusic0inca 4.5小结软件是在硬件平台上构筑，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂。软件采用模块化设计方法，包括主程序，定时中断程序，显示模块程序和音乐播放模块等程序，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。同时，对软件进行全面测试也是检验错误排除故障的重要手段。5调试以及问题解决5.1电子音乐盒的调试按照上面设计的电路在proteus软件内画图,打开单片机软件开发系统KeilC,选择89C51单片机,在其中编写程序,运行生成一个后缀名为hex的文件,然后将该文件下载到proteus中的AT89C51单片机中进行仿真,观察实验现象。仿真能实现播放音乐，按键选择曲目，暂停，播放功能。仿真成功后，安装好实验板,然后将音乐程序下载到电路板内,观察结果。能实现播放音乐，按键换曲等功能。5.2所遇到的问题及解决在调试过程遇到的问题以及解决方案：1.有时可能会出现程序的一些错误，这也没什么，但就是不能正常运行的现象，最后我们发现是因为程序中有的指令书写得不规范导致的，例如有的RET返回指令一定要按正确格式书写或在两行指令间最好不要留空行。2.程序中的跳转指令的运用很重要，为保险起见，都用LJMP,我们就遇到过跳转指令用错程序无法正常运行的现象。当用JNZ指令时，跳转范围比较少，这时要用一个标号中转。3.需要注意的是，在编程程序开始时，要写入各定时器中断的入口地址。 4.还要注意在编程过程中加注释或分割线，否则，在程序过长时容易变得很乱，不便于查找或更改。5.音乐在播放过程中出现不连贯,原因是程序过长,有一定的延迟时间,从而导致音乐播放不是很连贯。6.晶体管正常显示的解决办法：a.两个定时器同时工作，存在中断时序问题，刚开始时我们把定时器1设定在方式3，计250us，由于定时中断过于频繁，使CPU负载过大，导致音乐不能正常播放，时间不能正常显示。一般的解决办法：将定时器1设定在工作方式1，16位计数，计50ms,效果有很大改观。但还有问题。b.当音乐为全4拍起始时，此时音乐节奏与定时器T1中断频率错开，晶体管显示和音乐播放都会好一些。c.另外还有，在歌曲中，当遇到一个音符发音为4拍，在编曲中为*CH，因时间较长，当定时器T1此时来中断时，就会对歌曲播放产生影响，若改为发音一拍，中断对歌曲播放影响减弱，但音乐效果变差。改进方案：若采用可以定时时间更长的单片机，可以避免所有问题。 6结论毕业设计所选的课题为电子音乐盒的设计，采用了单片机（AT89C51）作为整个系统的控制核心。外部加上了适应的放音设备如蜂鸣器，以此来实现音乐演奏控制器。该设计硬件电路包括主系统电路、蜂鸣器电路、按键电路、七段数码管显示电路以及发光二级管的闪烁电路。系统软件部分则主要分为主程序、音乐播放程序、按键以及显示程序等几大模块。在音乐盒的设计过程中为了使设计能够顺利高效的完成，制定了一套完整的设计步骤，即（1）读懂设计要求，然后设计方案，画硬件结构图，及电路接线图，用仿真器proteus仿真，将元器件焊接到电路板上，完成硬件部分；（2）先进行程序设计分析，然后画出主程序和子程序的流程图，据此写出源程序，再进行程序下载和编译；（3）用相应设备将程序烧进芯片内；（4）焊接板接入电源，开始调试，用万用表，信号器等进行检测；（5）完备焊接板，最终演示成功。经测试，所设计的音乐盒可以实现音乐的播放，可以通过功能键来选择乐曲，播放或暂停，并且可以通过七段数码管显示正在播放的歌曲的序号，本音乐盒可以实现播放多首音乐。 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