基于.51单片机地音乐播放器制作.doc

摘 要本次课程设计是基于 AT89C51 单片机设计一个音乐播放器。通过单片机音乐播放器系统设计和研究，对于切实掌握单片机相关知识具有重要的理论和实际意义。这次课程设计的音乐播放器是软件和硬件的结合，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。根据各音阶频率算出定时器定时常数，根据节拍给出该音阶持续的时间，最终实现播放简单歌曲的功能。例如“世上只有妈妈好”。关键字：关键字：单片机，音乐播放器，音节频率ABSTRACTThis course is designed based on single chip microcomputer AT89C51 design a music playerThrough the single-chip microcomputer music player system design and research, to be mastered microcontroller related knowledge is of important theoretical and practical significance.The course design of the music player is the combination of software and hardware,Different notes in the music, the essence is different frequency of sound. Through the single-chip microcomputer produce different frequency of the pulse signal, amplified circuit, released by a buzzer to produce the harmonious beauty of music.according to each octave frequency calculate timer time constant, according to beat the the duration of the scale are given, finally realizes the play simple songs function. For example “There is only a good mother“.Keywords: MCU,music player, Syllable frequency目目 录录第 1 章引言.11.1 选题背景.11.2 设计原理.11.3 单片机简介.21.4 单片机的发展历史.21.5 单片机的应用领域及发展趋势.2第 2 章方案论证.52.1 设计要求.52.2 系统描述.52.3 设计方案.62.3.1 集成电路.62.3.2 单片机最小系统.102.3.3 结论.12第 3 章硬件设计.133.1 硬件结构.133.2 中心控制模块.133.3 电源模块.163.4 控制电路.173.5 复位电路.173.6 电路设计所需要的器件.19第 4 章软件设计.204.1 音乐发声设计原理.204.1.1 发声原理.204.1.2 单片机产生不同频率脉冲信号的原理.204.1.3 键控子程序.234.1.4 播放/暂停子程序.244.1.5 曲目选择子程序.244.2 音乐播放程序设计.25第 5 章系统调试.295.1 软件调试.295.2 KEIL 开发系统.295.3 调试中遇到的问题及解决.305.4 仿真结果.315.5 误差分析.32第 6 章结论.33参考文献.34致谢.35附录.36附录一：完整的音乐程序.36附录二：原理图.40附录三：仿真图.41附录四：PCB 图.42第 1 章引言1.1 选题背景单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit） ，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。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统） ，和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。 。INTEL 的 8080 是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是 8位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8051，此后在 8051 上发展出了 MCS51系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管 2000 年以后 ARM 已经发展出了 32 位的主频超过 300M 的高端单片机，直到现在基于 8051的单片机还在广泛的使用。现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。 汽车上一般配备 40 多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！利用单片机实现音乐播放有很多优点，例如外部电路简单，控制方便等，因而备受广大单片机爱好者的喜爱。通过音乐发生器的设计方案，掌握 C 语言的编程方法。并熟练的运用 89C51 单片机定时器产生固定频率的方波信号，驱动喇叭发出旋律，按下按键可以演奏预先设置的歌曲旋律，最重要的是自己还可以通过程序设计输入自己喜欢的歌曲来演奏。1.2 设计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。1.3 单片机简介单片机是一种集成电路芯片，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微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 32 位 300M 的高速单片机。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但储存量小，输入输出接口简单，功能较低。由于其发展的非常迅速，旧的单片机的定义已经不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器。由于单晶片微电脑常用于当控制器故又名 single chip microcontroller。1.4 单片机的发展历史单片机诞生于 1971 年，经历了 SCM、MCU、SoC 三大阶段，早期的 SCM单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8031，此后在 8031 上发展出了 MCS51 系列 MCU 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 INTEL i960 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。高端的 32 位 Soc 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。1.5 单片机的应用领域及发展趋势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，从洗衣机、电冰箱、空调机、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。单片机的发展趋势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。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。第 2 章方案论证2.1 设计要求具体的设计要求应该满足以下功能：硬件方面：1、可以通过按键进行曲目的选着；2、可以通过按键进行曲目的播放和停止；3、可以控制声音的音节和长短；4、音频数据信息记录需要大量的非易失性数据存储器实时快速地记录数据。因此需要具有掉电保护功能的大容量存储器。软件方面：1、系统中外的各器件的初始化工作均在主程序中完成，其次，要设计如何调用显示子程序以及乐曲播放程序。2、在实际的控制过程中，常要求有实时时钟，以实现定时或延时控制所以需要此类中断服务程序。2.2 系统描述本课题主要任务是利用单片机等部件设计一个多功能音乐盒，实现音乐的播放，以及通过按键的控制实现上叙述的功能。本文分析基于 AT89C51 单片机的音乐播放器的硬件电路和软件设计，具体过程包括数据处理子程序的设计，显示子程序的设计，最后针对仿真过程中遇到的现象进行咯说明和分析。2.3 设计方案2.3.1 集成电路集成电路（integrated circuit）如图 2-1 是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于硅的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于锗的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。图 2-1 集成电路1、特点集成电路或称微电路（microcircuit）、微芯片（microchip）、芯片（chip）在电子学中是一种把电路（主要包括半导体装置，也包括被动元件等）小型化的方式，并通常制造在半导体晶圆表面上。前述将电路制造在半导体芯片表面上的集成电路又称薄膜（thin-film）集成电路。另有一种厚膜（thick-film）混成集成电路（hybrid integrated circuit）是由独立半导体设备和被动元件，集成到衬底或线路板所构成的小型化电路。集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。2、分类按功能结构分类集成电路，又称为 IC，按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。模拟集成电路又称线性电路,用来产生、放大和处理各种模拟信号（指幅度随时间变化的信号。例如半导体收音机的音频信号、录放机的磁带信号等），其输入信号和输出信号成比例关系。而数字集成电路用来产生、放大和处理各种数字信号（指在时间上和幅度上离散取值的信号。例如 3G 手机、数码相机、电脑CPU、数字电视的逻辑控制和重放的音频信号和视频信号）。按制作工艺分类集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路。膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。按集成度高低分类集成电路按集成度高低的不同可分为：SSI 小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits)MSI 中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits)LSI 大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits)VLSI 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits)ULSI 特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuits)GSI 巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规模集成电路(Giga Scale Integration)。按导电类型不同分类集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成电路，他们都是数字集成电路。双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL 等类型。单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS 等类型。按用途分类集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电路及各种专用集成电路。（1）电视机用集成电路包括行、场扫描集成电路、中放集成电路、伴音集成电路、彩色解码集成电路、AV/TV 转换集成电路、开关电源集成电路、遥控集成电路、丽音解码集成电路、画中画处理集成电路、微处理器（CPU）集成电路、存储器集成电路等。（2）音响用集成电路包括 AM/FM 高中频电路、立体声解码电路、音频前置放大电路、音频运算放大集成电路、音频功率放大集成电路、环绕声处理集成电路、电平驱动集成电路，电子音量控制集成电路、延时混响集成电路、电子开关集成电路等。（3）影碟机用集成电路有系统控制集成电路、视频编码集成电路、MPEG解码集成电路、音频信号处理集成电路、音响效果集成电路、RF 信号处理集成电路、数字信号处理集成电路、伺服集成电路、电动机驱动集成电路等。（4）录像机用集成电路有系统控制集成电路、伺服集成电路、驱动集成电路、音频处理集成电路、视频处理集成电路。按应用领域分类集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成电路。按外形分类集成电路按外形可分为圆形（金属外壳晶体管封装型，一般适合用于大功率）、扁平型（稳定性好，体积小）和双列直插型。3、简史1947 年：贝尔实验室肖特莱等人发明了晶体管，这是微电子技术发展中第一个里程碑；1950 年：结型晶体管诞生1950 年： R Ohl 和肖特莱发明了离子注入工艺1951 年：场效应晶体管发明1958 年：仙童公司 Robert Noyce 与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史；1962 年：美国 RCA 公司研制出 MOS 场效应晶体管1963 年：F.M.Wanlass 和 C.T.Sah 首次提出 CMOS 技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于 CMOS 工艺1964 年：Intel 摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每 18 个月增加 1倍1966 年：美国 RCA 公司研制出 CMOS 集成电路，并研制出第一块门阵列（50 门），为现如今的大规模集成电路发展奠定了坚实基础，具有里程碑意义1971 年：Intel 推出 1kb 动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现1971 年：全球第一个微处理器 4004 由 Intel 公司推出，采用的是 MOS 工艺，这是一个里程碑式的发明1978 年：64kb 动态随机存储器诞生，不足 0.5 平方厘米的硅片上集成了 14万个晶体管，标志着超大规模集成电路（VLSI）时代的来临1979 年：Intel 推出 5MHz 8088 微处理器，之后，IBM 基于 8088 推出全球第一台 PC1985 年：80386 微处理器问世，20MHz1988 年：16M DRAM 问世，1 平方厘米大小的硅片上集成有 3500 万个晶体管，标志着进入超大规模集成电路（VLSI）阶段1989 年：1Mb DRAM 进入市场1989 年：486 微处理器推出，25MHz，1m 工艺，后来 50MHz 芯片采用 0.8m 工艺1992 年：64M 位随机存储器问世1997 年：300MHz 奔腾问世，采用 0.25m 工艺1999 年：奔腾问世，450MHz，采用 0.25m 工艺，后采用 0.18m 工艺2003 年：奔腾 4 E 系列推出，采用 90nm 工艺。2005 年：intel 酷睿 2 系列上市，采用 65nm 工艺。2007 年：基于全新 45 纳米 High-K 工艺的 intel 酷睿 2 E7/E8/E9 上市。2009 年：intel 酷睿 i 系列全新推出，创纪录采用了领先的 32 纳米工艺，并且下一代 22 纳米工艺正在研发。我国集成电路发展历史我国集成电路产业诞生于六十年代，共经历了三个发展阶段：1965 年-1978 年：以计算机和军工配套为目标，以开发逻辑电路为主要产 品，初步建立集成电路工业基础及相关设备、仪器、材料的配套条件1978 年-1990 年：主要引进美国二手设备，改善集成电路装备水平，在“治散治乱”的同时，以消费类整机作为配套重点，较好地解决了彩电集成电路的国产化1990 年-2000 年：以 908 工程、909 工程为重点，以 CAD 为突破口，抓好科技攻关和北方科研开发基地的建设，为信息产业服务，集成电路行业取得了新的发展。集成电路产业是对集成电路产业链各环节市场销售额的总体描述，它不仅仅包含集成电路市场，也包括 IP 核市场、EDA 市场、芯片代工市场、封测市场，甚至延伸至设备、材料市场。集成电路产业不再依赖 CPU、存储器等单一器件发展，移动互联、三网融合、多屏互动、智能终端带来了多重市场空间，商业模式不断创新为市场注入新活力。目前我国集成电路产业已具备一定基础，多年来我国集成电路产业所聚集的技术创新活力、市场拓展能力、资源整合动力以及广阔的市场潜力，为产业在未来 5年10 年实现快速发展、迈上新的台阶奠定了基础。2.3.2 单片机最小系统在设计的时候我们了解了 2 款芯片，AT89C51 和 AT89C52。下面是 2 款芯片的简介:AT89C51：是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存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 1000 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。AT89C51 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。主要功能特性：1)与 MCS-51 兼容；2)4K 字节可编程 FLASH 存储器；3)全静态工作：0Hz-24MHz；4)128×8 位内部 RAM；5)两个 16 位定时器/计数器；6)5 个中断源；7)可编程串行通道；8)低功耗的闲置和掉电模式；9)片内振荡器和时钟电路。AT89C52：是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应用。主要功能特性：1)兼容 MCS51 指令系统；2)8kB 可反复擦写(大于 1000 次）Flash ROM；3)32 个双向 I/O 口；4)256x8bit 内部 RAM；5)3 个 16 位可编程定时/计数器中断；6)时钟频率 0-24MHz；7)2 个串行中断，可编程 UART 串行通道；8)2 个外部中断源，共 8 个中断源；9)2 个读写中断口线，3 级加密位；10) 低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能。2.3.3 结论我们通过集成电路和 2 款单片机的属性和优缺点对比，我们觉得 AT89C51单片机芯片更加适合本次实验的中心控制芯片。第 3 章硬件设计3.1 硬件结构图 3-1 是以 AT89C51 单片机为核心的音乐播放器系统硬件设计结构框图。该系统主要是由复位电路、按键电路、时钟电路、中心模块、扬声器驱动等组成。其工作原理为：此音乐播放器，有三个按键及控制按钮：播放/暂停、下一曲、上一曲；通过控制按钮控制单片机，播放所要求的音乐，并通过放大电路和喇叭输出声音。图 3-1 硬件结构图3.2 中心控制模块中控采用的是 AT89C51 芯片，下面是 AT89C51 的引脚图：图 3-2 AT89C51 引脚图各端口作用： P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。 引脚号第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O