第一章 功能介绍

1.1 功能的特点

我的这个设计是一个基于AT89C52系列单片机的简易音乐播放器，根据单片机技术的原理，通过硬件电路的设计以及软件的编译，设计出一个多功能简易音乐播放器。该音乐播放器主要由按键电路、晶振电路和复位电路以及扬声器组成。最后再用Proteus对音乐播放器进行仿真调试。

1.2 原理说明

当按键按下时，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。其中: 

1）硬件电路中用P2.0-P2.3控制4个按键，K1-K3分别控制三首音乐，K4为停止键；

2）P1.0-P1.3为LED显示，四个发光二极管分别对应四个按键，显示所播放歌曲；

3）用P3.7口控制蜂鸣器；

4）电路为12MHz晶振频率工作，起振电路中C1,C2均为22pf。

 

 

第二章 硬件电路设计

2.1系统方案设计

关于硬件的方框图如图2-1所示。主要是由单片机芯片AT89C52，LED发光二极管，和蜂鸣器，还有晶振电路，以及复位电路组成，先由引脚输出定时器产生各种固定频率的方波信号，再由蜂鸣器产生多种频率的声音。由于该方案中使用内部振荡电路，XTAL1、XTAL2引脚外接石英晶体和微调电容构成晶振电路。

2.2 模块电路的设计

2.2.1 AT89C52型单片机的介绍

AT89C52是美国Atmel公司生产的低功耗、高性能CMOS 8位单片机，其管脚图如图2-2所示。其内含8KB的可反复檫写的程序存储器和256B的随机存取数据存储器（RAM），另外其器件采用该公司的非易失性、高密度存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数如下:  

1)与MCS-51产品指令和引脚完全兼容；

2) 8K字节可重擦写Flash闪速存储器；

3) 1000次擦写周期；

4)全静态操作：0HZ-24HZ；

5) 三级加密程序存储器；

6) 256*8字节内部RAM；

7) 32个可编程I/O口线；

8) 3个16位定时/计数器；

9) 8个中断源；  

    10)可编程串行UART通道；

11) 低功耗空间和掉电模式。

1.时钟引脚  

XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发声器的输入端。  

XTAL2：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，它是构成内部振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部振荡器时，此引脚应悬浮不连接。  

注意：如果采用片内的振荡电路，要在单片机的引脚XTAL1和XTAL2之间连接一个石英晶体或陶瓷谐振器，并接两个电容到地。

2.控制线或其他电源的复位引脚  

RST：复位输入端。

ALE/PROG：当访问外部寄存器时，其地址锁存允许的输出电平将用于锁存地址的低位字节。

PSEN：即外部程序存储器的选通信号。只有在有外部程序存储器取指令期间，每个机器周期两次PSEN有效。但是在访问外部数据存储器的时候，此两次有效的PSEN信号将不会出现。  

EN/Vpp：在EN保持低电平的时候，则在此期间访问外部程序存储器（0000H-FFFFH）， 无论是否有内部程序存储器。注意要加密方式1时，EN则会将其内部锁定为RESET；而当EN保持高电平的时候，在这个期间会访问内部程序存储器。在Flash编程期间，这个管脚也会用于施加12V编程电源，即Vpp。

3. 输入/输出引脚  

P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0口可以被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Flash编程的时候，P0口可以作为原码输入口，当Flash在进行校验的时候，P0口则输出原码，这时，P0口的外部必须被拉高。  

P1口：P1口则为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O，P1口缓冲器可以用于接收输出4个TTL门电流。在P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可以用于输入，P1口被外部下拉为低电平的时候，会输出电流，这是由于内部上拉的原因。在Flash编程和校验时，P1口为第八位地址接收。  

P2口：P2口则可以为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O，P2口缓冲器可以接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”的时候，其管脚则被内部上拉电阻拉高。并且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚就被外部拉底，将输出电流。这是由于内部上拉的原因。当P2口用于外部程序存储器或者16位地址外部数据存储器进行存取的时候，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它就利用内部上拉优势，当对外部8位地址数据校验时，P2口输出其特殊功能起存器的内容。P2口在Flash编程和校验时，接收高8位地址信号和控制信号。  

P3口：P3口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”之后，它们会被内部上拉为高电平，并且用于输入。作为输入，因为外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的原因。P3口也可以作为一些特殊功能口，如表2-1所示。

 

 

2.2.2单片机最小系统的设计

单片机的最小系统设计包括：时钟电路、复位电路，如图2-3所示。在其内部方式时钟的电路中，必须在XTAL1和XTAL2引脚的两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容以此来构成振荡电路，一般C1和C2取30pF，晶振的频率取值则在1.2MHz～12MHz之间。复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。其中，电容的大小是10uF，电阻的大小是10k。

 

2.2.3蜂鸣器电路设计

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，因此需要增加一个功率放大的电路。由单片机P3.7 接口外接一个1K电阻和两个NPN型三极管来驱动蜂鸣器。它的主要任务就是输出大信号和大功率，对音频信号进行有效不失真的放大来推动扬声器发出声音，原理图如图2-4所示。

 

 

2.2.4按键电路设计

 

采用4个按钮来实现选择歌曲播放，由P2.0-P2.3控制，外接四个10K的上拉电阻，并通过三个与门接P3.2实现外部中断。原理图如图2-5所示。

 

 

图2-5 按键电路

2.2.5 LED显示电路设计

四个发光二极管分别由P1.0-P1.3控制，播放第一首歌时D1亮，第二、第三首歌时D2、D3亮，停止时D4亮，其中电阻为220Ω。原理图如图2-6所示。

 

2-6 LED显示电路

 

 

第三章 软件设计

3.1系统主模块流程图

主模块是系统软件的主框架。结构化程序设计一般有“自上而下”和“自下而上”两种方式，“自上而下”法的核心就是主框架的构建。它的合理与否关系到程序最终的功能的多少和性能的好坏。本系统的主模块程序框图如图3-1所示。开始系统初始化，判断是否有键按下，当K1键按下时，播放第一首歌，K4键按下停止播放，并返回到系统初始化，再判断是否有键按下。K2、K3键也分别控制两首歌的播放。

 

图3-1系统主模块流程图

3.2音乐产生原理

单片机发音原理：单片机演奏音乐基本是单音频率，它不包含相应幅度的谐波频率，也就是说不能象电子琴那样能奏出多种音色的声音，但一定要弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和“节拍” 。

音调：表示一个音符唱多高的频率。

节拍：表示一个音符唱多长的时间。

 

3.2.1音调

在音乐中所谓“音调”，其实就是我们常说的“音高”。在音乐领域中常把中央C上方的A音定为标准音高，它的频率f为440Hz，其余的与它比较。f1和f2为两个音符，当这两个音符的频率相差一倍时，也即f2=2×f1时，则称f2比f1高一个倍频程。在音乐领域中1与.1，2与. 2，恰好相差一个倍频程，在音乐学中则称它为相差一个八度音。在一个八度音内，有12个半音。以1—i八音区为例，12个半音是：1—＃1、＃1—2、2—＃2、＃2—3、3—4、4—＃4，＃4—5、5一＃5、＃5—6、6—＃6、＃6—7、7—i 。这12个音阶的分度差不多是以对数的关系来划分的。如果我们只要知道了这十二个音符的音高，也就是其基本音调的频率，我们就可根据倍频程的关系得到其他音符基本音调的频率。  

确定一个频率所对应的定时器的定时初值的方法：如果以标准音高A为例：标准音高A的频率f为440 Hz,它对应的周期为： T = 1/ f = 1/440 =2272μs。因此，需要在单片机I/O端口输出周期为T =2272μs的方波脉冲，如图3-2所示。

 

图3-2方波脉冲

由上图可知,单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反的时间应为：  

t = T/2 = 2272/2 = 1136μs

这个时间t也就是单片机上定时器应有的中断触发时间。大多情况下，在单片机奏乐的时候，它的定时器为工作方式1，它以振荡器的十二分频信号作为计数脉冲。设振荡器频率为f0，则定时器的予置初值由下式来确定：  

t = 12 *（TALL – THL）/ f0

式中TALL = 216 = 65536,THL为定时器待确定的计数初值。因此定时器的高低计数器的初值为：  

TH = THL / 256 = ( TALL – t* f0/12) / 256

TL = THL % 256 = ( TALL – t* f0/12) %256

 

将t=1136μs代入上面两式（注意：计算时应将时间和频率的单位换算一致），即可求出标准音高A在单片机晶振频率f0=12Mhz，定时器在工作方式1下的定时器高低计数器的予置初值为 ：      

TH440Hz = (65536 – 1136 * 12/12) /256 = FBH

TL440Hz = (65536 – 1136 * 12/12)%256 = 90H

我们根据以上的求解方法，就可求出其他音调相应的计数器的予置初值。

 

3.2.2 节拍

 

音符的节拍我们可以举例来说明。在一张乐谱中，我们经常会看到这样的表达式， 如1=C 、1=G „„ 等等，这里1=C,1=G表示乐谱的曲调，和我们前面所谈的音 调有很大的关联，、就是用来表示节拍的。以为例加以说明，它表示乐谱中以 四分音符为节拍，每一小结有三拍。如图3-3所示。

 

其中1 、2 为一拍，3、4、5为一拍，6为一拍共三拍。1 、2的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，3、4的时长为八分音符的一半，即为十六分音符长，5的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，6的时长为四分音符长。那么一拍到底该唱多长呢？一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为400—500ms 。我们以一拍的时长为400ms为例，则当以四分音符为节拍时，四分音符的时长就为400ms，八分音符的时长就为200ms，十六分音符的时长就为100ms。  

可见，在单片机上控制一个音符唱多长可采用循环延时的方法来实现。首先，我们确定一个基本时长的延时程序，比如说以十六分音符的时长为基本延时时间，那么，对于一个音符，如果它为十六分音符，则只需调用一次延时程序，如果它为八分音符，则只需调用二次延时程序，如果它为四分音符，则只需调用四次延时程序，依次类推。  

通过上面关于一个音符音调和节拍的确定方法，我们就可以在单片机上实现演奏音乐了。具体的实现方法为：将乐谱中的每个音符的音调及节拍变换成相应的音调参数和节拍参数，将他们做成数据表格，存放在存储器中，通过程序取出一个音符的相关参数，播放该音符，该音符唱完后，接着取出下一个音符的相关参数，如此直到播放完毕最后一个音符，根据需要也可循环不停地播放整个乐曲。另外，对于乐曲中的休止符，一般将其音调参数设为FFH，FFH，其节拍参数与其他音符的节拍参数确定方法一致，乐曲结束用节拍参数为00H来表示。

下面给出部分音符（三个八度音）的频率以及以单片机晶振频率f0=12Mhz，定时器在工作方式1下的定时器高低计数器的予置初值，如下表3-4所示。

表3-1 音符频率与定时器初值关系表

 

第三章 Proteus仿真应用

4.1 Proteus软件简介

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex11和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

4.2 仿真结果

当按下K1键时，显示部分电路中D1灯亮，同时播放第一首歌曲，仿真图如图4-1所示。K4键为停止键，当K4键按下时，同时D4灯亮，停止播放歌曲，仿真图如图4-2所示。

 

图4-1 仿真效果图1

 

图4-2 仿真效果图2

第四章 结论

经过这次毕业设计，我觉得自己学到了不少东西。归纳起来，主要有以下几点：  

1、通过这次毕业设计，我能将三年所学到的专业知识与实践相联系，将所学到的知识充分运用到本次设计中。同时，我也认识到自己知识上不足的地方，体会到了所学理论知识的重要性，知识掌握得越多，设计得就更全面、更顺利、更好。  

2、进一步熟悉了单片机的知识。通过本次设计，我对单片机的基本原理、内部结构、各引脚功能、定时器和中断的应用都有了更深刻的理解。并且，能够以单片机为基础元件设计一个简单的系统。  

3、提高了自己查找资料的能力。在设计过程中，我碰到了一些暂时无法解决的问题，于是我通过上网查阅和图书馆借阅资料，或是通过与老师同学交流一步步地解决了。从中我懂得了我们这个专业的知识面相当广泛，同时要懂得与他人交流意见，积极听取别人的建议，懂得团队合作的重要性。