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一、任務設計： 1、設計任務：設計并制作一個流水燈音樂盒。 2、設計要求 - 流水燈音樂盒電路使用兩個按鍵控制音樂盒，一個用來切換歌曲，另一個用來切換LED燈的變化花樣；
- 利用按鍵切換演奏出不同的樂曲；
- 蜂鳴器發(fā)出某個音調(diào)，與之相對應的LED亮起；
- 音樂盒共有五首歌曲，花樣燈花樣共計五種。
3.發(fā)揮部分 - 實此電路的程序只占用了2K左右，可以方便的添加更多的音樂和LED花樣，
4.創(chuàng)新部分 - 演奏完整的一首的歌曲，八路LED隨著音樂變化
- 八路LED變化出各種花樣，蜂鳴器隨著發(fā)出“嘀嘀”聲
- 按下按鍵1進入演奏音樂模式，再按時就可以切換歌曲，共擁有五首歌曲。
- 按下按鍵2進入花樣燈模式，再按時就可以切換LED花樣，共有五種花樣。
二、方案論證 2.1方案一：單片機接+5V電源供電，晶振電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘信號，通過功能鍵產(chǎn)生外部中斷，控制音樂盒的上一首和下一首曲目，再由I/0接口輸出控制揚聲器發(fā)聲，LCD顯示。另外，復位電路在于營造一個程序運行的初始狀態(tài)，在程序出錯時，重新啟動單片機工作。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示
圖1方案一 系統(tǒng)框圖 方案二：設計一個音樂播放器同樣使用AT89C51，蜂鳴器一端與一個按鈕串聯(lián)后再和P17焊接，另一端直接接地；P31和RST端口并聯(lián)后和主電源串接，如圖2所示： 圖2方案二系統(tǒng)框圖 2.2方案比較 方案一是通過按鍵控制系統(tǒng)的音樂播放。利用I/0口產(chǎn)生一定頻率的方波，驅(qū)動蜂鳴器，發(fā)出不同的音調(diào)，從而演奏出樂曲；采用LCD顯示信息，開機時有歡迎提示字符，播放時顯示歌曲序號或名稱；可通過功能鍵選擇樂曲暫停，播放；當鍵盤有鍵按下時，判斷鍵值，啟動計數(shù)器T0，產(chǎn)生一定頻率的脈沖，驅(qū)動蜂鳴器，放出樂曲，同時啟動計數(shù)器T0，產(chǎn)生一定頻率的脈沖，驅(qū)動蜂鳴器，放出樂曲。同時啟動定時器T1，在LCD顯示歌曲號。通過單片機P1口控制，實現(xiàn)功能鍵盤的功能；功能鍵盤采用按鍵開關，通過單片機P2口控制，實現(xiàn)歌曲播放順序的調(diào)換和暫停播放功能；揚聲器由單片機的P3控制，實現(xiàn)歌曲播放。方案二是利用AT89C51芯片通過播放按鍵直接控制音樂，使得蜂鳴器發(fā)出聲音，方案一所需的電子元件少，這就大大減少了生產(chǎn)成本，此外，對于一個輕便易攜的音樂盒，其附加能耗越低越好。 2.3方案論證 雖然方案一的設計比較全面，但其難度較大，且編程方面要求較高；方案二要求簡單，容易實現(xiàn)，編程方面也較簡單，因設計的是翻蓋式音樂盒，其功能是在翻開翻蓋的同時開關閉合，播放音樂，翻蓋蓋上，開關斷開，音樂盒停止運行，因此方案二更符合實際需要達到了設計音樂盒的目的。 2.4 方案選擇 通過2.3的方案論證，決定選擇方案二，方案二的實施性更強。 三、總體方案 1.工作原理 本設計采用AT89C51單片機作為本系統(tǒng)的控制模塊。依據(jù)單片機技術(shù)原理，通過硬件電路制作以及軟件編譯，設計制作出一個多功能多功能音樂盒，最終達到設計電路的樂器演奏、點歌、存儲及顯示功能。設計中應用中斷系統(tǒng)和定時/計數(shù)原理控制演奏器發(fā)聲，對音樂發(fā)生所必須確定的音符和節(jié)拍分別用程序語言實現(xiàn),可以用它來彈奏和播放樂曲。
2.總體設計 設計總體框架圖如圖1 音樂盒的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以AT89C52單片機位控制核心，加上2個按鍵、時鐘復位電路、蜂鳴器、LED模塊組成。單片機負責接收按鍵的輸入，根據(jù)輸入控制音樂播放曲目和音樂花樣燈的顯示樣式以及蜂鳴器發(fā)音。
四、系統(tǒng)硬件設計（單元電路設計及分析） 1.AT89C51簡介 功能特性：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式�？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52。 主要性能：與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz 、 三級加密程序存儲器 、32個可編程I/O口線 、三個16位定時器/計數(shù)器八個中斷源、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標識符。 2. LED顯示模塊 LED顯示電路是由8個LED發(fā)光二極管組成，LED接到單片機的P1口，若為低電平，可使LED亮起。發(fā)光二極管的亮、滅由內(nèi)部程序控制，8個LED發(fā)光二極管分別對應不同的音階，所以LED會隨著音階的變化按規(guī)律亮、滅。 
3.時鐘振蕩模塊 AT89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者陶瓷諧振器一起構(gòu)成自然振蕩器。外接石英晶體及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1，C2雖然沒有什么嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。 如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30PF  10PF，而如果使用陶瓷振蕩器建議選擇40PF 10PF。用戶也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路如圖示。這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。振蕩器電路圖如下： 晶振電路 4.按鍵控制模塊 按下按鍵1進入演奏音樂模式，再按時就可以切換歌曲，共擁有五首歌曲。 按下按鍵2進入花樣燈模式，再按時就可以切換LED花樣，共有五種花樣。當按下電路是就會回到流水燈樣式一。 6. 蜂鳴器電路 蜂鳴器用于音樂的發(fā)音，受P0.4腳的控制。 7.整體電路 系統(tǒng)整體電路如圖8 所示
圖8 系統(tǒng)總體電路圖 仿真圖 五、系統(tǒng)軟件設計流程 1.主程序流程如圖9所示 圖9 系統(tǒng)主程序流程 2. 播放音樂子程序流程圖10所示
 圖10 播放音樂子程序流程
六、測試及其結(jié)果分析 1.基本部分測試與分析 （1）第一種花樣燈顯示方式為：從D1移向D2，然后D1熄滅，再從D2移向D3，然后D2熄滅，以此類推，當循環(huán)一遍后，就從D4和D5分別向兩邊移動。 第一種花樣 （2）第二種花樣燈顯示方式為：從兩邊向中間移動，首先從D1移向D8，再從D8移向D2，以此類推，往復循環(huán)。 (1) 音調(diào)的確定 不同音高的樂音是用C、D、E、F、G、A、B來表示，這7個字母就是音樂的音名，它們一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成簡譜的1、2、3、4、5、6、7，相當于漢字“多來米發(fā)梭拉西”的讀音，這是唱曲時樂音的發(fā)音，所以叫“音調(diào)”，即Tone。把C、D、E、F、G、A、B這一組音的距離分成12個等份，每一個等份叫一個“半音”。兩個音之間的距離有兩個“半音”，就叫“全音”。在鋼琴等鍵盤樂器上，C–D、D–E、F–G、G–A、A–B兩音之間隔著一個黑鍵，他們之間的距離就是全音；E–F、B–C兩音之間沒有黑鍵相隔，它們之間的距離就是半音。通常唱成1、2、3、4、5、6、7的音叫自然音，那些在它們的左上角加上﹟號或者b號的叫變化音。﹟叫升記號，表示把音在原來的基礎上升高半音，b叫降記音，表示在原來的基礎上降低半音。例如高音DO的頻率（1046Hz）剛好是中音DO的頻率（523Hz）的一倍，中音DO的頻率（523Hz）剛好是低音DO頻率（266 Hz）的一倍；同樣的，高音RE的頻率（1175Hz）剛好是中音RE的頻率（587Hz）的一倍，中音RE的頻率（587Hz）剛好是低音RE頻率（294 Hz）的一倍。 要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（1/頻率），然后將此周期除以2，即為半周期的時間。利用定時器計時這半個周期時間，每當計時到后就將輸出脈沖的I/O反相，然后重復計時此半周期時間再對I/O反相，就可在I/O腳上得到此頻率的脈沖。 利用AT89C51的內(nèi)部定時器使其工作在計數(shù)器模式MODE1下，改變計數(shù)值TH0及TL0以產(chǎn)生不同頻率的方法。此外結(jié)束符和休止符可以分別用代碼00H和FFH來表示，若查表結(jié)果為00H，則表示曲子終了；若查表結(jié)果為FFH，則產(chǎn)生相應的停頓效果。 例如頻率為523Hz，其周期T=1/523=1912us，因此只要令計數(shù)器計時956us/1us=956，在每次技術(shù)956次時將I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。 計數(shù)脈沖值與頻率的關系公式如下： N=Fi 2 Fr N：計算值；Fi：內(nèi)部計時一次為1us，故其頻率為1MHz；Fr要產(chǎn)生的頻率。 其計數(shù)值的求法如下： T=65536-N=65536-Fi2Fr 例如：設K=65536，F(xiàn)=1000000=Fi=1MHz，球低音DO（261Hz）。中音DO（523Hz）。高音的DO（1046Hz）的計算值 T=65536-N=65536-Fi2Fr=65536-10000002Fr=65536-500000/Fr 低音DO的T=65536-500000/262=63627 低音DO的T=65536-500000/523=64580 低音DO的T=65536-500000/1047=65059 C調(diào)各音符頻率與計數(shù)值T的對照表如表1所示: 表1 C調(diào)各音符頻率與計數(shù)值T的對照表
（2）節(jié)拍的確定 若要構(gòu)成音樂，光有音調(diào)是不夠的，還需要節(jié)拍，讓音樂具有旋律（固定的律動），而且可以調(diào)節(jié)各個音的快滿度�！肮�(jié)拍”,即Beat，簡單說就是打拍子，就像我們聽音樂不自主的隨之拍手或跺腳。若1拍實0.5s，則1/4 拍為0.125s。至于1拍多少s，并沒有嚴格規(guī)定，就像人的心跳一樣，大部分人的心跳是每分鐘72下，有些人快一點，有些人慢一點，只要聽的悅耳就好。音持續(xù)時間的長短即時值，一般用拍數(shù)表示。休止符表示暫停發(fā)音。 一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應著不同頻率，這樣就可以利用不同的頻率的組合，加以與拍數(shù)對應的延時，構(gòu)成音樂。了解音樂的一些基礎知識，我們可知產(chǎn)生不同頻率的音頻脈沖即能產(chǎn)生音樂。對于單片機來說，產(chǎn)生不同頻率的脈沖是非常方便的，利用單片機的定時/計數(shù)器來產(chǎn)生這樣的方波頻率信號。因此，需要弄清楚音樂中的音符和對應的頻率，以及單片機定時計數(shù)的關系。如表2節(jié)拍與節(jié)拍碼對照: 表2節(jié)拍與節(jié)拍碼對照
每個音符使用1個字節(jié)，字節(jié)的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的節(jié)拍。如果1拍為0.4秒，1/4拍實0.1秒，只要設定延遲時間就可求得節(jié)拍的時間。假設1/4拍為1DELAY，則1拍應為4DELAY，以此類推。所以只要求得1/4拍的DELAY時間，其余的節(jié)拍就是它的倍數(shù)，如表3為1/4和1/8節(jié)拍的時間設定。 表3 1/4和1/8節(jié)拍的時間設定
(3)編碼 do re mi fa so la si分別編碼為1~7，重音do編為8,重音re編為9，停頓編為0。播放長度以十六分音符為單位（在本程序中為165ms），一拍即四分音符等于4個十六分音符，編為4,其它的播放時間以此類推。音調(diào)作為編碼的高4位，而播放時間作為低4位，如此音調(diào)和節(jié)拍就構(gòu)成了一個編碼。以0xff作為曲譜的結(jié)束標志。 舉例1：音調(diào)do,發(fā)音長度為兩拍，即二分音符，將其編碼為0x18。 舉例2：音調(diào)re,發(fā)音長度為半拍，即八分音符，將其編碼為0x22 歌曲播放的設計。先將歌曲的簡譜進行編碼，儲存在一個數(shù)據(jù)類型為unsigned char 的數(shù)組中。程序從數(shù)組中取出一個數(shù)，然后分離出高4位得到音調(diào)，接著找出相應的值賦給定時器0，使之定時操作蜂鳴器，得出相應的音調(diào)；接著分離出該數(shù)的低4位，得到延時時間，接著調(diào)用軟件延時[1]。如表4簡譜對應的簡譜碼、T值、節(jié)拍數(shù)： 表4 簡譜對應的簡譜碼、T值、節(jié)拍數(shù)
七、總結(jié) 對比兩種方案的設計，可以看出方案一，不論在軟件設計，硬件設計上帶來許多便捷，更能夠體現(xiàn)符合實際生產(chǎn)的需要，節(jié)約成本，服務生活，引導節(jié)能環(huán)保的潮流，具有極強的現(xiàn)實意義和可行性，利用定時器可以產(chǎn)生各種固定頻率的方波信號，也可以產(chǎn)生包括"Do"、"Re"、"Me"--等音階在內(nèi)的各種頻率聲音。將各個音階連接在一起，便可組成一支曲子或是演奏一段旋律。 八、設計心得體會 流水燈音樂盒設計是一項趣味性很強的設計，能激發(fā)我的濃厚興趣。同時要求我從程序編程，調(diào)試，軟件仿真和繪制開始，到硬件的焊接和調(diào)試，再到修改程序，在這期間我了解到了單片機開發(fā)的大致流程。 通過這次設計，也讓我學習到了很多新的東西，這些都讓我受益匪淺。單片機的定時器功能，LED的流水顯示，功能鍵盤的設計，這些內(nèi)容都頗為豐富。有以前學習過的舊知識，也有很多未曾注意到得新知識，這些都曾使我的設計出錯，通過自己的努力，老師指導和同學的幫助，終于克服了一個一個的困難，把硬件實物順利做好，把軟件調(diào)試順利完成。通過這次設計能夠更熟悉的進行單片機的控制和編程，也從中發(fā)現(xiàn)了自己很多的不足，通過學習網(wǎng)上的資料和書本上的知識才能很好的完成任務，在實踐的過程中不斷地學習是更高效的學習方法，這次設計也有很多不足的地方，希望在以后的制作過程中能不斷地提高自己，做出更好、更有用的作品。
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2018-6-26 21:17 上傳
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