俞宏霖，李明明*，白炳斌，張 祥

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314000）

基于AT89C51單片機(jī)簡易音樂播放器設(shè)計(jì)與研究

俞宏霖，李明明*，白炳斌，張 祥

（嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興 314000）

為了適應(yīng)智慧家居應(yīng)用的需求，文章設(shè)計(jì)了一款基于AT89C51單片機(jī)的音樂播放器。首先在理論上分析了音樂播放器的設(shè)計(jì)原理，即通過單片機(jī)的定時(shí)/中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)音頻播放；其次，利用定時(shí)器產(chǎn)生不同音頻，借助蜂鳴器轉(zhuǎn)發(fā)放大信號，以實(shí)現(xiàn)不同音調(diào)的播放；最后，在軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加入中斷系統(tǒng)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)音調(diào)的時(shí)長變化。

AT89C51型單片機(jī)；音樂播放器；時(shí)間控制電路

1 概述

隨著單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)在智慧家居中得廣泛應(yīng)用，基于AT89C51單片機(jī)為基礎(chǔ)的單片機(jī)產(chǎn)品，也逐漸受到廣大用戶歡迎［1-3］。音樂播放器效果廣泛應(yīng)用于高校生活當(dāng)中，如傳統(tǒng)的上課鈴聲、早起鈴聲、午間廣播等均轉(zhuǎn)變?yōu)閻偠囊魳?。將單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用于音樂播放器的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)音樂播放效果［4］，是單片機(jī)衍生音樂播放器的重點(diǎn)研究之一。

能讓單片機(jī)產(chǎn)生音樂的原因在于：單片機(jī)系統(tǒng)中存在定時(shí)/中斷系統(tǒng)，可以輔助單片機(jī)在一定的延時(shí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同頻率的變化。其中，不同的頻率因信號放大產(chǎn)生不同的方波，方波數(shù)據(jù)傳送到外接的蜂鳴器后，產(chǎn)生聲音。連續(xù)的方波，則產(chǎn)生音樂［5-6］。文獻(xiàn)［7-8］指出了其設(shè)計(jì)音樂播放器的編程原理、定時(shí)器的設(shè)定，通過Keil，Protel99 SE軟件完成PCB板的設(shè)計(jì)。

基于已有研究結(jié)果，設(shè)計(jì)一種以AT89C51型單片機(jī)為基礎(chǔ)元件設(shè)計(jì)出自動式音樂播放器并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可用性，其設(shè)計(jì)原理為基于定時(shí)器所產(chǎn)生的頻率不同的方波，信號放大后、驅(qū)動蜂鳴器以產(chǎn)生不同音調(diào)，利用程序設(shè)計(jì)控制音調(diào)時(shí)長，基于Keil軟件完成程序設(shè)計(jì)，基于Proteus軟件完成硬件電路設(shè)計(jì)。在軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加入中斷系統(tǒng)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)音調(diào)的時(shí)長變化，以此設(shè)計(jì)出一套完整的音樂。系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括了單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、晶振電路、按鍵電路、發(fā)聲電路和電源電路。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)框圖

為了進(jìn)一步了解基于AT89C51系列單片機(jī)的音樂播放器的系統(tǒng)接口和硬件電路，筆者設(shè)計(jì)了硬件總體電路原理圖，如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)原理圖

將AT89C51單片機(jī)作為主控制核心，配置具有3個(gè)按鍵的按鍵電路、時(shí)鐘和復(fù)位電路、音頻放大電路。其中，AT89C51芯片主要完成接收按鍵的輸入，根據(jù)輸入控制音樂播放曲目和揚(yáng)聲器發(fā)音。播放器通過歌曲控制按鈕來將內(nèi)部已經(jīng)存儲好的音頻信號讀取并且傳輸，經(jīng)過晶振和時(shí)鐘電路來輸出長短不一的音頻通過揚(yáng)聲器輸出，然后設(shè)置一個(gè)復(fù)位按鈕能夠隨時(shí)中斷并回到初始狀態(tài)，從而方便多次調(diào)試。

2.2 音頻放大電路

單片機(jī)實(shí)際上無法實(shí)現(xiàn)如專業(yè)樂器的多音色效果音樂，原因是因?yàn)槠錄]有多振幅的諧振頻率，因而，對于單片機(jī)而言，音樂來自于單個(gè)音頻率。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中音頻放大電路中需要注意音調(diào)和節(jié)拍的變化，就可以區(qū)分音樂［9-10］。由于音頻放大這一部分是整個(gè)音樂播放器硬件電路的關(guān)鍵所在，通過ATC89C51的I/O口產(chǎn)生一定頻率的脈沖，基于LM386功放電路驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出不同的音調(diào)繼而演奏樂曲。音頻發(fā)聲及放大電路原理圖如圖3所示。

3 播放器軟件設(shè)計(jì)

3.1 音調(diào)設(shè)計(jì)

音調(diào)主要由聲音的頻率決定，在單片機(jī)定時(shí)中斷系統(tǒng)的信號放大過程中，通過中斷服務(wù)程序完成單片機(jī)I/O口的來回置高/低電平，以實(shí)現(xiàn)蜂鳴器的發(fā)聲。因此，每個(gè)音符所需時(shí)長需要計(jì)算，循環(huán)延時(shí)可作為控制一個(gè)音符發(fā)聲的時(shí)長，多次循環(huán)從而完成一首完整的音樂。

開展小學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)科教學(xué)工作坊工作，目的是更好地調(diào)動各類資源，特別是突破校本教研的局限性，開展更廣泛、更有針對性的教研活動。在這樣的教研活動中能夠依托工作坊研修平臺的課程資源，創(chuàng)新完善線上線下混合式培訓(xùn)模式，促使和推動參加工作坊研修的教師形成一個(gè)共同體。在此過程中，能夠群策群力，注重每位教師的教育教學(xué)能力的提升，把所學(xué)應(yīng)用于實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)學(xué)用結(jié)合，從而解決教師在教育教學(xué)中的突出問題。

改變音調(diào)的頻率分為高音、中音和低音，因此，選擇蜂鳴器或揚(yáng)聲器是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通常情況下，低頻純音的音調(diào)在2 000 Hz以下的隨響度的增加而下降，高頻純音的音調(diào)在3 000 Hz以上隨響度的增加而上升。

綜上所述，如果單片機(jī)內(nèi)部中斷響應(yīng)時(shí)間為1 200μs，其定時(shí)器為工作方式1，則振蕩器脈沖是十二分頻信號，且其外接晶振的頻率為f，則定時(shí)器的預(yù)置初始值如公式（1）所示。

其中N表示當(dāng)前工作狀態(tài)下的定時(shí)器計(jì)數(shù)值。

3.2 程序流程圖

發(fā)聲方法確定之后，程序流程結(jié)果如圖4所示。初始化程序堆棧后，初始化音樂輸出口和按鈕，并根據(jù)當(dāng)前播放歌曲的某個(gè)音符反應(yīng)，設(shè)置按鍵，處理上下曲目，直到斷電為止。

圖 3 音頻發(fā)生及放大電路

圖4 程序流程圖

3.3 音樂的產(chǎn)生

基于不同的音調(diào)和節(jié)拍效果，根據(jù)不同組合頻率，產(chǎn)生的音樂往往大相徑庭。因而，基于單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0/ T1以獲取不同的方波頻率，需要把不同音階對應(yīng)的頻率關(guān)系確認(rèn)無誤，以得到最終音樂。具體方法如下：

基于單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，設(shè)置工作計(jì)數(shù)器模式為T1方式，TH1及TL1的計(jì)數(shù)值以產(chǎn)生不同音階。以P1.0引腳為例，如果需要音頻脈沖，則需算出某一音頻的1/2周期時(shí)間。當(dāng)每次計(jì)時(shí)中斷后單片機(jī)的P1.0引腳開始反相，重復(fù)計(jì)時(shí)再反相。最終獲得P1.0引腳的頻率脈沖。其中計(jì)算脈沖與頻率關(guān)系的方法為：

式中，N是計(jì)數(shù)值；fi表示機(jī)器頻率（其頻率為1 MHz）；fr是需要的頻率。則對于假設(shè)情況：當(dāng)頻為523 Hz，得到半周期為T/2=2/523=956 μs。因此如果計(jì)數(shù)器計(jì)是956 μs，則每計(jì)數(shù)956次時(shí)P1.0引腳將I/O反相，可得中音DO（523 Hz）［10］。

根據(jù)式（1—2），則計(jì)數(shù)初值的處理結(jié)果如式（3）所示。

基于式（3）結(jié)果，則DO的低音初始值為T=65536-500000/262=63628，高音初始值為T=65536-500000/1046 =65058。如表1所示。

表1 主要音符對應(yīng)頻率表

程序中的全局變量YinFuH，PinlvL就是音符頻率表，分別為數(shù)據(jù)的高8位和低8位，具體情況如下。

unsigned char code YinFuH ［］=｛0xF2，0xF3，0xF5，0xF5，0xF6，0xF7，0xF8，//低音1，2，3，4，5，6，7

0xF9，0xF9，0xFA，0xFA，0xFB，0xFB，0xFC，//中音1，2，3，4，5，6，7

0xFC，0xFC，0xFD，0xFD，0xFD，0xFD，0xFE，//高音1，2，3，4，5，6，7

0xFE，0xFE，0xFE，0xFE，0xFE，0xFE，0xFF，//超高音1，2，3，4，5，6，7｝；

unsigned char code PinlvL ［］=｛0x42，0xC1，0x17，0xB6，0xD0，0xD1，0xB6，//低音1，2，3，4，5，6，7

0x21 ，0xE1，0x8C，0xD8，0x68，0xE9，0x5B，//中音1，2，3，4，5，6，7

0x8 F，0xEE，0x44，0x6B，0xB4，0xF4，0x2D，//高音1，2，3，4，5，6，7

0x47 ，0x77，0xA2，0xB6，0xDA，0xFA，0x16 //超高音1，2，3，4，5，6，7｝；

FREQH和FREQL中分別為數(shù)據(jù)的高8位和第8位，分別用來初始化TH0，TL0。

4 結(jié)語

基于AT89C51單片機(jī)的定時(shí)/中斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)了具有不同音調(diào)的音樂播放器。設(shè)計(jì)原理為：根據(jù)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生不同頻率，繼而蜂鳴器發(fā)出不同音調(diào)的音樂，通過軟件設(shè)計(jì)延遲以控制發(fā)音時(shí)長。本音樂起硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，可讀性高，應(yīng)用性強(qiáng)，軟件程序開放性好，適用于多種不同音樂曲目的播放器制作。

［1］王靜霞.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)（C語言版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［2］張志良.80c51單片機(jī)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)100例：基于Keil C和Proteus［M］.北京：航空航天大學(xué)出版社，2015.

［3］孫珊珊，李欣.基于STC89C51單片機(jī)的智能報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.綏化學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（5）：154-156.

［4］郭進(jìn)，彭惠東，劉浩，等.一種基于STC89C52單片機(jī)的智能鬧鐘的設(shè)計(jì)［J］.中國科技信息，2013（11）：160-161.

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［7］張志偉.基于單片機(jī)的音樂播放器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子科技，2014（5X）：7-8.

［8］徐陽.基于AT89C51SND1C單片機(jī)的MP3音樂播放器設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)與電子信息工程，2015（25）：34-37.

［9］莫光良.基于ST89C51單片機(jī)的建議電子琴和音樂播放器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)［J］.電子科技，2014（12）：14-15.

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Design and research of simple music player based on AT89C51 single chip machine

Yu Honglin，Li Mingming*，Bai Bingbin，Zhang Xiang

（Jiaxing Vocational Technical College，Jiaxing 314000，China）

In order to meet the needs of intelligent home applications，this paper designed an AT89C51 micro controller-based music player.This paper first makes a theoretical analysis of design principle，which is to achieve audio playback through the micro controller timer/interrupt system；then，using the timer to produce different audio and amplify signal by means of a buzzer to play different tones；finally，the interrupt system is added to adjust the system to achieve the change of the length of pitch.

AT89C51 single chip machine；music player；time control circuit

俞宏霖（1996—），男，浙江嘉興，大專，學(xué)生；研究方向：嵌入式開發(fā)與單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

*通訊作者：李明明（1988—），女，湖北黃岡，碩士，助教；研究方向：嵌入式開發(fā)與分布式計(jì)算。