張智超 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的可控數(shù)字音樂盒的設(shè)計

張智超 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

本文利用51單片機(jī)來設(shè)計可控數(shù)字音樂盒，系統(tǒng)硬件這部分的設(shè)計是運用單片機(jī)控制方面的知識，軟件方面的設(shè)計是利用Keil軟件進(jìn)行設(shè)計，再用C語言編寫程序。整個系統(tǒng)中主要的功能部分有提供頻率的內(nèi)部定時器需要的頻率，通過蜂鳴器來調(diào)節(jié)播放音樂的音調(diào)，通過延遲電路來實現(xiàn)音符持續(xù)時間。將樂譜用定時器常數(shù)表示可以播放出想要的音樂。

單片機(jī) 音樂盒 C語言

1 引言

科技在發(fā)展，時代在進(jìn)步。生活在新時代的我們更能感受到這種變化。人類的智慧在這個信息化的時代不斷提高，人們對生活的品質(zhì)要求也隨之提高。因此，如何在如今這高速發(fā)展的社會找到能給人帶來樂趣的技術(shù)就顯得很有意義，而音樂就可以給人們帶來美的享受，更能陶冶人們的情操，因而音樂盒就有存在的必要。

同時，電子技術(shù)和音樂播放技術(shù)在不斷發(fā)展，機(jī)械音樂盒的缺陷很明顯，最大的問題就是其體積相對太大，不方便攜帶，聲音單調(diào)等原因滿足不了人們的需要，盡管會有人將其作為收藏，但并沒有多大的市場價值。而數(shù)字音樂盒卻能隨著單片機(jī)技術(shù)和音樂播放技術(shù)的發(fā)展不斷更新，因而擁有更好的發(fā)展前景。因此，本文設(shè)計的音樂盒就是基于51單片機(jī)的數(shù)字音樂盒。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 總體設(shè)計框圖

設(shè)計的總體方案為：以AT89C51為控制芯片，外部連接有以下幾個電路模塊：①復(fù)位電路：負(fù)責(zé)重置操作，從當(dāng)前狀態(tài)回到初始狀態(tài)；②晶振電路：為整個單片機(jī)系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的時鐘脈沖；③發(fā)音電路：負(fù)責(zé)音樂的播放以及音量的調(diào)節(jié)功能，電源電路為單片機(jī)系統(tǒng)提供一個系統(tǒng)所需的電壓；④按鍵電路：將音樂播放通過按鍵進(jìn)行控制，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 時鐘電路

系統(tǒng)所需要的頻率是在外部找好系統(tǒng)所需的頻率后，將輸入的信號進(jìn)行頻率的分割，使得系統(tǒng)的負(fù)荷變小，如果輸入的是12MHz的頻率，那么單片機(jī)里面就會只利用1MHz的頻率資源進(jìn)行運行，這樣的話，系統(tǒng)就可以只利用一分頻率資源達(dá)到十二分資源的效果。而在芯片外面的外接電容也是有要求的。一般情況下，外接的兩個電容的大小都在30pF。這樣統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對生產(chǎn)廠家來說就方便很多，可以利用流水線生產(chǎn)一種規(guī)格的產(chǎn)品，同理，與外界連接的晶體的振蕩頻率也是有所標(biāo)準(zhǔn)的，也就是系統(tǒng)里面運行頻率的12倍左右，即1.2～12MHz。因為系統(tǒng)和外接器件的頻率相對來說是成正比的，外接的器件頻率越高的話，那么系統(tǒng)頻率也會隨著外接頻率的增大而增大，而單片機(jī)系統(tǒng)的頻率變大的話，他執(zhí)行命令的能力會隨之增強(qiáng)，從而使芯片的效率也變得更高，時鐘電路引腳如圖2所示：

圖2 時鐘電路引腳圖

2.3 復(fù)位電路

當(dāng)在C51單片機(jī)的RST連接高電平的時候。并且在這個上面連續(xù)保持了超過2個周期的話，那么，系統(tǒng)就會對這種現(xiàn)象做出反應(yīng)，在單片機(jī)內(nèi)部，所有的一般指令都會清空，并且整個系統(tǒng)都會回到他最初的狀態(tài)，重新開始新的操作。

RST電路的實現(xiàn)一般存在2種途徑：一種是系統(tǒng)自身攜帶的程序，自行執(zhí)行復(fù)位命令，不用我們來對其操作；還有一種就是我們對系統(tǒng)進(jìn)行干預(yù)，手動對其進(jìn)行控制，將整個系統(tǒng)調(diào)到初始開機(jī)狀態(tài)，再開始操作，執(zhí)行新一輪的命令。通常情況下，第二種方式用的比較多，也更人性化，對整個系統(tǒng)的操控也更高效。

圖3 音頻放大器

自動復(fù)位是系統(tǒng)利用其固定的頻率所產(chǎn)生的脈沖，脈沖將對系統(tǒng)外部的電容形成電壓降，從而產(chǎn)生充放電的現(xiàn)象，而充放電就會導(dǎo)致其定時地置0置1，從而實現(xiàn)自動復(fù)位的功能。而一般情況之下，充放電的標(biāo)準(zhǔn)就是充電和放電中某一段的時間接連持續(xù)了超過1ms，那么系統(tǒng)就會產(chǎn)生反應(yīng)，從而進(jìn)行自行進(jìn)入復(fù)位的操作。

2.4 音頻放大器

音頻功放電路是一種用于音頻放大器的功率放大器，主要負(fù)責(zé)提供無失真、高功率、高效率的輸出功率。

音頻放大電路主要有前置放大電路、均衡電路、功放電路這三部分。

前放器可以對外部信號起到將信號放大的效果。

均衡電路由多種濾波器組成，可以控制音調(diào)，濾除干擾。

功率放大電路：本質(zhì)是運算放大器，有較大的電流輸出能力，可以輸出較大功率。

音頻放大器如圖3所示。

3 軟件設(shè)計

在本次設(shè)計中，我所用的C51單片機(jī)采用的T0工作在1模式。這種方式產(chǎn)生的頻率是經(jīng)過處理的，輸出頻率是內(nèi)部頻率的12倍。

舉個例子：外接的晶振頻率為f，那么定時器的預(yù)置初始值是：

3.1 音樂音符的播放

我們平時聽到的每一首歌都是由若干個音符構(gòu)成，每個音符又是由頻率、節(jié)拍構(gòu)成。頻率不同，節(jié)拍不同，得到的音符就不同，通過各種各樣的音符就可以得到我們想要的音樂了。在系統(tǒng)中，單片機(jī)可以通過時鐘電路得到一個固定的時鐘頻率，也可以通過調(diào)節(jié)脈沖得到我們所需要的各種頻率，而就是T0產(chǎn)生我們所需要的頻率，所以，我們要把T0的高八位和低八位與音符的頻率和節(jié)拍相關(guān)聯(lián)起來，就可以將音符用T0表示出來了。在音樂中，把握好節(jié)拍的長短至關(guān)重要，節(jié)拍和時間長度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示：

表1 節(jié)拍時間表

要得到音頻脈沖，就必須要有這段音頻的頻率，從而求出周期，而周期的一半就是輸出的機(jī)器周期。每個這么長時間就將P1.0調(diào)轉(zhuǎn)過來，計算時間過后又將其轉(zhuǎn)換回來，如此循環(huán)往復(fù)。就能夠達(dá)到我們預(yù)期的目標(biāo)。

我們可以運用單片機(jī)系統(tǒng)中的方式1，那么我們使用的中斷就是T0，然后通過T0的高8位和低8位分別表示音符的音調(diào)和節(jié)拍數(shù)，我們就可以其周期數(shù)值，舉例：f為100Hz，它的周期T＝1/100＝10ms，則半周期為10/2=5ms，所以計數(shù)器只要記5ms，每計數(shù)5000次就可以把I/O轉(zhuǎn)換過來，從而計算出一個音符的頻率，則初值65535-5000 = 60535 = 0Xec77。

3.2 程序的實現(xiàn)

在實現(xiàn)該功能的過程中，運用T0、T1來完成了軟件設(shè)計過程中對中斷設(shè)計的部分。其中一個被我作為辨別音符的標(biāo)志，還有一個被我用來設(shè)置一個音符持續(xù)時間的長短的標(biāo)志。開始調(diào)用樂曲播放函數(shù)，然后判斷pause鍵是否按下（pause是低電平觸發(fā)），接著調(diào)用一個延時函數(shù)，這段延時函數(shù)的作用是銷抖，防止多次觸發(fā)低電平（因為我們按下按鍵時，并不一定就是只觸發(fā)了一次，可能因為些微的抖動就觸發(fā)多次）。下面就開始執(zhí)行條件程序指令了，如果按下開始按鍵那么執(zhí)行下面語句：如果這時系統(tǒng)中播放樂曲的序號顯示為0，那么就表示系統(tǒng)是才開始通上電源所以就會從目錄中的首曲音樂開始播放。如果顯示序號不為0，就執(zhí)行else，那就是執(zhí)行暫停操作，停止播放；下面的while語句是防止長按pause鍵導(dǎo)致執(zhí)行的程序直接跳到后面去了，產(chǎn)生誤操作，while就是在pause鍵抬起之后才會跳出while循環(huán)操作，從而執(zhí)行下面的命令。

在主函數(shù)內(nèi)，如果播放的樂曲序號不是0，即不是系統(tǒng)剛剛開啟狀態(tài)，并且按下了“前一首”按鈕，那么就會執(zhí)行以下程序。delayms(5);語句的作用就是銷抖。

播放樂曲的序號減去1，這時，如果歌曲序號小于1，那么就將其序號置為目錄數(shù)值，使音樂能夠循環(huán)地播放；如果歌曲序號大于目錄數(shù)值，那么就將樂曲的序號重新置為1，從頭開始播放。而且每當(dāng)按下這個按鈕后，num就置為0，表示從每首音樂的首個音符開始播放。delayms(500）;語句的作用就是使樂曲切換之間的延時設(shè)為0.5秒。

[1]王麗主編;張燕,王恒副主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用.國防工業(yè)出版社,2014.08

[2]麻友良主編,游彩霞副主編.教你認(rèn)識汽車電子控制器.機(jī)械工業(yè)出版社,2014.01

[3]周偉,劉易,周建斌等編著.單片微機(jī)原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社,2014.05

[4]蘭建軍,倫向敏,關(guān)碩編著.單片機(jī)原理、應(yīng)用與Proteus仿真.機(jī)械工業(yè)出版社,2014.02