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1、基于单片机的音乐播放器作 者： 学 号： 系 别： 专 业： 指导教师： 专业技术职务 2007 年 3 月摘 要本文介绍了基于AT89C2051单片机的乐曲播放器的硬件设计和软件设计过程。本系统实现了播放乐曲，并可以通过按键随时播放下一曲和上一曲，同时显示当前播放乐曲的条目的功能。播放的乐曲可以通过软件的方式进行添加和删除。通过实际的实验证明，该系统具有硬件设计简单，软件可调整性大，系统稳定可靠等优点。关键词：AT89C2051，乐曲播放器引 言 简简单单的几个音符，却展现了它奇特多彩的个性，呈现出一个色彩斑斓的世界。人们的生活离不开音乐，音乐可以陶冶人们的情操,使心灵变得纯净、美好,使人的
2、大脑变得聪明、伶俐;音乐可以让生活充满欢乐、祥和;音乐甚至可以治理环境,让人与人之间的关系变得更亲近、和谐。音乐的基本要素是指构成音乐的各种元素，包括音的高低、音的长短、音的强弱和音色。由这些基本要素互相结合，形成音乐的常用的“形式要素”，例如：节奏、曲调、和声，以及力度、速度、调式、曲式、织体等。1、节奏：音乐的节奏是指音乐运动中音的长短和强弱。音乐的节奏常被比喻为音乐的骨架。节拍是音乐中的重拍和弱拍周期性地、有规律地重复进行。我国传统音乐称节拍为“板眼”，“板”相当于强拍；“眼”相当于次强拍（中眼）或弱拍。2、曲调：曲调也称旋律。高低起伏的乐音按一定的节奏有秩序地横向组织起来，就形成曲调。
3、曲调是完整的音乐形式中最重要的表现手段之一。曲调的进行方向是变幻无穷的，基本的进行方向有三种：“水平进行”、“上行”和“下行”。相同音的进行方向称水平进行；由低音向高音方向进行称上行；由高音向低音方向进行称下行。曲调的常见进行方式有：“同音反复”、“级进”和“跳进”。依音阶的相邻音进行称为级进，三度的跳进称小跳，四度和四度以上的跳进称大跳。3、和声：和声包括“和弦”及“和声进行”。和弦通常是由三个或三个以上的乐音按一定的法则纵向（同时）重叠而形成的音响组合。和弦的横向组织就是和声进行。和声有明显的浓、淡、厚、薄的色彩作用；还有构成分句、分乐段和终止乐曲的作用。4、力度：音乐中音的强弱程度。5、
4、速度：音乐进行的快慢。6、调式：音乐中使用的音按一定的关系连接起来，这些音以一个音为中心（主音）构成一个体系，就叫调式。如大调式、小调式、我国的五声调式等。调式中的各音，从主音开始自低到高排列起来即构成音阶。7、曲式：音乐的横向组织结构。8、织体：多声音乐作品中各声部的组合形态（包括纵向结合和横向结合关系）。 近十几年来，单片机作为微计算机一个很重要的分支，应用广泛，发展迅速，已经对人类社会产生了深远的影响。单片机在生产过程控制、自动检测、数据采集及处理、科技计算、商业管理及办公室自动化等方面获得了广泛的应用。单片机具有体积小、重量轻、耗能省、价格低可靠性和通用灵活性等特点，尤其是美国Inte
5、l公司生产的MCS51系列单片机，由于其具有集成度高、处理功能强、可靠性好、结构简单、价格低廉、易于使用等优点，在我国已经得到广泛的应用。由于MCS51单片机易于学习、掌握、性能价格比高，另外以MCS51单片机的基本内核为核心的各种扩展型、增强型的单片机不断推出，所以在今后若干年内，MCS51系列单片机仍是我国在单片机应用领域中首选机型。单片机技术在自动控制领域中有着十分广泛的应用。如汽车、航空、电话、传真、视频等，很多行业设计自动控制情况下，通常会涉及单片机技术。本次毕业设计内容是基于单片机音乐播放器，“单片机音乐播放器”是一个比较贴近实际生活的题目，也有一定的趣味性。因此，我们对设计始终保
6、持了较浓的兴趣，设计中始终以贴近实际为原则，包括硬件电路的可行性，软件程序的编译运行的可靠性，电路的成本价格等都做了相应的考虑。 作为单片机的重要硬件资源之一，利用定时器可以产生各种固定频率的方波信号，也可以产生包括Do、Re、Me-等音阶在内的各种频率声音。将各个音阶连接在一起，便可组成一支曲子或是演奏一段旋律。基于这个思想，本次毕业设计了一款特殊的音乐播放器，其核心器件采用AT89C2051单片机。本播放器具有电路简单，功能强大等特点。单片机基本知识1.1单片机的特点及发展概况 单片机是一个单芯片形态,面向控制对象的嵌入式应用计算机系统.它的出现及发展使计算机技术从通用型数值计算领域进入到
7、智能化的控制领域.从此,计算机技术在两个重要领域通用计算机领域和嵌入式计算机领域都得到了极其重要的发展,并正在深深地改变着我们的社会。1.2 单片机的基本组成 单片机的结构特征是将组成计算机的基本部件集成在一块晶体芯片上,构成一台功能独特的,完整的单片微型计算机.1.3 单片机的特点单片机独特的结构决定了它具有如下特点.(1)高集成度,高可靠性 单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上,集成度很高,体积自然也是最小的.芯片本身是按工业测控环境要求设计的,内部布线很短,其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU.单片机程序指令,常数及表格等固化在ROM中不易破坏,许多信号通道均在一个芯片内,故可靠性高.
8、(2)控制功能强 为了满足对对象的控制要求,单片机的指令系统均有极丰富的条件:分支转移能力,I/O口的逻辑操作及位处理能力,非常适用于专门的控制功能.(3)低电压,低功耗 为了满足广泛使用于便携式系统,许多单片机内的工作电压仅为1.8V3.6V,而工作电流仅为数百微安.(4)优异的性能价格比 单片机的性能极高.为了提高速度和运行效率,单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术.单片机的寻址能力也已突破64KB的限制,有的已可达到1MB和16MB,片内的ROM容量可达62MB,RAM容量则可达2MB.由于单片机的广泛使用,因而销量极大,各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉,其性能价格比极高.1
9、.4单片机的应用 由于单片机功能的飞速发展,它的应用范围日益广泛,已远远超出了计算机科学的领域.小到玩具,信用卡,大到航天器,机器人,从实现数据采集,过程控制,模糊控制等智能系统到人类的日常生活,到处都离不开单片机.其主要的应用领域如下。(1)在测控系统中的应用 单片机可以用于构成各种工业控制系统,自适应控制系统,数据采集系统等.例如,工业上的锅炉控制,电机控制,车辆检测系统,水闸自动控制,数控机床及军事上的雷达,导弹系统等。(2)在智能化仪器仪表中的应用 单片机应用于仪器仪表设备中促使仪器仪表向数字化,智能化,多功能化和综合化等方向发展.单片机的软件编程技术使长期以来测量仪表中的误差修正,线
10、性化的处理等难题迎刃而解。(3)在机电一体化中的应用 单片机与传统的机械产品结合使传统的机械产品结构简化,控制走向智能化,构成新一代的机电一体化产品.这是机械工业发展的方向。(4)在智能接口中的应用 计算机系统,特别是较大型的工业测控系统中采用单片机进行接口的控制管理,单片机与主机并行工作,可大大提高系统的运行速度.例如,在大型数据采集系统中,用单片机对模/数转换接口进行控制不仅可提高采集速度,还可以对数据进行预处理.如数字滤波,误差修正,线性化处理等.(5)在人类生活中的应用 单片机由于其价格低廉,体积小巧,被广泛应用在人类生活的诸多场合,如洗衣机,电冰箱,空调器,电饭煲,视听音响设备,大屏
11、幕显示系统,电子玩具,信用卡,楼宇防盗系统等.单片机将使人类的生活更加方便舒适,丰富多彩。1.5 单片机的发展概况 单片机出现的历史并不长,它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体上同步.1970年微型计算机研制成功后,随即在1971年,美国Intel公司生产出了4位单片机4004,它的特点是结构简单,功能单一,控制能力较弱,但价格低廉.1976年Intel公司推出了MCS-48系列单片机,它以体积小,功能全,价格低等特点获得了广泛的应用,成为单片机发展进程中的一个重要阶段,此可谓是第一代单片机.在MCS-48系列单片机的基础上,Intel公司在20世纪80年代初推出了第二代单片机的代表MCS
12、-51系列单片机.这一代单片机的主要技术特征是为单片机配置了完美的外部并行总线和串行通信接口,规范了特殊功能寄存器的控制模式,以及为增强控制功能而强化布尔处理系统和相关的指令系统,为发展具有良好兼容性的新一代单片机奠定了良好的基础.近几年出现了具有许多新特点的单片机,可称之为第三代单片机.它以新一代的80C51系列单片机为代表.同时16位单片机也有很大发展.尽管目前单片机品种繁多,但其中最为典型的仍当属Intel公司的MCS-51系列单片机.它的功能强大,兼容性强,软硬件资料丰富.国内也以此系列的单片机应用最为广泛.直到现在MCS-51仍不失为单片机中的主流机型.在今后相当长的时间内,单片机应
13、用领域中的8位机主流地位还不会改变.1.6 AT89C2051单片机89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机，95年出现在中国市场。其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。1.6.1 引脚89C2051共有20条引脚，2051继承了8031最重要引脚。P1口共8脚，准双向端口。P3.0P3.6共7脚，准双向端口，并且保留了全部的P3的第二功能，如P3.0、P3.1的串行通讯功能，P3.2、P3.3的中断输入功能，P3.4、P3.5的定时器输入功能。在引脚的驱动
14、能力上面，89C2051具有很强的下拉能力，P1,P3口的下拉能力均可达到20mA。相比之下，89C51/87C51的端口下拉能力每脚最大为15mA，但是限定9脚电流之和小于71mA。这样，引脚的平均电流只9mA。89C2051驱动能力的增强，使得它可以直接驱动LED数码管。为了增加对模拟量的输入功能，2051在内部构造了一个模拟信号比较器，其输入端连到P1.0和P1.1口，比较结果存入P3.6对应寄存器，（P3.6在2051外部无引脚）。对于一些不大复杂的控制电路我们就可以增加少量元件来实现，例如，对温度的控制，过压的控制等。1.6.2 电源89C2051有很宽的工作电源电压，可为2.76V
15、,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。89C2051工作于12Hz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA,掉电态仅为20nA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。1.6.3 存储器89C2051片内含有2k字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM,与80C31内部完全类似。由于2051内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为020MHz,也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5MHz，因为其内部的RAM是动态刷新的。89C2051不允许构造外部总线来扩充程序/数据存储器，所以它也不需要ALEPSEN、RD、WR
16、一类的引脚。1.6.4 内部I/O控制89C2051在内部I/O控制上继承了MCS51的特性：5路2级优待中断，串等口，2路定时器/计数器。1.6.5 程序保密 89C2051设计有2个程序保密位，保密位1被编程之后，程序存储器不能再被编程除非做一次擦除，保密位2被编程之后，程序不能被读出。1.6.6 软硬件的开发89C2051可以采用下面2种方法开发应用系统。（1）由于89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员
17、来说，这种调试方法并不十分困难。当做这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。（2）将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出来仿真205T,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。1.6.7 性能价格比 下面就目前国内全胜较多的两种单片机，讨论一下2051的性能价格比。与80C31系统相比较 如果需要构成一个80C31的最小系统的话，除了CPU之外，至少需要一片27C64,而系统的有效引脚和89C2051基本相同。从元器件的成本，电路板的面积和加密性来
18、看，使用89C2051都是合算的。 与PIC单片机比较 目前，国内小型的单片机全胜较多的有PIC系列，89C2051与PIC相对应芯片比较有如下特点：89C2051的价格高于PIC的OTP型号，但大大低于PIC的EPROM型，89C2051片内不含Watch Dog，这是89C2051的不足之处，中断系统堆栈结构、串等通讯笔定时器系统都大大强于PIC系统。由于PIC芯片中无标准串等口，所以在单片机的联网应用上面，PIC不太适合。与PIC相比2051更适合于较复杂的应用场合，适合一些软件需要多次修改的应用。1.6.8 应用就目前中国市场的情况来看，89C2051有很大的市场。其原因有下列2点：（
19、1）2051采用的是MCS51的核心，十分容易为广大用户所接受；（2）2051内部基本保持了80C31的硬件I/O功能；（3）2051的Flash存贮器技术，可重复擦/写1000次以上，容易解闷调试手段；（4）更适合小批量系统的应用，容易实现软件的升级。89C2051适合于家用电器控制，分布式测控网络，I/O量不足不是很大的应用系统。1.7 单片机的主要技术发展方向 综观单片机20多年的发展过程,再从半导体集成电路技术的发展和微电子设计技术的发展,我们可以预见未来单片机技术发展的趋势.单片机将朝着大容量高性能化,小容量低价格化,外围电路的内装化以及I/O接口功能的增强,功耗降低等方向发展.(1
20、)单片机的大容量化 单片机内存储器容量进一步扩大.以往片内ROM为1KB8KB,RAM为64字节256字节.现在片内ROM可达40KB,片内RAM可达4KB,I/O也不需再外加扩展芯片.OTPROM,FlashROM成为主流供应状态.而随着单片机程序空间的扩大,在空余空间可嵌入实时操作系统RTOS等软件.这将大大提高产品的开发效率和单片机的性能.(2)单片机的高性能化 今后将不断改善单片机内CPU的性能,加快指令运算速度,提高系统控制的可靠性,加强位处理功能,中断与定时控制功能.并采用流水线结构,指令以队列形式出现在CPU中,因而具有很高的运算速度.有的甚至采用多流水线结构,其运算速度比标准的
21、单片机高出10倍以上。单片机的扩展方式从并行总线发展出各种串行总线,并被工业界接受,形成一些工业标准.如I2C总线,DDB总线,USB接口等.它们采用3条数据总线代替现行的8位数据总线,从而减少了单片机引线,降低了成本.(3)单片机的小容量低廉化 小容量低廉的4位,8位机也是单片机发展方向之一.其用途是把以往用数字逻辑电路组成的控制电路单片化.专用型的单片机将得到大力发展.使用专用单片机可最大限度地简化系统结构,提高可靠性,使资源利用率最高.在大批量使用时有可观的经济效益.(4)单片机的外围电路内装化 随着单片机集成度的提高,可以把众多的外围功能器件集成到单片机内.除了CPU,ROM,RAM外
22、,还可把A/D,D/A转换器,DMA控制器,声音发生器,监视定时器,液晶驱动电路,锁相电路等一并集成在芯片内.为了减少外部的驱动芯片,进一步增强单片机的并行驱动能力.有的单片机可直接输出大电流和高电压,以便直接驱动显示器.为进一步加快I/O口的传输速度,有的单片机还设置了高速I/O口,可用最快的速度触动外部设备,也可以用最快的速度响应外部事件.(5)单片机将实现全面的低功耗管理 单片机的全盘CMOS化,非CMOS工艺单片机的淘汰,将给单片机技术发展带来广阔的天地.最显著的变革是本身低功耗和低功耗管理技术的飞速发展.低功耗的技术措施可提高可靠性,降低工作电压,可使抗噪声和抗干扰等各方面性能全面提
23、高.这是一切电子系统所追求的目标。基于单片机音乐播放器硬件设计基于AT89C2051单片机音乐播放器系统的硬件设计是整个设计过程中的最重要的部分，也是最困难的部分。硬件设计需要充分了解各方的设计需求，确定合适的解决方案。启动一个硬件开发项目，原始的推动力会来自于很多方面，比如市场的需要，基于整个系统架构的需要，应用软件部门的功能实现需要，提高系统某方面能力的需要等等，所以作为一个硬件系统的设计者，要主动的去了解各个方面的需求，并且综合起来，提出最合适的硬件解决方案。2.1 硬件设计的任务利用单片机设计产品，首先必须要有电源，单片机必须要有时钟电路和复位电路。时钟电路选择12M的振荡频率，使之机
24、器周期 Tcy=1us,方便发音程序的计算和编译。复位电路采用兼有上电复位和按键复位的电路，使复位的效果更好。当软件程序进入死循环或者硬件发生错误的时候产生一个复位信号，控制MCS-51单片机从0000H单元开始执行程序，重新执行软件程序。声音驱动电路：MCS-51单片机P3.7产生+5V的脉冲，利用程序控制高低电平的频率和延时，以产生不同音调和节拍的声音。设计音乐播放必须还有声音驱动电路。具体设计任务如下：l 系统电源设计：为整个系统提供不同大小的电源；l AT89C51基本工作电路设计：使单片机正常工作；l 复位电路：为单片机提供高电平复位信号；l 时钟电路：为单片机提供时钟信号；l 按键
25、电路：控制乐曲的播放方式；l 显示电路：显示当前播放的曲目l 声音驱动电路：为喇叭提供驱动电路；2.2 基于AT89C2051音乐播放器系统设计框图图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。该系统主要由复位电路、按键电路、时钟电路、AT89C51单片机、显示电路、扬声器驱动电路等组成。图1 系统总体设计框图图中按键主要是控制播放乐曲的方式，可以实现停止和启动的功能，也可以实现播放下一曲和上一曲的功能。数码观管主要是显示当前播放乐曲的曲目。2.3 基于AT89C51交流功率因素系统硬件设计详细分析2.3.1 系统电源设计对于现在一个电子系统来说，电源部分的设计也越来越重
26、要。对于一个实际的电子系统，要认真的分析它的电源需求。不仅仅是关心输入电压，输出电压和电流，还要仔细考虑到总的功耗，电源实现的效率，电源部分对负载变化的瞬态响应能力，关键器件对电源波动的容忍范围以及相应的允许的电源纹波，还有散热问题等等。功耗和效率是密切相关的，效率高了，在负载功耗相同的情况下总功耗就少，对于整个系统的功率预算就非常有利了。同时，评估效率不仅仅是看在满负载的时候电源电路的效率，还要关注轻负载的时候效率水平。一般来说，要求的电源实际值多为标称值的上下5%，所以可以据此计算出允许的电源纹波，当然要预留余量的。本次设计基于AT89C51功率因数测量系统中使用到了+5V的电源，电源设计
27、的原理图如图2，输入是+6V+9V的直流电源。电路中使用到的芯片是7805，7805是5伏的稳压芯片，这种芯片的好处是应用比较的简单，只需要接上几个电容就可以使用了。而且如果前段如果电源有轻微的波动几乎对后面的输出没有影响，这种芯片具有自己调节功能。图2：电源实现原理图2.3.2 AT89C51单片机工作电路本设计的核心是单片机电路，考虑到我们需要两个中断输入，存储容量、外部接口对单片机端口的需要以及兼顾到节约成本的原则，我们选用了常用的AT89C51单片机。AT89C51是低功耗、高性能、经济的8位CMOS微处理器，工作频率为024MHz，内置4K字节可编程只读闪存，128x8位的内部RAM
28、，32位可编程IO总线。它采用Atmel公司的非易储器制造技术，与MCS51的指令设置和芯片引脚可兼容。AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C51工作的最简单的电路是其外围接一个晶振和一个复位电路，给单片机接上电源和地，单片机就可以工作了。其最简单的工作原理图如下：图3：AT89C51单片机工作电路2.3.3 模拟交流信号及整形本设计着重于基于单片机的交流功率因数测量方法的方式，因此我们没有测量原始的电压U与电流I，而是仿真了两个不同相位的交流信号进行测量。首先产
29、生一个模拟电压交流信号，为我们系统的一个测量信号，把模拟电压信号经过移相网络产生相位差，得到我们需要的第二个模拟信号。将这两个分别送放大比较电路，就能将具有一定相位差的模拟信号转变成适用于单片机的5V数字信号，这两个数字信号同样保持了原有模拟信号的相位差。具体的电路设计如图4所示：图4 模拟输入信号及放大比较电路 我们用一个有源晶振得到了一个模拟正弦输入信号Vin,他一部分直接送入集成运放LM324进行信号放大，放大倍速为10倍，再送入LM393比较电路进行比较。由于前级对信号已有个十级放大，这可能使比较器输出出现深度饱和而影响比较器的相应速度。因此，这里的比较电路利用两个二极管进行输入限幅。
30、这里我们采用反相比较器，比较器的V电压为前端放大后的直流信号电压值2.5V,因此输出将会把模拟信号转换成数字信号，以供单片机读取。另一部分模拟电压交流信号送入有电容和电阻组成的移相网络进行移相，再进行放大比较，产生另一个数字电压输入信号。2.3.4 液晶显示系统采用中文字库液晶显示模块CM16032作为数据的显示器。模块有并行和串行两种连接方法，这里我们采用并行的接法，如图5所示：图5 液晶显示并行接法用单片机P0口作为数据的输入，P2.4 P2.7的输出信号将做为显示器的控制端口输入。该显示模块RAM 提供642 个位元组的空间，最多可以控制4 行16 字（64 个字）的中文字型显示，当写入
31、显示资料RAM 时，可以分别显示CGROM、HCGROM 与CGRAM 的字型；LCD控制芯片ST7920A 可以显示三种字型 ，分别是半宽的HCGROM 字型、CGRAM 字型及中文CGROM 字型 ，三种字型的选择，由在DDRAM 中写入的编码选择，在0000H0006H 的编码中将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码达成中文字型 的编码。2.3.5 串口通信接口模块89C51 单片机通过普通I/O 口与PC 机RS232 串口实现通信的硬件接口电路如图6所示。由于PC 系列微机串行口为RS232C 标准接口，与输入、输出均采用TTL 电平的89C51 单片机在接口规范上不一致，因
32、此TTL电平到RS232 接口电平的转换采用MAXIM 公司的MAX232 标准RS232接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1”（-3V15V）和逻辑“0”（+3V15V）的电平转换。图6 串口通讯电路2.3.6 看门狗电路应用系统受到干扰后，都要进行复位，而一般RC电路往往不能保证系统的安全可靠工作，因此便出现了看门狗。看门狗就是监控定时器的简称，它的用来检测微处理器是否工作正常，如果工作不正常，程序跑飞或者死机，看门狗电路的输入端没有被及时触发，那么看门狗就会产生一个复位脉冲，能有效地使系统复位以使系统恢复正常运转。“看门狗”技术软件和硬件技术均可实现，本设计采
33、用硬件设计，如图7所示。图7 看门狗电路所谓硬件狗，就是一个能发出“复位”信号的计数器或定时器电路，MAX813L芯片就是这么一种芯片。该芯片具有监控电路,如图 所示。其工作原理是：单片机P17作为看门狗的“喂狗”信号定时给出一脉冲，当程序正常运行时，单片机每隔t输出一脉冲给WDI触发MAX813L电路，使RESET始终为低电平;若单片机程序一旦出现异常，不能在1.6s内送出一“喂狗”脉冲，MAX813L的RESET将产生一正脉冲到单片机的RESET口，使单片机系统复位，使其能重新正常运行。2.4小结通过对整个系统的分析，把系统分为了电源、模拟信号输入、单片机、液晶显示、串口通讯及看门狗电路设计几个部分。如果需要最终能制版实现，还需要进一步结合软件进行综合调试。