基于单片机的电子音乐盒毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的电子音乐盒毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

当调节一个延时时间的长度，如表 24所示。 表 23 节拍与节拍编码对照表 按 1/4 拍为一个延时时间 按 1/8 拍为一个延时时间 编码 节拍 编码 节拍 编码 节拍 编码 节拍 1 1/4 6 1 12 1 1/8 6 3/4 2 2/4 8 2 2 1/4 8 1 3 3/4 A 2 12 3 3/8 A 1 14 4 1 C 3 4 1/2 C 1 12 基于单片机的电子音乐盒 7 5 1 14 F 15/4 5 5/8 表 24 1/4节拍与 1/8节拍延时时间设定表 乐谱节拍 1/4 拍的延时时间 /ms 乐谱节拍 1/8 拍的延时时间 /ms 4/4 125 4/4 62 3/4 187 3/4 94 2/4 250 2/4 125 音频功放 在一定频率范围内，具有固定频率的振动就能产生乐音，但是单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。 常常采用美国国家半导体公司的低压音频功率放大器 LM386 实现音频功放电路。 LM386 具有以下功能特性：  适于电池工作；  使用外部元件少；  供电范围宽： 4～ 12V 或者 8～ 18V；  低静态电流消耗： 4mA；  电压增益范围： 20～ 200V。 LM386 的增益可调，可以广泛应用于各种音频电路中。 LM386 的内部结构及音频放大原理将在将在下一章具体阐述。 小结 知道了课题的设计要求与其所使用的基础原理，我们就能进行方案的选取和设计，下面两章将从单片机电子音乐盒的硬件设计和软件设计两个方面进行详细介绍。 硬件设计 8 第 3 章 硬件设计 设计一个单片机作品，首先需要有个总体的框架，并根据作品的设计要求选定合适的设计方案以及选取合适的器件。 本次单片机音乐盒设计采用以下设计思路： 1）选取合适型号的单片机，通过 T0 定时中断，并配合一个 I/O 引脚输出音频频率，通过音频放大电路外接扬声器。 2）通过另外一个引脚利用中断方式接入“播放音乐”选择按键； 3）利用一组或两组 I/O 口，外接 LED 点阵驱动电路实现字符的移位显示。 方案选取 单片机的选取 首先选择单片机中最为普遍的 MCS51 系列。 其中 AT89C2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和 128bytes 的随机数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大 的 AT89C2051 单片机 可应用于 许多高性价比的应用场 合。 主要性能：  和 MCS51 产品兼容；  2KB 可重编程 FLASH 存储器（ 1000 次）；  电压范围；  全静态工作： 0Hz24KHz  2 级程序存储器保密锁定  128*8 位内部 RAM  15 条可编程 I/O 线  两个 16 位定时器 /计数器  6 个中断源  可编程串行通道  高精度电压比较器（ ， ， ）  直接驱动 LED 的输出端口 由于完成核心功能 —— 音频输出只需一个 I/O 口，并且额外功能 LED 移位显示可根据所选单片机的剩余 I/O 口进行设计，因此 AT89C2051 足以满足基本要求。 其 20基于单片机的电子音乐盒 9 个引脚体积小巧，内部 2k 字节的程序存储器容量适中，低压低频工作条件，并且价格低廉容易购得。 综上，本次设计选择 AT89C2051 单片机。 音频放大电路的选择 方案一：甲类功放。 甲类功放的功率管在输入信号一周内都是导通的（放大区，即导通角为 360176。 ）。 甲类功放最大的缺点是效率低。 图 31 是将扬声器负载 RL 直接接在音频放大器发射极的甲类功放电路，这种连接称为负载直接耦合甲类功放。 若工作点安排在最大动态范围点 —— 负载线中点（负载直接耦合交直流负载线相同），且不计饱和压降，则 RL 上信号电压振幅等于电源电压 VCC 的一半（见图 32），所以最大输出功率 (31) 电源消耗的功率 (32) 故负载直接耦合甲类功放的最大效 率只有 25%。 此外，有一种使用变压器实现阻抗变换的甲类功放，其理论效率能达到 50%。 但是由于低频变压器功率消耗大，频率特性也差，现在已较少使用。 图 31 负载直接耦合甲类功放电路 硬件设计 10 图 32 甲类功放工作图解 方案二：乙类功放。 晶体管只有半周期工作在放大区（导通），另外半周期截止，即导通角为 180176。 的工作状态。 电阻作为负载的乙类功放必须采用双管，让其轮流导通半周期，才能在负载 RL 上合成完整的输出电压，因此称为“推挽”电路。 乙类功放在静态时电源不消耗功率，因此效率较甲类功放大大提高，理论上可达 %。 方案三：甲乙类功放。 乙类功放的效率虽然高于甲类功放，但非线性失真却比甲类功放大。 尤其是输入信号较小时，乙类功放的非线性失真严重。 这是因为 BJT 的发射结存在导通电压所致。 为了解决这一问题，可对推挽功率管设置一定的放大偏置，使功率管工作时导通时间在半周期以上（导通角大于 180176。 ），这类功放称为甲乙类功放，其失真小于乙类功放，当然效率也低于乙类功放。 方案四：丙类功放。 功率管导通时间小于半周期的功放。 丙类功放只有用具有选频特性的原件作负载才能克服非线性失真。 它主要用于射频载波信号的放大。 综上，本设计的音 频放大将采用乙类功放。 特别是，在美国国家半导体公司生产的芯片中有一款主要应用于低电压消费类产品的音频功率放器 LM386。 LM386 的第三级放大采用的正是乙类功放推挽电路。 LM386 为使外围元件最少 ,电压增益内置为 20。 若在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。 输入端以地位参考 ,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在 6V电源电压下，它的静态功耗仅为 24mW，使得 LM386特别适用于电池供电的场合。 因此，我们将采用 LM386 为核心器件的音频放大电路。 LM386 的功能特 性、内部结构及原理将在后文阐述。 基于单片机的电子音乐盒 11 中断方式 根据单片机 TMOD 寄存器中的 M1 和 M0 位的设定，定时 /计数器可选择 4 种不同的工作方式。 定时 ∕ 计数器 0 和 1 的前 3 种工作方式相同，方式 3 的设置差别较大，此处不予考虑。 方案一：工作方式 0。 方式 0 是 13 位结构，由 TH 的高 8 位和 TL 的低 5 位构成，TL的高 3 位未用。 当 TL 的低 5 位计数溢出时想 TH 进位；当全部 13 位计数溢出时，则将溢出标志 TF 置 1，在中断允许的情况下可产生中断申请。 方式 0 的定时时间范围为 1～ 8192us，计数值的范围为 1～ 8192。 方案二：工作方式 1。 方式 1 是 16 位计数结构。 定时 ∕ 计数器由 TH 的全部高 8位和 TL 的全部低 8 位组成。 方式 1 的定时时间范围为 1～ ，计数值的范围为 1～65536。 方式三：工作方式 2。 方式 2 具有自动重新加载功能，变软件加载为硬件加载。 此时将 16 位计数器分为两部分：用 TL 作计数器，用 TH 作预置计数器。 程序初始化是把计数初值分别装入 TL 和 TH 中，当计数器溢出后，预置计数器 TH 便以硬件方法自动向计数器 TL 重新加载。 方式 2 定时时间范围为 1～ 256us，计数值的范围为 1～256。 在本设计中定时 /计数器主要用以装载不同音符的半周期时间以定时控制 I/O 口取反，输出不同频率的音调。 基于上述用途， 16 位的计数器方便使用和编程，故采用方案二的工作方式 1。 LED 显示方式 方案一：静态显示。 将一帧图像中的每一个二极管的状态分别用 0 和 1 表示，若为 0，则表示 LED 无电流，即暗状态；若为 1 则表示二极管被点亮。 若给每一个发光二极管一个驱动电路，一幅画面输入以后，所有 LED 的状态保持到下一幅画。 对于静态显示方式，所需的译码驱动装置很多，引线多而复杂，成本高，且可靠性也较低。 方案二：动态显示。 对一幅画面进行分割，对组成画面的各部分分别显示，是动态显示方式。 动态显示方式，可以避免静态显示的问题。 但设计上如果处理不当易造成亮度低 ,闪烁问题。 因此合理的设计既应保证驱动电路易实现，又要保证图像稳定、无闪烁。 动态显示采用多路复用技术的动态扫描显示方式，复用的程度不是无限增加的，因为利用动态扫描显示使我们看到一幅稳定画面的实质是利用了人眼的暂留效应和发光二极管发光时间的长短，发光的亮度等因素。 通过实验发现，当扫描刷新频率（发光二极管的停闪频率）为 50Hz，发光二极管导通时间≥ 1ms 时显示亮 度较好，无闪烁感。 鉴于上述原因，采用方案二。 硬件设计 12 LED 驱动电路 方案一：采取并口输入，占用大量 I/O 口资源。 方案二：选取串口输入，使用较少。 所以选用串口输入。 串口输入可以选用芯片有 74HC59 74LS164。 同时 74HC59 74LS164 具有串入并出 8 位移位功能，也易于与单片机配合实现 LED 点阵的字符移位显示功能。 鉴于上述原因，采用方案二。 硬件电路的实现 附加 LED 点阵的电子音乐盒的硬件电路由 8 部分组成：单片机、时钟与复位 电路、选择按键输入电路、音频发生器、音频放大器、扬 声器、 LED 驱动电路和 LED点阵。 电子音乐盒的硬件电路设计框图如图 33 所示。 利用单片机内部定时 /计数器 0 与 引脚配合，构成音频发生器；音频放大器主要由音频放大芯片 LM386 构成，用以驱动扬声器输出；选择按键通过 引脚接入，可以工作在查询方式，也可以工作在中断方式； LED 驱动电路主要由 8 位移位寄存器 74HC595 和 74LS164 构成。 图 33 电子音乐盒硬件电路设计框图 AT89C2051 单片机硬件结构 单片机作为系统的核心控制部件，其内部结构及引脚分布将对整个硬件电路的设计布局起到决定性的作用。 下面将介绍 AT89C2051 的内部结构与引脚分布。 AT89C2051 单片机内部结构 AT89C2051 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上，除模拟比较器外其内部结构与 8051 内部结构基本一致。 如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O 口、串行口、定时器 /计数器、中断系统及特殊功能寄存器。 它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构模式。 但对各种功能部 件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 其内部结构框图见图 34。 基于单片机的电子音乐盒 13 1）微处理器 该单片机中有一个 8 位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分。 2）数据存储器 片内为 128 个字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 3）程序存储器 由于受集成度限制，片内只读存储器只有 2k 字节。 4）中断系统 具有 6 个中断源， 2 级中断优先权。 5）定时 /计数器 片内有 2 个 16 位的定时器 /计数器， 具有四种工作方式。 6）串行口 1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。 可用来进行串行通讯，扩展并行 I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 7） P1 口、 P3 口 为 2 个并行 8 位 I/O 口， 15 根可编程 I/O 引线。 8）特殊功能寄存器 共有 19 个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。 实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的 RAM 区。 由下可见， AT89C2051 单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。 硬件设计 14 图 34 AT89C2051单片机内部结构框图 AT89C2051 单片机引脚功能说明 AT89C2051 芯片采用 DIP20 封装形式，引脚排列如图 35 所示，与 8051 进行比较可发现， AT89C2051 减少了两个对外端口（即 P0、 P1 口），因而芯片尺寸有所减小。 图 35 AT89C2051引脚排列 基于单片机的电子音乐盒 15 引脚功能描述：  I/O P1 口 —— 8 位双向口 ～ 内含上拉电阻， 和 需要外接上拉电阻。 和 又是片内模拟比较器的同相输入（ AIN0）和反。