音乐盒设计中AT89C52单片机的运用

　　摘    要：随着科技的飞速发展, 智能化技术已经成为人们生活的重要组成部分, 单片机在人工智能、自动控制、通信领域以及智能化家用电器等方面都被广泛应用。本文设计了一款基于AT89C52单片机的音乐盒, 通过定时器中断来控制蜂鸣器, 达到精准控制每个音符的音调, 从而实现歌曲的高度还原, 给人们更加舒适的听觉感受。

　　关键词：AT89C52; 单片机; 音乐盒; 音符;

　　基金： 湖北文理学院校级教学研究项目 (No.JY2018003); “机电汽车”湖北省优势特色学科群开放基金项目 (XKQ2018035);

　　目录

　　摘要 ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ 1

　　关键词 ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅1

　　第一章 系统总体设计 ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  2

　　第二章 系统硬件设计 ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅3

　　第三章 系统软件设计 ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅4

　　3.1 音阶表的计算与创建 ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅   ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅4

　　3.2 播放程序设计 ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅5

　　第四章 总结 ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅   ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅6

　　致谢┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ 6

　　参考文献 ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅7

　　附录┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅  ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅ ┅8

　　论文正文

　　近年来人们对生活质量的要求越来越高, 也越来越注重陶冶情操放松身心, 但我国现代音乐产业存在体系不完备、原创能力不强、音乐企业规模不大、高素质人才缺乏、版权保护体系尚不完善等问题, 制约了音乐产业的进一步发展。随着国内数字音乐产业市场规模不断扩大, 我们也设计了一款基于AT89C52单片机的音乐盒, 能够精准控制音调, 高度还原歌曲, 解决了体系不完备等问题, 具有广阔的应用前景。

　　第一章 系统总体设计

　　系统主要由AT89C52单片机、电源模块、OLED显示模块、人机交互模块、唱歌模块和存储器模块六部分组成。系统总体结构图如图1所示。
 

图1 系统总体结构

　　第二章 系统硬件设计

　　系统硬件设计主要包括AT89C52最小系统设计、电源模块设计、人机交互界面设计、唱歌模块设计以及时钟电路、复位电路等设计。系统主要电路图如图2所示。

　　单片机最小系统的设计是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对52系列单片机来说, 最小系统包括单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等。最小系统是整个电路的核心, 这里我们对其进行了存储器扩展、IO口扩展, 并添加了外部设备, 使单片机能够完成多种复杂的功能。

　　单片机的时钟电路由晶振和两个补偿电容构成, 自激振荡器可以在单片机内部产生时钟脉冲信号。补偿电容的作用是稳定频率并使晶振快速起振, 这里我们选用30pF的瓷片电容和12MHz振荡频率的晶体振荡器。

图2 系统硬件连接图

图3 复位电路

　　单片机的外部复位电路是在电源接通且单片机运行期间, 通过按键开关将电阻与VCC接通来实现的。复位电路结构如图3所示。

　　电源模块采用高转换效率的TPS5430芯片和超低压线性稳压芯片TPS7333进行供电, 以减小电源部分的纹波, 避免对单片机以及音乐的播放造成干扰。

　　人机交互模块由OLED显示模块和按键组成, OLED液晶屏体积小、线路少且具有低功耗、高分辨率的特点, 这里用来显示开机欢迎语以及歌曲播放信息, 采用I2C总线的方式与52单片机连接。按键用于控制歌曲的开启、暂停、模式切换等等。

　　唱歌模块由无源蜂鸣器和NPN型三极管组成, 三极管用于放大驱动电流, 使蜂鸣器正常工作, 播放keil软件里编写的歌曲。

　　第三章 系统软件设计

　　编写歌曲是分难易的, 音域狭窄, 内容单一的儿歌通常作为音乐盒制作者的首选。但如果想要编写自己喜爱的任何歌曲, 就需要创建一个完整的音阶表, 将一个调中的所有音名纳入数组中, 用于程序的调用。本设计的系统程序框图如图4所示。

图4 系统程序框图

　　3.1音阶表的计算与创建

　　一般说来, 我们知道用单片机播放歌曲大部分发出的声音都是单音, 它不包含相应幅度的谐波频率, 所以不像钢琴那样能够演奏出多种音色的声音。因此, 用单片机播放歌曲只需弄清楚两个概念即可, 一个是“音调”, 而另一个就是“节奏”了。频率决定音调, 歌曲的速度和音符的节拍共同决定节奏。我们以国际标准音C调的中音LA为例, LA的频率是440HZ。那么它的下个音中音SI, 我们可以根据十二平音律全全半全全全半的规律, 知道中音LA和中音SI之间隔着一个全音。已知两个半音之间的比例为, 那个中音SI的频率就是中音LA的倍, 约等于494HZ。根据以下公式:

　　可以算出计数器的初始值, 按照这个规律, 进而推算出C调的所有音阶, 具体数据如表1所示。

　　3.2播放程序设计

　　将音符频率与其相应的定时器初值分别放在两个数组中。根据音符在数组的顺序, 可以将60个音符排序。再创建两个新的数组, 一个用于存放目标歌曲音符的频率, 一个用于存放目标歌曲音符的节奏。通过定时器中断0, 控制IO口产生一定频率的方波, 改变蜂鸣器单位时间内取反的次数, 从而让它发出不同频率的声音。播放长度以16分音符为基本单位, 一拍即四分音符等于4个十六音符。假如将16音符设为1, 那么四分音符就是4, 根据这个规律, 将所有音符节奏写入对应的数组中, 以便程序的快速调用。

　　在主函数里完成外设OLED液晶屏的初始化以及按键选歌, 当选定某一首歌时, 使能并进入定时器中断T0, 将定时器的TH0和TL0初始化, 即TH0=0XFF, TL0=0X00。再给标志位赋值, 使其进入目标歌曲的播放函数。每个音符都有其对应的定时器初值, 目标歌曲从这首歌的第一个音符开始, 通过对每个音符的TH0和TL0进行赋值, 即TH0=初始值/256, TL0=初始值%256, 使单片机产生半周期, 每当记数到达时, 输出脉冲引脚的I/O反相, 然后重复计时此半个周期, 再对I/O反相, 这样就可以使音符产生不同频率的音调。当然, 如果要构成一首完整的歌, 只有音调是不能够满足要求的, 所以还需要合适的节奏, 让歌曲具有旋律 (固定的律动) 。然而, 一首歌的节奏并没有严格规定, 就像人的心跳一样, 大部分人的心跳是每分钟72下, 有些人快一点, 有些人慢一点。我们可以凭借自己对歌曲的感受, 对目标歌曲进行二次加工, 适当调整十六音符所占的单位时间以及其他某些地方的音符, 可以使目标歌曲更加动听, 更加悦耳。把歌曲全部信息纳入程序中, 依次播放目标歌曲程序中的的所有的音符, 即可完整的播放这首歌。

表1 C调音阶表

　　值得注意的是, AT89C52单片机的内存只有512比特, 所以每个数组内的元素都是有限的, 尽量不要超过这个量程。如果歌曲太大, 我们可以将歌曲分割为多个数组, 依次播放, 不过过程非常繁琐。因此在此基础上我们增加了SD卡, 用于外部拓展内存, 将歌曲存在SD卡中完美的解决了内存不够的问题。

　　第四章 总结

　　本系统是一个集单片机、时钟电路、复位电路、OLED、蜂鸣器、按键电路、电源模块等为一体的智能音乐播放系统, 通过软件控制实现各种音乐的播放, 提供多方面服务, 以满足使用者的基本要求。采用通用52单片机实现设计方案, 可以很容易地移植到其他微控制器系统中, 具有很强的实用价值。其设计方案简单, 性价比高, 而且功耗低, 易扩展, 适用于车载音乐播放等多种环境, 具有广阔的应用前景。

　　致谢（略）

　　参考文献

　　[1]徐爱钧.单片机原理实用教程——基于Proteus虚拟仿真[M].北京:电子工业出版社, 2011.
　　[2]尹毅峰, 刘龙江.单片机原理及应用[M].北京理工大学出版社, 2010.
　　[3]崔葛瑾、沈雄威.数电实验“音乐播放控制电路”的设计与实现[J].实验室研究与探索, 200
　　[4]何立民.单片机高级教程.第1版[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2001
　　[5]刘卫锋等.音乐与数学[J].数学通报, 2005, (4) .

　　附录（略）

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