基于單片機控制的音樂盒系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31607基于單片機控制的音樂盒系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例 129666第1章系統(tǒng)硬件設(shè)計 1290491.1硬件設(shè)計工具 1272961.2總體電路設(shè)計 1302331.3各模塊電路設(shè)計 2186451.3.1時鐘電路模塊設(shè)計 290501.3.2鍵盤電路設(shè)計 3176731.3.3顯示電路設(shè)計 440861.3.4燈光模塊設(shè)計 651721.3.5發(fā)聲模塊設(shè)計 714743第2章系統(tǒng)軟件設(shè)計 8203612.1軟件設(shè)計工具 8261312.2系統(tǒng)整體設(shè)計框圖 864712.3軟件設(shè)計思路 9233962.4單片機發(fā)聲設(shè)計 103372.1.1音調(diào)設(shè)計 1031792.1.2節(jié)拍設(shè)置 11285202.1.3顯示設(shè)置 112242第3章調(diào)試運行及實物的焊接 1318479附錄一：設(shè)計圖 16第1章系統(tǒng)硬件設(shè)計1.1硬件設(shè)計工具在過去四年的學習過程中，主要學習的單片機設(shè)計仿真軟件是Proteus系列設(shè)計仿真軟件，它是非常好用的仿真單片機及外圍器件的工具，受到廣大單片機愛好者、學校相關(guān)專業(yè)的老師與同學們、與單片機研究工作相關(guān)的科技工作者們的青睞。1.2總體電路設(shè)計本次設(shè)計的電路模塊包括：時鐘電路模塊、鍵盤模塊、顯示模塊、燈光模塊以及發(fā)聲模塊總體電路仿真設(shè)計圖如圖所示：圖4-1電路仿真設(shè)計圖1.3各模塊電路設(shè)計1.3.1時鐘電路模塊設(shè)計STC89C52單片機產(chǎn)生時鐘信號的方式有兩種，分布為外部產(chǎn)生方式與內(nèi)部產(chǎn)生方式。本次設(shè)計僅需要用內(nèi)部產(chǎn)生方式來生成時鐘信號即可。由STC89C52單片機的引腳圖可以看到，STC89C52單片機上有兩個名為XTAL1（18號引腳）與XTAL2（19號引腳）的引腳。其中，XTAL1為片內(nèi)振蕩器反相放大器，也是時鐘振蕩器電路的輸入端，XTAL2為片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。在這兩個引腳之間外接晶振（石英晶體），就構(gòu)成了一個自激振蕩器，此時就可以在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。時鐘電路模塊圖如圖所示：圖4-2時鐘電路模塊圖圖中兩個電容的作用是快速起振并且可以穩(wěn)定頻率。1.3.2鍵盤電路設(shè)計按照設(shè)計要求和個人的設(shè)計思路，本次音樂盒的設(shè)計需要大量的按鍵，但根據(jù)設(shè)計需求，沒有辦法將足夠的單個獨立的按鍵全部接入到STC89C52單片機上，所以，矩陣鍵盤是一個非常不錯的選擇。矩陣鍵盤按鍵數(shù)量足夠，且更有利于布局，可以更好的規(guī)劃單片機其他器件的分布。使用時需要將列線接上電源，作為I/O口的輸入使用，同時，行線則作為I/O口的輸出端使用。鍵盤模塊設(shè)計圖如圖所示：

圖4-3鍵盤模塊設(shè)計圖由于矩陣鍵盤本身也有許多I/O接口，如果和STC89C52單片機連接需要繪制多條連接線，所以我選擇將各I/O接口先通過總線連接，然后再對應(yīng)與STC89C52單片機連接。1.3.3顯示電路設(shè)計因為已經(jīng)確定了本次設(shè)計所需要的顯示模塊為1602字符型液晶顯示屏，但由于1602液晶顯示屏I/O接口較多，所以需要將1602顯示屏接在STC89C52單片機的P0接口上。若將STC89C52單片機的P0口作為I/O口的輸出使用的時候，P0輸出的低電平為0，但輸出的高電平卻為高阻態(tài)，此時的高阻態(tài)就相當于浮空狀態(tài)，此時的P0口不能真正的輸出高電平。P0端口8位中的一位結(jié)構(gòu)圖見下圖：

圖4-4P0接口工作原理圖由上圖可以知道，P0端口是由兩個邏輯門：一個與非門、一個與門，還有一個鎖存器、多個輸入緩沖器、切換開關(guān)以及場效應(yīng)管驅(qū)動電路構(gòu)成的。仔細觀察圖片里所以的標識，圖右邊的標識為P0.x引腳，由此可以知道P0口的任意一個引腳，即P0.0~P0.7這八個引腳的電路組成皆是與上圖相同的半導體。當P0.0~P0.7這八個引腳作為輸出端的時候，它們的功能就是為所接的負載提供電流時，此時引腳與負載之間的連線上必須加上一個上拉電阻，該上拉電阻中的一個引腳需要接VCC，其目的是由電源通過這個上拉電阻給負載提供電流。但如果P0.0~P0.7口當作輸入使用時，則不需要上拉電阻，但必須要先將P0.0~P0.7口置1。這是因為P0.0~P0.7被當作一般I/O口使用時，上拉場效應(yīng)管是一直處于截止狀態(tài)，無法工作的。要想P0.0~P0.7口工作，就必須將端口置1，如果不這么做，那么下拉場效應(yīng)管會一直處于導通狀態(tài)，相應(yīng)的STC89C52單片機永遠只能讀到0，無法正常工作。置1后，下拉場效應(yīng)管會被截止，端口的狀態(tài)為高阻浮空狀態(tài)此時端口才可以正確讀入數(shù)據(jù)。LCD1602顯示屏與STC89C52單片機之間存在有兩種連接方式，根據(jù)它們用到的數(shù)據(jù)線數(shù)量不同，可以把他們分為直接控制方式和間接控制方式。除此以外，它們沒有任何區(qū)別。直接控制方式：LCD1602顯示屏的引腳包括3根控制線，分布為E，RS和RW，還有8根數(shù)據(jù)線，它們與單片機正確連接后便可以正常工作。我所需要的功能只是向LCD1602顯示屏中寫入命令和數(shù)據(jù)，所以必須要將VSS直接接地，VEE引腳可以調(diào)式顯示器的對比度，所以要在VEE引腳與地之間連接一個10kΩ的滑動變阻器來實現(xiàn)對比度的調(diào)整[8]。

間接控制方式：間接控制方式的特點是利用HD44780所具有的4位數(shù)據(jù)總線來工作，這樣做的好處是可以簡化電路接口，因此這種工作方式也被稱為四線制工作方式。該方法僅采用DB4~DB7引腳，將其與單片機連接通信，先把數(shù)據(jù)或命令傳輸?shù)礁?位，再將其他的數(shù)據(jù)與命令傳輸?shù)降?位，這樣做可以減少接線數(shù)量。此方法的工作過程較為繁瑣，因此，若I/O口的數(shù)量充足，則一般不考慮這種方法，若I/O口的數(shù)量緊張，此方法可以很好的解決問題。在本次設(shè)計中，I/O口的數(shù)量充足，所以使用直接控制方式即可完成設(shè)計。需要注意的一點是1602字符型液晶顯示屏的顯示特點，即每一行最多可以顯示16個字符，可顯示兩行。顯示模塊設(shè)計圖如圖所示：圖4-5顯示模塊設(shè)計圖1.3.4燈光模塊設(shè)計根據(jù)設(shè)計題目要求，需要在設(shè)計時將不同顏色的LED燈排列成心形，并在播放音樂時點亮即可。LED燈，也就是發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件。LED燈其實是一個環(huán)氧樹脂封裝起來的晶片，該晶片是一個半導體，晶片的一端連接電源，該極為正極，另一端附在一個支架上，這一段為負極。半導體晶片由兩部分組成，分別為P型和N型，構(gòu)成一個簡單的P-N結(jié)。在P型里面空穴占主導地位，而在N型這邊，主要成分是電子。通電后，電流會將電子推向P區(qū)并與P區(qū)里原有的空穴進行復合，在復合過程中會形成光子，并且以該形式發(fā)出能量，這就是LED燈發(fā)光的原理。P-N結(jié)的材料會影響光的波長，因此，不同材料的P-N結(jié)可以發(fā)出不同顏色的光[9]。燈光模塊設(shè)計圖如圖所示：圖4-6燈光模塊設(shè)計圖1.3.5發(fā)聲模塊設(shè)計此部分僅需要連接一個“SOUNDER”模塊即可，其他需求可以在程序中解決。發(fā)聲模塊設(shè)計圖如圖所示：圖4-7發(fā)聲模塊設(shè)計圖

第2章系統(tǒng)軟件設(shè)計2.1軟件設(shè)計工具在過去四年的學習過程中，我們主要使用KeiluVision4編程軟件對所設(shè)計的單片機進行軟件編程，KeiluVision4于2009年2月發(fā)布，其設(shè)計了較為靈活的窗口管理系統(tǒng)，對使用者而言可以更好的利用屏幕空間管理更多的窗口，使用起來更加簡潔高效。KeiluVision5于2013年10月發(fā)布，其核心功能與KeiluVision4相比并未有太大的變化，且軟件運行起來更加穩(wěn)定，減少了閃退等事故的發(fā)生幾率，所以本次設(shè)計我選擇使用KeiluVision4的升級版KeiluVision5來進行程序編譯工作。2.2系統(tǒng)整體設(shè)計框圖圖5-1系統(tǒng)設(shè)計框圖2.3軟件設(shè)計思路在過去四年的學習中，C語言的學習和使用是學校編程教學內(nèi)容的重點，且KeiluVision5對單片機C語言的軟件開發(fā)有很好的兼容性，所以本次設(shè)計可以用C語言解決編程問題。2.4單片機發(fā)聲設(shè)計單片機所能發(fā)出的聲音非常單一，根本無法滿足音樂盒的需求，所以僅靠單片機完成設(shè)計是不可能的。因此，我們需要結(jié)合音調(diào)和節(jié)拍，在編程過程中對其進行調(diào)整，來達到讓音樂盒演奏歌曲的目的。僅有不同的聲音還不能夠組成音樂盒，節(jié)拍同樣也很重要，節(jié)拍主要控制單片機發(fā)出音符的時間，此時就需要對所要播放歌曲的樂譜進行研究，必須要知道所播放內(nèi)容中每一個音符的順序，還有音符持續(xù)的時間，這樣編寫出的程序才能使音樂盒正常發(fā)聲。2.1.1音調(diào)設(shè)計首先需要了解音調(diào)，音調(diào)在簡譜中表現(xiàn)為：1、2、3、4、5、6、7，對應(yīng)的讀法為：do、re、mi、fa、so、la、xi。根據(jù)世界范圍統(tǒng)一標準，樂器的發(fā)聲標準都是220Hz。在音樂中，標準音高被規(guī)定為中央C音上方的A音，它的頻率為f=440Hz，1(do)與高音1，2(re)與高音2等類似的音調(diào)正好相差一個倍頻程，在音樂學中稱它相差一個八度音。一般說來，通過對單片機的定時器做定時中斷，就可以讓單片機發(fā)出相應(yīng)的頻率，再對單片機上的蜂鳴器重復清零、置位操作，或者是將單片機上對應(yīng)的I/O口重復取反操作，便可以讓蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的聲音。當我們設(shè)定不同的定時值后，蜂鳴器就可以發(fā)出不同頻率的聲音[10]。以標準音高A為例，A的頻率f=440Hz，那么它對應(yīng)的周期就應(yīng)該是：T=蜂鳴器I/O口反應(yīng)時間圖如圖所示：圖5-2蜂鳴器I/O口反應(yīng)時間圖

由上圖可知，單片機上對應(yīng)的蜂鳴器的I/O接口來回取反的時間應(yīng)為T的一半，即t的值為1136μs，這個t也是單片機定時器上應(yīng)有的中斷觸發(fā)時間。假設(shè)f使外接晶振的振蕩器頻率，那么定時器的預置初始值為：Temp=65536-TH=TL=Temp%256其中，SYSTEM_OSC=22.1184MHz、TH=0xF7、TL=0xD8。2.1.2節(jié)拍設(shè)置音符節(jié)拍的設(shè)置需要結(jié)合一小段簡譜，如下圖所示：圖5-3簡譜示例圖其中1、2、5為一類，3、4為一類，6為一類總共三類。在簡譜中，單獨一個數(shù)字的出現(xiàn)表示一個四分音符，也就人們常說的一拍，如圖5-3所示的1、2下面有一條橫線，這表示1、2聲音發(fā)出的時長為八分音符長，即為四分音符的一半，表示半拍，3、4下面有兩條橫線，表示3、4聲音發(fā)出的時長為十六分音符長，即為八分音符的一半，表示四分之一拍，5的下面有一條橫線，表示其時長為八分音符長，即為四分音符的一半，表示半拍，6作為單獨的數(shù)字出現(xiàn)，下面沒有橫線，其時長為四分音符長，表示一拍。一般說來，若沒有特殊標注出一拍的時長或沒有特別說明，那么我們默認一拍的時長大約為400—500ms。若我取一拍的時長為400ms，那么當以四分音符為一拍節(jié)拍時，四分音符的時長就為400ms,八分音符的時長就為四分音符的一半，即為200ms,十六分音符的時長就為八分音符的一半，八分音符的四分之一，即為100ms。在單片機中，選擇以計數(shù)器的模式來進行控制，將單片機初始化后，TH0與TL0就會計算半周期時間，I/O端口在一遍計時結(jié)束之后會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，重復半周期時間，I/O端口發(fā)生反轉(zhuǎn)以后，單片機I/O引腳就可以接收到頻率脈沖，該脈沖輸出到揚聲器后，單片機就可以發(fā)出想要的音樂了。2.1.3顯示設(shè)置LCD1602液晶顯示屏的讀、寫操作時序圖如下所示：圖5-4LCD1602液晶顯示屏的讀操作時序圖圖5-5LCD1602液晶顯示屏的寫操作時序圖由于1602液晶顯示屏是一個慢顯示器件，因此顯示屏在顯示前要先做一些其他操作，即在每條指令執(zhí)行之前，顯示模塊都要先確定模塊的忙標志的電平信號，若忙標志處于高電平，即表示顯示屏處于忙狀態(tài)，則無法執(zhí)行指令，指令將會失效，若忙標志處于低電平，則表示顯示屏處于不忙狀態(tài)，此時則可以執(zhí)行指令即可在顯示屏上顯示字符。要顯示字符時要先告訴顯示模塊應(yīng)該在哪個位置顯示字符，之后才能完成顯示。

第3章調(diào)試運行及實物的焊接在搭建好設(shè)計的Proteus仿真并完成編程后，就需要將編譯好的出現(xiàn)導入Proteus的單片機中，觀察其運行結(jié)果。首先，雙擊Proteus里的單片機，如圖6-1所示，添加事先編譯好的.hex文件。圖6-1文件添加圖添加好文件后，點擊左下角的開始，電路通電，此時就可以開始測試所編譯的程序是否可以運行了。鍵盤各按鍵的功能如圖6-2所示：

圖6-2按鍵功能圖按鍵1~7：1~7這八個按鍵分別對應(yīng)的是七個不同的音，即：“do、re、mi、fa、so、la、xi”，當電路電源接通后，按動1~7中的任意一個按鍵，都可以發(fā)出其對應(yīng)的聲音；按鍵8：8號按鍵對應(yīng)的是“高音do”，按動8號鍵即可發(fā)出“高音do”的聲音；按鍵9：按鍵9為歌曲選擇按鍵；按鍵10：按鍵10為空閑按鍵，沒有任何實際功能；音樂盒按鍵：當電路電源接通后，按下音樂盒按鍵，可播放存儲好的音樂，且默認為順序播放，此時按鍵1~8失效，即在音樂盒按鍵按下后，按動按鍵1~8不會有任何功能；電子琴按鍵：在音樂播放的過程中，按下電子琴按鍵，音樂立刻停止播放，此時按動按鍵1~8，可發(fā)出相應(yīng)的聲音；選擇歌曲按鍵：按下選擇歌曲按鍵后，需要再按動按鍵1~9，此時會播放所選擇的音樂，同時，按鍵1~8的電子琴功能失效，按動按鍵后不會發(fā)出相應(yīng)的聲音。如果在音樂盒播放音樂的過程中按下選擇歌曲按鍵，正在播放的歌曲會立即暫停，之后的操作不變；單曲循環(huán)按鍵：按下單曲循環(huán)按鍵后，當前多播放的音樂會進入單曲循環(huán)模式，若在沒有音樂播放的情況下按動該按鍵，則不會有任何功能；

順序播放按鍵：在單曲循環(huán)按鍵按下后，歌曲進入單曲循環(huán)模式，此時若想繼續(xù)循環(huán)播放音樂，按下此按鍵即可實現(xiàn)順序播放音樂功能，如果在沒有音樂播放的情況下按下該按鍵，則沒有任何功能實現(xiàn)；開始/暫停按鍵：在音樂播放的過程中按下開始/暫停按鍵，即可實現(xiàn)音樂的開始與暫停。在音樂盒播放音樂的同時，1602顯示屏可正常顯示，LED等也正常發(fā)光。完成仿真與程序編譯并調(diào)試成功以后，就要對實物進行焊接，由于之前并沒有大量實物焊接的經(jīng)驗，所以就需要在購買實物元件時適量的多準備一點，以防焊錯后沒有替代。在焊接時需要注意：注意要分清LED燈、電解電容、蜂鳴器的正負極性，它們都是需要將長的管腳接到正極、短的管腳接負極，一定不能焊接反，若是焊接反的話，輕則相應(yīng)的元器件被燒毀，重則可能產(chǎn)生爆炸，影響到焊接人員的安全[11]。在焊接電阻時，一定要注意電阻的阻值，不可以將錯誤的電阻焊接到電路里，否則電流受到影響，實物的成功率會受到很大的影響，且該失誤很不容易排查出來。焊接每個元器件時要精準的控制好焊接