通信工程系電子線路實現(xiàn)訓(xùn)練報告-單片機音樂播放器設(shè)計報告.doc

通信工程系電子線路實現(xiàn)訓(xùn)練報告目錄1.方案與論證.11.1顯示電路.11.2時鐘電路.12.電子音樂產(chǎn)生原理.12.1音調(diào).12.2節(jié)拍.33.系統(tǒng)硬件設(shè)計.63.1系統(tǒng)總框圖.63.2電路設(shè)計.73.2.1單片機時鐘電路.73.2.2.復(fù)位電路.83.2.3電源電路.83.2.4.USB程序下載電路.93.2.5.蜂鳴器驅(qū)動電路.103.2.6顯示電路.113.2.8矩陣電路.114.系統(tǒng)軟件設(shè)計.125.總結(jié)與展望.146.參考文獻.14附錄.15附錄1系統(tǒng)總電路.15附錄2源代碼.16通信工程系電子線路實現(xiàn)訓(xùn)練報告11.方案與論證1.1顯示電路方案.1：采用LED數(shù)碼管來顯示（電路簡單，成本低）；方案.2：采用LCD液晶顯示器來顯示（電路簡單，成本高）；方案3：采用TFT真彩液晶顯示（電路復(fù)雜，成本高，但顯示的分辨率高）；綜上所述，選擇方案一進行設(shè)計。1.2時鐘電路方案.1：選擇DS1302實時時鐘芯片來實現(xiàn)音樂播放器（時間準(zhǔn)確，但要增加額外開銷）；方案.2：選擇單片機的軟件實時來實現(xiàn)音樂播放器（靈活性高，時間不準(zhǔn)確）；方案.3：選擇單片機內(nèi)部可編程定時器來實現(xiàn)音樂播放器（在不增加額外的開銷前提下，時間可以做到準(zhǔn)確）。綜上所述，選擇方案三進行設(shè)計。2.電子音樂產(chǎn)生原理單片機發(fā)音原理：單片機演奏音樂基本是單音頻率，它不包含相應(yīng)幅度的諧波頻率，也就是說不能象電子琴那樣能奏出多種音色的聲音，但一定要弄清楚兩個概念即可，也就是“音調(diào)”和“節(jié)拍”。音調(diào)表示一個音符唱多高的頻率。節(jié)拍表示一個音符唱多長的時間。下面，就此兩點，闡述說明：2.1音調(diào)在音樂中所謂“音調(diào)”，其實就是我們常說的“音高”。在音樂中常把中央C上方的A音定為標(biāo)準(zhǔn)音高，其頻率f=440Hz，其余與其比較。f1和f2為兩個音符，當(dāng)這兩個音符的頻率相差一倍時，也即f2=2f1時，則稱f2比f1高一個倍頻程。在音樂中1與.1，2與.2，正好相差一個倍頻程，在音樂學(xué)中稱它相差一個八度音。在一個八度音內(nèi)，有12個半音。以1i八音區(qū)為例，12個半音是：11、12、22、23、34、44，45、5一5、56、66、67、7i。這12個音階的分度基本上是以對數(shù)關(guān)系來劃分的。如果我們只要知道了這十二個音符的音高，也就是其通信工程系電子線路實現(xiàn)訓(xùn)練報告2基本音調(diào)的頻率，我們就可根據(jù)倍頻程的關(guān)系得到其他音符基本音調(diào)的頻率。確定一個頻率所對應(yīng)的定時器的定時初值的方法：以標(biāo)準(zhǔn)音高A為例：標(biāo)準(zhǔn)音高A的頻率f=440Hz,其對應(yīng)的周期為：T=1/f=1/440=2272s因此，需要在單片機I/O端口輸出周期為T=2272s的方波脈沖，如下圖所示。圖1方波脈沖由上圖可知,單片機上對應(yīng)喇叭的I/O口來回取反的時間應(yīng)為：t=T/2=2272/2=1136s此處分兩種方式敘述，請比較選用，其實結(jié)果相同：.這個時間t也就是單片機上定時器應(yīng)有的中斷觸發(fā)時間。一般情況下，單片機奏樂時，其定時器為工作方式1，它以振蕩器的十二分頻信號為計數(shù)脈沖。設(shè)振蕩器頻率為f0，則定時器的予置初值由下式來確定：t=12（TALLTHL）/f0式中，TALL=216=65536，THL為定時器待確定的計數(shù)初值。因此定時器的高低計數(shù)器的初值為：TH=THL/256=(TALLtf0/12)/256TL=THL%256=(TALLtf0/12)%256將t=1136s代入上面兩式（注意：計算時應(yīng)將時間和頻率的單位換算一致），即可求出標(biāo)準(zhǔn)音高A在單片機晶振頻率f0=12Mhz，定時器在工作方式1下的定時器高低計數(shù)器的預(yù)置初值為：TH440Hz=(655361136*12/12)/256=FBHTL440Hz=(655361136*12/12)%256=90H根據(jù)上面的求解方法，我們就可求出其他音調(diào)相應(yīng)的計數(shù)器的予置初值。.假設(shè)單片機晶振頻率f0=12Mhz，定時器在工作方式1計數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系為：N=FI2FR其中N計數(shù)值；FI內(nèi)部計時一次為1us，故其頻率為1MHz；FR要產(chǎn)生的頻率。其計數(shù)值的求法為：T=65536N=65536FI2FR則標(biāo)準(zhǔn)音高A（頻率f=440Hz）的計數(shù)值為：T=65536N=65536FI2FR=6553610000002FR=65536500000/440=655361136=64400=0FB90H下面給出C調(diào)各音符頻率值和定時器定時初值：（晶振頻率f0=12Mhz，定時器在工作方式1）表1C調(diào)各音符頻率值和定時初值對照表C調(diào)音符11#22#344#55#66#7頻率Hz262277293311329349370392415440466494TH/TLF88BF8F2F9B7FA14FA66FAB9FB03FB4AFB8FFBCFFBCFFC0B通信工程系電子線路實現(xiàn)訓(xùn)練報告3C調(diào)音符11#2#4#5#6#頻率Hz523553586621658697739783830879931987TH/TLFC43FC78FCABFCDBFD08FD33FD5BFD81FDA5FDC7FDE7FE05C調(diào)音符11#22#344#55#66#7頻率Hz104511061171124113161393147615631658175518601791TH/TLFB21FE3CFE55FE6DFE84FE99FEADFEC0FE02FEE3FEF3FF02對于非C調(diào)的歌曲，要對各音符的頻率做相應(yīng)的變化調(diào)號音樂上指用以確定樂曲主音高度的符號。升C調(diào)：1#C，也就是降D調(diào)：1bD；277（頻率）升D調(diào)：1#D，也就是降E調(diào)：1bE；311升F調(diào)：1#F，也就是降G調(diào)：1bG；369升G調(diào)：1#G，也就是降A(chǔ)調(diào)：1bA；415升A調(diào)：1#A，也就是降B調(diào)：1bB。4所謂1A，就是說，這首歌曲的“導(dǎo)”（即作為基調(diào)的中音DO）要唱得同A音符一樣高，其它各音符依次向后遞推，通常把這首歌曲叫做A調(diào)歌曲，或叫“唱A調(diào)”。1C，就是說，這首歌曲的“導(dǎo)”要唱得同C一樣高，或者說“這歌曲唱C調(diào)”。同樣是“導(dǎo)”，不同的調(diào)唱起來的高低是不一樣的。在遞推的時候要嚴(yán)格按各音符間音程關(guān)系進行（全音還是半音，只有34和7i之間是半音關(guān)系，其它音之間都是全音關(guān)系），下面以1=D調(diào)進行說明。參照上面的鋼琴鍵盤圖和表1，確定出D調(diào)各音符對應(yīng)的頻率值為：（到后來制表時就以各音符對應(yīng)的新頻率值確定定時初值）2.2節(jié)拍音符的節(jié)拍我們可以舉例來說明。在一張樂譜中，我們經(jīng)常會看到這樣的表達式，如1=C44、1=G43等等，這里1=C,1=G表示樂譜的曲調(diào)，和我們前面所談的音調(diào)有通信工程系電子線路實現(xiàn)訓(xùn)練報告4很大的關(guān)聯(lián)，44、43就是用來表示節(jié)拍的。以43為例加以說明，它表示樂譜中以四分音符為節(jié)拍，每一小結(jié)有三拍。比如：其中1、2為一拍，3、4、5為一拍，6為一拍共三拍。1、2的時長為四分音符的一半，即為八分音符長，3、4的時長為八分音符的一半，即為十六分音符長，5的時長為四分音符的一半，即為八分音符長，6的時長為四分音符長。那么一拍到底該唱多長呢？一般說來，如果樂曲沒有特殊說明，一拍的時長大約為400500ms。我們以一拍的時長為400ms為例，則當(dāng)以四分音符為節(jié)拍時，四分音符的時長就為400ms，八分音符的時長就為200ms，十六分音符的時長就為100ms。若樂譜有特別說明則另行對待。如有樂譜中注明每分鐘86拍，則一拍時間為60/86s=698ms?？梢?，在單片機上控制一個音符唱多長可采用循環(huán)延時的方法來實現(xiàn)。首先，我們確定一個基本時長的延時程序，比如說以十六分音符的時長為基本延時時間，那么，對于一個音符，如果它為十六分音符，則只需調(diào)用一次延時程序，如果它為八分音符，則只需調(diào)用二次延時程序，如果它為四分音符，則只需調(diào)用四次延時程序，依次類推。具體來說，.每個音符使用一個字節(jié)，字節(jié)的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的節(jié)拍，節(jié)拍與節(jié)拍碼的對照，如下表所示。表2節(jié)拍與節(jié)拍碼的對照表節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)1（十六分音符）1/4拍為1DELAY11/8拍2（八分音符）2/4拍21/4拍33/4拍33/8拍4（四分音符）1拍41/2拍51又1/4拍55/8拍61又1/2拍63/4拍8（二分音符）2拍81拍10A2又1/2拍A1又1/4拍12C3拍C1又1/2拍15F3又3/4拍16（全音符）4拍.以1/4拍（十六分音符）為一個基準(zhǔn)定時單位（1DELAY），則2/4拍（八分音通信工程系電子線路實現(xiàn)訓(xùn)練報告5符）為2DELAY，1拍（四分音符）為4DELAY，2拍（二分音符）為8DELAY，4拍（全音符）為16DELAY。1/4和1/8節(jié)拍的時間設(shè)定，如下表所示。表3各調(diào)節(jié)拍時間設(shè)定表1/4節(jié)拍的時間設(shè)定1/8節(jié)拍的時間設(shè)定曲調(diào)值DELAY曲調(diào)值DELAY調(diào)4/4125ms調(diào)4/462ms調(diào)3/4187ms調(diào)3/494ms調(diào)2/4250ms調(diào)2/4125ms通過上面介紹的音符音調(diào)和節(jié)拍的相關(guān)知識，以及它們在單片機系統(tǒng)中的確定方法，我們就可以在單片機上實現(xiàn)演奏音樂了。具體的實現(xiàn)方法為：將樂譜中的每個音符的音調(diào)及節(jié)拍變換成相應(yīng)的音調(diào)參數(shù)和節(jié)拍參數(shù)，將他們做成數(shù)據(jù)表格，存放在存儲器中通過程序取出一個音符的相關(guān)參數(shù)，播放該音符，該音符唱完后，接著取出下一個音符的相關(guān)參數(shù)，如此直到播放完畢最后一個音符，根據(jù)需要也可循環(huán)不停地播放整個樂曲。請注意，用單片機上實現(xiàn)音樂演奏關(guān)鍵在于，根據(jù)樂譜制作出數(shù)據(jù)表格，編程在其次，這個過程很耗費時間和精力。另外，對于樂曲中的休止符，一般將其音調(diào)參數(shù)設(shè)為FFH或00H，其節(jié)拍參數(shù)與其它音符的節(jié)拍參數(shù)確定方法一致，樂曲結(jié)束用節(jié)拍參數(shù)為00H來表示。實例說明建立音樂的方法（1）建立簡譜對應(yīng)的簡譜碼、T值及節(jié)拍數(shù)表，畫在草稿紙上。先對照歌曲的簡譜把其中所有出現(xiàn)的音符找出，從低音到高音依次排序，確定各音的數(shù)值（編寫查表程序時將此值減1，即得對應(yīng)音符相對于TABL1表頭的偏移量）。對于不是C調(diào)的歌曲，要對各音符的頻率做相應(yīng)的變化。對照歌曲的簡譜確定各音符的節(jié)拍數(shù)相對于基準(zhǔn)定時單位的倍數(shù)，從小到大排列。各音符時值的倍數(shù)關(guān)系是確定不變的，關(guān)鍵要正確確定其值。這需要懂一點簡譜知識才能準(zhǔn)確的確定出樂譜中音符節(jié)拍數(shù)。以歌曲蘭花草為例，如下表：表4簡譜發(fā)音（這一列知道就行不必寫出）簡譜碼T值節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)低3低音MI16402111/4拍低4低音FA26410322/4拍低5低音SO36426033/4拍低6低音LA46440041拍低7低音TI56425451又1/4拍中1中音DO66458061又1/2拍通信工程系電子線路實現(xiàn)訓(xùn)練報告6中2中音RE76468482拍中3中音MI86477710A2又1/2拍中4中音FA96482012C3拍中5中音SOA6489815F3又3/4拍中6中音LAB64968164拍中7中音TIC65030休止符不發(fā)音0關(guān)定時器注：以四分音符為一拍，現(xiàn)在以1/4拍為定時的基準(zhǔn)單位，為1DELAY。則1拍應(yīng)為4倍DELAY，依次類推。所以只要求得1/4拍的DELAY時間，其余的節(jié)拍數(shù)就是它的倍數(shù)。（2）把各音符頻率對應(yīng)的定時T值建立在TABLE1表。各音符頻率對應(yīng)的定時值表TABLE1:；DW64021,64103,64260,64400DW64524,64580,64684,64777DW64820,64898,64968,65030（3）根據(jù)第一步建立的表，建立樂曲對應(yīng)音符節(jié)拍碼表TABLE，其中簡譜碼（音符）在高4位（但是此種方法只能排16個音，若樂譜中音符較多可占一個字節(jié)來表示），節(jié)拍碼（節(jié)拍數(shù)）在低4位（但此種方法也只能最大延時15個基準(zhǔn)定時單位的時間）。TABLE:；歌曲蘭花草的音符與節(jié)拍碼表；高4位為簡譜碼（音符），低4位為該音符對應(yīng)的節(jié)拍數(shù)DB42H,82H,82H,82H,84H,02,72HDB62H,72H,62H,52H,48HDB0B2H,0B2H,0B2H,0B2H,0B4H,02H,0A2HDB12H,0A2H,0D2H,92H,88HDB82H,0B2H,0B2H,0A2H,84