基于單片機音樂播放器節(jié)拍顯示設計—電氣自動化畢業(yè)論文

1、 畢業(yè)設計（論文）題目： 基于單片機音樂播放器節(jié)拍顯示設計 院 (系)： 機電工程系 專 業(yè)： 電氣自動化技術 畢業(yè)設計（論文）任務書學生姓名學號專 業(yè)電氣自動化技術院（系） 機電工程系畢業(yè)設計（論文）題目基于單片機音樂播放器自動節(jié)拍顯示設計任務與要求任務： 本設計是采用at89c51單片機為核心設計的數(shù)字音樂播放器，實現(xiàn)彩燈伴奏，按鍵彈奏，顯示音樂節(jié)拍的功能。要求：（1）彩燈伴奏模塊則是led通過控制模塊的控制伴隨音樂節(jié)拍閃亮。（2）按鍵模塊是由8個按鍵組成，其中1個鍵用于實現(xiàn)播放器自動播放和自行彈奏兩模式間的轉換，其余7個鍵作為音符的輸入或音樂的播放選擇。（3）顯示音樂節(jié)拍是音樂播放系統(tǒng)設

2、計上增加液晶顯示器，采用的是lcd1602顯示模塊，為使用者提供曲目信息。 完成時間段2012年11月26日 至 2013 年3 月18日 共 16 周 指導教師單位重慶科創(chuàng)職業(yè)學院 職稱講師院（系）審核意見畢業(yè)設計(論文)進度計劃表日 期工 作 內 容執(zhí) 行 情 況指導教師簽 字2012.11.26-2012.12.7查找資料，選題2012.12.8-2012.12.30完成論文的初稿2012.12.31-2012.1.20完成論文二稿的寫作2013.1.21-2013.2.15完成論文的終稿及格式修改2013.2.16.-2013.3.4定稿，打印論文，做好答辯的準備2011.3.5-3.

3、18論文答辯教師對進度計劃實施情況總評 簽名 年 月 日 本表作評定學生平時成績的依據之一畢業(yè)設計(論文)中期檢查記錄表學生填寫畢業(yè)設計(論文)題目: 基于單片機音樂播放器節(jié)拍自動顯示設計學生姓名: 學號：專業(yè)：電氣自動化 指導教師姓名:劉 靜職稱: 講師檢查教師填寫畢業(yè)設計(論文)題目工作量飽滿一般不夠畢業(yè)設計(論文)題目難度大適中不夠畢業(yè)設計(論文)題目涉及知識點豐富比較豐富較少畢業(yè)設計(論文)題目價值很有價值一般價值不大學生是否按計劃進度獨立完成工作任務學生畢業(yè)設計(論文)工作進度填寫情況指導次數(shù)學生工作態(tài)度認真一般較差其他檢查內容：存在問題及采取措施:檢查教師簽字: 年 月 日院（系）

4、意見(加蓋公章): 年 月 日摘 要目前流行的mp3播放器的音質已相當好，但略感遺憾的是除了選擇歌曲和顯示歌名外，絕大部分播放器沒有諸如隨意彈奏樂曲、樂曲節(jié)奏跳動等功能。而隨著人們生活水平的不斷提高，單片機控制無疑是人們追求的目標之一。要為現(xiàn)代人工作、生活提供更好的更方便的服務就需要從單片機技術著手，一切向著數(shù)字化控制、智能化控制方向發(fā)展。本設計是采用單片機為核心設計的數(shù)字音樂播放器。本設計在實現(xiàn)音樂的播放及歌曲名顯示等基本功能的基礎上進行了擴展，添加了彩燈伴奏、按鍵彈奏、顯示音樂節(jié)拍等功能。本論文給出了系統(tǒng)方案的建立、硬件電路的詳細設計及軟件的程序實現(xiàn)。并通過軟硬件的聯(lián)立調試，驗證了設計方案

5、的可行性。關鍵詞：多功能 mp3音樂播放器 單片機 按鍵彈奏abstractthe current popular mp3 player sound has been quite good, but feel regretful slightly is in addition to the choice of songs and display the song name, most players without such as random play music rhythm, music and other functions. but as people living standard

6、 rise ceaselessly, scm control is one of the goals that people pursue. for the modern life of work, to provide better and more convenient service needs from proceed toward the scm technology, all digital control, intelligent control direction.this design is the use of single-chip microcomputer as th

7、e core design of the digital music player. the design in the implementation of music playing and the song name display and other basic functions based on the expansion, adding lights accompaniment, play button, display the beat of the music and other functions.this paper gives a system scheme, hardw

8、are establishment detailed circuit design and software program. and through the software and hardware of simultaneous debugging, verify the feasibility of the design scheme.key word : multi function mp3 music player single chip microcomputer play button目 錄第一章 緒言1第二章 硬件設計2第一節(jié) 硬件電路的設計框圖2第二節(jié) 硬件電路設計模塊的選

9、定2第三節(jié) 各硬件電路的具體設計4第三章 軟件設計8第一節(jié) 單片機發(fā)聲的基本原理8第二節(jié) 設計的相關音樂說明8第三節(jié) 音樂播放器軟件程序設計9結論12致謝13參考文獻14附錄 16第一章 緒言二十世紀九十年代以來，計算機、信息、電子、控制、通信等技術得到迅速發(fā)展，促使了社會生產力的提高，也使人們的生產方式和生活方式產生了日新月異的變化。隨著人們生活水平的提高及對音樂的喜愛，對音樂播放器的品質，功能，品種等提出了越來越多的要求，表現(xiàn)在對控制系統(tǒng)性能、可靠性等要求越來越高。而品質的提高，功能的更新，可靠性的增強，品種的變化無不與產品的核心控制部分水平的提高密不可分。家用音樂播放器產品及其它有關消費

10、電器產品都是一些開環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)，都由核心控制部分，執(zhí)行部分與人機界面三部分組成。而最為重要的控制部分一般是由單片機來執(zhí)行完成的，這就必將導致和促進單片機在音樂領域應用的發(fā)展?，F(xiàn)在這些由單片機實現(xiàn)的音樂播放器的功能越來越強、費用越來越低。例如，就目前市場上的mp3的功能越來越強大體積卻越來越小，價格也逐漸便宜，被大多數(shù)人所能接受。但這些音樂播放器也或多或少的存在著一些問題，解決這些問題，非智能化的單片機莫屬。本設計由硬件電路設計和軟件程序設計兩大部分組成。整個硬件電路是由中心控制、播放、選曲、顯示、按鍵和彩燈等模塊組成，中心控制模塊采用at89c51單片機，播放模塊是由8050 npn三極管

11、和電磁蜂鳴器組成，采用lcd1602顯示模塊，按鍵設有8個按鍵，其中7個作為音符輸入，另外1個作為模式轉換按鍵，實現(xiàn)用戶自彈作曲。軟件程序運用c語言編程實現(xiàn)。第二章 硬件設計第一節(jié) 硬件電路的設計框圖硬件電路如圖2.1所示由控制模塊、按鍵模塊、lcd顯示模塊、揚聲器播放模塊、彩燈伴奏模塊組成。at89c51控制模塊按鍵模塊揚聲器播放模塊彩燈顯示模塊顯示模塊圖2.1硬件總體框圖按鍵模塊共由8個按鍵組成，其中1個鍵用于實現(xiàn)播放器自動播放和自行彈奏兩模式間的轉換，其余7個鍵作為音符的輸入或音樂的播放選擇。lcd顯示模塊利用lcd1602對當前播放的歌曲名稱進行顯示。彩燈伴奏模塊則是led通過控制模塊

12、的控制伴隨音樂節(jié)奏閃亮。揚聲器播放模塊由三極管及無源蜂鳴器組成，通過控制模塊的控制對當前音樂進行播放。第二節(jié) 硬件電路設計模塊的選定一、中心模塊51系列的單片機優(yōu)點之一在于，它從內部硬件到軟件有著一套完整的按位操作系統(tǒng)，即位處理器，也稱布爾處理器，它的處理對象不是字或字節(jié)，而是位，這就意味著它不僅能對片內某些特殊功能寄存器的某位進行處理，例如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，這一點使其他種類單片機很難實現(xiàn)的。51系列的單片機的另一個優(yōu)點便是具備了乘法和除法指令，其中八位除以八位的除法指令商為八位，精度顯得有些不足，因此在應用方面不是很多，但八位乘以八位的乘法指令積為十六位，這樣的

13、精度已經足以滿足大部分應用的要求了，更為重要的是，直接具備了乘法與除法指令，這就使得在實際應用時，使用者不必額外編寫相應的子程序以備調用，與其他系列單片機相比，51系列的單片機在編程操作方面的簡便與實用性無疑上了一個新臺階。而同屬指令系統(tǒng)規(guī)范完整這一范疇所帶來的便利還包括了二進制十進制調整指令da，可將二進制變?yōu)閎cd碼，這使得十進制的計量更為快捷簡便，省去了其他系列單片機還需要編寫調用相應子程序的冗余過程，節(jié)省了大量的勞動力和時間。所以，從本系統(tǒng)設計的功能需求及成本考慮，51單片機性價比更高，at89c51是擁有2個外部中斷，2個16位定時器，2個可編程串行uart的單片機。中心控制模塊采用

14、at89c51單片機已完全滿足設計需要，實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制。二、播放模塊播放模塊是由8050 npn三極管和電磁蜂鳴器組成。at89c51輸出高電平控制信號，啟動8050 npn三極管使信號放大，從而啟動電磁蜂鳴器。與lm386和喇叭的組合相比較，該播放模塊存在一定噪聲，音響效果較差。但由于所需驅動功率較小，驅動器件要求不高，并能降低設計成本。因此，必須選用8050 npn三極管和電磁蜂鳴器則能滿足系統(tǒng)要求。三、顯示模塊led數(shù)碼管是一種數(shù)顯器件。我們知道，發(fā)光二極管（英文縮寫為led）是由半導體材料制成的、能將電信號轉換成光信號的結型電致發(fā)光器件。如果把發(fā)光二極管制成條狀，再按照一定方式連接，

15、組成數(shù)字“8”，就構成led數(shù)碼管，簡稱led。使用時按規(guī)定使某些筆段上的發(fā)光二極管發(fā)光，即可組成0 9的一系列數(shù)字。液晶顯示器，簡稱lcd（liquid crystal display），是一種液晶利用光調制的受光型顯示器件。lcd的特點是體積小、形狀薄、重量輕、耗能少（110微瓦/平方厘米）、低發(fā)熱、工作電壓低（1.56伏）、無污染，無輻射、無靜電感應，尤其是視域寬、顯示信息量大、無閃爍，并能直接與cmos集成電路相匹配，同時還是真正的“平板”式顯示設備。 常見的基于單片機設計的音樂播放器基本不能顯示歌曲信息。該音樂播放系統(tǒng)設計上增加液晶顯示器，可為使用者提供曲目信息。由于led數(shù)碼管只能

16、顯示數(shù)字而無法顯示其他中英文字符，從設計的成本及功能的角度考慮，采用lcd1602顯示模塊，它可以顯示每首曲目的英文名字。lcd1602驅動電路簡單，可以由單片機直接輸出命令驅動。四、 按鍵模塊按鍵設有8個按鍵，其中7個作為音符輸入，另外1個作為模式轉換按鍵，實現(xiàn)用戶自彈作曲。7個按鍵分別代表7個音符，包括中音段的全部音符。通過軟硬件設計，模式轉換按鍵觸發(fā)外部中斷，中斷使程序跳轉，實現(xiàn)模式轉換，啟動按鍵。然后通過查詢按鍵所按下的按鍵，讀取按鍵輸入狀態(tài)，跳轉到對應的程序人口，實現(xiàn)自編歌曲。當需要取消按鍵編曲功能時，再次按下模式轉換按鍵引起外部中斷即可退出按鍵功能而返回到原來音樂播放處。第三節(jié) 各

17、硬件電路的具體設計一、 at89c51控制模塊的設計at89c51控制模塊如圖2.2所示，由核心芯片at89c51單片機、單片機復位電路及外接晶振組成。如圖2.2所示，電容c1、c2和12m晶振與單片機引腳xtal1和xtal2相連構成外接晶振電路。at89c51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1和xtal2分別是此放大器的輸入和輸出端。在xtal1和xtal2兩端跨接晶體就構成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內部的時鐘電路，為單片機的工作提供時序。而xtal1端和xtal2端將電容c1和c2與內部的反相放大器連接起來組成并聯(lián)諧振電路，c1、c2取31pf

18、，對頻率有微調作用。at89c51單片機有一個復位引腳，復位條件是：在時鐘電路工作后，當外部電路在rst引腳施加持續(xù)2個機器周期以上的高電平時，使系統(tǒng)復位。一般只要保持正脈沖的寬度為10微秒，就可是單片機安全復位。本系統(tǒng)采用按鍵手動復位，在上電瞬間，rst引腳電位與vcc相同，隨著電容上充電電壓的增加，rst引腳電位逐漸下降。在單片機運行期間，按下按鍵電容瞬間放電，rst引腳電位與vcc相同，系統(tǒng)復位；隨著按鍵的斷開，電容又開始充電，rst引腳電位電位逐漸下降，系統(tǒng)開始正常工作。圖2.2 at89c51最小系統(tǒng) 二、 按鍵模塊的設計鍵盤在系統(tǒng)中作用在于手動切換播放器模式、音樂彈奏時音符的輸入以

19、及曲目的選擇。因在本系統(tǒng)中需要的按鍵并不多，單片機的i/o數(shù)完全可以滿足，所以采用了獨立式鍵盤設計，如圖2.3所示。如圖示，按鍵均低電平有效。此外，上拉電阻保證了按鍵斷開時，i/o口線有確定的高電平。在設計鍵盤的時候，還要考慮去抖問題。常見的去抖的方法有兩種：硬件方法和軟件方法。單片機中常用軟件法，因此在硬件方面將不做處理。如圖2.3所示，鍵盤輸入電路中共用到八個按鍵，s1鍵用于播放器模式的切換，在軟件中計算s1鍵按下的次數(shù)，一次為播放模式，二次為自行彈奏模式；s2s8鍵在播放器為自動播放模式時為曲目選擇鍵，即七個按鍵依次對應一首歌曲，按下其中一個鍵就播放對應的歌曲。而在播放器為自行彈奏模式時

20、，七個鍵就對應著七個音符，即按下某一按鍵，播放器就發(fā)出對應音符的節(jié)奏。圖2.3 按鍵模塊三、 揚聲器播放模塊的設計揚聲器播放模塊是由8050 npn三極管和無源蜂鳴器組成，無源蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。無源蜂鳴器發(fā)聲原理是電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場來驅動振動膜發(fā)聲的，因此需要一定的電流才能驅動它，單片機io引腳輸出的電流較小，單片機輸出的ttl電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此設計過程中增加一個由8050 npn三極管組成的電流放大電路。蜂鳴器的負極直接接地，蜂鳴器的正極接到三極管的發(fā)射極e上，三極管的基級b經過限流電阻r9后由單片機的p22引腳控制，當p22

21、輸出高電平時，三極管q1截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當p22輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。因此，我們可以通過程序控制p22腳的電平來使蜂鳴器發(fā)出聲音和關閉。四、 lcd顯示電路的設計lcd顯示電路由單片機p0及p3.0-p3.2端口控制。我們選用的是工業(yè)字符型液晶顯示屏lcd1602，能同時顯示16*2即32個字符（16列2行）。硬件連接如圖2.4所示。其中變位器是為調節(jié)lcd對比度而設計。lcd的顯示驅動在軟件中完成，硬件中不做處理。 圖2.4 lcd顯示電路五、 彩燈伴奏電路的設計根據設計要求，本設計中設計了彩燈伴奏電路，彩燈采用普通發(fā)光二級管。播

22、放器工作時，發(fā)光二級管根據音樂節(jié)拍閃亮。當播放器發(fā)出duo音時，d1亮；當播放器發(fā)出ruai音時，d2亮；當播放器發(fā)出mi音時，d3亮；當播放器發(fā)出fa音時，d4亮；當播放器發(fā)出suo音時，d1、d4亮；當播放器發(fā)出la音時，d2、d3亮；當播放器發(fā)出xi音時，d3、d4亮。在程序執(zhí)行過程中，單片機對發(fā)出的音符進行檢測，再輸出對應的彩燈信號。硬件電路較簡單，如圖2.5所示。 圖2.5 彩燈伴奏電路第三章 軟件設計第一節(jié) 單片機發(fā)聲的基本原理我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單處機某個口線的高電平或低電平，則在該口線上就能產生一定頻率形波，接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲

23、音，若再利用延時程序控制高 、低電平的持續(xù)時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調。音符的節(jié)拍我們可以用定時器t0來控制，送入不同的初值，就可以產生不同的定時時間。便如某歌曲的節(jié)奏為每分鐘94拍，即一拍為0.64秒。但是，由于t0的最大定時時間只能為131毫秒，因此不可能直接用改變t0的時間初值來實現(xiàn)不同節(jié)拍。我們可以用t0來產生10毫秒的時間基準，然后設置一個中斷計數(shù)器，通過判別中斷計數(shù)器的值來控制節(jié)拍時間的長短。例如對1/4拍音符，定時時間為0.16秒，相應的時間常數(shù)為16（即10h）；對3拍音符，定時時間為1.92秒，相應時間長數(shù)為192（即c0h）。我們將每一音符的時間常數(shù)和其相應的節(jié)拍常

24、數(shù)作為一組，按順序將樂曲中的所有常數(shù)排列成一個表，然后由查表程序依次取出，產生音符并控制節(jié)奏，就可以實現(xiàn)演奏效果。此外，結束符和休止符可以分別用代碼00h和ffh來表示，若查表結果為00h，則表示曲子終了；若查表結果為ffh，則產生相應的停頓效果。為了產生手彈的節(jié)奏感，在某些音符（例如兩個相同音符）音插入一個時間單位的頻率略有不同的音符。第二節(jié) 設計的相關音樂說明要產生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（1/頻率），然后將此周期除以2，即為半周期時間。利用半周期時間定時這個半周期時間，每當計時到后就將輸出的i/o反向，然后重復計時此半周期再對i/o反向，就可以在i/o腳上得到此頻率的脈沖。記數(shù)脈

25、沖值與頻率的關系公式如：n=fi/2/fr。n：記數(shù)值；fi：內部計時依次為1us，故其頻率為1 mhz；fr：要產生的頻率。 其記數(shù)值的求法如：t=65536-n=65536-fi/2/fr。例：設k=65536，f=1000000=fi=1 mhz。求低音do(26hz)，中音do(523hz)，高音do(1046hz)的記數(shù)值。 每個音符使用1個音節(jié)，字節(jié)的高四位代表音符的高低，低四位代表音符的節(jié)拍。如果1拍為0.4秒，1/4拍為0.1秒，假設1/4拍為 delay，則1拍為4 delay。第三節(jié) 音樂播放器軟件程序設計一、 按鍵掃描子程序設計本設計中采用的獨立式鍵盤，按鍵的閉合與否直接

26、反應在口線的電平上，即口線的電平是呈現(xiàn)的高電平還是低電平。因此可以通過口線的電平高、低狀態(tài)檢測，來確認按鍵是否按下。但如果在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導致判斷出錯，即按鍵一次按下或釋放被錯誤的認為是多次操作，為克服按鍵點機械抖動所致的檢測錯誤，確保cpu對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須采取去抖動的措施。軟件中去抖動的措施即在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序，然后再次檢測該鍵的電平狀態(tài)，如果該鍵電平仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認為真正有鍵按下。一般把按鍵掃描程序設計成子程序，以便其他程序調用。二、1ms延時程序設計延時程序一般是通過一層或多層循環(huán)實現(xiàn)，整個過程延時的

27、時間是程序執(zhí)行的指令總條數(shù)乘以執(zhí)行每條指令所用的時間。由于該系統(tǒng)的晶振選用的是12m，所以執(zhí)行每條指令所所用時間為2us。程序如下：void delay_ms(uint xms)/延時函數(shù)，有參函數(shù)uint x，y;for(x=xms;x0;x-) for(y=110;y0;y-);三、 lcd顯示子程序設計本設計中利用lcd1602顯示當前播放曲目名稱以及彈奏時的音符。lcd開始工作是靠軟件來實現(xiàn)的。程序如下：void lcd_display ( ) writecmd(0x80); for(y=0;y7;y+) writedata(namey); mydelay(5); mydelay(2)

28、; writecmd(0x80+0x40);for(z=0;z12;z+) writedata(numz); mydelay(5); for(x=0;x19;x+)writecmd(0x18); mydelay(5);四、 函數(shù)初始化子程序設計 函數(shù)初始化程序即把在主函數(shù)內對某些參數(shù)和標記位賦初值編寫成一個函數(shù)，這樣使程序更具有條理化，清晰易懂。由于整個程序要用到定時器0和定時器1，所以初始化程序主要是對定時器相關內容作說明。程序如下：void initialsound(void)sound_temp_th1 = (65536-(1/1200)*system_osc)/256;/ 計算tl1應

29、裝入的初值 (10ms的初裝值)sound_temp_tl1 = (65536-(1/1200)*system_osc)%256;/ 計算th1應裝入的初值th1 = sound_temp_th1;tl1 = sound_temp_tl1;tmod = 0x11;et0 = 1; et1 = 0; tr0 = 0; tr1= 0; ea = 1;五、 系統(tǒng)主程序設計播放器工作時，程序工作流程圖如圖3.1所示，2次播放曲目手動彈奏顯示曲目名稱顯示彈奏音符彩燈伴奏彩燈伴奏1次開始函數(shù)初始化按鍵掃描計算并保存鍵值判斷模式轉換鍵鍵值圖3.1系統(tǒng)主程序框圖先對在程序過程中所需的各種標記位及參數(shù)進行初始化

30、賦值，再執(zhí)行按鍵掃描子程序并計算及保存鍵值，根據其中的模式轉換鍵的按鍵次數(shù)進行模式判斷，按鍵次數(shù)為1時播放器處于自動播放模式，揚聲器播放模塊開始工作，同時彩燈伴奏模塊隨著單片機端口高低電平的變換閃爍達到伴奏的效果，另一方面顯示模塊進入工作狀態(tài)對當前曲目的曲目名進行顯示；按鍵次數(shù)為2時播放器處于手動彈奏模式，再次對按鍵進行掃描，對按下的鍵值進行分析，單片機輸出相應的音符，彩燈伴奏模塊也伴隨音符閃亮，同時lcd顯示模塊對當前音符進行顯示。結 論本設計以msc-51系列單片機為核心，充分利用了at89c51芯片的i/o引腳，以獨立式鍵盤作為琴鍵輸入及曲目的選擇鍵，采用lcd1602對當前曲目及音符進行顯示，并利用發(fā)光二級管進行音樂伴奏。本文從理論上分析了該設計方案的可行性，并預計能達到設計要求，主要體現(xiàn)在：擁有彩燈伴奏功能；具有音頻d/a轉換功能，可以輸出音頻模擬信號并能播放音頻文件；顯示歌曲信息功能；播放器具有手動彈奏