【基于單片機的音頻發(fā)聲器淺析7000字（論文）】

基于單片機的音頻發(fā)聲器研究摘要：改革開放以來，我國各行各業(yè)循序發(fā)展，單片機技術(shù)也越來越成熟，單片機在中國被大部分人所接受，簡單來說可以稱為軟件控制器，最開始是由美國上世紀60年代開始使用。根據(jù)美國通用汽車提出來的，單片機能夠通過程序的改變從而達到對系統(tǒng)的控制，針對這樣的一種方式，被命名為ProgrammableLogicController（可編程邏輯控制器），簡稱來說就是單片機。目前對于單片機設(shè)計的產(chǎn)品越來越多，例如單片機控制音樂播放，在單片機的作用下還能對音樂進行存儲。本文主要研究基于AT89C51單片機的音頻發(fā)聲器，將單片機作為數(shù)據(jù)控制中心，然后對各模塊下發(fā)指令，完成對歌曲的控制，通過不同的按鍵實現(xiàn)上一曲、下一曲、播放/暫停、復位等操作；音頻發(fā)聲器使用過程中對于能量的消耗較低，一般的電壓就可以支持運行，操作過程非常簡單，采用獨立式輸入的方式完成對歌曲的設(shè)置，當單片機I/0口處于低電平的情況下，實現(xiàn)切換歌曲功能；當單片機I/0口為電平的情況下，會自動切換其他的功能；當使用播放/暫停按鍵時，歌曲會隨之播放/暫停。播放的過程中，可以采用數(shù)碼管的方式現(xiàn)實出當前播放歌曲的信息。AT89C51單片機還有一定的內(nèi)存，但是一般的歌曲占用空間較大，所以需要使用27512芯片對其進行控制，從而能夠存儲更多的歌曲。關(guān)鍵詞：AT89C51單片機；音頻發(fā)生器；硬件電路1緒論1.1研究的目的和意義中國隨著鋼琴樂器在19世紀被國外傳教士和商人傳入而開啟了中國鋼琴音樂的歷史，經(jīng)歷了100多年的探索研究和實踐，逐步形成了具有中國特色的鋼琴文化。中國鋼琴音樂在演奏技巧、理論基礎(chǔ)、創(chuàng)作思維等方面都有著獨特的一面。當然中國還有小提琴、口風琴、電子琴等等，目前，中國在電子音樂上的改變較大，能通過特殊的儀器完成各種聲音的制作，還可以改變各種聲音的頻率，這些改變對于人們的日常生活都有較大的幫助。通過改變聲音能夠解決一些餐廳或者歌廳的伴奏問題，在提前完成對聲音的設(shè)定后，還可以代替樂隊的功能。音樂合成器再生產(chǎn)方面非常簡單，并且材料方面也非常的廉價，支持的功能較多，因此在音樂市場中需求也較大。社會在進步的同時，音樂方面的產(chǎn)品在功能方面也會越來越強大，例如在合成器中加入跟隨功能，其表現(xiàn)在設(shè)置好播放的音樂后，后面將要播放節(jié)奏樂可以根據(jù)之前的音調(diào)跟隨二度或三度音，另外，合成器攜帶也非常的方面，操作過程也非常的簡單。音樂發(fā)展到至今雖然不會有更好的地位提升，但是在未來仍然不可忽略，同時也會有更多喜愛音樂的人加入音樂領(lǐng)域中。本文從單片機的角度對音樂進行分析，創(chuàng)造出新型的頻發(fā)生器，未來的音樂中也會未來越廣泛。音頻處理器的作用是是能夠數(shù)字化處理音頻的設(shè)備，它和模擬音頻處理系統(tǒng)最大的區(qū)別在于信噪比高，優(yōu)點是干擾能力強，但音色各有千秋。可能很多人都不太清楚，雖然名字聽起來有所不同，但是音頻處理器也是數(shù)字化音頻信設(shè)備。它的運行方法是先將多通道輸入的模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，然后再跟著對數(shù)字信號進行一系列可再次修改的處理等等，用來滿足改善人聲音質(zhì)、矩陣混音、消噪、消回音、消反饋等用戶們對應(yīng)用的需求。本次設(shè)計主要采用STC89C51單片機，然后在接入外部播放設(shè)備，通過此方式完成音樂控制器的硬件部分，然后在根據(jù)相關(guān)軟件控制單片機內(nèi)部的定時器，完成對應(yīng)的不同按鍵的功能，從而控制音樂的播放或其他操作。使用者可以根據(jù)自己的需求把一些流行音樂或者喜歡的音樂存儲至外部存儲空間中。不同型號的單片機的功能也會不同，應(yīng)用的領(lǐng)域也會不一致，本次選擇的單片機能夠更好適應(yīng)硬件部分，具有一定的使用價值，同時也是給更多喜愛音樂的人提供一種思考方向。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢音頻處理器集成了很多功能，其中的分頻功能非常重要，分頻能夠根據(jù)音響在不同的工作狀態(tài)下的不同頻率信息提供對應(yīng)的調(diào)整，這個功能使得音頻處理器能夠適應(yīng)于很多音響設(shè)備，只要音響設(shè)備能夠正常工作，那么音頻處理器就能準確的處理聲音信息并傳達給音響設(shè)備。美國在音樂教育方面非常的重視，在課堂上老師和同學之間非常的融洽，所以造成了美國的音樂教室中沒有固定的板凳位置，大多數(shù)情況下學生都是席地而坐的，這種方式也更有例如同學之間交流。在課堂上學生們都會展示出自己在音樂中的天賦，因此，大多數(shù)情況下老師們對此都會非常的支持，從而使學生能夠更加堅定的喜歡音樂。在課堂上學生們的討論范圍并不是只有音樂，還有他們的日常生活都可以交談。這些方面對于他們的思維有很好的的幫助。反觀國內(nèi)的音樂課堂，在課堂上人們看到的都是整整齊齊的桌椅，學習的氛圍很足，在課堂上只有很少一部分人提出自己的疑問，所以，國內(nèi)在音樂方面還需要加強。1.3音頻發(fā)生器的擴展本次研究采用AT89C51單片機完成定時器操作，從而確定信號發(fā)出的頻率，然后在通過揚聲器播放出音樂，通過不同按鍵的功能展示出對不同歌曲的選擇。還可以根據(jù)程序的設(shè)定選擇自己喜歡的音樂進行添加，設(shè)計的過程中還需要使用到簡易音階編碼直覺式方法，其功能如下展示：三個按鍵都能完成對音樂的操作；可以根據(jù)自己的需求選擇歌曲；顯示出當前正在播放的歌曲；能夠存儲更多的歌曲。2系統(tǒng)總體方案單片機在中國被大部分人所接受，簡單來說可以稱為軟件控制器，利用單片機能夠通過程序的改變從而達到對系統(tǒng)的控制。本文采用STC89C51系列單片機完成音頻發(fā)生器的每一個操作步驟，從而演奏出不同的音調(diào)。（1）本文系統(tǒng)分為兩種狀態(tài)：演奏狀態(tài)和花式狀態(tài)。演奏狀態(tài)：表演一首歌曲，八路LED燈隨著節(jié)奏起伏花式狀態(tài)：八路LED燈隨意進行轉(zhuǎn)變，蜂鳴器會給出提示應(yīng)當使用按鍵1時，開啟演奏狀態(tài)，然后再進下一步歌曲選擇。當使用按鍵2時，開啟花式狀態(tài)，然后選擇LED花樣。此步設(shè)計內(nèi)存占用率較小，因此可以在內(nèi)存中下載更多的LED花式，展現(xiàn)出系統(tǒng)的不同類型。功能模塊：可對內(nèi)存進行選擇，內(nèi)存較多時選擇的歌曲也會更多。硬件模塊：采用AT89C51為主控制器，然后采用74LS373和27512作為外部存儲功能，整體模塊功能需要包含：開啟、播放、暫停、下一曲、上一曲、加快、減慢等功能。晶振可選擇12MHz，音樂產(chǎn)生的信號數(shù)值通過P3.0口傳輸，然后在經(jīng)過喇叭播放歌曲。軟件部分：本次課題的開發(fā)環(huán)境為STC89C52語言。單片機為系統(tǒng)的主控芯片，它的性能、成本與能耗等方面都是需要考慮的，自從單片機進入市場以來便形成了龐大的體系，面對市面上層出不窮的新產(chǎn)品，8位單片機依舊是主流機型，內(nèi)含可編輯FLASH存儲器方便程序的修改，在嵌入式系統(tǒng)中大量使用。在整個系統(tǒng)中，每一個模塊都需要加入單機片進行控制，其中包含信號接收和信號轉(zhuǎn)發(fā)，單機片內(nèi)部的存儲器有較大容量且高速運行，使用者編程更簡單。按照自己的需求進行設(shè)定表可以開啟后自動播放歌曲。3硬件電路設(shè)計3.1電路組成及工作原理3.1.1電路組成頻發(fā)生器框架圖如下圖3-1所展示，電路原理圖見附錄1所展示，電路中主要包含單片機控制模塊、調(diào)整歌曲控制模塊、歌曲顯示模塊，內(nèi)存模塊、線路模塊等。圖3-1音頻發(fā)生器框架圖本次研究中主要采用AT89C51型號的單片機，因此AT89C51單片機為核心部分，主要作用是控制各個模塊的動作。AT89C51單片機外部還需要接入數(shù)碼管、按鈕和揚聲器等選擇性零件。AT89C51單片機內(nèi)部可選擇晶振、電阻、電源、揚聲器、按鍵裝置、與非門、非門、鎖存器和擴展器。按鍵裝置包含上一曲按鍵、下一曲按鍵、暫停/播放按鍵和復位按鍵。不同的按鍵對應(yīng)不同的端口選擇，可設(shè)置為P1.0-P1.6，P3.2、P3.6、P3.7等形式，主要作用是為了方便操作和設(shè)別，其中P3.0為蜂鳴器的端口。3.1.2電路工作原理本次研究主要通過單片機進行控制其他模塊，因此，還需要選擇較為合適的編程軟件來實現(xiàn)，AT89C51單片機自帶存儲功能，分別支持內(nèi)存存儲運行空間為4KB和外部存儲256K的存儲空間，因此能夠適應(yīng)較多數(shù)的軟件編程程序。音頻發(fā)生器的使用頻率較高，所以對于晶振的選擇也是非常重要的。歌曲的存儲位置可以設(shè)置為外部空間，然后通過按鍵功能實現(xiàn)上一曲和下一曲之間切換。當單片機I/0口處于低電平的情況下，實現(xiàn)切換歌曲功能；當單片機I/0口為電平的情況下，會自動切換其他的功能。歌曲展示模塊可采用共陰極數(shù)碼，本次設(shè)計過程中需要顯示出當前歌曲的信息，當播放歌曲時，共陰極數(shù)碼管會顯示出當前正在播放歌曲的編號情況。通過軟件去實現(xiàn)歌曲切換，點擊按鍵下一曲后，查看歌曲是否自動從下一曲播放。3.2AT89C51的簡介3.2.1AT89C51功能概述單片機在系統(tǒng)中起作用的是微處理器，能夠?qū)ο到y(tǒng)的數(shù)據(jù)進行處理和管控，控制單元通過對命令的判斷和數(shù)據(jù)的分析給出所有運算的結(jié)果?？刂贫丝谥饕▊鞒鼋涌诤蛡魅虢涌?，傳入接口可以看作是開關(guān)器和信號處理器，傳出接口主要是用來進行電力的平衡，管控電磁閥、和設(shè)備的開關(guān)。目前在對于單片機的應(yīng)用較多，技術(shù)也較為成熟，所以更容易實現(xiàn)對電力的保護，也能夠提前進行預防，對外界的物質(zhì)干擾也會較大的提升。不僅在能夠?qū)佣喾N不同設(shè)備，也能夠在不同大企業(yè)中能夠應(yīng)用，其中的變化也只是在合適度上進行選擇。MCS-51系列能夠支持高檔8位單片機，在編程方面也是非常的簡單，與繼電器之間進行對比不同的是在圖形方面，在語言的實現(xiàn)方面會更加的簡單的，更容易被接受。針對順序功能上也可以說是一種圖形，也能夠方面人們更快的進行理解。傳入和傳出也不會有任何的數(shù)據(jù)丟失，通能在傳入和傳出方面也是能夠進行簡單的控制。單片機從內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析在內(nèi)存存儲上有4KB的空間，2個16位定時器。本次實驗主要使用AT89C51單片機，該型號單片機中包含：中斷器、定時器、外部接口等關(guān)鍵元器件。運行的過程中由定時器發(fā)送指令給寄存器，然后對寄存器的操作進行授權(quán)，其中中斷器的功能在強于寄存器。圖3-2AT89C5電路圖3.2.2AT89C51的管腳圖AT89C51系列單片機主要采用40引腳直插式（DIP），其芯片信號引腳圖如下圖3-3所展示，其中包含電源線若干、控制線若干、4個并行口和32根引腳線，可從其中選擇性設(shè)置為地址線和數(shù)據(jù)線。圖3-3AT89C51芯片信號引腳圖3.2.3AT89C51單片機的引腳介紹AT89C51單片機相當于人類大腦，能夠完成多種操作，所以對于引腳的定義需要更加明確，其各個引腳部分說明如下：（1）輸入/輸出口線A．口8位雙向口線B．口8位雙向口線C．口8位雙向口線D．口8位雙向口線（2）ALE地址鎖存控制信號系統(tǒng)在運行的過程中，ALE會發(fā)送指令給控制端，通過口傳輸指令到鎖存器，鎖存器根據(jù)指令完成數(shù)據(jù)和地址的定時功能。此過程中ALE的晶振頻率只使用其六分之一，所以對于鎖存器的指令滿足脈沖使用條件。（3）外部程序存儲器讀選通信號外部ROM在接收到指令后需要判斷當前電平狀態(tài)，能夠更好的完成ROM單元的操作。（4）訪問程序存儲器控制信號信號為低電平時，ROM的操作權(quán)限只限于外部程序；無法深入到內(nèi)部中，信號為高電平時，ROM獲取到內(nèi)部操作權(quán)限，能夠同時操作內(nèi)部數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)。（5）RST復位信號RST按鍵復位主要是針對高電平情況下進行復位操作，此過程實現(xiàn)需要使用到單片機進行復位。（6）XTAL1和XTAL2外接晶體引線端當芯片作用于內(nèi)部完成定時，由石英晶體和微調(diào)電容執(zhí)行；當芯片作用于外部完成定時，由脈沖信號完成。（7）電源、地線GNDVCC、GND。VCC一般使用電壓為5V，GND與大地相連。3.3晶振電路AT89C51單片機內(nèi)部設(shè)有反相放大器，其輸入引腳為XTAL1，輸出引腳為XTAL2，在外部接有石英晶體和微調(diào)電容，其作用相當于振蕩器的功能，然后發(fā)出脈沖信號傳輸至單片機內(nèi)部時鐘電路，如下圖3-4所展示。電路中電容C1和C2對頻率都有較大的幫助，一般的電容都在20pF。振蕩器的頻率在1.2MＨz～12MHz，通常情況下實驗中都會采用12MHz的石英晶體。脈沖信號會在內(nèi)部定時器中進行二次分頻，之后發(fā)出的信號才是屬于單片機的信號。圖3-4晶振電路3.4揚聲器電路本次研究主要通過蜂鳴器發(fā)出音律，當播放按鈕啟動時，單片機會根據(jù)功能下發(fā)指令，蜂鳴器根據(jù)指令運行當前需要播放的歌曲，揚聲器電路如下圖3-5所展示。圖3-5揚聲器電路3.5復位電路AT89C51復位的功能主要是根據(jù)外部功能實現(xiàn)。當復位引腳RST觸發(fā)時，會通過觸發(fā)器的功能來降低噪音的干擾，觸發(fā)器的功能的將輸出電平大小和當前復位電路中的電平保持一致，然后才能將信息傳輸至內(nèi)部控制器。本次設(shè)計選擇自動復位功能，也是需要外部功能進行實現(xiàn)。當Vcc的時間沒有達到1ms時，就可以觸發(fā)自動上電功能。其中定時器選擇12MHz，電容都在20pF。時鐘的頻率和定時器的頻率保持一致。圖3-6復位電路3.6更換歌曲電路系統(tǒng)中設(shè)置有三個按鍵能夠?qū)Ω枨M行操作，其中三個按鍵的功能分別是上一曲、下一曲、播放/暫停。在三個按鍵中都需要加入對于電阻和與非門、非門，其目的也是為了更好的獲取到下一步操作的指令，當前狀態(tài)下的單片機在P3.2口和P3.7口都是高電平，沒有按鍵指令時，歌曲會不停播放，也會自動循環(huán)播放。4軟件設(shè)計4.1軟件流程設(shè)計代碼在編寫的過程中，每一步的代碼操作過程都要相互進行對應(yīng)，在軟件程序中需要確認在實際能夠運行的控制器是單片機在進行操作，代碼編寫過程中可以不斷地對代碼進行檢驗運行。如果在代碼編寫完成之后再進行運行，那么出現(xiàn)問題的時候，根本沒有頭緒可以對錯誤進行確認，所以每一步的功能和流程都需要一一對應(yīng)，本文在研究中根據(jù)主程序流程圖進行編寫，其流程圖如下圖4-1所展示。所有的按鍵對應(yīng)的功能都是每一條執(zhí)行命令。圖4-1主程序流程圖主程序代碼:main(){ ucharx;TH0=0;TL0=0;ET0=1;count1=0;//流水燈無花樣LED狀態(tài)count2=1;//播放第一首音樂P34=0;//循環(huán)模式EA=1;//播放斷開EX1=1;//外部斷開1 IT1=1;//外部斷開1選擇方式EX0=1;//外部斷開0IT0=1;//外部斷開0選擇方式 TMOD=0x01;//定時器0工作在方式1while(1){if(count1!=0)//音樂停止，LED隨音樂起伏{switch(count1){case1:for(x=0;x<14;x++){P1=huayang1[x];beep();delay1(300);if(count1!=1)break; }break;case2:for(x=0;x<14;x++){P1=huayang2[x];delay1(300);if(count1!=2)break; }break;case3:for(x=0;x<16;x++){P1=huayang3[x];beep();delay1(300);if(count1!=3)break; }break;}}else{song();delay1(1000);}}}4.2播放音樂子程序流程圖圖4-2播放音樂子程序流程圖播放音樂子程序代碼：voidsong(){uinttemp;ucharjp;//jp是調(diào)用i=0;while(1){ if(count2==0){ break;}if(count2==1) //選擇temp=qnzl[i];//播放愛你一萬年if(count2==2)temp=jmszl[i];//播放都是月亮惹的禍if(temp==0xff) //播放結(jié)束duan=1;P1=yinyue[jp];duan=0;break;jp=temp/16;//if(jp!=0){timeh=cuzhi[jp*2];timel=cuzhi[jp*2+1];}else{TR0=0;fm=1;//關(guān)閉蜂鳴器}delay(temp%16);//TR0=0; //兩曲相隔時間fm=1;delay1(10);TR0=1;i++;}TR0=0;fm=1;}延時程序代碼：voiddelay(uintz) //延時時間設(shè)定{ uintx,y;for(x=z;x>0;x--)voiddelay1(uintz) //延時1MS{ uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=112;y>0;y--);}for(y=19000;y>0;y--);}結(jié)語這次設(shè)計是基于AT89C51單片機對音頻發(fā)生器進行控制。通過對各個輸入和輸出進行估算，合理的設(shè)定運行時的參數(shù)。根據(jù)對單片機的自動控制功能的要求，合理的分配了輸入和輸出，編寫了流程圖，實現(xiàn)了該設(shè)備的實用性。單片機能夠通過程序的改變從而達到對系統(tǒng)的控制，因此需要考慮到硬件電路和軟件程序，其中硬件電路包含電源電路，復位電路、時鐘電路等，通過此次對單片機的研究讓我對線路有了一定的認識，同時對當前自己所掌握的知識程度有所了解。這一次的選題是在老師的指導下進行選擇，既符合老師的要求，實際上對自己也有很大的提升，在設(shè)計方面能夠達到標題的要求，確保設(shè)計結(jié)果準確無誤。這一次的設(shè)計針對我自己來說很有意思，不但讓我指導了設(shè)計的艱難，同時也體會到了酸甜苦辣，這是我大學期間都從未接觸過的知識。在進行設(shè)計的過程中，根據(jù)我所學到的知識完成了硬件和軟件上面的一些關(guān)鍵操作，最后利用仿真軟件仿真出了整個動作過程。事實證明，在未來，單片機會有更大的發(fā)展空間。不論是從技術(shù)革新，還是產(chǎn)品規(guī)模都會有嶄新的成果。單片機將會在工業(yè)及工業(yè)領(lǐng)域以外的諸多領(lǐng)域里發(fā)揮越來越大的作用。首先,我要感謝我的老師給我無限的幫助,在這篇論文的設(shè)計過程中,感謝我的學校,給我學習的機會,在寫論文的過程中,不管是課題的篩選、論文的框架、還是細節(jié)的變化，老師都提出許多寶貴的意見和建議，讓我從中受到了很大的啟發(fā)，受益匪淺。老師以嚴謹、求實的學習態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、認真的工作作風和創(chuàng)新的進取精神,對我有著重要的影響。這篇論文是在老師的細心指導和大力支持下完成的。也要感謝所有傳授過我知識的老師,沒有這些年知識的積淀,我沒有這么大的信心和動力來完成這篇畢業(yè)論文。感恩之余,我誠懇地邀請老師對我的論文進行批評和指正,以便及時改進論文的不足之處。在完成本論文的一段時間里，無數(shù)復雜的情感充斥著我的內(nèi)心。有激動，激動于與自己的北大碩士