HEFEI UNIVERSITYFPGA综述报告系别电子信息与电气工程系任课教师汪济洲班级姓名成绩日期数字音乐盒设计摘要:本设计是一个基于STC89C51系列单片机的音乐盒，依据单片机技术原理，通过硬件电路制作以及软件编译，设计制作出一个多功能音乐盒。

该音乐盒主要由按键电路、复位电路、时钟电路以及蜂鸣器组成。

使用两个按键控制音乐盒，一个用来切换歌曲，另一个用来切换8路LED的变化花样，本音乐盒共有两首歌曲，花样灯花样共计4种。

播放歌曲时，蜂鸣器发出某个音调，与之对应的LED亮起。

本设计利用KEIL编程软件对音乐盒源程序进行编程并调试，配合PROTEUS仿真软件对硬件进行仿真调试，节约了设计时间。

关键字:音乐盒 STC89C51单片机 KEIL PROTEUS 音调目录1概述 (3)1.1设计方案 (3)1.2研究内容 (3)1.3音乐盒的功能结构图 (3)2硬件设计 (4)2.1总体设计框图 (4)2.2各部分硬件设计及其原理 (4)2.2.1 STC89C51简介 (4)2.2.2 LED显示电路设计与原理 (5)2.2.3 时钟振荡电路 (5)2.3硬件电路图及功能 (6)3软件设计 (7)3.1音调、节拍以及编码的确定方法 (7)4.1.1 音调的确定 (7)4.1.2 节拍的确定 (8)4.1.3 编码 (9)4.2软件程序设计 (10)4.2.1 程序流程图及相应代码块 (10)4.2.2 程序源代码（见附录A） (14)5调试 (14)5.1检查硬件连接 (14)5.2检查软件系统 (14)5.3测试结果 (14)5.3.1．总体运行图 (14)5.3.2．花样灯4种花样图 (15)参考文献 (16)附录A 程序源代码及注释 (16)1概述本设计是以STC89C51芯片的电路为基础，外部加上放音设备，以此来实现音乐演奏控制器的硬件电路，通过软件程序来控制单片机内部的定时器使其演奏出优美动听的音乐。

用户可以按照自己的喜好选择音乐并将其转化成机器码存入单片机的存储器中。

对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可.1.1设计方案设计一个基于STC89C51系列单片机的音乐盒，利用按键切换演奏出不同的乐曲。

蜂鸣器发出某个音调，与之相对应的LED亮起。

使用两个按键，一个用来切换歌曲，另一个切换八路LED的变化花样。

1.2研究内容1）电路有两种工作模式：演奏音乐模式和花样灯模式。

演奏音乐模式：演奏完整的一首的歌曲，八路LED随着音乐变化。

花样灯模式：八路LED变化出各种花样，蜂鸣器随着发出“嘀嘀”声。

2）按下按键1进入花样灯模式，再按切换LED花样，共四种花样。

3）按下按键2进入演奏音乐模式，再按切换歌曲，共两首歌曲。

1.3音乐盒的功能结构图音乐盒的功能结构如图2.2所示。

Key1负责切换LED显示花样，显示花样共4种。

Key2负责切换播放歌曲，播放歌曲共2首，分别是千年之恋和寂寞沙洲冷。

图1.1 音乐盒功能结构图2硬件设计2.1 总体设计框图图2.1总体设计框图2.2各部分硬件设计及其原理2.2.1 STC89C51简介STC89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。

STC89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的STC89C51是一种高效微控制器，STC89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图3.2所示。

图2.2 STC89C51系列单片机2.2.2 LED显示电路设计与原理LED显示电路是由8个LED发光二极管组成，连接方式为共阳极，LED接到单片机的P1口，若为低电平，可使LED亮起。

发光二极管的亮、灭由内部程序控制，8个LED发光二极管分别对应不同的音阶，所以LED会随着音阶的变化按规律亮、灭。

2.2.3 时钟振荡电路AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自然振荡器。

外接石英晶体及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。

对外接电容C1，C2虽然没有什么严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。

如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30PF±10PF，而如果使用陶瓷振荡器建议选择40PF±10PF。

用户也可以采用外部时钟。

采用外部时钟的电路如图示。

这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。

由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。

振荡器电路图如下：图2.3 单片机内部、外部振荡电路2.3 硬件电路图及功能总体硬件电路实现功能如下，如图2.4所示1）电路中用P3.2、P3.3分别控制按键Key1和Key2。

2）P1.0~P1.7控制LED 。

3）P2.3控制蜂鸣器。

4）电路为12MHZ 晶振频率工作，起振电路中C1、C2均为30PF 。

XTAL218XTAL119ALE 30EA31PSEN 29RST9P0.0/AD039P0.1/AD138P0.2/AD237P0.3/AD336P0.4/AD435P0.5/AD534P0.6/AD633P0.7/AD732P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78P3.0/RXD 10P3.1/TXD 11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.7/RD17P3.6/WR 16P3.5/T115P2.7/A1528P2.0/A821P2.1/A922P2.2/A1023P2.3/A1124P2.4/A1225P2.5/A1326P2.6/A1427U1AT89C51D1LED-REDD2LED-REDD3LED-RED D4LED-RED D5LED-RED D6LED-RED D7LED-RED 234567891RP1500D8LED-REDVCCR110kX1CRYSTALC130PFC230PF LS1SPEAKERVCCGNDQ1NPNR21k图2.4 硬件电路图3软件设计在本程序中设置了两个标志——count1和count2，分别初始化为1和0。

按键1使得count2在1~4之间切换,按键2使得count1在1和2之间切换，程序检测count1的值，count1的值来切换LED的花样。

另一方面根据count2等于1时播放第一首歌曲，等于2时播放第二首。

count1和count2的值是互斥的，设置count2等于1、2时，count2同时设置为0；设置count1等于1~4时，count2也同时设置为0。

3.1 音调、节拍以及编码的确定方法一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波频率，也就是说不能像电子琴那样能奏出多种音色的声音。

因此单片机奏乐只需弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和节拍表示一个音符唱多长的时间。

4.1.1 音调的确定不同音高的乐音是用C、D、E、F、G、A、B来表示，这7个字母就是音乐的音名，它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成简谱的1、2、3、4、5、6、7，相当于汉字“多来米发梭拉西”的读音，这是唱曲时乐音的发音，所以叫“音调”，即Tone。

把C、D、E、F、G、A、B这一组音的距离分成12个等份，每一个等份叫一个“半音”。

两个音之间的距离有两个“半音”，就叫“全音”。

在钢琴等键盘乐器上，C–D、D –E、F–G、G–A、A–B两音之间隔着一个黑键，他们之间的距离就是全音；E–F、B –C两音之间没有黑键相隔，它们之间的距离就是半音。

通常唱成1、2、3、4、5、6、7的音叫自然音，那些在它们的左上角加上﹟号或者b号的叫变化音。

﹟叫升记号，表示把音在原来的基础上升高半音，b叫降记音，表示在原来的基础上降低半音。

例如高音DO的频率（1046Hz）刚好是中音DO的频率（523Hz）的一倍，中音DO的频率（523Hz）刚好是低音DO频率（266 Hz）的一倍；同样的，高音RE的频率（1175Hz）刚好是中音RE的频率（587Hz）的一倍，中音RE的频率（587Hz）刚好是低音RE频率（294 Hz）的一倍。

1）要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期的时间。

利用定时器计时这半个周期时间，每当计时到后就将输出脉冲的I/O 反相，然后重复计时此半周期时间再对I/O反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。

2）利用AT89C51的内部定时器使其工作在计数器模式MODE1下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法。

此外结束符和休止符可以分别用代码00H和FFH来表示，若查表结果为00H，则表示曲子终了；若查表结果为FFH，则产生相应的停顿效果。

3）例如频率为523Hz，其周期T=1/523=1912us，因此只要令计数器计时956us/1us=956，在每次技术956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。

计数脉冲值与频率的关系公式如下：N=Fi÷2÷FrN：计算值；Fi：内部计时一次为1us，故其频率为1MHz；4）其计数值的求法如下：T=65536-N=65536-Fi÷2÷Fr例如：设K=65536，F=1000000=Fi=1MHz，球低音DO（261Hz）。

中音DO（523Hz）。

高音的DO（1046Hz）的计算值T=65536-N=65536-Fi÷2÷Fr=65536-1000000÷2÷Fr=65536-500000/Fr低音DO的T=65536-500000/262=63627低音DO的T=65536-500000/523=64580低音DO的T=65536-500000/1047=650595）C调各音符频率与计数值T的对照表如表4.1所示。

表4.1 C调各音符频率与计数值T的对照表低音频率T 参数中音频率T 参数高音频率T 参数Do 262 1908 229 Do 523 956 115 Do 1046 57 57Do﹟277 1805 217 Do﹟554 903 108 Do﹟1109 54 54Re 294 1701 204 Re 587 852 102 Re 1175 51 51Re﹟311 1608 193 Re﹟622 804 97 Re﹟1245 48 48Mi 330 1515 182 Mi 659 759 91 Mi 1318 45 45Fa 349 1433 172 Fa 698 716 86 Fa 1397 43 43Fa﹟370 1351 162 Fa﹟740 676 81 Fa﹟1480 41 41So 392 1276 153 So 784 638 77 So 1568 38 38So﹟415 1205 145 So﹟831 602 72 So﹟1661 36 36La 440 1136 136 La 880 568 68 La 1760 34 34La﹟464 1078 129 La﹟932 536 64 La﹟1865 32 32Si 494 1012 121 Si 988 506 61 Si 1976 30 304.1.2 节拍的确定若要构成音乐，光有音调是不够的，还需要节拍，让音乐具有旋律（固定的律动），而且可以调节各个音的快满度。