基于單片機的音樂播放器系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。 （ 2） 在家用電器中的應用 可以這樣說，現在的家用電器基本上都采用了單片機 控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。 （ 3） 在工業控制中的應用 用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。 單片機現在可以說是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從 8 位、 16 位到 32 位，數不勝數，應有盡有，有與主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，互成互補，為單片機的應用提供了廣闊的天地。 單片機的發展趨勢 縱觀單片機的發展過程，可以預示單片機的發展趨勢，大致有： （ 1） 微型單片化 現在常規的單片機普遍都是將中央處理器（ CPU）、隨機存取數據存儲（ RAM）、只讀程序存儲器（ ROM）、并行和串行通信接口，中斷系統、定時電路、時鐘電路集成在一塊單一的芯片上，增強型的單片機集成了如 A/D 轉換器、PMW（脈寬調制電路）、 WDT（看門狗）、有些單片機將 LCD（液晶）驅動電路都集成在單一的芯片上，這樣單片機包含的單元電路就更多，功能就越強大。甚至單片機廠商還可以根據用戶的要求量身定做，制造出具有自己特 色的單片機芯片。 此外，現在的產品普遍要求體積小、重量輕，這就要求單片機除了功能強和功耗低外，還要求其體積要小。現在的許多單片機都具有多種封裝形式，其中SMD（表面封裝）越來越受歡迎，使得由單片機構成的系統正朝微型化方向發展。 （ 2） 低功耗 CMOS 化 MCS51 系列的 8031 推出時的功耗達 630mW，而現在的單片機普遍都在100mW 左右，隨著對單片機功耗要求越來越低，現在的各個單片機制造商基本都采用了 CMOS（互補金屬氧化物半導體工藝）。像 80C51 就采用了 HMOS（即 5 高密度金屬氧化物半導體工藝）和 CHMOS（互補高密度金屬氧化物半導體工藝）。 CMOS 雖然功耗低，但由于其物理特征決定其工作速度不夠高，而 CMOS則具備了高速和低功耗的特點，這些特征，更適合于要求低功耗像電池供電的應用場合。所以這種工藝將是今后一段時期單片機發展的主要途徑。 開發環境簡介 隨著單片機的不斷發展，以 C 為主流的單片機高級語言也不斷被更多的單片機愛好者和工程師所喜愛。使用 C 語言肯定要使用到 C 編譯器，以便把寫好的 C 程序編譯為機器碼 ,這樣單片機才能執行編寫好的程序。 KEIL uVISION2 是眾多單片機應用開發軟件中優秀的軟件之 一，它支持眾多不同公司的 MCS51 架構的芯片，它集編輯，編譯，仿真等于一體 ,同時還支持， PLM，匯編和 C 語言的程序設計，它的界面和常用的微軟 VC++的界面相似 ,界面友好，易學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。 本系統采用的開發環境為 KEIL uVISION2，軟件開發環境主界面見圖 21。 圖 21 KEIL uVISION2 集成開發環境主界面 Proteus 是英國 Labcenter 公司開發的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows 操作系統上，可以仿 真、分析 (SPICE)各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點是： （ 1） 實現了單片機仿真和 SPICE 電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數 6 字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、 RS232 動態仿真、 I2C 調試器、 SPI 調試器、鍵盤和 LCD 系統仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。 （ 2 ） 支持主流單片機系統的仿真。目前支持的單片機類型有：ARM7(LPC21xx)、 8051/52 系列、 AVR 系列、 PIC10/12/16/18 系列、 HC11 系列以及多種外圍芯片。 （ 3） 提供軟 件調試 功能。在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如 Keil C51 uVision MPLAB 等軟件。 （ 4） 具有強大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。 系統仿真，圖 22 是 Proteus 的仿真圖。 圖 22 Proteus 的仿真圖 設計框圖 7 圖 23 設計框圖 該系統硬件連接框 圖如圖 24 所示。其整個工作過程為： MCU 控制 USB 接口芯片與計算機通訊，將從計算機上下載的文件存儲于 SDcard。播放時， MCU控制從 SDcard 讀取文件并傳送給解碼芯片，通過總線控制其解碼，解碼后的數字音頻 信號在 MCU 的控制下通過 D/A 轉換器轉換成模擬音頻信號，放大，輸出到揚聲器。演奏時， MCU 掃描判斷摁鍵工作情況，并產生相應頻率方波，轉換，放大，輸出。錄音時，在 MCU 的控制下聲源由 MIC 存儲到 SDcard 卡里。 本系統以單片機 AT89C51 為核心，主要負責控制各個部分協調工作。在其外圍接上：電源 、通信電路、復位電路、控制電路、存儲電路、顯示電路、音頻處理電路及外放電路 。 主程序流程圖 通訊接口 存儲器 SD card 液晶顯示 LCD1602 矩形鍵盤 Key board MCU 89C51 MP3 解碼器 VS1003 功率放大器 LM386 D/A轉換器 CS4334 揚聲器 MIC 8 圖 24 主程序流程圖 電子琴模式演奏 單片機電子琴演奏音樂基本都是單音頻率，它不包含相應幅度的諧波頻率，因此單片機奏樂只需弄清楚每個樂音的音調，即相應的發聲頻率。在電子琴模式中，有矩形鍵盤輸入高低不同的脈沖信號通過 AT89C51 來控制蜂鳴器發音。要想產生音頻脈沖信號，需要算出某一音頻的周期 (1/頻率 )，然后將此周期除以 2，即為半周期的時間。利用單片 機定時器計時這個半個周期時間，每當計時到后就將輸出脈沖的 I/O 口反相，然后重復計時此半周期時間再對 I/O 口反相，這樣就能在此 I/O 口上得到此頻率的脈沖。一首樂曲是由音階和節拍兩大要素構成，不同音階分別對應不同的頻率，發出不同的音調，而節拍則控制發出音調時間的長短；若將樂曲的音調連續發出，并使其按相應的節拍變化，即可演奏一首樂曲。一般說來，常采用的方法就是通過單片機的定時器定時中斷，將單片機上對應蜂鳴器的 I/0 口來回取反，或者說來回清零，置位，從而讓讓單片機發出相應頻率的聲音。為了讓單片機發出不同頻率的聲音， 只需將定時器予置不同的定時值就可實現。關于確定一個頻率所對應的定時器的定時值，有以下對應關系 ： t= T／ 2 = 1/2f (21) 這個時間 t 也就是單片機上定時器應有的中斷觸發時間。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脈沖。設振蕩器頻率為 0f ,則定時器的予置初值由 下式來確定 : END 開始 單片機初始化 啟動播放 中斷 模式切換 ?□ MP3 模式 電子琴模式 繼續？ 9 t =12? ( ALLT HLT ) ∕ of (22) 式中 ALLT = 162 =65536 ， HLT 為定時器待確定的計數初值。因此定時器的高低計數器的初值為： TH= HLT ∕ 256 =( ALLT t ? of ∕ 12)∕ 256 (23) TL= HLT % 256 =( ALLT t ? of ∕ 12)% 256 (24) 3 硬件電路設計 AT89C51 功能簡介 自從 1971 年微型計算機問世以來，隨著大規模集成電路技術的進一步發展，導致微型計算機正向兩個主要方向發展：一是高速度、高性能、大容量的高檔微型機及其系列化向大、中型計算機的挑戰；另一個是穩定可靠、小而廉、能適應各種控制領域需要的單片機。 MCS—51 系列是 Intel 公司在 1980 年推出的高檔 8 位單片機，具有性能價格比高、品種多、兼容性強、開發用的仿真機較完善等優點，所以在國際上和國內的占有率相當高。它擁有 8 位微處理器和控制器，內含一個一位布爾運算處理器，可 直接對數據的位進行操作和運算，特別適用于邏輯控制。內部含有 4KB的程序 ROM 并且在外部擴展了 256K 的存儲空間， 2 個 16 位的計數 /定時器。本次采用的是 AT89C51 單片機，其電路如 31 所示，它的中斷功能比較強，有 5個中斷源，即外部中斷 2 個，定時器中斷 2 個，串行中斷 1 個，有 2 個中斷優先級。中斷控制電路主要包括用于中斷控制的四個寄存器：定時器控制寄存器TCON，串行口控制寄存器 SCON，中斷允許控制寄存器 IE，中斷優先級控制寄存器 IP 等。內部時鐘振蕩器，全雙工方式的串行接口（ UART），兩極中斷優先權的 6 個中 斷源 /5 個中斷矢量的中斷邏輯。哈佛結構的存儲器組織，支持高達64K 為單周期指令，支持六種尋址方式。最高時鐘振蕩頻率可達 12MHZ，大部分指令執行時間為 1181。s，乘、除指令為 4181。s。 AT89C51 的外形圖及管腳圖 ： 10 圖 31 AT89C51 芯片外形圖及引腳圖 MCS51 系列單片機采用 40 引腳雙列直插式封裝（ DIP），其引腳排列和邏輯符號如圖 23 所示， 4 個并行口共有 32 根引腳，可分別作地址線、數據線和I/O 線； 2 根電源線； 2 根時鐘振蕩電路引腳和 4 根控制線 。 AT89C51 主要特性和引腳功能 主要特性： 與 MCS51 兼容 ； 4K 字節可編程閃爍存儲器 ； 壽命： 1000 寫 /擦循環 ； 數據保留時間： 10 年 ； 全靜態工作： 0Hz24MHz； 三級程序存儲器鎖定 ； 1288 位內部 RAM； 32 可編程 I/O 線 ； 兩個 16 位定時器 /計數器 ； 5 個中斷源 ； 可編程串行通道 ； 低功耗的閑置和掉電模式 ； 片內振蕩器和時鐘電路 ； 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第 一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存 11 儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 表 31 和 的第二功能表 引腳 號 功能特性 T2(定時 /計數器 2 外部計數脈沖輸入 ),時鐘輸出 T2EX(定時 /計數 2 捕獲 /重裝載觸發和方向控制 ) P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “ 1” 時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “ 1” 時，它利用內部上拉優勢，當對外部 八位地址數據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當 P3 口寫入 “ 1” 后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，