单片机音乐发生器的制作

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第1章 绪论

通过音乐发音器的设计方案，掌握了汇编语言的编程方法，并熟练的运用89C51单片机定时器产生固定频率的方波信号，推动喇叭发出旋律，按下单键可以演奏预先设置的歌曲旋律，最重要的是自己还可以通过程序设计输入自己喜欢的歌曲来演奏，本设计采用简易音阶编码直觉式输入法方便设计音乐旋律，可以扩充其功能如下：

1、可设计多个按键操作来选择演奏哪一首歌曲。 2、以随即数方式自动演奏歌曲。

3、设计程序可以以按键来实现前进和后退。

4、修改程序可以演奏伴奏音，或是如手机上播放的和谐铃声。

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第2章 单片机概述

一台能够工作的计算机要有这样几个部分构成：CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）。在个人计算机上这些部分被分成若干块芯片，安装一个称之为主板的印刷线路板上。而在单片机中，这些部分全部被做到一块集成电路芯片中了，所以就称为单片（单芯片）机，而且有一些单片机中除了上诉部分外，还集成了其它部分如A/D,D/A等。

单片机的体积也不大，一般用40脚封装，当然功能多一些的单片机也有引脚比较多的，如68引脚，功能少的只有10多个或20多个引脚，有的甚至只有8只引脚。

MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减改变而来的，所以人们习惯于用8501来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机。当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。本设计就是用89C51来完成的。

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第3章 硬件设计

一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O口、定时/计数器、中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路；二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。

3.1芯片简介

89C51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式，但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

1） 微处理器

该单片机中有一各8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。

2） 数据存储器

片内为128个字节，片外最多可外扩至64K字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。

3） 程序存储器

由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可扩至64K字节。

4） 中断系统

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具有5个中断源，2级中断优先权。

5） 定时器/计数器

片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。

6） 串行口

1个全双工的串行口，具有四种工作方式，可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。

7） P1口、P2口、P3口、P4口 为4个并行8位I/O口。

8） 特殊功能寄存器

共有21个，用于对片内的各功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

由此可见，89C51单片机的硬件结构具有功能部件种类全、功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个1位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相成，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。

3.2引脚说明

MCS-51是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照----单片机引脚。如下图3-1所示

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P0.0~P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。 P1.0~P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。 P2.0~P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。 P3.0~P3.7 P3口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。

（1）P0有三个功能：

1、 外部扩展存储器时，当做数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）

2、 外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）

3、 不扩展时，可做一般的I/O口使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。

（2）P1口功能：

P1口只做I/O口使用，其内部有上拉电阻。

（3）P2口有两个功能：

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1、 扩展外部存储器时，当作地址总线使用 2、 做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻

（4）P3口有两个功能：

除了作为I/O口使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置。

当作为输入时，上拉电阻将其点位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口作为输入时，只有外接一个上拉电阻才能有效。

（5）ALE/PROG地址锁存控制信号：

在系统扩展时，ALE用于控制把P0口的输出低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

PROG为编程脉冲的输入端，在89C51单片机内部有一个4KB的程序存储器（ROM）,ROM的作用就是用来存放用户需要执行的程序的，那么我们是怎样把编写好的程序存入进这个ROM中的呢？实际上是通过编程脉冲输入才能写进去的，这个脉冲的输入端口就是PROG..

（6）PESN外部程序存储器读选通信号：

在读外部ROM时PESN低电平有效，以实现外部ROM单元的读操作： 1、内部ROM读取时，PESN不动作；

2、外部ROM读取时，在每个机器周期会动作两次； 3、外部RAM读取时，两个PESN脉冲被跳过不会输出； 4、外接ROM时，与ROM的0E脚相接。

（7）EA/VPP访问程序存储器控制信号：

1、接高电平时：CPU读取内部程序存储器（ROM）

2、接低电平时：CPU读取外部程序存储器（ROM）。8031单片机内部是没有ROM的，那么在应用8031单片机时，这个脚是一直接低电平的。

（8）RST复位信号：

当输入的信号连续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作，当复位后程序计数器PC=0000H，即复位后将从程序存储器的0000H单元读取第一条指令码。

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（9）XTAL1和XTAL2:

外接晶振引脚：当使用芯片内部时钟时，此二引脚用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

（10）VCC:

电源+5V输入

（11）GND:

接地

3.3主要电路设计

89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的系统简单、可靠。本设计利用单片机芯片构成应用系统时，主要是将单片机接上时钟电路和复位电路，其应用特点：

1、 有可供用户使用的大量I/O口线。 2、 内部存储器容量有限。 3、 应用系统开发具有特殊性。

3.3.1时钟电路

89C51虽然有内部震荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。89C51单片机的时钟产生方法有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。震荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对震荡频率输出的稳定性、大小、震荡电路起振速度有少许影响，CX1，CX2可在20pF到100pF之间取值，但在601pF到70pF时震荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，震荡晶体选择12MHZ，电容选择20pF。

在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证震荡器稳定和可靠地工作。

3.3.2复位电路

89C51的复位是由外部的复位电路来实现的，复位引脚RST通过一个施密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平

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由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。时钟频率用12MHZ时C取10uF，R取1千欧。

除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种，其中电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通而实现的。

3.4电路图的设计

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第4章 软件设计

在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。

在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。

4.1程序流程图

4.2程序

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LO EQU 30H SI EQU 31H TC EQU 32H ORG 0000H JMP BEGIN ORG 000BH JMP TOINT BEGIN:

MOV SP，#60H MOV TMOD，#00H MOV IE，#82H WAIT:

JB P1.4，RUN JMP WAIT RUN:

ACALL SOUNDON ACALL PLAYSONG ACALL SOUNDOFF JMP WAIT PLAY:

ACALL LOADVALUE L1:

MOV R5，#30 ACALL DELAY DJNZ R3，L1 ACALL SOUNDOFF MOV R5，#3 ACALL DELAY ACALL SOUNDON RET PLAYSONG:

MOV TC，#0 X0:

MOV DPTR，#SONG

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MOV A，TC

MOVC A，@A+DPTR MOV R4，A CJNE A，#0FFH，X1 RET X1:

MOV DPTR，#LEN MOV A，TC MOVC A，@A+DPTR MOV R3，A ACALL PLAY INC TC JMP X0 RET SOUNDON:

SETB TR0 RET SOUNDOFF: CLR TR0 RET LOADVALUE:

MOV DPTR，#SILIST MOV A， R4 MOVC A，@A+DPTR MOV SI，A

MOV DPTR，#LOLIST MOV A, R4

MOVC A，@A+DPTR MOV LO， A RET TOINT:

MOV TL0，LO MOV TH0，SI CPL P3.4

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RETI DELAY:

MOV R6，#35 D1:

MOV R7，#70 DJNZ R7，$ DJNZ R6，D1 DJNZ R5，DELAY RET SILIST:

DB 196，202，208，211，216，220，224 DB 226，229，232，233，236，238，240 DB 241，242，244，244，246，247，248 LOLIST:

DB 4，28，21，7，5，16，12 DB 4，13，10，20，3，8，6 DB 2，23，5，26，1，4，3 SONG:

DB 12，15，13，12，12，10，12，13，15，12，12，13，12，10，9，9，10，12，10，9，10，8

DB 12，15，13，15，12，10，12，9，10，12，10，12，13，15，12，13，12，10，12，8，10，9

DB 10，9，8，9，10，13，12，10，12，13，12，15，13，12，10，12，9，12，9，10，9，8，0FFH

LEN：

DB 2，1，1，2，2，1，1，1，1，2，2，2，1，1，2，2，2，1，1，1，1，3

DB 2，2，1，1，2，1，1，1，1，2，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，1，2

DB 1，1，1，1，2，1，1，1，1，2，1，1，1，1，1，1，2，1，1，1，1，2，0FFH

END

4.3定时器的初始化设置

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如下介绍如何以定时器产生各种频率的声音，可以通过喇叭发出“D0”、“RE”、“ME”??飞音阶，试验仍也定时器0工作于模式0，计时时间长短所发音的频率而定，下表是我们所接受的频率值：

表4-1 频率值 低音 频率 中音 频率 高音 频率 6

通过频率值我们可以推得定时计数器，它们的关系介绍如下： T=1/f; Co=t/2; lo =(8192-co)2; Hi=(8192-co)/32

其中符号的含义说明如下： f :频率值 t :方波宽度

co :定时器搜计数的次数 lo :计数初值低字节 hi :计数初值高字节

1 262 1 523 1 1044 2 294 2 587 2 1178 3 330 3 659 3 1316 4 349 4 698 4 1397 5 392 5 784 5 1560 6 440 6 880 6 1765 7 494 7 987 7 1974.4音乐发生器的发音原理

一段音乐需要两个元素，即音符和节拍。

音符的发音主要靠不同的音频脉冲，只要算出某一音频的周期（频率的倒数），然后将此周期除以2，即为半周期的时间，利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到了就将输出脉冲的I/O反相，然后重复计时此半周期时间，再对I/O脚上得到此频率的脉冲，此信号从P3.4脚输出。

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第5章 焊接及调试

硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成。软件在硬件平台上构筑，

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完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是本系统的灵魂，对软件进行全面测试是检验错误排除故障的重要手段。

5.1焊接

焊接配线时要保持线路的整齐，在零件够齐后，则进行线路的焊接，摆上电阻、电容等组件进行配线，配线不宜过长，最好线焊上一点后，预拉至另一点处，确定长度后将其剪下，再焊接至另一点处，而在转角处尽可能拉称直角，如此一来可以确保制作出来线路的整齐。

在焊接过程中我们归纳的工艺流程如下；准备，熟悉控制要求，核对元器件数量、规格、型号，元件检测，元器件预加工，万能印制电路板装配、焊接，程序烧录，自检调试，印制电路板设计制作，印制电路板装配与调试。

5.2调试

根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试、软件调试和软硬件联调。包括对：音乐播放功能的调试，按键功能的调试。单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调，最后进行整体测试，使系统的所有功能得以实现。

5.2.1硬件调试

电路安装完成后，首先进行检查，即确认电路无虚焊、无短路、无断路，集成元件安装是否正确，之后进行电路功能调试：

1）音乐播放功能调试：音乐是否能正常播放； 2)按键功能调试：音乐是否能停止和重播；

5.2.2软件调试

本设计的软件系统，全部用C51来编写，选用一般的仿真器对C51进行调试。

5.2.3软硬调试

系统做好后，进行系统的完整调试。主要任务是检验实现的功能及其效果。为了确保所有功能的正常运行，单片机软件先在最小系统板上调试，确保工作正常之后，再与硬件系统联调。

结论

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本系统采用了MSC-51系列单片机Intel89c51为中心器件来设计音乐发声器，实现了循环播放音乐的功能，系统不足之处在于不能控制播放音乐的前进和后退，通过这次毕业设计使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题的全面锻炼。使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程中，以及在常用编程设计思路技巧的掌握方面都能向前迈了一大步，为日后成为合格的应用型人才打下良好的基础。

参考文献

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【1】李珍 《单片机原理与应用技术》 清华大学出版社 2003年

【2】 陈明荧 《8051单片机课程设计实训教材》 清华大学出版社 2003年

【3】刘进峰 《电子制作实训》 中国劳动社会保障出版社 2006年

致 谢

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三年时光，转瞬即逝。在毕业之际，向众多给予我帮助和建议的亲人、朋友、老师和同学们表示衷心的感谢。

首先感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年了，可一切仿佛就在昨天。三年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。

在此要特别感谢我的指导教师程老师，程老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。论文的每个细节和每个数据，都离不开您的细心指导。

在论文的工作过程中也非常感谢英利集团对我提供的优越条件，使我顺利的完成了论文，在此向他们致以崇高的敬意！

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