魏林海

摘要：通過以STC89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)一款數(shù)字音樂盒。該音樂盒主要由以下幾部分組成：STC89C52單片機(jī)的最小系統(tǒng)，蜂鳴器電路，12864LCD顯示電路，4*4矩陣鍵盤電路，LED燈閃爍電路；功能上實(shí)現(xiàn)讀取樂譜上的信息并轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可用數(shù)據(jù)，通過驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)音樂的播放。在矩陣鍵盤上使用按鍵來選擇十首歌曲的播放及相關(guān)控制，同時(shí)在液晶屏上顯示音樂的相關(guān)信息。硬件電路圖布局以Altium Designer為設(shè)計(jì)平臺，進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，完成數(shù)字音樂盒的整體設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；音樂盒；蜂鳴器；LCD；PCB

中圖分類號：TP338 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）16-0234-03

音樂是由人們在長期發(fā)展中為了表達(dá)各種情感而特別挑選出來的，并組成一個(gè)固定的系統(tǒng)[1]。音樂以其具有大眾的魅力，吸引著來自不同地域的人們共同欣賞著優(yōu)美的音樂，激發(fā)調(diào)動(dòng)人們埋藏在內(nèi)心那已久的悸動(dòng)。同時(shí)，在21世紀(jì)，電子技術(shù)進(jìn)入了輝煌的發(fā)展時(shí)期，其產(chǎn)生的電子產(chǎn)品也遍布社會的各個(gè)領(lǐng)域，在各行各業(yè)中單片機(jī)都在發(fā)揮著核心作用，如何將電子技術(shù)與音樂相融合，亦是研究熱點(diǎn)之一。本文通過利用單片機(jī)及音樂相關(guān)知識，設(shè)計(jì)一個(gè)以52單片機(jī)為核心元件的電子音樂盒，以滿足功能多樣、低成本、方便使用、小巧靈活等需求。

1 音樂盒設(shè)計(jì)框圖及流程

該音樂盒是以STC89C52單片機(jī)為核心，加上外圍電路如：矩陣鍵盤電路、蜂鳴器電路、LCD電路、USB供電電路以及LED燈閃爍電路所組成的[2]。音樂盒設(shè)計(jì)框圖和流程圖如圖1、圖2所示：

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 音樂程序設(shè)計(jì)

已知不同的音調(diào)有著不一樣的頻率，每個(gè)音調(diào)都有著不同的時(shí)間周期常數(shù)[3]。用定時(shí)器T0對單片機(jī)進(jìn)行定時(shí)，通過輸出不同周期的方波給蜂鳴器來控制、發(fā)出需要的音調(diào)[4]。從低音到高音每一個(gè)音調(diào)都有定時(shí)器T0對應(yīng)的一個(gè)初值，由此當(dāng)晶振為12MHz，可以列出音調(diào)與定時(shí)器T0初值的表1：

通過表1，可以讀出音樂簡譜上每個(gè)音符對應(yīng)的音調(diào)，讀出對應(yīng)的定時(shí)器T0的初值，讓定時(shí)器T0工作在定時(shí)模式1，當(dāng)計(jì)數(shù)從初值到最大值65536時(shí)溢出，并觸發(fā)單片機(jī)某個(gè)管腳信號取反，所產(chǎn)生的就是所需要的音調(diào)頻率，再通過蜂鳴器發(fā)出對應(yīng)音調(diào)的聲音。

在本設(shè)計(jì)中以延時(shí)函數(shù)控制每個(gè)音符的時(shí)長來實(shí)現(xiàn)，以十六分音符的時(shí)長編寫一個(gè)延時(shí)函數(shù)，做為其他音符時(shí)長的一個(gè)基準(zhǔn)，所以調(diào)用一次就是十六分音符的時(shí)長，循環(huán)調(diào)用該函數(shù)兩次就是八分音符，循環(huán)調(diào)用四次就是四分音符，循環(huán)調(diào)用該函數(shù)八次就是二分音符。根據(jù)以上所述，在程序中本設(shè)計(jì)是這樣處理的：把各個(gè)音調(diào)所對應(yīng)定時(shí)器T0的初值化為十六進(jìn)制數(shù)，取每個(gè)音調(diào)初值的高八位、低八位依次放在兩個(gè)數(shù)組中。音階頻率表高八位數(shù)組code uchar FREQH[]={0xF8， 0xF9， 0xFA， 0xFA， 0xFB， 0xFB， 0xFC， 0xFC， 0xFC， 0xFD， 0xFD， 0xFD， 0xFD， 0xFE， 0xFE， 0xFE， 0xFE， 0xFE， 0xFE， 0xFE， 0xFF}； 音階頻率表低八位數(shù)組code uchar FREQL[]={0x8C， 0x5B， 0x15， 0x67， 0x04， 0x90， 0x0C， 0x44， 0xAC， 0x09， 0x33， 0x82， 0xC8， 0x06， 0x22， 0x57， 0x85， 0x98， 0xC1， 0xE4， 0x03}。

音調(diào)和節(jié)拍關(guān)系處理：從簡譜可以讀出每個(gè)音符的音調(diào)和節(jié)拍存在數(shù)組中，每三個(gè)表示一個(gè)音符：第一個(gè)數(shù)字表示音符名1 2 3 4 5 6 7；第二個(gè)數(shù)字表示音調(diào)所在音區(qū)：0是重音，1是中音，2是高音；第三個(gè)數(shù)字表示延時(shí)函數(shù)的調(diào)用次數(shù)： 1是16分音符調(diào)用次數(shù)；2是8分音符調(diào)用次數(shù)；4是4分音符調(diào)用次數(shù)；8是2分音符調(diào)用次數(shù)；16是全音符調(diào)用次數(shù)。通過這樣就可以構(gòu)成一首音樂的數(shù)組，下面就表示《歡樂頌》在本設(shè)計(jì)中數(shù)組的表示：

以此簡譜為標(biāo)準(zhǔn)說明從簡譜到音樂的編碼：數(shù)組第一個(gè)數(shù)字3表示第一個(gè)音符是3，第二個(gè)數(shù)字是1表示第一個(gè)音符是中音，第三個(gè)數(shù)字4表示這是個(gè)四分音符，所以第一個(gè)音就是四分音符的中音3。

2.2 LCD顯示程序設(shè)計(jì)

LCD顯示之前，需進(jìn)行初始化，之后才能對它進(jìn)行寫指令或數(shù)據(jù)，下面圖3是LCD初始化過程：

本設(shè)計(jì)采用8位數(shù)據(jù)并行方式， DL取1，RE取0，向LCD寫入0x30指令。功能設(shè)定寫入指令0x30。顯示開關(guān)的控制指令： D=1，B=1，C=1，向LCD寫入0x0f指令，等待時(shí)間大于100us。清除顯示指令，向LCD寫入0x01指令，等待時(shí)間大于10ms，進(jìn)入模式設(shè)置，向LCD寫入0x06指令。完成初始化設(shè)置，根據(jù)控制端使用單片機(jī)向LCD寫入指令和寫入數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件原理圖

基于Altium Designer的原理圖庫建立music.SCHLIB[5]。圖4給出了音樂盒在Altium Designer中設(shè)計(jì)的原理圖。

通過音樂盒原理圖的繪制后，進(jìn)行編譯排除原理圖中漏接或者其他可以檢測到的問題，驗(yàn)證無誤后導(dǎo)入到PCB進(jìn)行布局和布線。

3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

3.2.1 時(shí)鐘振蕩電路

52MCU的運(yùn)行速度和其穩(wěn)定性依賴于微控制器時(shí)鐘頻率，時(shí)鐘電路直接關(guān)系到設(shè)備是否可以正常使用，本設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路采用的是內(nèi)部時(shí)鐘模式下，單片機(jī)有一個(gè)內(nèi)部高增益反相放大器，通過作為輸入引腳XTAL1，輸出引腳為XTAL2，構(gòu)成自激振蕩電路[6]。

3.2.2 復(fù)位電路

STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)中的復(fù)位電路是最小系統(tǒng)中另外一個(gè)重要組成部分，它主要的作用就是：用在對單片機(jī)實(shí)現(xiàn)初始的狀態(tài)。

3.3 蜂鳴器電路

單片機(jī)通過P3.7口與蜂鳴器模塊聯(lián)系在一起，當(dāng)蜂鳴器兩端加上工作電壓后，蜂鳴器就可以發(fā)出鳴叫聲。該電路之所以能夠?qū)崿F(xiàn)控制蜂鳴器的響與不響，主要是利用三極管Q1工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)P3.7=1時(shí)，三極管Q1工作在截止區(qū)，蜂鳴器兩端與5V電源斷開，此時(shí)不發(fā)聲；當(dāng)P3.7=0時(shí)，三極管Q1工作在飽和區(qū)，發(fā)射極與集電極幾乎成短路狀態(tài)，蜂鳴器兩端有電壓從而使得蜂鳴器鳴叫聲。

3.4 LED閃爍電路模塊

LED閃爍電路由發(fā)光二極管構(gòu)成的，共有8個(gè)，一方面同一端接在一起接到VCC，另一方面8個(gè)發(fā)光二極管各自通過一個(gè)阻值足夠的電阻，從而減少電流，然后分別接到單片機(jī)的P0的8個(gè)管腳構(gòu)成，當(dāng)P0的某個(gè)管腳通過程序控制其為高電平，那么它對應(yīng)的LED是一個(gè)二極管，符合二極管的原理，所以它處于截止?fàn)顟B(tài)，沒有電流通過，所以燈是滅的。反之，當(dāng)P0的某個(gè)管腳通過程序控制其為低電平的時(shí)候，同理，這時(shí)電流可以流經(jīng)二極管，因?yàn)樗幱陲柡蛥^(qū)，所以燈是亮的。通過在keil開發(fā)環(huán)境改變LED相關(guān)的程序讓其可以達(dá)到多種的亮滅情況。

3.5 矩陣鍵盤掃描模塊電路

由于單片機(jī)I/O口數(shù)目有限，當(dāng)需要用多個(gè)按鍵，采用獨(dú)立按鍵一個(gè)鍵占用一個(gè)端口這樣單片機(jī)可能會出現(xiàn)端口不夠用的情況。本次設(shè)計(jì)就是這種情況，采用獨(dú)立按鍵會占用大量單片機(jī)端口而出現(xiàn)端口不夠用，所以為了高效利用單片機(jī)的I/O口，采用矩陣式鍵盤可以只利用八個(gè)I/O口控制16個(gè)按鍵，16個(gè)按鍵分成4行4列。每個(gè)行列線的交叉點(diǎn)設(shè)一個(gè)按鍵，以此構(gòu)成矩陣鍵盤。

對于矩陣鍵盤按鍵的識別方法，本設(shè)計(jì)采用的是線反轉(zhuǎn)法。首先先讓行線全為高電平，列線全為低電平，當(dāng)一個(gè)按鍵按下的時(shí)候會使得按下的鍵對應(yīng)的一條行線變?yōu)榈碗娖剑@一步就可以判斷該按鍵在哪一行，接著讓行線全為低電平，列線全為高電平，同理，當(dāng)一個(gè)按鍵按下的時(shí)候會使得該鍵對應(yīng)的列線變?yōu)榈碗娖?，通過這兩步確定按鍵的所在的行列也就可以確定是矩陣鍵盤第幾個(gè)按鍵被按下了[7]。

3.6 LCD顯示模塊

音樂盒在LCD上主要顯示音樂信息，包括音樂的序號、音樂名稱、音樂作曲以及作曲家，所以這里采用的是帶中文字庫的點(diǎn)陣型液晶12864，從名字可以看出它表示的意思，它表示在液晶范圍的橫向可以顯示128個(gè)點(diǎn)，縱向可以顯示64個(gè)點(diǎn)。該芯片內(nèi)部共有8192個(gè)中文漢字，基本確保常用漢字都包括進(jìn)去了，比較偏的漢字可以通過造字來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)漢字占據(jù)16*16個(gè)點(diǎn)，所以屏幕一次最多顯示8*4個(gè)漢字，液晶的控制芯片有很多，由于中國漢字的特殊性，這里采用的是用ST7920控制屏幕的顯示，因?yàn)槠鋷в兄形淖謳欤梢燥@示本設(shè)計(jì)所需要的一些信息。

單片機(jī)通過LCD的控制端的不同組合來進(jìn)行不同的通信，LCD的主要控制端有第4腳RS，第五腳R/W，第六腳E，第十五腳PSB，在程序里可以通過RS和R/W的高低電平（即置1或置0）組合來選擇單片機(jī)寫指令或?qū)憯?shù)據(jù)到LCD存儲器，以及單片機(jī)從LCD讀指令或讀數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)中主要用到當(dāng)RS=0，R/W=0，單片機(jī)向LCD寫指令，當(dāng)RS=1，R/W=0，單片機(jī)向LCD寫數(shù)據(jù)。

4 結(jié)果展示

使用說明：從key1～key10表示第一首歌曲到第十首歌曲，key11表示暫停，key12表示播放，key13表示上一首，key14表示下一首。

音樂盒播放界面如圖5所示：

本設(shè)計(jì)把音樂和電子聯(lián)系在一起，以一個(gè)STC89C52單片機(jī)為核心，通過矩陣鍵盤來達(dá)到控制音樂的目的，并把當(dāng)前音樂的信息通過12864液晶屏顯示出來，并利用LED燈來給音樂伴奏。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張新彩. 基于內(nèi)容的音樂檢索技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安：西北大學(xué)， 2009.

[2] 汲項(xiàng)楓. 基于嵌入式系統(tǒng)的便攜式評價(jià)終端設(shè)計(jì)與開發(fā)[D]. 青島：中國石油大學(xué)（華東）， 2012.

[3] Atmed Corporation. Microcontroller Data Book[Z]. 1999.

[4] 馬松平. 談?wù)勔魳方虒W(xué)中怎樣記錄音的高低長短[J]. 讀寫算（教育教學(xué)研究）， 2011（41）.

[5] 王鵬. 以Altium Designer為平臺的EDA實(shí)踐教學(xué)探討[J]. 電子世界， 2012（2）.

[6] 劉鳳格等. MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路[J]. 菏澤學(xué)院學(xué)報(bào)， 2003（2）.

[7] 張迎輝. 單片微型計(jì)算機(jī)鍵盤接口設(shè)計(jì)[J]. 信息技術(shù)， 2004（7）.