湖南铁路科技职业技术学院单片机课程设计说明书
1.1.1发音原理介绍
发音原理：播放一段音乐需要的是两个元素，一个是音调，另一个是音符。首先要了解对应的音调，音调主要由声音的频率决定，同时也与声音强度有关。对一定强度的纯音，音调随频率的升降而升降；对一定频率的纯音、低频纯音的音调随声强增加而下降，高频纯音的音调却随强度增加而上升。另外，音符的频率有所不同。基于上面的内容，这样就对发音的原理有了一些初步的了解。
音符的发音主要靠不同的音频脉冲。利用单片机的内部定时器/计数器0，使其工作在模式1，定时中断，然后控制P3.7引脚的输出音乐。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，利用定时器计时这个半周期时间，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。
1.1.2 音符频率的产生
音符及定时器初始值：
例如：中音1（do）的音频=523HZ,周期T=1/523s=1912?s
定时器/计数器0的定时时间为：T/2=1912/2?s=956?s
定时器956?s的计数值=定时时间/机器周期=956?s/1?s=956(时钟频率=12MHZ)
装入T0计数器初值为65536-956=64580
将64580装入T0寄存器中，启动T0工作后，每计数956次时将产生溢出中断，进入中断服务时，每次对P3.0引脚的输出值进行取反，就可得到中音DO（523HZ）的音符音频。将51单片机内部定时器工作在计数器模式1下，改变计数初值TH0,TL0以产生不同的频率。下表1.1是C调各音符频率与计数初值T的对照表：
表1.1 C调各音符频率与计数初值T的对照表 音符 频率（Hz）/初值(?s) 音符 频率（Hz）/初值(?s) 5
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低1DO 高1DO 中2RE 低3M 高3M 中4FA 低5SO 高5SO 中6LA 低7SI 高7SI 262/63627 1042/65056 589/64687 330/64021 1318/65157 700/64822 393/64264 1568/65217 882/64969 495/64526 1967/65282 中1DO 低2RE 高2RE 中3M 低4FA 高4FA 中5SO 低6LA 高6LA 中7SI 523/64580 294/63835 1245/65134 661/64780 350/64107 1397/65178 786/64900 441/64402 1760/65252 990/65031 音符、音符编码及定时器初始值：
为了产生音符，必须求出音符低音5—高音5的计数初值。例如C调的低
1DO
的
THTL=65536-50000/262=63627
高
，音
中
音DO
DO
的的
THTL=65536-500000/523=64580,
THTL=65536-500000/1042=65056。为了方便写谱，对其进行简单的编码，在编程时，根据音符编码（表1.2）查找对应的计数初值。比如说音乐是C调的，那么出现低音的5SO，直接将代码写为1；出现低音6LA,直接写一个2的代码；出现低音7SI，直接写一个3代码。
表1.2 音符编码表
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音符 不发音 低6LA 中1DO 中3M 中5SO 中7SI 高2RE 高4FA 高6LA 音符编码 0 2 4 6 8 A C E G 音符 低5SO 低7SI 中2RE 中4FA 中6LA 高1DO 高3M 高5SO 音符编码 1 3 5 7 9 B D F 1.1.3 节拍频率的产生
节拍的产生与编码：
音乐中的节拍用延时时间产生。例如，1拍=0.4s，1/4拍=0.1s，以此类推。假设1/4拍执行一次延时程序，则1/2拍就执行两次延时程序，所以只要求出1/4拍的延时时间，其余节拍就是它的倍数。为了方便，将节拍数也进行了编码，并且计算了乐谱节拍编程时的延时时间，如表1.3和表1.4所示。
表1.3 节拍数编码表
按1/4拍为一个延时时间的节拍编码与节按1/8拍为一个延时时间的节拍编码与节拍对应的表 拍对应的表 节拍编码 1 2 3 4 5 节拍 1/4 2/4 3/4 4/4 5/4 节拍编码 6 8 A C F 节拍 6/4 8/4 10/4 12/4 15/4 节拍编码 1 2 3 4 5 节拍 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 节拍编码 6 8 A C 节拍 6/8 8/8 10/8 12/8 7
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表1.4 乐谱节拍编程时的时间延时表 乐谱节拍 4/4 3/4 2/4 1/4拍的延时时间 125 ms 187 ms 250 ms 乐谱节拍 4/4 3/4 2/4 1/8拍的延时时间 62 ms 94 ms 125 ms 音符编码和节拍编码完成后，在编程时，每个音符占一个字节，高四位是音符编码，低四位是节拍编码。
1.2 LED显示屏控制技术状况
显示屏的控制系统包括输入接口电路、信号控制、转换和数字化处理电路及输出接口电路等，涉及的具体技术很多，其关键技术包括串行传输与并行传输技术、动态扫描与静态锁存技术、自动检测及远程控制技术等。
1.2.1 串行传输与并行传输技术
LED显示屏的数据传输方式主要有串行和并行两种。日前普遍采用串行控制技术，显示屏每个单元内部的不同驱动电路和各级联单元之间，每个时钟仅传送一位数据。采用这种方式的驱动IC种类较多，不同显示单元之间的联线较少，可减少显示单元的数据传输驱动元件，从而提高整个系统的可靠性和性价比，具体工程实现也较为容易。
1.2.2 动态扫描与静态锁存技术
LED显示屏控制系统实现显示信息的刷新技术有动态扫描和静态锁存两种方式。一般室内显示屏多采用动态扫描技术，即一行发光二极管共用一行驱动寄存器，根据共用一行驱动寄存器的发光二极管像素数目，分为1/4、1/16扫描等。室外显示屏基本上采用静态锁存技术，即每一个发光一极管都对应有一个驱动寄存器，无需时分工作，从而保证了每一个发光一极管的亮度占空比为100%。动态扫描法可以大大减少控制器的I/O口，因此应用较广。
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1.2.3 自动检测及远程控制技术
LED显示屏的构成复杂，特别是室外显示屏，供电、环境亮度、环境温度条件等都直接影响显示屏的正常运行。在LED显示屏的控制系统中，因根据需要对温度、亮度、电源等进行自动检测控制，也可根据需要，远程实现对显示屏的亮度、色度调节、图像水平和垂直位置的调节以及工作方式的转换等。
1.3 本设计任务
随着人类社会的发展，人们对视觉、听觉方面的享受提出了越来越高的要求。小小的音乐盒可以给人们带来美好的回忆，提高人们的精神文化享受。传统的音乐盒多是机械型的，体积笨重，发音单调，不能实现批量生产。本文设计的音乐盒是以单片机为核心元件的电子式音乐盒，体积小，重量轻，能演奏和旋音乐，功能多，使用方便，可以批量生产，具有一定的商业价值。
本设计是基于单片机控制的数字音乐盒的设计,由单片机AT89C51芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成的一个单片机数字音乐盒。
若该设计使用数字电路完成,所设计的电路相当复杂,大概需要十几片数字集成块,其功能也主要依赖于数字电路的各功能模块的组合来实现,焊接的过程比较复杂,成本也非常高。若用单片机来设计制作完成,由于其功能的实现主要通过软件编程来完成,那么就降低了硬件电路的复杂性,而且其成本也有所降低,所以在该设计中采用单片机利用AT89C51,它是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机。片内带有4KB的Flash存储器,且允许在系统内改写或用编程器编程。另外, AT89C51的指令系统和引脚与8051完全兼容,片内有128B 的RAM、32条I/O口线、2个16位定时计数器、5个中断源、一个全双工串行口等。
在该设计中利用单片机I/O口产生一定频率的方波，驱动蜂鸣器，发出各种不同的音调，从而演奏乐曲，并能够由LCD显示信息。键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。本设计采用4*4键盘，16*2 LCD，七段显示数码管LED。
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