基于單片機的電子音樂盒設計摘要現如今市場上的機械音樂盒發音單一，且價格昂貴，商業價值不高，已經滿足不了大多數人的需求。在此條件下，本文通過以STC12C5A60S2單片機為核心，設計一款電子音樂盒。該音樂盒分別由以下幾個部分構成：復位電路、晶振電路、電源電路、彩燈電路、聲音采集電路、音頻電路、顯示電路和按鍵電路。該音樂盒可通過一張內存卡存儲多首曲目，并且可以通過按鍵控制音樂盒的工作和基本功能，其中LED彩燈通過聲音采集顯示音量的高低變化，LCD顯示播放音樂的響度大小分貝值。本設計利用KEIL5編程軟件對軟件進行調試，硬件電路圖的布局以AltiumDesigner為設計平臺，進行PCB設計，最終完成電子音樂盒的設計和實現。音樂盒上設有彩燈，給用戶不僅帶來了聽覺上的享受，還有視覺上的沖擊。關鍵詞：單片機；LCD模塊；按鍵目錄TOC\o"1-2"\h\u緒論 11系統設計要求和總體方案 21.1系統的設計要求 21.2系統的設計方案 22系統硬件電路設計 32.1主控電路 32.2按鍵電路 42.3音頻模塊電路 52.4聲音采集電路 62.5彩燈電路 62.6顯示模塊 73系統整體設計軟件 83.1系統主程序流程圖 83.2顯示子程序流程圖 94系統實現與測試 104.1系統的實現 104.2系統的測試 10結論 12緒論音樂盒在西歐的文藝復興時期就已被人們所知曉。當時，它的目的是為了教堂上的鐘表能夠按時準確的播放時間，同時在各種各樣的鐘表上組裝這種設備零件，所以那個時代的人們稱它為"可以發出聲音的組鐘"。之所以機械音樂盒能夠一直在全球市場暢銷，是因為它可以把深奧的樂曲轉化為一種實際的藝術品，這種藝術品變成了人們傳遞美好的祝愿和情感，以及人們懷念已逝去的美好時光的最佳選擇。很多人都會在音樂盒寄予一些美好的情感，使得音樂盒增添了許多神秘的色彩。隨著科技的發展，人們的生活水平也在發生著時移俗易的變化，由于傳統音樂盒多為機械盒，所以其體積大、發音單一等。傳統的機械音樂盒早已無法滿足人們對更高水平音樂的追求。而單片機產品的不斷涌現讓人們對單片機的理解根深蒂固。在我們常見音樂盒的改造上和基于單片機的基本應用,發明了以單片機為主的電子音樂盒。音樂盒不但可以讓我們的耳朵聽到美妙的音樂,同時在聽音樂的時候可以產生共鳴得到心靈的慰藉。這類音樂盒有很多優點，如不占空間、重量輕、成本低且易于制造等。新型電子音樂盒子在我們日常生活的各個領域上有著廣泛應用，它的設備類型從一開始的音樂卡片到現在人們常用的音響、電腦等其他電子設備，它們制作的步驟和工藝可能不盡相同，但是它們發出的一系列聲響都是由于膜片的振動產生的。本次設計是以STC12C5A60S單片機為主要核心的一種電路，通過聲音采集模塊將采集到存儲器里的數據，經過解碼器進行解碼，將信號輸入到單片機中，分別經過轉換、放大，再輸出到音頻模塊中，通過揚聲器放出音樂。為了能夠使整個電路更加炫酷，觀賞性更強，在電路中加入了LED模塊，和聲音傳感器組合起來能夠使彩燈閃爍。用戶可以將自己喜歡的音樂放在內存卡中，且內存卡里面可以存放多首音樂。該系統中的軟、硬件系統具有很高的通用性和適用性，為很多對音樂和單片機有興趣的人提供了借鑒。1系統設計要求和總體方案1.1系統的設計要求本課題中主要研究的內容是以單片機STC12C5A60S為核心，設計一個帶有彩燈的電子音樂盒，其能實現的基本功能如下：1）音樂盒可以通過內存卡存放不少于5首音樂，每首音樂播放時間不低于30S；2）由幾個不同的按鈕單獨控制音樂盒的工作，從而可以控制音樂的播放/暫停、切換歌曲和復位的不同功能，且當音樂盒工作時，不對其進行控制，將會循環播放音樂；3）通過4個LED彩燈和聲音傳感器組合來顯示音樂的音量高低變化。1.2系統的設計方案從系統方案的設計到完成音樂盒的全部工作由以下幾個步驟分別實現：1）首先，構造出音樂盒的整體設計方案；2）接著，選擇音樂盒的主控制器和外圍電路；3）其次，用編程軟件編譯系統的主程序和子程序；4）最后，對音樂盒進行硬件的測試和軟件的調試。根據設計要求，可構造出如圖1的方案。考慮到系統的適用性和成本的可行性，該設計我選用STC12C5A60S單片機作為主控制器，和一些必要的外圍電路，來完成電子音樂盒的制作。此系統中，按鍵電路、音頻模塊電路和聲音采集電路為輸入電路，彩燈電路和顯示模塊為輸出電路。當有按鍵被按下時，芯片的控制器讀取存儲器的信息，通過數模轉換器將數字信號轉化為模擬信號，再將模擬信號進行放大，驅動音頻模塊放出音樂。聲音采集模塊采集到揚聲器放出的聲音后，進行放大和轉換處理后將數據輸出給單片機，從而驅動LED彩燈的閃爍。將按鍵電路用以寫入數據，然后通過單片機進行識別，處理后通過輸出模塊，即顯示模塊寫出數據。彩燈電路和音頻模塊電路的組合使得音樂盒在帶來音樂上享受的同時，還能帶來觀賞性。且用戶可以將自己喜歡的音樂存入內存卡中，通過音頻模塊聽到自己喜歡的音樂。圖1總體設計框圖2系統硬件電路設計2.1主控電路單片機的主控電路，即最小系統，是指用最少的元件組成的單片機可以正常工作的系統。就本設計采用的單片機來說，最小系統由以下幾個部分組成：STC12C5A60S2單片機、晶振電路和復位電路。最小系統是整個電路的核心，如圖2所示：圖2最小系統單片機在型號的選擇上要考慮到很多方面，如控制系統的成本效益、抗干擾能力、保密性、耗能、工作電壓、速度等因素。就本課題而言,在單片機型號的選擇過程中有兩點尤為重要:第一個是要有較高的性價比;第二個就是具有較高的實用性。由于51單片機在我國使用最廣，在諸多的51系列單片機中，STC12C5A60S2在我國所有的STC公司的1T增強系列中有著很強的競爭力，它不但能和8051單片機指令、管腳完全兼容，而且內部具有大容量程序存儲器且是FLASH工藝的，就內部具有高達60KFLASHROM來說，這類型的存儲器使用者能夠利用電的方法快速的改變和清除。這種單片機在開發設備上需求量小，且制作的效率也很高。寫入單片機內的程序有著很強的保密性，能夠保護好自己的勞動果實。故本系統采用STC12C5A60S2單片機作為電子音樂盒的核心部件，能夠給很多的應用場合帶來較高的效益，并且在不同的控制領域都有較高的適用性。STC12C5A60S2單片機共有40個引腳，大致可由以下幾個部分組成：電源、時鐘、控制各I/O引腳。單片機是通過時間來作為參考并提供各種命令，該電路稱為時鐘電路，通常以外部振蕩和內部振蕩的形式獲得。STC12C5A60S2微控制器具有構成振蕩器的高增益方向放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。由于外部振蕩會使電路變得復雜，所以本次設計采用的是內部振蕩，其獲得的信號也相對穩定，且實際中會經常用到。本設計中外界晶振以及電容C6和C7構成并聯諧振電路，主要功能是穩定振蕩頻率并快速起振，其均值在20PF左右，且為了得到精準的波特率，本系統采用11.0592MHz的晶振頻率。單片機內的一些電路在供電后不經復位就開始工作，一些干擾會導致單片機的程序發生錯誤，而不能正常工作，因此，復位電路在最小系統中是不可缺少的，其作用是單片機在通電時，回到初試狀態并開始工作。通常單片機的復位是通過外部電路實現的，在正常運行情況下，只要RST引腳上出現超過兩個機器周期時間的高電平，就可以復位系統，但引腳RST不間斷地顯示為高電平時，微控制器處于循環復位狀態。按鍵電路分為上電復位電路和按鍵手動復位，這次采用的是上電復位，引腳RST是復位信號的輸入端，復位信號是高電平有效，通過圖2中的K4鍵來實現。2.2按鍵電路在音樂盒的設計中按鍵電路是比較常見的外圍電路，按鍵實際上是一個輕觸開關松開是觸電斷開，按下時則是閉合狀態，通過程序的控制則可以實現不同功能的設置和選擇。本設計中音樂的播放是通過不同的按鍵單獨進行控制，K1控制音樂的播放/暫停，K2、K3鍵控制音樂的播放和切換，是用手動控制音樂盒播放的主要方法。由圖4我們可以看出，本設計作品是通過獨立的按鍵控制音樂的播放，即每個按鍵分別連接到I/O端口，并且每個按鍵處于獨立的工作狀態，而不影響其他的I/O端口的狀態，這種的按鍵方式便捷，應用范圍廣。按鍵電路如圖3所示圖3按鍵電路2.3音頻模塊電路在許多語音提示情況下，需要相對較高的聲音質量，故常規的低成本語音合成芯片無法滿足要求。因此，MP3-TF-16P模塊應運而生，這類模塊使用起來方便，音質好，適合于高要求的語音提示場合，如收費站語音提示、機電設備故障自動報警、消防語音報警提示、自動廣播設備等，都有很好的應用。為了保證系統的可靠性，以及使用簡便，MP3-TF-16P模塊有I/O控制模式、串口模式、AD按鍵控制模式三種方式可供選擇；提供了USB接口，更加方便的通過電腦來更新歌曲;可以用FAT16、FAT32文件系統，能夠支持32G的內存卡；其內部自帶揚聲器，且可以驅動外部的揚聲器。本設計用到放音模塊是個16角芯片，其各引腳功能表如表1所示：表1引腳功能表引腳序號引腳名稱功能描述備注1VCC電源工作電壓3.3V到5V之間，正常情況下建議用5V2RXUART串行數據輸入3TXUART串行數據輸出4DAC_K音頻輸出右聲道驟動耳機、功率放大器5DAC_L音頻輸出左聲道驅動耳機、功率放大器6SPK2接小喇叭+驅動小于3W喇叭7GND地電源地8SPK1接小喇叭一驅動小于3W喇叭9I01觸發口默認上一曲（長按音量—）10GND地電源地HI02觸發口默認下一曲（長按音量+）12ADKEY1AD口1與觸發時是第一段(長按循環第一段）13ADKEY2AD口2當觸發時是第五段（長按循環第五段）14USB+USB+DP接U盤或插電腦的USB口15USB-USB-DM接U盤或揷電腦的USB口16Busy播放指令會輸出低電平，不會輸出高電平一個完整的音頻模塊電路分為以下幾個部分：中央處理器、解碼器、存儲設備、主機通訊端口、音頻DAC和功放和控制鍵。其中核心設備是中央處理器和解碼器。首先把歌曲文件從存儲卡里取出來，然后讀取內存中的信號，在解碼芯片上對信號進行解碼，經引腳RX將信號傳輸到中央處理器中，然后使用數模轉換器進行處理，將數字信號轉換為模擬信號，經引腳TX將信號傳輸到芯片中，然后把轉換后的模擬音頻放大，低通濾波后通過引腳SPK1和SPK2接到揚聲器，最后我們就能夠聽到音樂了。音頻模塊電路如圖4所示：圖4音頻模塊2.4聲音采集電路聲音傳感器是一個聲音采集電路的基本設備，能夠很靈敏地測量到周圍環境的聲音強度，在日常生活和工業領域上有著廣泛的應用，如城市區域環境噪聲檢測、交通干道噪聲檢測、社會環境噪聲評估等。本課題中聲音傳感器和麥克風有著相同的功能，里面有一個對聲音可以快速做出反應的電容式駐極體話筒，從而揚聲器發出的聲波可使麥克風的駐極體薄膜振動，電容也會發生相應的變化，產生了一個變動非常小的電壓，通過處理將其轉化為一個低于5V的電壓，在數據采集器接收到這個A/D轉換后的電壓之后，傳輸給微控制器，通過單片機來檢測高低電平，并對數據進行處理得到采集聲音的分貝值。采集模塊如圖5所示：圖5采集模塊2.5彩燈電路人們的生活水平逐漸提高之后，國家在大力提倡要節約能源，越來越多的人會注重裝飾和節能，因此LED彩燈在日常生活中得到大家的青睞，它要比普通的燈泡更節省電，而且發光顏色選擇會更多。此次設計中有LED，能夠使音樂盒更加酷炫一點，更有氛圍感。此課題的LED閃爍電路由4個發光二極管組成，二極管的一邊連接著5V的電源，另一遍連接著一個阻值足夠的電阻，以此來達到限流，保護二極管的目的，然后分別接到單片機的P3.2-P3.5管腳，當其中一個管腳被程序控制為高電平，則其所在的LED是個二極管，符合二極管的工作原理，則處于截止狀態，無電流流過，因此燈是滅的。反之，當某個管腳被程序控制為低電平時，這時候的電流就可以通過二極管，所以燈是亮的。通過和聲音采集電路組合采集到聲音的高低，輸出給P3口的脈沖頻率發生變化，控制彩燈的閃爍頻率，從而可以達到彩燈的多種亮滅情況。彩燈電路如圖6所示：圖6彩燈電路2.6顯示模塊工業中常見的液晶顯示屏可以分為以下幾類：TN型液晶、STN型液晶、DSTN型液晶等。考慮到系統的實用性，我選擇的是LCD1602液晶，在該系統中主要顯示播放音樂的分貝值，是一個集成塊。LCD1602，它是一種工業字符型液晶，能夠同時顯示16x02，即32個字符，可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊。它的工作原理比較簡單，利用液晶獨立的物理特征，有利于對電壓進行控制和改變顯示部分。LCD與單片機連接對應接口如圖7所示，其功能如下：引腳VSS和引腳VDD分別可以作為液晶接地和一個液晶電源引腳，引腳VL作為一個液晶背光手動調節引腳，通過10K這個電位器可以進行手動接地，背光燈也同樣可以通過這個電位器的手動轉換功能來自行手動完整調節液晶燈光的實際亮度；引腳RS和引腳E為單片機的液晶電路選擇式電源控制引腳，分別用于控制連接液晶電源電路到單片機的32腳、34腳；引腳DB7~DB14作為一個電源數據傳輸接口，與單片機的21~28腳直接交互相連，從而實現了對電源數據的自動采集和數據傳輸；引腳A和引腳K作為一個新的液晶電源背光調節控制器引腳，可以用于控制連接電路到液晶電源和其他工作用的場所，為一個拓展接口。圖7LCD1602模塊3系統整體設計軟件在以STC12C5A60S單片機為核心的電子音樂盒中，各個硬件和軟件模塊之間既是獨立存在又是相互協作，接到輸入指令后會立刻硬性相對應的程序，實現設計的各項功能，從而控制音樂的播放。對于本次系統程序的編譯，我選用了KEIL5軟件。從近年的發展來看，KEIL5軟件被認為是當前最流行，且被廣泛使用的開發MCS-51系列單片機的軟件，它已經可以為使用者提供了一個可以完整開發的解決方案，并且還包括模擬仿真和調試器都具有很強的作用。可以使一個獨立的集成開發環境將這些部分緊密聯系到了一起，能夠有效地幫助我們在嵌入式開發上做好模擬硬件的配置，以及詳盡的測試報告，針對所有的定量數據采集進行簡單合理的分析，也具有高級的語言優勢。3.1系統主程序流程圖良好的軟件和硬件相結合，系統才能夠更加平穩的運用，音樂的播放才更加穩定。由于這些基本條件，該系統軟件主要由主程序、顯示子程序等幾個部分組成。音樂盒通電后系統初始化，系統掃描鍵盤，當有按鍵按下時判斷鍵值并執行相關指令直到結束。主程序流程圖如圖8所示：圖8系統主程序流程圖3.2顯示子程序流程圖圖9是LCD顯示子程序流程圖，每顯示一個字符自動加1，LCD1602顯示字符前輸入字符所在的地址。圖9LCD顯示子程序流程圖4系統實現與測試4.1系統的實現為了達到最好的原理圖繪制效果，本設計我選用的是PROTEUS繪圖軟件。本次設計中，最后確定了設計方案和對元器件,以及硬件電路的設計仿真、軟件系統的設計調試，在Altiumdesigner軟件中進行原理圖與PCB圖繪制，在Keil5軟件中進行程序的編譯后，生成一個hex的文件，并將文件寫入單片機中。考慮到成本的原因，最終在萬用板上進行各元器件的焊接。在PCB板焊接完成后，將單片機程序通過開發板下載到單片機中，然后將單片機芯片正確安裝，安裝完成后的電路實物圖如圖10所示：圖10電路實物圖4.2系統的測試在對電路反復調試檢查無誤后，便開始對電路進行通電，通電后實物照片如圖11所示，圖中是電路在靜態時顯示的畫面。切換按鍵換曲