單片機音樂計時器Proteus仿真+代碼設計分享

ID:368262 · 發表于 2019-6-20 15:53

仿真原理圖如下（proteus仿真工程文件可到本帖附件中下載）

要求通過4個按鍵來設置想要倒數的時間，其中系統默認倒計時為1分鐘，K1可調整倒計時間1~60分鐘，K2可設置倒計時為5分鐘，K3可設置倒計時為15分鐘，K4可設置的倒計時為20分鐘，K5為啟動鍵。當初值被設定好，只要啟動K5，就可以啟動倒計時功能。當計時為0時播放音樂，而且它能循環播放，可隨時人為停止。
二. 方案原理
此次設計以89C52芯片為核心來設計音樂計時器，其具有倒數計時、時間設置、音樂演奏等功能。除了設定默認值為1分鐘外，本計時器還有5分鐘，15分鐘和20分鐘的快捷鍵，而且可在上述時間的基礎上任意調整自己想設定的倒計時時間。當倒計時結束時，計時器會播放音樂，可循環播放，亦可隨時停止。
  這個音樂計時器由四個模塊組成，分別是數碼管模塊，倒計時模塊，音樂模塊和核心處理模塊。通過對P2口的查詢，我們可以實現對時間的不同設定和調整。系統晶振為12MHz，RESET管腳處連接復位開關。同時，我們使用查詢方式來設定定時器時間。
三. 方案具體說明
通過計算某一音頻周期（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，再結合中斷延時程序，程序中節拍控制是通過調用延時子程序DELAY的次數來實現，產生音樂。利用P2.1、P2.2、P2.3管腳，對應開關K2、K3、K4，分別啟動不同的倒計時程序5分鐘、15分鐘、20分鐘。通過查詢方式對P3.2管腳進行查詢，進入1到60分鐘的時間調整程序。P0引腳作為顯示輸出連至LED顯示器，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3為位選信號，控制不同位的數碼管。程序中使用定時器T0方式1來產生歌譜中各音符對應頻率的音頻脈沖，由P1.5通放大輸出，，1拍為748 ms。確定了設計思路后，就可以具體設計了。先編寫程序，然后加入硬件進行調試。
四. 模塊原理說明
（一）.數碼管模塊
   數碼管動態顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數碼管的的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示，這就是動態驅動。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態顯示是一樣的，能夠節省大量的I/O端口，而且功耗更低。
（二）.倒計時模塊
   定時器倒計時部分用中斷來實現功能。定義定時器0，工作方式1，當時間過去1s后，數碼管就按照設定規則顯示數字。
（三）.音樂模塊
（1）音樂的產生主要是通過單片機的I/O口輸出高低不同的脈沖信號來控制蜂鳴器發音。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。
通常，利用單片機的內部定時器0，工作在方式1下，改變計數初值TH0和TL0來產生不同頻率。對于音樂的節拍，每個音符使用1個字節，字節的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的節拍。如果1拍為0.4S，1/4拍為0.1S，只要設定延遲時間就可求得節拍的時間。假設1/4拍為1DELAY，那么1拍應為4DELAY，以此類推。所以只要求得1/4拍的DELAY,其余的節拍就是它的倍數。
總而言之，一首樂曲是由音階和節拍兩大要素構成。一首樂曲演奏的原理是：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。根據這一特點，我們采用單片機輔以相應的接口來設計音樂播放器。
（2）產生音樂通過單片機的I/O口輸出高低不同的脈沖信號來控制蜂鳴器發音。利用AT89C52單片機的內部定時器0，工作在方式1下，改變計數初值TH0和TL0來產生不同的頻率。若單片機采用12MHz晶振，要產生頻率為587Hz的音頻脈沖時，其音頻脈沖信號的周期T=1/587=1703.577us,約1704us,半周期的時間852us,因此只要今計數器計數=852us/1us=852,在每計數852次時將I/O口反相，就可得C調中音Re。
計數脈沖值與頻率的關系如下：
N=Fi/2/Fr 式中：N—計數值
Fi—機器頻率。晶體振蕩器為12MHz時，內部計時一次為1us，故其頻率為1MHz
Fr—想要產生的頻率  所以定時常數（計數值T）的求法：    T=65536-N=65536-Fi/2/Fr  例如，設Fi=1MHz，求低音Do(262Hz)、中音Do(523Hz)和高音Do(1046Hz)的計數初值。
解：T=65536-N=65536-Fi/2/Fr=65536-500000/Fr
低音Do的T=65536-500000/262=63628
中音Do的T=65536-500000/523=64580
高音Do的T=65536-500000/1046=65058
（四）.核心處理模塊
對計時器和中斷進行初始化后，系統出現默認時間設定值，也就是1分鐘。如果有按鍵按下，屏幕上面的時間會發生改變。K1可調整倒計時間1~60分鐘，K2可設置倒計時為5分鐘，K3可設置倒計時為15分鐘，K4可設置的倒計時為20分鐘。在時間設定完畢后，利用K5啟動計時器，在計時結束后調用音樂函數，SPEAKER就會播放出我們所設定的旋律。
五. 實驗原理圖
六. 實驗感悟
在本次設計中，我重新復習了中斷和計時器部分的知識，同時也學到了單片機播放音樂的原理。然而在實驗過程中，我遇到了不少問題：1.復位開關失效，即它并未有起到復位效果；2.每次設定好初始值后，計時器往往會自動啟動計時功能，即K5失效；3.K5按鍵不靈敏，往往需要重復按2次以上才會啟動計時；4.SPEAKER并沒有按照程序的設定播放出一段完整的音樂。如今，通過調試和修改，一到三的問題得到了解決，而第四個問題，只有在對程序進行編譯，才能發現錯誤的所在。在整個實驗過程中，我在不斷的修改與調整中學習到越來越多的東西，同時也讓我原本掌握的知識更加牢固，這對我來說是大有裨益的。
七. 相關程序
#include<reg52.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
sbit SPK=P1^5;
sbit K1=P2^0;
sbit K2=P2^1;
sbit K3=P2^2;
sbit K4=P2^3;
sbit K5=P2^4;
sbit A1=P1^0;
sbit A2=P1^1;
sbit A3=P1^2;
sbit A4=P1^3;
uchar miao_g,miao_d,fen_g,fen_d;
uchar code Num[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
uchar num1;
uchar code song[]={0x58,0x84,0xA8,0x84,0x68,0x82,0x62,0x5C,0xA4,0xA4,0xA4,0xA4,0x93,0x81,0x9C,0x9C,0xC8,0xC4,0xC8,0xD2,0xC2,0xA8,0x92,0x82,0x6B,0xC4,0xC4,0xC4,0xA8,0x94,0x8C,0xFF};
//音律部分，前四位為音階，后四位為節拍，其中以1/4節拍為單位節拍；
uchar m;
uchar code yinjie[]={0xff,0xff,0xFC,0x4A,0xFC,0xAE,0xFD,0x08,0xFD,0x30,0xFD,0x80,0xFD,0xC6,0xFE,0x02,0xFE,0x2A,0xFE,0x5C,0xFE,0x84,0xFE,0x98,0xFE,0xC0,0xFE,0xE8,0xFF,0x06};
//音階所對應的計時器初值，前兩位是占位，中間14位是中音1~7，后面14位是高音1~7，晶振為12MHz；
uchar ding;
void delay_1();//1/4節拍函數聲明；
void delay(uint k);//計數器延時函數聲明；
void display(uint fen_g,uint fen_d,uint miao_g,uint miao_d);//數碼管顯示函數聲明；
void music();//音樂函數聲明；
void delayxiaodou(int n);//消抖函數聲明，用于主函數K5；
//數碼管部分
void delay(uint k)       //延時函數，用于計時器計算1s部分和數碼管延時顯示部分
{  uint x,y;
for(x=k;x>0;x--)
         for(y=125;y>0;y--);
         }
void delayxiaodou(int n)
{
   while(n--);
}
void display(uint fen_g,uint fen_d,uint miao_g,uint miao_d) //數碼管顯示時間
{

         P0=0xFF;                //消隱；
   A1=1;A2=0;A3=0;A4=0;
      P0=Num[fen_g];
      delay(1);
      P0=0xFF;
      A1=0;A2=1;A3=0;A4=0;
      P0=Num[fen_d];
      delay(1);
      A1=0;A2=0;A3=1;A4=0;
      P0=0xFF;
      P0=Num[miao_g];
      delay(1);
      A1=0;A2=0;A3=0;A4=1;
      P0=0xFF;
      P0=Num[miao_d];
      delay(1);
      TR0=0;

}
//倒計時部分
void timer()interrupt 1       //定時器0，方式1
{
TH0=0x3C;  //50ms倒計時
TL0=0xB0;
num1++;
if(num1==20) //50ms*20=1s
{ num1=0;
   miao_d--;
         if(miao_d==-1)
         { miao_d=9;
            miao_g--;
               if(miao_g==-1)
               {  miao_g=5;
                  fen_d--;
                        if(fen_d==-1)
                        {  fen_d=9;
                           fen_g--;
                              if(fen_g==-1)
                              {
                                 fen_g=5;}}}}}}
//音樂部分
void music()
{  uint data j=0;
uchar data g;
      uchar data i;
      while (*(song+j)!=0xff)//歌曲的停頓；
      { g=*(song+j)&0x0F;//低4位，節拍；
         m=*(song+j)>>4;       //高4位，音階；
            TH1=yinjie[2*m];
            TL1=yinjie[2*m+1];
            TR1=1;
            if((yinjie[2*m]==0xff)&&(yinjie[2*m+1]==0xff))
            {  TR1=0;
               SPK=1;}
            for(i=g;i>0;i--)
            {  delay_1();
               TR1=0;
               j++;
               }}}
void delay_1()//1/4       節拍所需要用的時間，約187ms；
{  uchar m,n,p;
for(m=100;m>0;m--)
   for(n=20;n>0;n--)
         for(p=15;p>0;p--);
}
void timer0() interrupt 3       //半個周期后，SPK處的脈沖反相，得到音階；
{ TH1=yinjie[2*m];
  TL1=yinjie[2*m+1];
  SPK=!SPK;
  }
//核心處理模塊
void main()
{
TMOD=0x01; //啟動定時器，初值為50ms；
TH0=0x3C;
TL0=0xB0;
ET0=1;    //定義中斷；
ET1=1;
EA=1;
TR0=0;       //時鐘初始化；
miao_g=miao_d=fen_g=0;
fen_d=1;
ding=0;
while(1)
{
   display(fen_g,fen_d,miao_g,miao_d);
      if(K5!=0)
      {
      if(K1==0)                //K1按鍵：在1分鐘基礎上遞增，可自定義計時時間；
         {  delayxiaodou(100);
            if(K1==0)
               { miao_g=miao_d=0;
                  fen_d++;
                     if(fen_d==10)
                     {  fen_d=0;
                        fen_g++;
                        if(fen_g==6)
                        {fen_d=0;
                        }}}}
                        while(!K1);
      if(K2==0)                      //K2按鍵：初值為5分鐘；
         {  delayxiaodou(100);
            if(K2==0)
               {
                  miao_g=miao_d=0;
                  fen_d=5;
                        fen_g=0;

                        }
                        }
                        while(!K2);
      if(K3==0)                      //K3按鍵：初值為15分鐘；
         {  delayxiaodou(100);
               if(K3==0)
               { miao_g=miao_d=0;
                  fen_d=5;
                     fen_g=1;

                     }
                     }
                     while(!K3);
            if(K4==0)                //K4按鍵：初值為20分鐘；
            {  delayxiaodou(100);
               if(K4==0)
               {  miao_g=miao_d=0;
                  fen_d=0;
                        fen_g=2;

                        }
                        }
                        while(!K4);
                        }
            if(K5==0)                //K5按鍵：初值設定好后，啟動倒計時；
               {  delayxiaodou(1);
                  if(K5==0)
                     {  ding++;
                        if(ding==2)
                        { ding=5;}
                        }}
                        while(!K5);
               if(ding==5)
                     TR0=1;
                              //倒計時結束；
                     display(fen_g,fen_d,miao_g,miao_d);
                     if(fen_g==0&&fen_d==0&&miao_g==0&&miao_d==0)
                        music();
      }
      }

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