1          课程设计总体目标1.1 功能目标

(1)利用JD51开发板上的按键S1~S4进行音调选择，即按下不同的开关产生不同的音调，依次按动S1~S4 及组合按键，蜂鸣器发出1234567i八个音调；并在数码管上显示。

(2)编写2支歌曲，并可进行选择播放。

(3)拓展题：播放音乐前亮灯10秒，并可以通过按下按键来中断播放。1.2 总体结构

图1-1  总体结构1.3 工作原理

音节由不同频率的方波产生，音节与频率的关系通过查表可得。要产生音频方波，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。利用计时器计时此半周期时间，每当计时到后就将输出方波的 I/0 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 脚得到此频率的方波。在 ZKS-03 实验仪上，产生方波的 I/O 脚选用P1.7，通过跳线选择器 JP1 将单片机的 P1.7 与蜂鸣器的驱动电路相连。这样 P1.7 输出不同频率的方波，蜂鸣器便会发出不同的声音。另外， 音乐的节拍是由延时实现的，如果 1 拍为0.4 秒， 1/4 拍是 0.1 秒。只要设定延时时间，就可求得节拍的时间。延时作为基本延时时间，节拍值只能是它的整数倍，每个音节相应的定时器初值 X 可按下法计算：

(式1-1)

即

(式1-2)

其中，f是音调频率。当晶振f_osc=11.0592MHz时，音节“1”相应的定时器初值为x,则可得x=63777D=F921H其他的可同样求得。

另外，音乐的节拍是由延时实现的，如果1拍为0.4秒，1/4拍是0.1秒。只要设定延时时间，就可求得节拍的时间。延时作为基本延时时间，节拍值只能是它的整数倍。

表1-1 音调频率对照表音调频率(Hz)X(HEX)

1262F921

2294F9E1

3330FA8C

4349FAD8

5392FB68

6440FBE9

7494FC5B

i523FC8F

2 硬件设计

运用到相关硬件为：51单片机、数码管、蜂鸣器等。2.1数码管

LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个，如图2-1所示，这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示，DP表示小数点。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，这样就可以看到不同的字样。发光二极管的阴极连接到一起连接到低电平的称为共阴极数码管，如图2-2所示，发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳极数码管，如图2-3所示。

图2-1 数码管             图2-2 共阴极数码管          图2-4 共阳极数码管

各段码位的对应关系，如表2-1所示：

表2.1 码位对应关系段码位D7D6D5D4D3D2D1D0

显示段Dpgfedcba

LED显示断码如表2-1所示：

表2-2 LED显示段码字型共阳极段码共阴极段码字型共阳极断码共阴极段码

0C0 H3F H990 H6F H

1F9 H06 HA88 H77 H

2A4 H5B HB83 H7C H

3B0 H4F HCC6 H39 H

499 H66 HDA1 H5E H

592H6D HE86 H79 H

682 H7D HF84 H71 H

7F8 H07 H空白FF H00 H

880 H7F HP8C H73 H2.2蜂鸣器

图2-4 蜂鸣器电路图

这里的三极管主要是做驱动用的。因为单片机的IO口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音，所以我们通过三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音，你要是输出高电平，三极管导通，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音，当输出低电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，所以就不会发出声音。2.3定时/计数器

单片机内有两个16位定时/计数器(增量式计数)

1.工作方式(方式0、方式1、方式2、方式3)

(1)方式0(13位定时/计数)

图2-5 工作方式0

(2)方式1(16位定时/计数)

图2-6 工作方式1

(3)方式2(8位自动重装时间常数定时/计数)

图2-7 工作方式2

(4)方式3(仅适用于定时/计数器0)

TL0 用于8位定时/计数，TH0 只用于8位定时。

图2-8 工作方式3

2.控制寄存器

(1)定时/计数器方式控制寄存器：TMOD

├──── T1 ────┼──── T0 ────┤

├──┬──┬──┬──┼──┬──┬──┬─—┤

│GATE│C/T │ M1 │ M0 │GATE│C/T │ M1 │ M0 │

└──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘

GATE:门控位。1：打开，0：关闭

C/T:工作状态选择。1：计数状态，0：定时状态

M1,M0:工作方式选择

00 方式0

01 方式1

10 方式2

11 方式3

(2)定时/计数器控制寄存器：TCON

┌──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┐

│TF1 │TR1 │TF0 │TR0 │IE1 │IT1 │IE0 │IT0 │

└──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘

TF1,TF0:定时/计数器中断请求标志，1：有请求；0：无请求

TR1,TR0:定时/计数器运行控制位，1：打开；0：关断

IE1,IE0:外部中断INT1,INT0 中断请求标志，1：有请求；0：无请求

IT1,IT0:外部中断INT1,INT0 触发方式，1：下降沿触发；0：低电平触发

3.中断系统

五个中断源：

INT0：外部中断0

INT1：外部中断1

T0：定时/计数器0中断

T1：定时/计数器1中断

TI/RI：串行I/O中断

中断允许寄存器：IE(1：允许；0：不允许)

┌──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┬──┐

│EA  │× │× │ES │ET1 │EX1 │ET0 │EX0 │

└──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┴──┘

EA: 全局中断允许位

ES: 串行口中断允许位

ET1:T1 中断允许位

EX1:INT1 中断允许位

ET0:T0 中断允许位

EX0:INT0 中断允许位

3 软件设计3.1流程图

根据要实现的功能，流程图如下：功能选择

音乐

开始

系统初始化

判断按键

判断按键

电子琴

液晶显示

播放音调

播放音乐

3.2软件组成

键盘扫描、中断计时、数码显示、音乐播放、主程序

①键盘扫描

键盘键值读取程序包括键盘扫描、消除抖动、键译码等内容。按键的识别主要有两种方法：行反转法和行扫描法。因为键盘为机械开关，容易引入抖动。为了消除抖动干扰，在程序中要加入消除抖动的部分。

②中断计时

中断部分，中断定时器1主要负责输出不同频率的方波，产生声音，中断定时器1主要是计时按键时间及按键间隔时间的功能，在播放音乐的时候，还担任着播放音乐的节拍的任务。

③音乐播放

音乐播放部分主要是实现播放程序里面的音乐的功能。

④主程序

主程序主要是随时发出按键的声音功能，并且通过不同P口的扫描，判断是否是播放按键声音还是播放音乐，还是继续发出按键声音。3.3详细思路

1.题目一：利用JD51开发板上的按键S1~S4进行音调选择，即按下不同的开关产生不同的音调，依次按动S1~S4 及组合按键，蜂鸣器发出1234567i八个音调；并在数码管上显示。

方案：我们计划设计以C语言为主体的程序代码，用按键控制音符的输出，4个按键单个按下时会输出4个音符，另外4个按键进行两两组合表示另外4个音符，效果就像电子琴的按键一样。由于平时不能发声，只有按键后才发声，我们用定时器的启动TR0作为声音输出开关。在发现按键后，送入对应频率值，打开定时器，就发出了声音，延时一阵再关闭定时器，声音就停止了。整体C代码应该分为以下模块：

(1)变量的定义。在这个模块里，我们要定义喇叭的输出脚，四个按键等。

(2)频率对照模块。在这个模块中，按照频率对照表定义一个矩阵，按照工作原理，每个频率值用两个八位二进制数来表示。这两个八位二进制数分为低八位和高八位，并可合并看做四位十六进制数。四位十六进制数可以表示0~65535范围内的数。对于12MHz的晶振，每一个电平保持时间为【65535-(四位十六进制数表示的十进制数)】微秒，用t来表示。因此该音调的一个周期为T=2*t，音调的频率f=1/T。在本项目中，由于要使用1234567i八个音调，因此建立的矩阵大小应为2*8，矩阵内的每个元素为一个八位二进制数，分别表示八个不同的频率。

(3)定时中断模块。产生定时中断以及音乐输出。4.主函数模块。在这个模块中，我们将使用while循环以及if判断等函数，对每个按键是否按下进行判定以及数码管的显示。

2.题目二：编写2支歌曲，并可进行选择播放。

方案：我们计划用三个按键来控制播放音乐。K1、K2每个键播放一首音乐，K4键停止音乐的播放。 程序分为以下几个模块。

(1)变量定义模块。在这个模块中，我们定义一些必要的引脚以及按键。

(2)频率对照模块。不同于任务一的频率对照模块，在这里我们要定义尽可能全的音调的频率。我们使用36*2的矩阵定义36个由低到高不同的频率，用于之后播放音乐。

(3)定时中断模块。调入预定时值，产生对应频率的音调。

(4)音乐符号串解释模块。使用此模块的原因在于，在之后的模块中我们会用123等数字、“’”、“.”、“_”、“|”等单引号、英文句号、下划线、分隔线等，来对一首歌进行编写。在这个模块中，我们使用switch函数，将以上不同符号分成多个case分别进行处理。

(5)奏乐模块。该模块是自定义的函数，入口是要演奏的音乐符号串，对音乐符号进行逐一解释，按照音长进行延时或中断，进而完成一首完整的曲子。在这个模块中，同时也要使用一个if函数进行判定，当在演奏过程中，使用者按下了K4按键，则退出音乐的演奏。

(6)音乐符号编写模块。在这个模块中，由两个自定义函数构成。每个自定义函数表示一首曲子。函数内容为该曲子对应的数字曲谱。

(7)主函数模块。在这个模块中进行对以上所有模块的统筹调用。