基于AT89C51单片机的数字音乐盒设计-平芜编程栈

第2章基于AT89C51单片机的数字音乐盒整体方案设计

2.1 基于AT89C51单片机的数字音乐盒技术要求
在现代社会中，人们经常会使用数字音乐盒来丰富自我生活，是一款比较受欢迎的娱乐工具，数字音乐盒从外型来看很简单，但是它具体运作的原理和构造是什么样的，这让使用者很好奇。数字音乐盒的主要功能就是音乐的播放或者暂停，以及可以控制音乐播放速度的快进和后退、曲目的切换、多种音乐模式的切换，包括循环模式、随机模式、顺序播放模式，还有音效之间的转换，本次主要是通过对51单片机的设计来实现数字音乐盒的这些功能，通过这次设计剖析了数字音乐盒的运行原理，可以对数字音乐盒有更深入的认识，更充分的了解。
（1）查找国内外关研究数字音乐盒的相关文献资料，探究它的工作原理；
（2）制定数字音乐盒的设计方案，对音乐盒的器件的类型进行选择，将硬件设计电路图绘制出来，设计音乐盒的硬件系统；
（3）实现音乐盒的储存功能，探究如何实现SD内存卡和U盘对音乐的兼容功能；
（4）实现音乐的播放功能，具体涉及到音乐的开始和停止的功能，实现控制音乐播放速度的功能，主要是通过快进和快退来实现的，实现音乐播放模式选择的功能，实现音乐切换功能以及音效的转化功能；
（5）让数字音乐盒实既能插耳机播放，也可以直接外放，歌曲名称和歌词可以显示在LCD1602显示屏上。
2.2 方案论证比较
针对本数字音乐盒设计的关键就是播放系统，播放功能的实现关键在于选择合适的芯片，包括控制芯片和外部芯片，下面主要分析芯片的选用问题。
2.2.1 数字音乐盒解码的选择
为了实现数字音乐盒的播放功能，本设计主要选择AT89C51单片机控制音乐播放，单片机存在一个重要问题就是速度和资源不符合要求，导致无法进行音频解码，歌曲播放功能的实现，必须要进行音频解码，所以需要借助外部解码芯片实现音频解码。目前在市场上常用的解码芯片有很多种，主要有MX-数字音乐盒系列、VS100X 系列、STA01X系列和BY8001系列，为了让数字音乐盒音乐功能更好的实现，选择适合的解码芯片也很重要，通过对比发现，BY8001-16P系列语音模块功能比较强大，它既符合数字音乐格式，还具有强大的音乐解码功能，支持WAV双解码，设置的有3W功放，能够打开3W喇叭，可以试下音量的调节，该芯片可以支持大量的曲目，音质效果总体来说很好，而且自带24位DAC输出，最大的亮点是拥有MIC功能，综合该芯片的多种优势，所以选择该芯片作为解码芯片是非常合适的。
2.4 控制执行部件
第一种方案：利用数模转换芯片AD0832控制执行部件，主要是利用单片机能够获取当前的温度值，然后再将产生的相应的数字量传送到AD0832，当AD0832接收到该数字量后就会产生模拟信号，利用模拟信号能够实现对晶闸管的导通角的控制，然而无级风力的自动调节还需要与无级调速电路进行配合，通过温控来实现。
第二种方案：采用继电器来控制执行，由单片机来控制继电器的电阻是否接入电路中，但是该电阻要接有控制晶闸管导通角才能感应。它的主要控制原理是利用当前的温度值，寻找与其相对应的管脚，可以输送高低不同的电平，从而判断继电器的导通角控制电阻可不可以接入电路中。（详见4.2.4）
对于第一种方案，它的主要优势是无级调速功能的实现，即使风扇处于温控状态下，仍然可以进行无极调速，但是也存在一个问题就是芯片成本较高，性价比低，可谓是高投入，低效果。
对于第二种方案，相较于第一种方案劣势是无法实现温控状态下的无极调速，只能实现弱风和大风这两级调速，调速受限，但是对于音乐盒播放功能的实现，温控状态下的无极调速这一功能可有可无，而且采用继电器进行控制价格实惠，性价比相对来说比较高，通过分析，本文设计决定采用第二种方案。
2.5 基于AT89C51单片机的数字音乐盒设计整体方案
上面设计的两种方案基本上都可以实现音乐的播放功能，经过上述两种方案的比较，从单片机对数字音乐盒的适应性、功能性和廉价性等方面考虑，并结合自身情况，筛选出性价比高的单片机作为音乐播放器的控制系统，本设计最终决定音乐播放器的工作由AT89C51单片机来完成，用BY8001-16P进行音乐解码，对于音乐的存储功能选择的是SD卡，用LCD1602液晶屏来用作数字音乐盒的显示屏，通过扬声器实现音乐的播放，经过对音乐盒内部器件的精心选择，来实现音乐盒播放功能完整性，音质的优质性。

图2-1系统原理图

第3章基于AT89C51单片机的数字音乐盒硬件设计

3.1硬件整体模块设计
首先来实现数字音乐盒的硬件功能，所以先对音乐播放器进行设计，音乐播放功能的实现，主要通过设置不同的按钮，通过按钮实现对音乐播放的控制，达到对音乐播放模式的选择。本设计中控制音乐上下曲切换的按钮有两个，分别是上一曲按钮和下一曲按钮，同时控制音乐播放速度的功能也可以通过这两个按钮来实现，长按上一曲能够实现快进，长按下一曲可以实现音乐快退的效果。本设计中控制音乐开始暂停的按钮设置一个，实现对单片机的控制来播放音乐，对于所播放的音乐歌名可以在LCD显示屏中显示出来。如图2-1所示是音乐盒硬件系统的整体框架构图。

图3-1 基于AT89C51单片机的数字音乐盒硬件框图
3.6 电源电路设计
本设计的温度检测操控系统的电源为4.5V，电源的供给主要通过3节1.5 V的干电池来实现的。单片机与传感器在该系统中运行时的电压也很稳定，能够很好的适应该系统，实现功能运转，也为电池的更换提供了方便。电源的接口电路示意图如图3-5所示，P2是电池的放置区，SW1能够控制电源的开关，D2是电源的指示灯，R16是限流电阻。

图3-5 电源接口电路

第4章基于AT89C51单片机的数字音乐盒软件设计

4.1 编程语言
综合多方面考虑，本文设计选择AT89C51单片机，它能够实现对音乐盒全部结构的操控。本文主要利用C语言对单片机系统中的软件进行设计的，具体是用Keil Vision软件辅助程序设计的，最终实现各种功能。
4.2 系统主流程设计
本设计根据功能需要将软件系统划分为多个模块，分别为主程序模块、LCD1602程序、控制音乐的按键程序、语音模块程序和串口通信程序，接下来介绍这几个模块功能实现的方式。
软件设计是整个系统设计的关键、是音乐播放器功能实现的关键，它的设计主要利用的就是算法。为了让设计更加简明，操作更加灵活，所以实行将系统划分为不同模块，在硬件结构保持不变的情况基础上，通过对软件部分的调整，实现功能的多样性，系统的主程序如图4-1。

图4-1 主程序流程图

第5章实物的制作和调试

5.1 实物的制作
1、绘制电路原理图、PCB图，为了满足绘制的需要使用protel99se软件；
2、制作电路板，需要进行腐蚀、打孔等一系列操作；
3、根据PCB图制作出来的电路板，在上面焊接元件，将跳线用导线连接起来。
当实物制作完成后，需要对各个步骤进行检查，对焊接情况进行检测，查找出虚焊的地方，有没有元器件被烧坏或者出现短路的情况。同时还要检查元器件有没有接反的情况，防止芯片因接反而导致烧毁。经过层层检测，来保证实物通电后，物体和操作者的安全问题。
4、对PCB板进行调试，在调试过程中，仍然需要用万用表对PCB板进行盘查。该设计使用USB接口，与电脑连接时接入的电压为+5V。
该电路通电时的电压为+5V，可能电压过高，容易导致芯片烧毁，所以使用低一点的电压接入电路中。通电后要检测各部件有没有发生异常现象，一旦发生异常现象，就立刻将电源切断，查找到故障原因，解决故障后，再对该电路进行通电。
对我而言，硬件设计比较容易，软件设计操作起来比较困难，再对软件进行编程的过程中遇到的困难还需要请教别人。软件设计需要对汇编源程序进行编译，再将编译出来的文件以HEX的格式导出，最后就是将该文件导入STC89S52RC芯片内，这个烧写过程主要使用烧录软件来完成的。
5.2 实物调试
将设计的模型通电，再将控制电源的开关打开，音乐模块的指示灯亮了起来，液晶显示屏发光正常，显示屏主要以两行的方式对信息进行显示，在第一行可以看到音乐当前播放的模式，在第二行可以看到音量是多少和音乐的数量。
运行了一分钟，没有发现异常现象，接着按音乐的播放键，也就是开始键，在显示屏第一行提示音乐正在播放状态。该设计的音乐音量共有三十级，通过音量加键和音量减键可以对音量大小进行调整，每按一次音量加键或者音量减键，显示屏的第二行就相应的出现加1或者减1。接着按音乐的切换键，按上一曲键，音乐就切换回上一曲，按下一曲键音乐就切换到下一首，整个运行过程比较顺畅。如果不按音乐切换键，音乐就会处于循环播放的状态，按一下音乐的暂停键，音乐也就相应的没有了声音，整个运行过程正常。
5.3 结果分析
调试过程中，主要遇到以下问题
（1）自己布线时操作失误，按键线接错，导致下一曲键和音量减键没有反应，最后发现这两个键的线接在了一起，切断两个键连接的线后，这两个键的功能又可以使用了。在播放歌曲时，显示屏上显示的歌词和播放的歌曲不一致，最后经过研究发现TF卡只可以读取歌曲，但无法读取时间，于是将歌名烧入单片机就可以解决不一致问题了。
（2）USB转TTL出现的问题：
1）驱动安装调试
在安装驱动的过程中，出现了系统不兼容的情况，Windows 7系统与调试的64位系统不兼容，导致没有找到驱动。于是自己去下载驱动，然后手动安装，系统自己会配置，就能解决兼容性问题，驱动安装成功后还要重新启动。
2）程序下载调试
由于自身水平有限，下载程序就根据PL2303驱动手册的步骤进行的，但是没有成功，然后多方面查找原因，先猜想是不是最小系统模块被烧了，于是就对串口数据进行测试，没有发现异常，于是对系统重新连线进行搭建。最后发现STC-ISP单片机下载编程烧录软件下载按钮下面有两个小方框，就无意中将这两个方框打上对号，该程序就成功下载下来了。