1 功能及總體方案

1.1 功能描述

一個可通過無源蜂鳴器播放任意預先編碼好的歌曲的基於51單片機設計的音樂盒。

最小系統部分：由STC89S52單片機X接口連接晶振電路，RESET連接復位電路所構成的滿足最簡單應用的單片機系統。

無源蜂鳴器驅動電路：由一個1K的分壓電阻與無源蜂鳴器串聯組成，作為系統的發聲源。

軟件模塊：由計算得出的每個聲調的頻率數據數組、歌曲編碼數組、延時函數、定時器中斷函數以及主循環函數構成，用於改變無源蜂鳴器的發聲聲調。

1.2 系統組成及工作過程

系統組成框圖如下：

2 硬件設計

2.1 硬件電路總體設計

單片機最小系統包括單片機、時鍾電路、復位電路與5V電源構成，時鍾電路提供的時鍾信號給單片機提供了一個時間基准。復位電路則是讓單片機回到原始狀態重新執行程序。

實物圖如下:

2.2 模塊電路設計

播放一段音樂需要的是兩個元素，一個是音調，另一個是音符。首先要了解對應的音調，音調主要由聲音的頻率決定，同時也與聲音強度有關。對一定強度的純音，音調隨頻率的升降而升降；對一定頻率的純音、低頻純音的音調隨聲強增加而下降，高頻純音的音調卻隨強度增加而上升。另外，音符的頻率有所不同。音符的發音主要靠不同的音頻脈沖。利用單片機的內部定時器/計數器0，使其工作在模式1，定時中斷，然后控制P2.0引腳的輸出音樂。只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反相，然后重復計時此半周期時間再對I/O反相，就可在I/O腳上得到此頻率的脈沖。

音樂盒的設計采用STC89C52作為主控芯片，利用單片機內部定時器產生特定的音符頻率，控制節拍。

音頻模塊選用無源蜂鳴器作為發聲源，因為它制作成本低，聲音頻率范圍寬，可高分貝的發出某些頻率的超聲波以及可以做出音符的效果。

PCB圖：

3 軟件設計

3.1 軟件總體設計

軟件的總流程圖如下

3.2 主程序設計

主程序的設計思路就是將一首樂曲分成三個變量來控制，分別是曲調、所在音區、時長。而控制曲調的因素即頻率又分成高八位和第八位兩個表，每演奏一個曲調，就根據該曲調的三個變量來取值。此外，x變量用於定義休止符，控制歌曲的不演奏（間斷）延時

3.3 各模塊程序設計

①音調頻率換算

要想產生音頻脈沖信號，需要算出某音頻的周期（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周期的時間，每當計時到后就輸出脈沖的I/O口反相，這樣就在此I/O口上得到此脈沖的頻率。

例如，若要產生C大調中的Re（頻率為587Hzs）的音頻脈沖，其音頻信號的脈沖周期T=1/587=1703.5775us，半周期時間為852us，因此總要令計時器計數=852us/1us=852，在每計數852時將I/O口反相，就可以得到Re這個音。按照這種方式可得到一張音符頻率對應的半周期數值表，如下圖

②歌曲編碼

為了能夠讓程序按照樂譜調用相應的音調數據發聲，於是這里我定義了一種編碼方式對樂譜進行轉換，每個音符的對應的編碼包含四個數字：第一個數代表第幾個音符（對應簡譜中的1234567）；第二個數代表第幾個八度(音高)；第三個數代表時長（以半拍為單位，在鋼琴簡譜中，音符的右邊有一個點代表1.5倍時長）；第四個數僅定義為1或0，1表示休止符，間斷延時一個節拍而0則不進行任何操作（統一以1121編碼代表休止符）；

在本程序中，我一共寫入了兩首歌，分別是《打上花火》和《aLIEz》，在第一首歌播放完畢后會間隔3個節拍的時間播放下一首。特別說明的是，由於編碼參考的是鋼琴簡譜，故編碼表中部分時長為3的音符調整為了2目的是讓歌曲節奏快一些，且對我對雙手譜的復彈做了一定刪減以保證聽感。