1、* * 理 工 学 院本科生毕业设计（论文）学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动化 学 生： * 指导教师 ： * 完成日期 * 年 * 月*理工学院本科生毕业设计（论文）基于 51 单片机的音乐播放器的软件设计Software Design of Music Player Based on 51 MCU总 计 ： 33 页表 格 ： 3 个插 图 ： 15 幅* 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文）基于 51 单片机的音乐播放器的软件设计Software Design of Music Player Based on 51 MCU学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 自动
2、化 学 生 姓 名： * 学 号： * 指 导 教 师（职称）：* * 评 阅 教 师： 完 成 日 期： *理工学院Nanyang Institute of Technology基于 51 单片机的音乐播放器的软件设计I目 录1 引言 .11.1 设计背景 .11.2 设计意义 .11.3 理论分析与方案论证 .11.3.1 理论分析 .11.3.2 设计方案论证 .22 系统硬件原理及概述 .32.1 STC12C5A60S2 处理器介绍.32.2 系统硬件电路综述 .32.2.1 硬件系统总体设计方案 .32.2.2 USB 总线的通用接口芯片 CH375 电路.42.2.3 LCD12
3、864 显示电路.52.2.4 按键控制电路 .52.2.5 音频解码芯片 VS1003 电路 .53 系统软件设计 .63.1 软件开发平台 .63.2 系统的软件设计 .73.2.1 软件总体分析 .73.2.2 CH375 软件系统设计.103.2.3 CH375 模块的 U 盘数据读取程序设计.113.2.4 VS1003 模块的 MP3 文件播放程序设计.133.3 系统流程图 .144 系统调试结果及分析 .15结束语 .18参考文献 .19附录 .20致谢 .33基于 51 单片机的音乐播放器的软件设计11 引言1.1 设计背景随着电子技术的发展,MP3 播放器向大容量、高音质、
4、小巧便携不断发展。虽然播放器与存储器的一体化设计，使 MP3 播放器便于携带,但与此同时他也带来了很多新的问题,比如存储容量固定。如果想装下更多的歌曲只能去购买新的产品,造成了巨大的浪费;另一方面,一体化又限制了 MP3 播放器在其他领域的应用,比如车载 MP3 等不方便移动的播放器。于是将存储器与播放器分离成为 MP3 的另一发展方向。本设计以单片机为核心控制器，设计一个音乐播放器，主要完成 U 盘存储的音频文件数据提取及播放任务。该播放器类似于个人计算机的音乐播放软件，可识别、提取 U 盘所存储的 MP3、WMA 或 MIDI 格式的文件并可自行完成音频解码数据处理，最后送扬声器或耳机进行
5、播放。通过自定义键盘设定，当有键按下时，能控制歌曲的播放或音量，并通过 LCD 来显示播放音乐的歌曲名,同时 USB-HOST 的开发也为实时数据采集的移动存储提供了价格低廉的解决方案。本文将从软硬件方面介绍如何用单片机控制 USB-HOST 读取 U 盘中的文件并将其解码播放。1.2 设计意义基于单片机的音乐播放器可应用于 MP3，MP4，扩音器等很多方面，并可作为很多系统的辅助功能，传统的音乐播放器是利用定时器可以产生各种固定频率的方波信号，可以产生包括“Do” 、 “Re”、 “Me”等音阶在内的各种频率声音。将各个音阶连接在一起，便可组成一支曲子或者是演奏一段旋律，不能播放真正的 MP
6、3 文件。基于这个思想本文设计了一款特殊的“音乐播放器” ，该播放器可实现 MP3 文件的完整播放，可以选择音量调节，曲目的切换等功能。为了体现音乐播放过程中的效果，增加了 LCD 屏，可以实现歌曲名的显示。本设计以 STC12C5A60S2 芯片作为主控制器，芬兰 VLSI 公司的 VS1003 作为音频解码芯片，南京沁恒公司的 CH375 作为 USB 设备接口芯片，以 U 盘作为媒体存储介质，LCD12864 液晶屏作为显示屏，来完成音乐播放器的功能。该设计具有四按键操作界面，界面显示友好，支持 MP3、WMA 和 MID 音乐格式，该系统支持FAT32 文件系统，支持大容量 U 盘。1
7、.3 理论分析与方案论证1.3.1 理论分析针对本 MP3 音乐播放系统,要选择合适的控制芯片及外部芯片来实现,下面介绍一下芯片的选用。基于 51 单片机的音乐播放器的软件设计2（1）MP3 解码本设计是利用 STC12C5A60S2 单片机控制来实现歌曲播放功能的，但对单片机本身来说不能进行音频解码（速度与资源都不符合要求） ，所以只能利用外部解码芯片来实现歌曲播放功能。MP3 解码芯片常见的有 VS100X 系列和 STA01X 系列，VS 系列自带DAC 输出功能，而且能解码的音频格式也比较多；而 STA 系列需要外加 DAC，使用起来多有不便，而且只能解码 MP3 一种格式的音乐文件。
8、经过比较，选用 VS1003 作为解码芯片，该芯片支持 MP3、WMA、WAV、MIDI、等格式的解码，自带 DAC 输出；同时，还可以调节音量、高低音等，更重要的是它还具有MIC 功能，如需要，还可以实现录音功能。因此，选用此芯片作为解码芯片。（2）USB 设备接口芯片选用南京沁恒公司的 CH375，CH375 是一个 USB 总线的通用接口芯片，支持 HOST 主机方式和 SLAVE 设备方式。在本地端，CH375 具有 8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU 等控制器的系统总线上。在 USB 主机方式下，CH375 还提供了串行通信方式，通
9、过串行输入、串行输出和中断输出与单片机/DSP/MCU 等相连接。CH375 的 USB 主机方式支持各种常用的 USB 全速设备，外部单片机/DSP/MCU 可以通过 CH375 按照相应的 USB 协议与 USB 设备通信。（3）液晶显示采用普通单色 LCD 来实现，这里考虑到音乐播放显示的功能，同时兼顾成本，故选用 LCD12864 来实现。该液晶屏本身带有字库功能所以，系统不需要有外部字库文件，可实现曲目的汉字显示。（4）存储媒介，MP3 播放器需要大容量的存储器来存放歌曲，可以选择 Flash 芯片存储、SD 卡、U 盘等。如果选用 Flash，则整个系统要求较多的 I/O 端口来读
10、取，更重要的一点是，这样做的后果就是整个系统的容量就被固定了，扩容存在困难。而 U盘和 SD 卡都是不错的选择，并且 U 盘和 SD 卡均容易购买到，并且价格较为低廉，所以，存储部分选用 U 盘读取来实现。1.3.2 设计方案论证通过以上的理论分析，对本设计的所有的主要芯片有了初步的了解。本 MP3 播放系统以 STC12C5A60S2 为控制核心，不仅要管理 USB 总线的通用接口芯片 CH375、MP3解码芯片 VS1003、LCD12864 液晶显示屏和按键的处理，同时还要管理 USB 存储设备中的文件系统，查找文件等等。存储器里的媒体文件首先被读取到 MCU 的 RAM 中，然后又被送
11、到解码芯片中，解码后的音频数据被还原成模拟音频，再由扬声器传出。由于STC12C5A60S2 本身不支持 USB 接口功能，所以 MCU 无法直接与电脑完成数据传输的功能，存储设备需要通过自身的接口与电脑相接。其它芯片是通过普通 I/O 端口连接的。基于 51 单片机的音乐播放器的软件设计32 系统硬件原理及概述2.1 STC12C5A60S2 处理器介绍STC12C5A60S2/AD 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，2
12、 路 PWM，有 8 路高速 10 位的 A/D 转换(250K/S)，STC12C5A60S2 引脚序列如图 1 所示。456790PDI-AC.LKOUTRXESMNWG_V图 1 STC12C5A60S2 引脚序列2.2 系统硬件电路综述2.2.1 硬件系统总体设计方案本设计的音乐播放器，有四个按键控制按钮：下一曲，上一曲，音量加，音量减。通过对按钮的控制来实现对单片机要求播放的音乐，并通过放大电路和音频设备输出声音。同时通过 LCD 显示屏来显示所播放的曲目。必要时可调节音量的大小。硬件系统总体方框图如图 2 所示。基于 51 单片机的音乐播放器的软件设计4U S B H O S TC
13、 H 3 7 5U S B存储设备M C US T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2按键 串口L C D 1 2 8 6 4液晶显示屏V S 1 0 0 3音频解码图 2 硬件系统总体方框图2.2.2 USB 总线的通用接口芯片 CH375 电路CH375 芯片是一个支持 USB-HOST 主机方式和 USB-DEVICE/SLAVE 设备方式的 USB 总线通用接口芯片。CH375 具有 8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器的系统总线上。在 USB 主机方式下，CH375 还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和
14、中断输出与单片机/DSP/MCU/MPU 等相连接。接线图如图 3 所示。#INRWX9+G-.uFvKEJPYZp图 3 USB 总线的通用接口芯片 CH375 电路接线图CH375 的 USB 主机方式支持常用的 USB 全速设备,外部单片机可以通过 CH375 按照相应 USB 协议与 USB 设备通讯。CH375 内置了处理 Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的 USB 存储设备（包括 USB 硬盘/USB 闪存盘/U 盘） 。主机端点输入和输出缓冲区各 64 字节，支持 12Mbps全速 USB 设备和 1.5Mbps
15、 低速设备。可自动检测 USB 设备的连接和断开，提供设备连基于 51 单片机的音乐播放器的软件设计5接和断开的事件通知。通过 U 盘文件级子程序库实现单片机读写 USB 存储设备中的文件。并行接口包含 8 位数据总线，4 线控制：读选通、写选通、片选输入、中断输出。2.2.3 LCD12864 显示电路显示电路主要是 LCD12864 电路，它与 1602 显示屏接线一样，唯一的区别在于1602 显示屏是字符型，只能显示数字与字符,不可以显示汉字。12864 显示屏是点阵型，可根据需求任意显示字符、数字、汉字、图形。其接线图如图 4 所示。GND1236790VCORS/WEBPTLAKk图
16、 4 LCD12864 显示电路接线图2.2.4 按键控制电路按键控制电路，其按键一与 P1.0 相连、按键二与 P1.1 相连、按键三与 P1.2 相连、按键四与 P1.3 相连。当按键按下时接口接低电平，从而实现对音乐曲目的选择控制。按键一接通实现上一曲更换，按键二接通实现下一曲更换，按键三接通实现音量增大操作，按键四接通实现音量减小操作，接线如图 5 所示。图 5 按键控制电路接线图2.2.5 音频解码芯片 VS1003 电路VS1003 芯片是一个 MP3/WMA/MIDI 音频解码器和 ADPCM 编码器。它包含一个高性能，自主产权的低功耗 DSP 处理器 VS_DSP4,工作数据存
17、储器，为用户应用提供 5KB 的指令RAM 和 0.5KB 的数据 RAM。4 个常规用途的 I/O 端口，一个 UART，一个高品质可变采样率的 ADC 和立体声 DAC，还有一个耳机放大器和地线缓冲器。VS1003 通过一个串行接口来接收输入的比特流，它可以作为一个系统的从机。输入的比特流被解码，然后通过一个数字音量控制器到达一个 18 位过采样多位 -DAC。通过串行总线控制解码器。VS1003 电路接线如图 6 所示。基于 51 单片机的音乐播放器的软件设计6MICP1N2XREST3DG04V5O7Q8/LK9ABYHUF.u+zpJn-图 6 VS1003 电路接线图3 系统软件设
18、计3.1 软件开发平台Keil 是德国 Keil 公司（现已并入 ARM 公司）开发的微控制器软件开发平台，是目前 ARM 内核单片机开发的主流工具。Keil 提供了包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些功能组合在一起。uVision 当前最高版本是 uVision4,它的界面和常用的微软 VC+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序、软件仿真方面也有很强大的功能。本设计使用的是 uVision2 版本。uVision2 是一款集编辑、编译和项目管理于一身的基于窗口的软件开发环境。uVision2 集成了 C 语言编译器、宏编译、链接/定位、以及 HEX 文件产生器 1。本质是一个典型的调试窗口，主要包括以下几个窗口，如图 7 所示。
