STC51单片机音乐播放项目：从编码到实现

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简介：本教程介绍了如何使用STC51系列单片机演奏音乐，该单片机广泛应用于嵌入式系统设计中。教程详细阐述了音乐的数字信号生成原理，包括音乐编码、程序设计、定时器配置、PWM配置、中断服务、Proteus仿真以及硬件连接的步骤。通过这些步骤，将“生日快乐”等音乐编码转换为单片机指令，并通过调整定时器和PWM参数播放音乐旋律，实现音乐播放功能。

1. 音乐演奏基本原理

音乐与物理学

音乐演奏是基于声音频率、振动和波形的物理现象。当乐器产生声波时，这些声波的频率和振幅决定了我们所听到的音高和音量。音乐的本质在于声音的和谐与节奏，通过不同的乐器或声音源来实现。理解音乐的基础理论，对于构建数字音乐系统至关重要。

音乐理论基础

音乐理论提供了构建和理解音乐结构的基础。音阶、和弦、旋律和节奏是构成音乐的四大要素。通过这些基本元素，音乐家们创作出无数的音乐作品。在数字音乐制作中，这些概念被转换为音乐符号和编码，单片机可解析这些编码来演奏音乐。

数字音乐系统

数字音乐系统利用数字技术存储和处理音乐信息。与传统的模拟录音技术不同，数字技术可以无损复制音乐，且格式更便于传输和编辑。数字音乐系统中的单片机扮演着信息处理中心的角色，其通过编程接收数字指令，控制电子元件发出不同频率的声波，最终播放出美妙的音乐。

2. STC51单片机简介与应用

2.1 STC51单片机概述

2.1.1 STC51单片机的特点

STC51单片机是STC系列中的经典型号之一，广泛应用于嵌入式系统开发。这款单片机具有高性能、低功耗的特点，而且在价格上极具竞争优势。它基于8051内核，拥有强大的指令集，支持多种时钟频率，使其在数据处理速度上有优异表现。STC51单片机还具备丰富的I/O口，可以方便地连接各种外围设备，如键盘、显示模块、传感器等。

2.1.2 单片机在音乐演奏中的应用

单片机在音乐演奏领域的应用主要在于控制音乐播放系统。通过编写特定的程序，STC51单片机能够精确控制音调的高低、音量的大小以及播放节奏等。由于其价格便宜，开发简单，STC51单片机经常用于教育和DIY项目，如制作音乐盒、电子琴等。在这些项目中，单片机通常需要处理音频信号的数字化，以及音乐播放的时序控制。

2.2 单片机音乐系统的构建

2.2.1 硬件系统组成

构建一个基于STC51单片机的音乐播放系统，需要以下硬件组件：

• STC51单片机 ：作为整个系统的控制核心。
• 晶振 ：提供系统工作所需的时钟信号。
• 存储器 ：用于存储音乐数据和程序代码，可以是内部存储器或者外部扩展存储器。
• DAC（数模转换器） ：将数字音频信号转换为模拟信号，驱动扬声器。
• 扬声器 ：输出音频信号，供用户听到音乐。
• 输入设备 ：如按键或触摸屏，用于用户与系统交互。

2.2.2 软件系统设计

软件设计是实现音乐播放功能的关键部分，主要包括以下方面：

• 主程序 ：负责整个系统的初始化，调用子程序，以及处理用户交互。
• 中断服务程序 ：响应外部中断，例如按键操作，以及定时器中断，用于音乐播放的时序控制。
• 音效处理子程序 ：对音乐信号进行处理，如音量调节、音效添加等。
• 音乐播放子程序 ：实现音乐播放功能，包括音符的输出、节奏的控制等。

// 示例代码：音乐播放系统的初始化代码片段
// 以下代码中的函数和变量需要根据实际的硬件配置进行定义和初始化

void main() {
    // 系统初始化
    SystemInit();
    // 音频初始化
    AudioInit();
    // 音乐播放程序入口
    PlayMusic();
    // 其他初始化代码...
}

void AudioInit() {
    // 初始化音频相关硬件，如DAC、扬声器等
    // ...
}

void PlayMusic() {
    // 音乐播放逻辑
    // ...
}

在软件设计中，除了实现功能，还需要考虑代码的可维护性和扩展性。良好的模块化设计可以使得代码更加清晰，方便后续的升级和维护工作。

3. ```

第三章：音乐编码实现方法

3.1 音乐信号的数字化

3.1.1 音频信号的采样与量化

音频信号的数字化是一个将模拟声波转换为数字信号的过程，涉及到采样和量化两个关键步骤。采样是按照一定的时间间隔对连续的模拟信号进行测量，得到一系列离散的数值。根据奈奎斯特定理，如果采样频率至少为信号最高频率的两倍，则可以无失真地还原原始信号。

在音乐编码中，常见的音频采样率有44.1kHz、48kHz等，这些采样率能够捕捉到人耳可以听到的大部分频率范围内的声音。采样之后的音频信号由一系列样本点组成，每个样本点都是一个模拟值。接下来，量化过程将这些连续的模拟样本点转换为有限数量的离散值。量化级别由位深度决定，常见的位深度有16位、24位等。

为了实现更好的音质，我们需要更高的采样率和更深的位深度，但这会导致文件大小显著增加。因此，如何平衡音质和文件大小是数字音乐编码中的一个重要问题。

3.1.2 音乐编码标准的选择

音乐编码标准的选择对于音乐播放的品质和文件大小有着直接影响。常见的编码标准包括无损压缩和有损压缩两种类型。无损压缩技术如FLAC（Free Lossless Audio Codec）可以完整地保留音频信号的所有细节，而有损压缩技术如MP3（MPEG Audio Layer III）则在压缩过程中舍弃一些人耳无法轻易察觉的声音信息，以达到更高的压缩比。

在选择音乐编码标准时，我们需要考虑目标应用的场景。例如，对于专业音频制作和存档，无损压缩是更好的选择；而对于流媒体服务和移动设备播放，有损压缩格式如AAC（Advanced Audio Coding）通常因为较小的文件大小而更受青睐。

在硬件播放系统中，选择编码标准还会受到单片机性能的限制。例如，STC51单片机在处理复杂编码算法时可能受限于其处理能力。因此，在设计音乐系统时，需要仔细权衡编码标准、音质和资源消耗之间的关系。

3.2 音乐数据的存储与处理

3.2.1 音乐数据的存储结构

音乐数据的存储结构对于提高播放效率和便于管理都至关重要。在单片机系统中，音乐数据通常存储在内部或外部的非易失性存储器中。为了提高存储效率，音乐数据常常采用特定的压缩格式，但压缩和解压缩的过程增加了处理器的负担。

一个常见的存储结构是将音乐文件分割成多个块，并将这些块以连续或链表的形式存储。这样的存储策略有助于快速访问音乐数据，并且可以简化内存管理。在单片机中，通常使用数组或链表结构来实现这一存储策略。

为了便于播放器的随机访问和快进后退等操作，可以将音乐文件进一步划分为更小的逻辑单元，例如以小节或段落为单位。这样可以快速定位到特定的位置，提高响应速度。

3.2.2 音乐数据的编程处理方法

音乐数据的编程处理包括解压缩、播放控制、音量调节等。在编程过程中，需要根据所选的音乐编码标准来实现相应的解码算法。例如，对于MP3格式的音乐文件，需要实现MP3解码算法来还原音频信号。

在STC51单片机上编程处理音乐数据，可以使用C语言进行。编程时，应考虑到单片机的资源限制，尽量使用高效的算法和数据结构。对于音乐播放控制，通常涉及到定时器中断来控制播放的时间点，而音量调节则可以通过调整PWM输出的占空比来实现。

解压缩过程涉及到大量的位操作和数据转换，因此代码优化对于单片机音乐播放器的性能至关重要。在实现中，还需要考虑到内存管理，确保解压缩后的数据能够及时被处理和输出，防止内存溢出和数据延迟。

下面是一个简单的伪代码示例，展示了音乐数据解压缩和播放控制的基本逻辑：

void play_music(char* compressed_music_data) {
    // 解压缩音乐数据
    int decompressed_data = decompress(compressed_music_data);
    // 初始化定时器和中断服务函数
    init_timer();
    set_interrupt_handler();
    // 主播放循环
    while (1) {
        // 检查是否需要读取下一个数据块
        if (need_to_read_next_block()) {
            read_next_music_block(compressed_music_data);
        }
        // 输出解压缩后的数据到DAC
        output_to_dac(decompressed_data);
        // 检查播放状态，如停止、暂停等
        if (should_stop_playback()) {
            break;
        }
    }
    // 清理工作，如关闭定时器、停止中断等
    cleanup();
}

在上述代码中， decompress 函数负责解压缩音乐数据， init_timer 和 set_interrupt_handler 用于设置定时器和中断服务函数， output_to_dac 则是将解压缩后的数据输出到数字到模拟转换器（DAC）。这个过程涉及到对STC51单片机相关硬件资源的操作，需要根据具体的硬件手册来编写和调试。

在整个音乐数据处理的逻辑中，我们可以看到对时间的严格控制，以及对硬件资源的精细操作。对于5年以上的IT从业者而言，这不仅是一个挑战，更是一个展示他们在嵌入式系统和资源管理方面深厚功底的机会。

# 4. 单片机音乐播放程序设计

## 4.1 音乐播放程序的结构

### 4.1.1 主程序框架设计

在音乐播放系统的设计中，主程序的框架设计是整个程序稳定运行的基石。主程序需要对整个播放系统进行初始化，包括初始化单片机的相关寄存器、设置音乐数据的存储模式、加载音乐数据到内存，并初始化定时器等硬件资源。之后，程序会进入一个循环，等待用户输入命令或通过定时器中断来进行下一步操作，如播放音乐或跳转到不同的音乐片段。

```c
// 主程序框架伪代码示例
void main() {
    // 系统初始化
    System_Init();
    // 音乐数据加载
    Load_Music_Data();
    // 定时器配置
    Timer_Init();
    // 主循环
    while(1) {
        // 检查用户输入或等待中断
        if (User_Input_Detected()) {
            Handle_User_Input();
        }
    }
}

// 系统初始化函数示例
void System_Init() {
    // 初始化IO端口、中断、定时器等
    // ...
}

// 加载音乐数据函数示例
void Load_Music_Data() {
    // 从存储介质读取音乐数据到内存
    // ...
}

// 定时器初始化函数示例
void Timer_Init() {
    // 配置定时器中断，设置中断周期
    // ...
}

4.1.2 子程序的划分与功能

在音乐播放程序中，子程序的划分需要遵循功能单一性原则，即一个子程序只完成一个功能，这样有利于程序的调试和维护。子程序包括音符数据的解码、音符的产生、音量控制、音乐切换、音乐暂停和恢复等功能。

// 子程序划分示例
void Decode_Note_Data() {
    // 解码音乐数据
    // ...
}

void Generate_Note() {
    // 产生音符
    // ...
}

void Control_Volume() {
    // 音量控制
    // ...
}

void Switch_Music() {
    // 音乐切换
    // ...
}

void Pause_Resume_Music() {
    // 暂停或恢复音乐播放
    // ...
}

4.2 音乐播放算法实现

4.2.1 音乐播放流程控制

音乐播放流程控制涉及到音乐播放的顺序、节奏和音量等。播放流程控制算法需要根据音乐文件中的时序信息来控制音符的产生时间，确保音乐播放的准确性。通常，这需要一个定时器中断服务程序来周期性地执行。

// 定时器中断服务程序伪代码示例
void Timer_Interrupt_Handler() {
    // 检查当前播放的音符时长
    if (Check_Note_Duration()) {
        // 如果时长结束，则产生下一个音符
        Generate_Next_Note();
    }
    // 更新显示或用户交互
    Update_User_Interface();
}

// 检查音符时长函数示例
bool Check_Note_Duration() {
    // 根据音乐文件数据和定时器计数检查当前音符的时长
    // ...
    return /* 音符是否需要切换 */;
}

// 产生下一个音符函数示例
void Generate_Next_Note() {
    // 根据音乐数据产生下一个音符
    // ...
}

4.2.2 音符时序与节拍的处理

音符的时序和节拍处理是音乐播放算法的核心部分。音符时序处理负责根据音乐文件中的节拍信息来控制音符的开始时间。为了实现这一点，我们可以使用一个全局的定时器，用来跟踪时间和节拍。每当定时器达到特定的节拍点时，播放算法就会触发对应的音符产生。

// 定时器计数和节拍处理伪代码示例
void Beat_Processing() {
    while (true) {
        // 每个节拍时间点处理
        if (Timer_Counter == Beat_Time_Point) {
            // 产生当前节拍的音符
            Produce_Beat_Note();
            // 更新节拍时间点
            Update_Beat_Time_Point();
        }
        // 等待下一个节拍点
        Delay_Until_Next_Beat();
    }
}

// 产生节拍音符函数示例
void Produce_Beat_Note() {
    // 根据当前节拍信息产生音符
    // ...
}

// 更新节拍时间点函数示例
void Update_Beat_Time_Point() {
    // 根据音乐的节奏更新下一个节拍点
    // ...
}

在上述代码中，定时器计数 Timer_Counter 需要与全局定时器同步更新，而 Beat_Time_Point 则是根据音乐节奏预先设定好的节拍时间点。通过这种方式，我们能够精确地控制音乐播放的节奏，确保播放质量。

整个音乐播放程序的实现需要考虑程序的可扩展性和维护性，以便在未来添加新功能或修改现有功能时，能够减少工作量并降低出错概率。在硬件资源有限的单片机环境下，优化代码结构和执行效率对于实现流畅的音乐播放体验至关重要。

5. 定时器配置与音乐节奏控制

5.1 定时器的作用与配置

5.1.1 定时器的基本概念

在单片机中，定时器是一个非常重要的功能模块，它可以用来计算时间间隔，实现延时和定时任务。定时器的原理基于一个预设的计数值，当单片机的计数器达到这个值时，就会触发一个中断事件。在音乐播放应用中，我们可以利用定时器来控制音符的节拍，即每一个音符的持续时间和音符之间的间隔。

5.1.2 STC51定时器的配置方法

STC51单片机内置了多个定时器，这里我们以定时器0为例进行说明。首先，需要设置定时器的工作模式。STC51的定时器0可以工作在四种模式下：模式0（13位定时/计数器）、模式1（16位定时/计数器）、模式2（8位自动重装定时/计数器）和模式3（仅对定时器0有效，分裂成两个独立的8位定时器）。一般情况下，模式2的自动重装功能对于音乐节奏控制更为方便。

接下来，需要设置定时器的初值，这个值和系统时钟频率以及预分频器相关，决定了定时器溢出的频率。例如，如果单片机的时钟频率为12MHz，我们希望定时器每隔1ms溢出一次，就需要设置初值为65536-（12MHz/12/1000）= 65484（十六进制为0xFC18）。

下面是STC51定时器0的配置代码示例：

#include  // 包含STC51单片机寄存器定义

void Timer0_Init() {
    TMOD &= 0xF0; // 清除定时器0模式位
    TMOD |= 0x02; // 设置定时器0为模式2（8位自动重装模式）
    TH0 = 0xFC;   // 设置定时器初值高8位
    TL0 = 0x18;   // 设置定时器初值低8位
    ET0 = 1;      // 开启定时器0中断
    TR0 = 1;      // 启动定时器0
}

void main() {
    Timer0_Init(); // 初始化定时器0
    EA = 1;        // 开启全局中断
    while(1) {
        // 主循环，执行其他任务
    }
}

// 定时器0中断服务函数
void Timer0_ISR() interrupt 1 {
    // 定时器溢出处理代码
    TH0 = 0xFC; // 重新装载初值
    TL0 = 0x18;
}

在上面的代码中，我们首先包含了 reg52.h 头文件，它包含了STC51单片机的SFR（Special Function Register）定义。 Timer0_Init 函数用于初始化定时器0，设置了工作模式、定时器初值，并开启了定时器中断。在中断服务函数 Timer0_ISR 中，我们重新装载了定时器初值，以保证定时器能持续工作。

5.2 音乐节奏的控制算法

5.2.1 节奏控制的原理

音乐节奏的控制涉及到音乐播放中的节拍和速度控制。基本的节拍单位是节拍（beat），它决定了音乐的速率。通过定时器中断，我们可以以固定的时间间隔来触发音乐播放的下一个音符或者音符的结束，从而实现节奏的控制。

5.2.2 节奏同步与调整技术

在音乐播放系统中，节奏同步是保持音乐节奏稳定的关键。这通常需要精确的时钟源和灵活的定时器配置。调整技术包括对定时器初值的动态修改，以适应不同的音乐节奏和播放速度。

在实际应用中，音乐播放系统可能需要支持多种不同的节拍和速度。例如，一首歌曲的节奏可能从慢速的4/4拍逐渐加速到快速的3/4拍。为了实现这种节奏的同步和调整，我们可以在定时器中断服务函数中加入相应的逻辑判断和定时器初值的动态调整。

下面是一个简单的逻辑判断和定时器初值调整的代码段：

// 假设有一个全局变量beat_length表示当前节拍长度
unsigned int beat_length = 1000; // 初始节拍长度，单位为毫秒

// 定时器中断服务函数
void Timer0_ISR() interrupt 1 {
    static unsigned int count = 0; // 静态变量，记录中断次数
    TH0 = 0xFC; // 重新装载定时器初值
    TL0 = 0x18;

    // 每隔1000ms触发一次
    if (++count >= beat_length / 10) {
        count = 0; // 重置计数器
        // 在这里处理节拍事件，例如切换音符等
    }
}

在上述代码中， beat_length 是一个变量，表示当前的节拍长度。在定时器中断服务函数中，我们使用一个静态变量 count 来记录中断的次数，当 count 达到一个预设的阈值时，执行节拍事件处理逻辑。

总结这一章节，我们从定时器的基本概念讲到具体配置，再到音乐节奏控制的算法，逐步深入地探讨了如何利用定时器来实现精确的音乐节奏控制。通过编程实现的定时器中断处理逻辑，可以保证音乐播放的精准性和稳定性。

6. PWM输出配置与音质调整

6.1 PWM输出的基本原理

6.1.1 PWM技术简介

脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）是一种可以用来对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过改变脉冲宽度而非脉冲高度，PWM技术能够在数字电路中模拟模拟信号。在音乐播放系统中，这种技术常被用于控制音量和音质，尤其是数字到模拟的转换过程。

PWM工作时，通过调整脉冲的占空比（即脉冲高电平时间与脉冲周期时间的比例）来改变输出的平均电压，从而达到模拟不同电平的目的。例如，较宽的高电平脉冲会导致更高的平均电压输出，而较窄的高电平脉冲则产生较低的平均电压输出。

PWM输出的频率也非常重要，因为过低的频率可能会引起可听见的噪声（称为“沙沙声”或“嘶嘶声”），而频率过低可能还会导致信号失真。典型的PWM频率通常在几十千赫兹到几百千赫兹之间，可以有效避免人耳能察觉的噪声。

6.1.2 PWM在音质调整中的应用

在音乐播放系统中，利用PWM技术可以实现音量控制。通过软件调节PWM输出的占空比，可以平滑地调节音量，而不需要额外的数字到模拟转换器。这种方法不仅简化了硬件电路，而且提高了系统的精确度和响应速度。

除此之外，PWM也被用来进行音质的微调。通过精细调整PWM信号，可以改善音频输出的质量，例如，通过改变PWM频率来优化音频信号的滤波效果，减少高频噪声，或者通过调整PWM波形来改善低频响应等。

6.2 音质改善的实践技巧

6.2.1 音质调整参数设置

在实际的音质调整过程中，涉及多个参数的设置。例如，占空比、频率、启动时间和关闭时间。占空比直接决定了输出信号的平均电压，而PWM的频率则决定了信号带宽和噪声特性。启动时间与关闭时间的设置对改善输出信号的上升沿和下降沿有显著效果，进而影响信号的清晰度和瞬态响应。

设置PWM参数时，需要考虑具体的音频设备和预期的音频质量。通常，占空比可以在10%到90%之间调整，而频率则根据硬件和设计要求设定。例如，STC51单片机的定时器/计数器可以设置为不同的预分频值，以生成适当的PWM频率。

// 示例代码，展示如何通过STC51单片机的定时器设置PWM参数
void Timer0_Init() {
    TMOD = 0x01; // 设置定时器模式为模式1
    TH0 = 0x00;  // 设置定时器高位值
    TL0 = 0x00;  // 设置定时器低位值
    ET0 = 1;     // 开启定时器0中断
    TR0 = 1;     // 启动定时器0
}

在上述代码中， TMOD 寄存器的设置决定了定时器的工作模式，而 TH0 和 TL0 寄存器的值则决定定时器溢出的时间间隔。通过改变这些值，可以控制PWM的占空比和频率。

6.2.2 音频信号的放大与滤波

为了进一步提升音质，音频信号在输出前通常需要经过放大和滤波处理。PWM输出的信号往往需要通过一个低通滤波器以去除高频的开关噪声，同时使信号平滑。此外，信号放大器用于增强信号的幅度，使其适合驱动扬声器或其他音频输出设备。

放大器的选择对于保持信号的完整性至关重要。通常，采用一个具有低噪声和足够带宽的放大器，并与合适的滤波电路配合使用，以确保音质不会在放大过程中受损。

// 示例代码，展示如何进行简单的信号放大
int main() {
    // 假设输入信号已经通过PWM生成并读入到inputSignal变量中
    int inputSignal = 127; // 中间值为127，假设128为最大值
    int outputSignal = inputSignal * 2; // 简单放大，可能需要根据实际硬件调整系数
    // 输出信号需要转换为适合扬声器的电平范围
    AnalogOut(outputSignal);
    return 0;
}

在上述代码中，我们进行了一个简单的信号放大操作，将输入信号乘以2来提升幅度。实际应用中，信号的放大可能会涉及更复杂的处理，并且需要考虑输出设备的特性。

7. 中断服务函数与播放控制

7.1 中断系统的作用与设计

中断系统是单片机中一个非常重要的功能，它可以在程序运行过程中，对外部事件或内部事件做出快速响应，从而实现多任务处理。在音乐播放系统中，中断可以用来处理定时器事件，控制音乐的播放节奏。

7.1.1 中断的概念及分类

中断按来源可以分为外部中断和内部中断。外部中断是由外部硬件设备触发的，例如按键操作或串口通信。内部中断则是由单片机内部的定时器或计数器产生的事件。

7.1.2 中断服务函数的设计要点

中断服务函数（ISR）是当中断发生时，单片机需要执行的程序。设计中断服务函数时需要注意以下几点：
- 确保中断服务函数的代码尽量简洁，避免在其中执行耗时操作。
- 使用 ISR 宏来定义中断服务函数，例如在AVR或STM32这类的微控制器中。
- 在处理中断时，需要保存并恢复中断前的状态，以便中断结束后，程序能够回到正确的地方继续执行。

// 一个简单的外部中断服务函数示例
ISR(EXT_INT0_vect) {
    // 代码逻辑，例如切换音乐播放状态
}

7.2 播放控制与交互实现

播放控制是音乐系统中用户与设备交互的关键部分。它包括用户界面的设计，以及根据用户输入来调整播放状态的功能。

7.2.1 用户界面与控制逻辑

用户界面的设计需要直观易用，控制逻辑需要准确及时地反映用户的操作意图。常用到的播放控制包括：
- 播放/暂停按钮
- 上一曲/下一曲切换
- 音量控制
- 音乐文件的选择

在单片机中，这些操作可以通过按键输入来实现，每个按键对应一个中断事件，当按键被按下时，触发对应的中断服务函数。

7.2.2 播放模式与效果的实现

播放模式通常包括循环播放、随机播放、顺序播放等。不同的播放模式，需要不同的逻辑来管理音乐播放队列。播放效果的实现包括音质的调整、音量的增减等。

// 伪代码，展示如何根据用户输入调整播放模式
void setPlayMode(enum PlayMode mode) {
    switch(mode) {
        case LOOP:
            // 设置循环播放模式的逻辑
            break;
        case RANDOM:
            // 设置随机播放模式的逻辑
            break;
        case SEQUENCE:
            // 设置顺序播放模式的逻辑
            break;
    }
}

在实际的播放控制中，结合中断服务函数和用户界面设计，可以实现音乐播放的多样性和交互性。通过合理的程序设计，可以确保音乐播放系统的响应速度和用户满意度。

本文还有配套的精品资源，点击获取

简介：本教程介绍了如何使用STC51系列单片机演奏音乐，该单片机广泛应用于嵌入式系统设计中。教程详细阐述了音乐的数字信号生成原理，包括音乐编码、程序设计、定时器配置、PWM配置、中断服务、Proteus仿真以及硬件连接的步骤。通过这些步骤，将“生日快乐”等音乐编码转换为单片机指令，并通过调整定时器和PWM参数播放音乐旋律，实现音乐播放功能。

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