电子信息科学与技术专业毕业论文 (2)15903.doc

基于单片机的音乐彩灯控制器设计（陕西理工学院物电学院电子信息科学与技术专业电信103班，陕西汉中 723001） 摘要 本设计是一种基于at89c51单片机音乐控制彩灯的方案，实现单片机演奏音乐，并且对led彩灯随音符频率的不同而闪烁发光。本方案以at89c51单片机作为主控核心，通过三极管放大电流使用蜂鸣器播放音乐，利用编程实现亮灯循环模式，在有8个led彩灯,根据用户需求可以编写若干种亮灯模式.例如左右闪烁，隔几个亮灭，蜂鸣器可以根据用户需求改写编程播放各种音乐。本方案具有设计简单、体积小、元器件少、电路结构简单等优点。该设计方案设计及其简单，典型的at89c51单片机，亮灯模式多，播放各种类型的音乐，具有体积小、价格低、低能耗等优点。在美丽的都市夜晚，彩灯的循环亮灭，播放动人的音乐，衬托出美丽的氛围。 关键词 at89c51 led彩灯 音乐based on single chip music lights controller designxu rui（grade10,class3,major electronic information science and technology,.content electric institute,shaanxi university of technology,hanzhong 723000,shaanxi）tutor:liu yafeng abstract :this design is a musical based on at89c51 microcontroller control program lantern，realize mcu playing music，and the led lights on the frequency of different notes with the light flashing。the program for at89c51 microcontroller as the control center, the current through the transistor amplification using the buzzer to play music, using programming lighting cycle mode, with 8 led lantern, according to user needs to write some kind of switch-mode. for example, flashing around, every few light off, the buzzer can be adapted according to user requirements play a variety of music programming . the program is simple in design, small size, less components, and simple circuit structure. the design and simple design, the typical 89c51 microcontroller, a switch-mode and more, playing all types of music, has a small size, low price and low power consumption and so on. in the beautiful city at night, lanterns light off cycle, play beautiful music, brings out the beautiful atmosphere. key words :at89c51 led lantern music引言11 音乐彩灯方案设计与选择11.1设计要求11.2 基本原理11.3设计电源21.4频率音符22 音乐彩灯设计过程32.1元器件选取32.2电路设计32.2.1 元器件介绍32.2.2 音乐彩灯构思52.3 软件设计62.3.1 编程介绍62.3.2 设计程序93 心得体会113.1课程设计总结113.2收获与体会11参考文献12 引言 单片机诞生于1971年，经历了scm、mcu、soc三大阶段，早期的scm单片机都是8位或4位的。其中最成功的是intel的8031，此后在8031上发展出了mcs51系列mcu系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着intel i960系列特别是后来的arm系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。 而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位soc单片机主频已经超过300mhz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。 当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的windows和linux操作系统。 主要应用:目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能ic卡，民用豪华轿车的安全保障系统，摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：(1)在智能仪器仪表上的应用,单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）;(2)在工业控制中的应用,用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。(3)在家用电器中的应用,可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子称量设备，五花八门，无所不在。(4)在计算机网络和通信领域中的应用,现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等;(5)单片机在医用设备领域中的应用,单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。1 音乐彩灯方案设计与选择 1.1设计要求本次课程设计要求设计一个音乐彩灯，其设计要求如下：（1）用8个发光二极管作为显示电路。（2）播放八月桂花香的音乐。（3）能够循环的显示灯的亮灭。 1.2 基本原理 通过控制单片机的内部定时器的定时时间来产生不同的脉冲频率，以驱动蜂鸣器发出不同音节的声音，利用延时子程序来控制音调的节拍。为了编程方便，通常是将简单的音符和相应的节拍转换成为定时常数和延时常数，利用查表法得到定时常数，分别控制定时器产生相应的脉冲频率和脉冲频率的持续时间，当持续时间到时，程序自动查找下一个音符的定时常数和延时常数，这样就可以听到悦耳动听的歌声。音调是由不同的频率产生的，而每一个音调都是有一个音符和一个节拍组成，音符决定该音调的高低，节拍决定了该音调是多少拍。因此，一个音调是由两个字节组成的。根据音符字节产生该大小次数的延时，声音输出口取反，就可以得到该音调的高低音。根据设置单位的延时大熊啊，可以控制音乐演唱速度。 因此算法很简单：定义单片机的一个i/o端脚为声音输出口，在规定的节拍内，根据音符字节的大小产生延时，将声音输出口不断的至置高置低（即取反），就可以得到该音调。只要选取合适的单位节拍延时，就可以输出动听的音乐。用内部定时器t0方式产生简谱中各音符飞对应脉冲频率，同时通过延时常数来控制脉冲频率的持续时间。为了加强观赏和实用性在上面p0-p7脚接了led灯，这样在音乐播放的同时也有灯的闪烁对音符有直观的感觉。补充说明：为了增加视觉效果，我在此次的设计中采用2个led灯串联成一路，总共8路16个led灯接在p0-p8脚。以下所提到的led1灯就表示接在p0口的两个彩灯，依次类推，led8就指接在p7口的两个彩灯。1.3设计电源 at89c51单片机需要的电源是5v直流电源，我们所用的电是220v50赫兹，这要需要交流电源220v转换5v直流电源，利用变压器的原理220v进行降压，单片机控制系统以及外围芯片供电采用7805系列三端稳压器件，通过全波整流，然后进行滤波，然后进行滤波稳压，使用电容滤去交流，电路如图1.1所示。 图 1.1 电源设计图1.4频率音符 单片机的震荡频率为12mhz，乐曲的音符、频率及定时常数三者的对应关系如表1.1所示c调音符11#22#3 44#55#66#7频率hz262277293311329349370392415440466494th/tlf88bf8f2f95bf9b7fa14fa66fab9fb03fb4afb8ffbcffc0bc 调音符11#22#344#55#66#7频率hz523553586621658697739783830879931987th/tlfc43fc78fcabfddbfd08fd33fd5bfd81fda5fdc7 fde7fe05调音符11#22#344#55#66#7频率hz104511061171124113161393147615631658175518601971th/tlfb21fe3cfe55fe6dfe84fe99feadfec0fe02fee3fef3ff02 表1.1频率音符及定时常数关系表2 音乐彩灯设计过程2.1元器件选取 单片机at89c51;三极管8050,电阻1k,10k;电容 33pf 1uf;变压器;整流桥;7805;发光二极管; 蜂鸣器;晶体振荡器 12mhz.2.2电路设计2.2.1 元器件介绍7805介绍 h7805系列为3端正稳压电路，to-220封装，能提供很多种固定的输出电压，应用范围广。内涵过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达1a.。虽然是固定稳压电路，但是用外接元件，可获得不同的电压和电流。主要特点 ：输出电流可达1a输出电压有5v过热保护短路保护图 2.1 h7805单片机介绍单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器cpu随机存储器ram、只读存储器rom、多种i/o口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、a/d转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了i/o设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。at89c51单片机是美国 atmei 公司生产的低电 、高性能cmos 8位单片机，具有丰富的内部资源：4kb闪存、128bram、32根io口线、2个16位定时计数器、5个向量阴级中断结构、2个全i双工的串行、具有4.255.50v的电压工作范同和024mhz工作频率，使用at89c51单片机时无须外扩存储器。at89c2051芯片的20个引脚功能为：vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须接上拉电阻。 p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为低八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能存储器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。 p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断0） p3.3 /int1（外部中断1） p3.4 t0（记时器0外部输入） p3.5 t1（记时器1外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出振荡器特性:xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石英振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。图2.2 at89c51引脚图2.2.2 音乐彩灯构思 单片机控制 系统led显示蜂鸣器方案框图 如下图所示 图2.3 音乐彩灯方案框图p0是一个oc结构，也就是是相当与一个npn的三极管，c极没有接任何东西，e极接地，b极接在一个数字电路的输出口上。所以没有接上拉电阻的时候，相当于ce没有任何电压，那么不管be的电压是多少，三极管都不会导通和工作。接了上拉电阻后，也就是c极接了一个10k的电阻到5v，那么当be的电压是0的时候，三极管截止，电阻没有导通，c极的电压等于5v,当be的电压为0.7v时，三极管饱和导通，ce的压降接近为0，电阻的电压会有5v,p0的高电平是靠外部上拉形成的，p0的低电平是靠内部下拉形成的，执行mov p0,#00h后，即使有上拉电阻也会变成低电平。 如果p0口加了上拉电阻,p0的逻辑1是高阻态，高阻态相当于p0与外部引脚断开了，引脚由于上拉效果变成上拉电源的高电平。执行程序 mov p0,#00h，由于p0的逻辑0是低电平，所以p0变为低电平，由于电阻隔离上拉电源，p0口的引脚也是低电平。 从下面的电路原理图中可以看出，如果要让接在p0口的led1亮起来，那么只要把p1.0的电平变为低电平就可以了；相反，如果要接在p10口的led1熄灭，就要把p1.0口的电平变为高电平；同理，接 p11p17口的其他7路led的点亮和熄灭的方法同led1。因此， 实现流水灯功能，我们只要将发光二极管led1led8依次点亮、熄灭，8路led灯便会一亮一暗的做流水灯了。在此，我们还应注意一点，由于人眼的视觉暂留效应以及单片机执行每条指令的时间很短，我们在控制二极管亮灭的时候应该延时一段时间，否则我们就看不到“流水”效果了,p27输出的电流很小，p27接了一个三极管，放大电流以使蜂鸣器能够正常的工作,播放出八月桂花香的音乐.， 图2.4 电路仿真图2.3 软件设计2.3.1 编程介绍 单片机的应用系统由硬件和软件组成，上述硬件原理图搭建完成上电之后，我们还不能看到音乐流水灯现象，我们还需要告诉单片机怎么来进行工作，即编写c语言控制单片机管脚（p0、p2口）电平的高低变化，实现蜂鸣器的播放八月桂花香的音乐，来实现发光二极管的一亮一灭。软件编程是单片机应用系统中的一个重要的组成部分，是单片机学习的重点和难点。下面以最简单的彩灯控制蜂鸣器播放，也可实现8路led灯的循环点亮，来介绍实现流水灯控制的几种软件编程方法。(1) 作为单片机的指令的执行的时间是很短，数量大微秒级，因此，我们要求的闪烁时间间隔为0.2秒，相对于微秒来说，相差太大，所以我们在执行某一指令时，插入延时程序，来达到我们的要求，但这样的延时程序是如何设计呢?如何设置延时子程序，可以不断的修改i 的数值，就可以得到延时多少的时间，使的眼睛能够看到彩灯的亮灭。void delay(uchar n) /延时子程序 uchar i;/定义i为整数 while(n-)/ n 不断减1直到n减小为零才停止 for (i=0;i125;i+);/ i从零不断加1直到i变成124停止 时候或uchar就可以当无符号型字符变量使用了typedef unsigned char uchar;typedef unsigned char uchar;（2）while(1) temp=0xfe; p1=temp; delay(); for(i=1;i8;i+) a=temp(8-i); p1=a|b; 其中b=temp(8-i); p1=a|b; 可以让一盏灯 一直从左边移到右边 我们用 当i=1的时候 来分析 temp=0xfe=（1111 1110） 执行a=temp7； b=0000 0001 p1=a|b； p1=1111 1101; 所以 p1就丛 1111 1110 变化成了 1111 1101 这样等就左移了一位。 （3） 如何控制灯的亮灭还有播放不同的音乐，只要找到音乐代码，需修改下面数组就可以用. uchar code array= 0x18,0x30,0x1c,0x10,0x20,0x40,0x1c,0x10, 0x18,0x10,0x20,0x10,0x1c,0x10,0x18,0x40, 0x1c,0x20,0x20,0x20,0x1c,0x20,0x18,0x20, 0x20,0x80,0xff,0x20,0x30,0x1c,0x10,0x18, 0x20,0x15,0x20,0x1c,0x20,0x20,0x20,0x26, 0x40,0x20,0x20,0x2b,0x20,0x26,0x20,0x20, 0x20,0x30,0x80,0xff,0x20,0x20,0x1c,0x10, 0x18,0x10,0x20,0x20,0x26,0x20,0x2b,0x20, 0x15,0x40,0x13,0x40,0x18,0x80,0x00,0x00, ;(4)算法程序设计内容 。 每次送出的数据是不同，具体的数据如下表1所示 ：p0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2p0.1p0.0说明d8d7d6d5d4d3d2d111111110l1亮11111101l2亮11111011l3亮11110111l4亮11101111l5亮11011111l6亮10111111l7亮01111111l8亮 表2.2 管脚控制关系表(5)流程图nynyyy 开始系统初始化程序输入延时0.2秒 播放歌曲继续播放歌曲输出到p37口输出到p0口延时0.1秒循环右移一位以点亮下一个发光二极管p0=0xfeff继续本次循环歌曲播放完毕显示led依次点亮进行下一次循环p0=0xfe 结束进入中断2.3.2 设计程序 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit sound=p27; uint counter=0; uchar code array= 0x18,0x30,0x1c,0x10,0x20,0x40,0x1c,0x10, 0x18,0x10,0x20,0x10,0x1c,0x10,0x18,0x40, 0x1c,0x20,0x20,0x20,0x1c,0x20,0x18,0x20, 0x20,0x80,0xff,0x20,0x30,0x1c,0x10,0x18, 0x20,0x15,0x20,0x1c,0x20,0x20,0x20,0x26, 0x40,0x20,0x20,0x2b,0x20,0x26,0x20,0x20, 0x20,0x30,0x80,0xff,0x20,0x20,0x1c,0x10, 0x18,0x10,0x20,0x20,0x26,0x20,0x2b,0x20, 0x15,0x40,0x13,0x40,0x18,0x80,0x00,0x00, ; void init_com()/ 设置定时器 tmod=0x01; th0=0xff; tl0=0xff; ea=1; et0=1; void timer0(void) interrupt 1 using 3 / 设置中断 3 counter=counter+1;/不断加1 th0=0xd8; tl0=0xef; void delay(uchar n) /延时子程序 uchar i; while(n-) for (i=0;i125;i+); void sound_delay(uchar n)/声音延时子程序 uchar i; while (n-) for (i=0;i2;i+); void main() uint i;uchar sound_signal; /引入子程序uchar sound_pace; /引入子程序init_com();/引入子程序while (1)i=0;while(arrayi!=0x00)if(arrayi=0xff)tr0=0;i+;delay(100);continue; sound_signal=arrayi;p0=arrayi;i=i+1;sound_pace=arrayi;tr0=1;while(counter!=sound_pace) sound=sound;不断的取反sound_delay(sound_signal);/音乐的时间的延时 i+; counter=0; delay(10); 3 心得体会3.1课程设计总结这次课程设计中，主要困难就是对protues软件和keil4编程软件的陌生，通过认真学习和积极向同学请教。我自己才对其渐渐熟悉与初步掌握，对本次课程设计的方案进行编程。 通过此次的课程设计，我加深了对单片机以及c语言的认识和理解，使各部分的知识得到了进一步的巩固。在编程的过程中遇到很多问题，例如for/while/if等语句的不熟练应用导致许多次仿真效果不尽人意。通过上网的查找和翻阅图书，一步步地解决了问题。在初次仿真时我还遇到到彩灯亮灭与音乐声响不同步的问题，通过认真检查发现这是音乐程序与彩灯程序在时间上衔接不正确所致，后来通过我认真改进，才得到现在的仿真结果：led灯能随着音乐节奏闪烁。这次课程设计让我明白：理论与实践的结合相当之重要，最初以为只会是一个简单的过程，实际中每个元器件都相连在一起，在考虑这个的同时还要兼顾另外的东西。经过一次次的一起地完善学习，渐渐弥补了知识上的匮乏，最终做出了让自己满意的效果。3.2收获与体会通过此次设计实验，加深了对单片机的理解，开阔了我们的思维境界，使我们的知识更加丰富。对于学到了新的知识，掌握了这两款软件的初级应用有一定的满足感，这是一个好的开始，好好学习，更上一层楼。 回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这