单片机课程设计报告-点阵式音乐频谱.doc

51单片机课程设计报告题目 点阵式音乐频谱 学院 班级 姓名 摘要：单片机 即单片微型计算机。（single-chip microcomputer ）,是 集 cpu ,ram ,rom ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。他体积小，成本低，功能强，广泛应用于工业自动化上和智能产品。 led显示屏作为一种新型的显示器件，是由多个发光二极管按矩阵形式排列封装而成，通常用来显示时间、图文等信息。本设计以51单片机为控制器一方面通过点阵来显示汉字，另一方面驱动adc采集音频信号，然后将音频信号的强弱通过点阵显示出来。音频信号有两个来源，一方面由音乐芯片产生三种不同的信号，另一方面由外部（如手机）输入，通过音频功率放大器放大。关键词：单片机 12*12点阵 adc 音频功放一，系统功能（1）12*12点阵可以滚动地显示汉字，字母；（2）可以发出三种不同的报警信号，并同时通过点阵显示声音频谱；（3）可以外接手机或电脑耳机信号，将其放大后通过扬声器输出，并同时通过点阵显示频谱。二，硬件总体设计方案 此设计原理框图如图2-1所示，此电路包括以下四个部分：单片机，点阵，行、列驱动器，adc，音频产生电路，音频放大电路，键盘，和显示电路。12*12点阵列驱动器行驱动器adc音频信号产生与放大外部信号51单片机键盘模式显示三，硬件设计部分1、单片机最小系统电路设计(1)stc89c52单片机简介 stc89c52是一种低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系统可编程flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位cpu 和在系统可编程flash，使得stc89c52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节flash，512字节ram， 32 位i/o 口线，看门狗定时器，内置4kb eeprom，max810复位电路，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 stc89x52 可降至0hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许ram、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35mhz，6t/12t可选。 (2)电源部分 电源电路如下图所示：(3)晶振电路常用的时钟电路设计有两种方式,一种是内部时钟方式，一种是外部时钟方式。本电路采用内部时钟方式，将xtal1与xtal2之间跨接一个石英晶振和微调电容，从而构成一个稳定的自激震荡器。电容值取30pf左右，其大小将影响震荡频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。为减少线间的寄生电容，晶振和电容应尽能安装得与单片机靠近，保证晶振稳定可靠的工作。(4)复位电路上电自动复位电路是最简单的复位电路，只需要一个1k左右电阻、一个10uf左右的电容。有时还需要按键手动复位，此时只要在电容上并联一个按键即可。2、12*12点阵 本实验中的点阵为用144个红色发光二级管所焊成，144个个二极管接成12*12的矩阵形式，12行线接发光二级管的正极，12列线接发光二极管的负极。图文以动态来显示，动态扫描即逐列轮流点亮，先送出对应第一列发光管亮灭的数据并保持，然后选通第1列使其点亮一定时间，然后熄灭；再送出第二列的数据并保持，然后选通第2列使其点亮相同的时间，然后熄灭；以此类推，第12列之后，又重新燃亮第1列，反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒24次以上），由于人眼的视觉暂留现象，就能够看到显示屏上稳定的图形了。 3、adc模块电路 tlc0820是德州仪器公司(ti)推出的,采用先进lincmos工艺制造的8位a/d转换器 ,它由2个4位的闪速(flash)转换器 ,1个4位的数模转换器 ,1个计算误差放大器 ,控制逻辑电路和结果锁存电路组成。它具有如下特点:带改进的lincmos门技术采用8位并行输出读方式最快转换时间为2.5us不需要外部时钟和振荡元件片内具有跟踪和保持电路单电源供电。基于以上特点，在本设计中adc采用的就是该型号的芯片。在本设计中，将adc转换完成的数据读入单片机的是p2口，控制12*12点阵行线的也是p2口。 在模式0中，只需显示汉字，不用adc数据，为了使adc输出不影响p2口输出，所以必须将adc输出置高阻态；在模式1-3中，adc采集数据，p2口要先将adc采集到的数据读入单片机，经过单片机处理后，再通过p2口送出，在读adc数据时，点阵也要正常显示，所以必须要将在p2口读adc之前输出的数据锁存，当单片机数据处理完成之后，p2口将送出显示数据，这时又要显示p2口送出的数据，要到以上分时复用的功能，可以采用以下电路。 当电路工作于模式0时，即只显示图文，不读adc数据，可以使oe=1，这样adc输出将不会影响p2的输出，当电路工作在模式1-3时，读adc数据之前使le=0，将p2口输出的数据锁存，然后使oe=0，p2口读adc输出的数据，数据读完后又使oe=1，单片机数据处理完成后，p2口输出数据，这是可使le=1，点阵显示p2口送出的数据。4、列驱动器74ls138 为3 线8 线译码器，其工作原理如下： (1)当一个选通端（e1）为高电平，另两个选通端（(/e2)和/(e3)）为低电平时，可将地址端（a0、a1、a2）的二进制编码在y0至y7对应的输出端以低电平译出。比如：a2a1a0=110时，则y6输出端输出低电平信号。 (2)利用 e1、e2和e3可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 (3)若将选通端中的一个作为数据输入端时，74ls138还可作数据分配器 (4)可用在8086的译码电路中，扩展内存。在采用扫描方式显示时，由于每列要带动十二个二极管，每列电流较大。若每个二极管安5ma计算，十二个二极管就得60ma电流，超出单片机管脚的承受范围，因此每列都加有一个驱动器，如果列驱动用十二个pnp型三极管。三极管的发射极接5v电压，集电极接点阵的列线，而其基级接单片机，但该接线方式占用为了12个单片机管脚，为了节省单片机管脚，本设计中的12*12点阵的12列由74ls138驱动。只需4个引脚即可驱动12列线。因一个74ls138只有8个译码输出端，所以可用两个3-8译码器接成4-16译码器，其原理图如下图所示：由图可得：当a3=0时，u4被关闭，u4的8位输出全部为高，但u3正常工作，即可正常译出输入码a3a2a1a0为0000-0111的八种码，即实现3线-8线译码功能；当a3=1时，u3被关闭，u3的8位输出全部为高，但u4正常工作，即可正常译出输入码a3a2a1a0为1000-1111的八种码，即实现3线-8线译码功能。所以该电路可译出输入码a3a2a1a0为0000-1111的16种码，即实现4线-16线译码功能。 本电路点阵只有12列，故16位译码输出只用前12位，分别对应输入码a3a2a1a0为：0000-1011。5、行驱动器 由于单片机引脚的驱动能力有限，故12行线用74系列芯片驱动，前八行用74ls573驱动，后四行由cmos的 四2输入与门74hc08驱动。74ls573原理：74ls573 的八个锁存器都是透明的d 型锁存器，当使能（le）为高时，q 输出将随数据（d）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭（oe=1）时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，i/o 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。在本设计中由于p2口需分时复用，所以74ls573的输入数据需要锁存，锁存控制端由单片机控制。74hc08为四2输入与门，在本设计中将两输入端并在一起，相当于一个缓冲器的功能。74ls573，7hc08输出高点平为5v，所以驱动发光二级管中间串了一个电阻限流。行驱动器原理图如下：6、模式显示电路模式显示电路用于显示电路的工作模式，电路共有5种工作模式，通过数码管来显示电路当前处于哪种模式，模式可以通过按键来改变。cd4511是一个用于驱动共阴极 led （数码管）显示器的 bcd 码七段码译码器，特点：具有bcd转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的cmos电路能提供较大的拉电流。可直接驱动led显示器。 cd4511 是一片 cmos bcd锁存/7 段译码/驱动器，其中a b c d 为 bcd 码输入，a为最低位。lt为灯测试端，加高电平时，显示器正常显示，加低电平时，显示器一直显示数码“8”，各笔段都被点亮，以检查显示器是否有故障。bi为消隐功能端，低电平时使所有笔段均消隐，正常显示时， b1端应加高电平。另外 cd4511有拒绝伪码的特点，当输入数据越过十进制数9(1001)时，显示字形也自行消隐。le是锁存控制端，高电平时锁存，低电平时传输数据。ag是 7 段输出，可驱动共阴led数码管，电源电压5v时可使用300的限流电阻。7、音乐产生电路 ck9561是一款语音合成报警集成电路芯片，芯片内储存了四种声音可供选用。ck9561集成电路芯片自右向左5个焊盘分别是：电源正端vdd（也为触发端）;振荡端osc应外接一只振荡电阻；输出端out；电源负端vss。声音类别选择端sel0、sel1。 ck9561储存的声音及其对应接线如下： sel0 sel1 警车声 不接 不接 救护车声 vss 不接 消防车声 vdd 不接 机枪声 不接 vdd因为ck9561的输出电流比较小，无法驱动扬声器，所以接一个9013三极管放大，ck9561的输出经过一个低通滤波器滤除高频分量后供adc进行信号采集ck9561电路的原理图如下：8、音频放大电路 手机音频信号只有10几毫伏，所以必须要经过合适的放大后才能供adc采集和驱动扬声器.tpa741是一款ti公司的低压供电的音频功率放大器该tpa741是一个桥式推挽(btl)音频功率放大器，可以驱动rl = 8 的扬声器负载，其内部结构如下图所示：由图可知到：其输出是差分的；所以该放大器的放大倍为a=-2*(rf/r1);在本设计中，r1=10k，rf为100k的滑动变阻器，最大放大倍数为20倍。因为该运放是差分输出的，且输出的交流分量输出信号峰值还没达到5v，不能直接送给adc，所以在tpa741后接了一个三极管放大电路，一方面将双端信号变为单端信号，另一方面将信号进一步放大，以达到adc的采样要求。三极管与tpa741输出采用交流耦合方式，经过几次调试，选择r16=7.7k，r14=r17=1.2k，可使三极管放大电路静态时的vc=1.2v。这样可使没有外接手机信号时，供ad采样的电压为1.2v,对应的点阵点亮最低四位。音频放大电路原理图如下：9、继电器切换电路 在本设计中音频信号有两个来源，在不同的电路模式中，将对不同的音频信号进行采集，所以可通过继电器切换来改变音频信号。使用的继电器是5v驱动的内阻为160的继电器，正常工作的电流为31ma；单片机无法驱动继电器，所以可用三极管来驱动基极电阻r11=20k，当relay为高电平时，基极电流为ib=（5-0.7）/20)ma=0.215ma,三极管放大倍数b=140，所以可得ic=b*ib=30.1ma,可以正常驱动继电器 继电器切换电路如下： 四，设计总结 在开始进行单片机设计时，真的不知道要做什么才好，像那些简单的，网上到处是例子的题目例如时钟，电子密码锁，电子琴等等又不想做，认为既简单，又没创新，我要做就做个前所未有的，后来左思右想，终于想到了这个题目。这个题目确实是很有挑战性的，一开始做的就是点阵，市场上8*8的点阵多得是，既漂亮又实用，我一开始也准备就用8*8的点阵，可是一个8*8的点阵显示屏太小，16*16点阵倒是还行，但价钱又不匪，综合考虑之后，决定自焊点阵，用了144个红色发光二级管焊成了12*12点阵，焊这点阵确实是一件不容易的事！将点阵调通后，可以显示图文了，同学看到我这板子上满满的二极管，都笑我这是超级跑马灯！课程设计老师说过设计做类似跑马灯这样简单的题目绝对是不及格，心想着你们都不知道我这点阵到底干什么的，精华还在后面呢接下来就是做adc采样及显示了，一开始我是将adc的输出直接通过行驱动器直接加到点阵上的，这样就犯了一个大错，因为没经过单片机进行数据处理，点阵的显示只对应adc输出的二进制数，并不能达到语音信号越强二极管就连续地点亮越多，发现这问题之后，就改变了硬件结构，首先将adc数据读入单片机，经过处理后再送出。这样通过单片机的处理就可达到语音信号越强二极管就连续地点亮越多这一效果。最后就到了最困难的一步了，就是将外接语音信号进行放大后输出和采集。最开始我是用的三极管放大，如果外接的是电脑耳际信号，通过三极管放大后，音质和音量都还行，但接手机信号时，音量就很小了，这是因为手机信号更微弱，于是我就想到用三级管做两级放大，但做出来的效果很差，音质完全变了。这下我真的感觉没辙了，要是这问题