基于单片机的带彩灯外观的音乐盒硬件设计.docx

基于单片机的带彩灯外观的音乐盒硬件设计.docx

《基于单片机的带彩灯外观的音乐盒硬件设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的带彩灯外观的音乐盒硬件设计.docx（35页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

基于单片机的带彩灯外观的音乐盒硬件设计

CHANGZHOUINSTITUTEOFTECHNOLOGY

科研实践

题目：

基于单片机的带彩灯外观的音乐盒

二级学院（直属学部）：

延陵学院

专业：

电气工程及其自动化

班级：

10电Y3

学生姓名：

学号：

指导教师姓名：

范力旻

职称：

副教授

2013年12月30日至2014年1月10日

基于单片机的带彩灯外观的音乐盒

摘要：

随着人类社会的发展，人们对视觉、听觉方面的享受提出了越来越高的要求。

小小的音乐盒可以给人们带来美好的回忆，提高人们的精神文化享受。

传统音乐盒多是机械型的，体积笨重，发音单调，不能实现批量生产。

本文设计的音乐盒是以AT89C51单片机为核心元件的电子式音乐盒，体积小，重量轻，能演奏音乐，功能多，外观效果多彩，配有彩灯,使用方便，本音乐盒有三个按键，key1控制彩灯，key2控制音乐，key3为总开关，可同时关闭音乐与彩灯。

具有一定的商业价值。

关键字：

AT89C51；音乐盒；按键；彩灯

Abstract:

Alongwiththedevelopmentofhumansociety,peopleofvision,hearingthingsputforwardhigherrequest.Smallmusicboxcanbringgoodmemoriesandimprovepeople'sspiritualculture.Traditionalmusicboxisheavymechanicaltype,size,pronunciationanddrab,cannotachievebatchproduction.MusicboxdesignedinthispaperbasedonAT89C51microcontrollerasthecoreelementofelectronicmusicbox,smallsize,lightweight,canplaymusic,multi-function,appearanceandcolorful,withalantern,easytouse.Themusicboxwiththreebuttons,Thekey1controlLantern,key2controlmusic,key3totalswitchcanturnoffthemusicandlanterns.Havesomecommercialvalue.

Keywords:

AT89C51,musicboxes,buttons,Lantern

引言

21世纪，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。

目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

单片机应用的重要意义还在于它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。

从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。

这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。

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，录像机、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。

随着科学技术的进步和社会的发展，人类所接触的信息也在不断增加并且日益复杂。

面对浩如烟海的信息，人们已经能够利用计算机等工具高效准确地对之进行处理，但要想将处理完的信息及时，清晰地传递给别人，还必须通过寻求更加卓越的显示技术来实现。

单片机技术与液晶显示技术的结合，使信息传输交流向着智能可视化方向迅速发展。

随着人类社会的发展，人们对视觉、听觉方面的享受提出了越来越高的要求。

小小的音乐盒可以给人们带来美好的回忆，提高人们的精神文化享受。

传统音乐盒多是机械型的，体积笨重，发音单调，不能实现批量生产。

本文设计的音乐盒是以单片机为核心元件的电子式音乐盒，体积小，重量轻，能演奏和旋音乐，功能多，外观效果多彩，使用方便，并具有一定的商业价值。

1概述

本设计是以AT89C51芯片的电路为基础，外部加上放音设备，以此来实现音乐演奏控制器的硬件电路，通过软件程序来控制单片机内部的定时器使其演奏出优美动听的音乐。

用户可以按照自己的喜好选择音乐并将其转化成机器码存入单片机的存储器中。

对于不同型号的单片机只需要相应的改变一下地址即可。

该软、硬件系统具有很好的通用性，很高的实际使用价值，为广大的单片机和音乐爱好者提供了很好的借鉴。

1.1课题意义

音乐盒的起源，可追溯至中世纪欧洲文艺复兴时期。

当时为使教会的钟塔报时，而将大小的钟表装上机械装置，被称为“可发出声音的组钟”。

音乐盒有着300多年的发展历史，是人类文明发展的历史见证。

传统的音乐盒多是机械音乐盒，其工作原理是通过齿轮带动一个带有铁钉的铁桶转动,铁桶上的铁钉撞击铁片制成的琴键，从而发出声音。

但是，机械式的音乐盒体积比较大，比较笨重，且发音单调。

水、灰尘等外在因素，容易使内部金属发音条变形，从而造成发音跑调。

另外，机械音乐盒放音时为了让音色稳定,必须放平不能动摇，而且价格昂贵，不能实现大批量生产。

本文设计的音乐盒，是基于单片机设计制作的电子式音乐盒。

与传统的机械式音乐盒相比更小巧，音质更优美且能演奏和弦音乐。

电子式音乐盒动力来源是电池，制作工艺简单，可进行批量生产，所以价格便宜。

基于单片机制作的电子式音乐盒，控制功能强大，可根据需要选歌，使用方便。

根据存储容量的大小，可以尽可能多的存储歌曲。

另外，可以设计彩灯外观效果，使音乐盒的功能更加丰富。

1.2设计方案

设计一个基于AT89C51系列单片机的音乐盒，利用按键切换演奏出不同的乐曲。

蜂鸣器发出某个音调，与之相对应的LED亮起。

使用两个按键，一个用来切换歌曲，另一个切换八路LED的变化花样。

1.3研究内容

1）电路有两种工作模式：

演奏音乐模式和花样灯模式。

演奏音乐模式：

演奏完整的一首的歌曲，八路LED随着音乐变化。

花样灯模式：

八路LED变化出各种花样，蜂鸣器随着发出“嘀嘀”声

2）按下按键1进入演奏音乐模式，再按切换歌曲，共两首歌曲。

3）按下按键2进入花样灯模式，再按切换LED花样，共三种花样。

此电路的程序只占用了1K左右，可编制更多的音乐和LED花样，使系统的功能更加强大。

2系统总体方案介绍

2.1系统组成框图

音乐盒的系统结构以AT89C51单片机位控制核心，加上2个按键、时钟复位电路、蜂鸣器、LED模块组成。

单片机负责接收按键的输入，根据输入控制音乐播放曲目和音乐花样灯的显示样式以及蜂鸣器发音。

系统组成框图如图2.1所示。

图2.1系统组成框图

2.2音乐盒的功能结构图

音乐盒有三个按键key1，key2，key3，其中key1控制彩灯的样式，本设计有六种彩灯花样，每按一次变换一种样式。

Key2控制音乐播放，本设计有五首音乐，每按一次变换到下一首，同时八路LED灯随音调不同而闪烁。

Key3为总开关用于关闭音乐跟彩灯。

2.3主要设计软件介绍

本设计利用KEIL编程软件对音乐盒源程序进行编程并调试，配合PROTEUS仿真软件对硬件进行仿真调试，两种软件的简介如下：

2.3.1PROTEUS软件简介

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

2.3.2KEIL简介

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。

机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。

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等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。

运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。

在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。

3硬件设计

3.1总体设计框图

图3.1总体设计框图

3.2各部分硬件设计及其原理

3.2.1AT89C51简介

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图3.2所示

图3.2AT89C51系列单片机

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.2.2复位电路设计

在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：

这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。

无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。

而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。

许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位1、手动按钮复位手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电平。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。

手动按钮复位的电路如所示。

由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求

复位电路的工作原理：

VCC上电时，电容充电（充电过程中会有充电电流，并且在最开始时电流最大，随着时间推移逐渐减小直到电容充满电后充电电流变为0，此时无充电电流，电容器相当于开路，这个时候才是真正意义上的隔直，所以在电源接通的一瞬间，是有通交这个过程的），在电容充电这个过程中，RST端电压确正好相反是从VCC逐渐降低到0（因为充电电流是从大变小直到0），此过程中会有一段时间VCC处于高电平状态，导致单片机复位（时间常数t=R*C决定）。

但电容不再充电后，无电流通过，RST恒为0，单片机正常工作。

单片机的第9脚RST为硬件复位端,只要将该端持续2个机器周期即2us的高电平即可实现复位,复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，复位按钮按下后即可输入高电平。

图3.3复位电路设计图

3.2.3时钟震荡电路设计

晶振电路是由一个12MHZ的电解电容和两个30pF的电容组成的。

T=12*1/12MHZ=1us

充放电电路的时间T=RC=10KΩ×10μF=0.1s

由以上计算可以得出，充放电电路的时间远远大于2us的机器周期。

满足复位条件,所以此电路可以实现复位功能。

开机的时候的复位在电路图中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。

所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。

也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在0~3.5V增加。

这个时候10K电阻两端的电压为从5~1.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。

所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V~1.5V。

在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。

所以在开机0.0S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。

复位键按下的时候的复位在单片机启动0.01S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。

当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。

随着时间的推移，电容的电压在0.01S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。

根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。

单片机系统自动复位。

51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好

P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。

设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。

计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。

设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。

在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。

当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。

由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。

当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2ms。

图3.4晶振电路图

3.2.4电源电路设计

电源模块：

从9V稳压源再稳到5V，输出电容和输入电容都不需要很大容量，有100μF就可以了，主要起抑制自激振荡的作用。

电源部分通过稳压电路由7805芯片，2个100uF的极性电容和2个104pF瓷片电容组成。

配套使用的。

电源稳压芯片7805/7905是一种典型的组合装封三端稳压集成电路模块!

带金属基板散热按装片该模块多用于有处理器的5V电源的处理板!

戏称电脑稳压块输入电压可达直流12V（容许）输出5V+-5%以内电流1A,最大短时可达3A（极限）在超过500毫安输出时最好加装散热器7805输入/输出为正7905输入/输出为负面对字标左脚进右脚出中间脚接地

 电源部分电源装置是电路的能量提供者,该设计中所制作的电源为单相小功率电源，将9V的直流电源经稳压管转换成所需要的5V直流电源。

由于系统的要求，需要用5V的稳压直流电源对系统中的芯片进行供电，电路采用7805进行设计。

7800系列的最后两位数字表示该集成稳压器的输出电压值，其输出电压的偏差在2%以内。

固定输出的集成稳压电源的基本电路如图3.5所示。

总体电源电路如图3.6所示：

图3.6电源电路

3.2.5按键电路设计

音乐盒有三个按键key1，key2，key3，其中key1控制彩灯的样式，本设计有六种彩灯花样，每按一次变换一种样式。

Key2控制音乐播放，本设计有五首音乐，每按一次变换到下一首，同时八路LED灯随音调不同而闪烁。

Key3为总开关用于关闭音乐跟彩灯。

key1接P3.3口控制彩灯的样式，本设计有六种彩灯花样，每按一次变换一种样式。

key2接P3.2口控制音乐播放，本设计有五首音乐，每按一次变换到下一首，同时八路LED灯随音调不同而闪烁。

Key3接P3.1口为总开关用于关闭音乐跟彩灯，。

图3.7按键设计图

3.2.6发音电路设计

三极管9013是晶体小功率三极管，把显示文字平面朝自己，从左向右依次为e发射极b基极c集电极；一种常用的小功率PNP型硅管，这个管子很常见在收音机以及各种放大电路中经常看到它。

9013NPN20V625mA500mW高频管放大倍数40-110

三极管9013主要参数:

集电极-发射极电压25V

集电极-基电压45V

射极-基极电压5V

集电极电流0.5A

耗散功率0.625W

结温150℃

特怔频率最小150MHZ

放大倍数：

D64-91E78-112F96-135G122-166H144-220I190-300

图3.8PNP三极管9013管脚图

三极管基极电流大约是（5-0.7）/5100=0.84mA,因为喇叭的电流是37mA,所以，功率放大倍数K=Ic/Ib=37/0.84=44.04，所以大约放大44倍。

矩阵扫描扬声器通过功放电路发出对应音符模块如下：

图3.9声音电路设计图

3.2.7LED显示电路设计

花样灯6种花样图

由于截图只能看到静态图，不能看到整体图样，下面文字说明：

（1）第一种花样灯显示方式为：

从D1→D2→D3→D4→D5→D6→D7→D8→D7→D6→D5→D4→D3→D2→D1依次点亮，往复循环。

（2）第二种花样灯显示方式为：

从[D1→D2→D2→D7→D3→D6→D4→D5→D4→D6→D3→D7→D2→D2→D1依次点亮,往复循环。

（3）第三种花样灯显示方式为：

D1→D2→D3→D4→D5→D6→D7→D8依次点亮

→D1→D2→D3→D4→D5→D6→D7→D8依次熄灭,往复循环。

（4）第四种花样灯显示方式为：

（D1，D2）→（D2，D3）→（D3，D4）→（D4，D5）→（D5，D6）→（D6，D7）→（D7，D8）→（D7，D6）→（D6，D5）→（D5，D4）（D4，D3）→（D3，D2）→（D2，D1）依次点亮,往复循环。

（5）第五种花样灯显示方式为：

（D1，D2）→（D7，D8）→（D2，D3）→（D6，D7）→（D3，D4）→（D5，D6）→（D4，D5）→（D3，D4）→（D5，D6）→（D2，D3）（D6，D7）→（D1，D2）→（D7，D8）依次点亮,往复循环。

（6）第六种花样灯显示方式为：

（D1，D3，D5，D7）→（D2，D4，D6，D8）→（D3，D4，D6，D7）→（D1，D2，D4，D5）→（D2，D3，D6，D7）→（D1，D4，D5，D8）→（D1，D2，D3，D4）→（D5，D6，D7，D8）依次点亮,往复循环。

图3.10LED显示电路设计图

4硬件仿真

4.1测试结果

按照实验电路图在proteus中找到相应的元器件，并搭建电路，将相应元器件的规格调到合适值。

在keil中生成HEX文件，装入单片机中运行，按key1可看到花样灯闪烁，每按一次变化一种样式。

按key2可听到动听的音乐，每按一次变化为下一首歌。

按key3可以同时关闭灯跟歌曲。

按键均可实现要求的功能。

4.2总体运行图

播放歌曲图

歌曲暂停图

4.3实物制作

一般来说，造成硬件问题的首要问题就是焊接了，也就是说焊接的好与坏直接响产品的正常运行。

造成焊接质量不高的常见原因是:

①焊锡用量过多,形成焊点的锡堆积；焊锡过少,不足以包裹焊点。

②冷焊。

焊接时烙铁温度过低或加热时间不足,焊锡未完全熔化、浸润、焊锡表面不光亮（不光滑）,有细小裂纹（如同豆腐渣一样!

）。

③夹松香焊接,焊锡与元器件或印刷板之间夹杂着一层松香,造成电连接不良。

若夹杂加热不足的松香,则焊点下有一层黄褐色松香膜；若加热温度太高,则焊点下有一层碳化松香的黑色膜。

对于有加热不足的松香膜的情况,可以用烙铁进行补焊。

对形成的黑膜,要"吃"净焊锡,清洁被焊元器件或印刷板表面,重新进行焊接才行。

④焊锡连桥。

指焊锡量过多,造成元器件的焊点之间短路。

这在对超小元器件及细小印刷电路板进行焊接时要尤为注意。

⑤焊剂过量,焊点明围松香残渣很多。

当少量松香残留时,可以用电烙铁再轻轻加热一下,让松香挥发掉,也可以用蘸有无水酒精的棉球,擦去多余的松香或焊剂。

⑥焊点表面的焊锡形成尖锐的突尖。

这多是由于加热温度不足或焊剂过少,以及烙铁离开焊点时角度不当浩成的内。

硬件的调试

1排除逻辑故障这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。

主要包括错线、开路、短路。

排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。

应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。

必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错