音乐彩灯控制器设计方案

1 音乐彩灯控制器设计方案 1 引言 目前， 基于彩灯控制器的设计的 方法很多，有 利用单片机控制的、有利用传感器控制的，还有利用 制的等 等 。 在 简化设计步骤和节约实验器材的情况 下，为了简化硬件电路，也可采用 7制的 ， 虽然硬件电路比较简便，但是实验程序更复杂，实验步奏更繁琐； 对于 编写程序 是个比较困难的问题。通常采用 单片机控制的方法 ，即 利用单片机的端口来控制彩灯以及音乐播放 ，在 程序编写上更容易编写 ， 程序的可编译性更强。 本设计 利用 片机 来实现 基于单片机的音乐彩灯控制的设计 。用一恒 流源供电，当 按下“开始”按键时单片机开始输出，彩灯开始闪烁和音乐播放开始同步播放；当按下“停止”按钮时音乐播放停止，彩灯停止闪烁， 示停止。当再次按下“开始”按钮时彩灯开始闪烁和音乐播放开始同步播放。 单片机系统通过对采用数据进行扫描，控制 D/A 转换器转换，并根据 按键控制端口输出。 此方案思路清楚，电路简单，便于操作 1。 2 设计方案的比较与 选择 计 任务与 要求 要求将音乐分成四个不同的频段，将彩灯分为四组，各组彩灯颜色不同，每组彩灯包含两个颜色相同的彩灯。 (1) 实现音乐彩灯同步控制； (2) 当音乐处于高频段 20004000第一组彩灯根据音乐节拍长短不同决定灯亮的个数； (3) 当音乐处于中频段 5001200第二组彩灯根据音乐节拍长短不同决定灯亮的个数； (4) 当音乐处于低频段 50250第三组彩灯根据音乐节拍长短不同决定灯亮的个数； (5) 当音乐在这些频段之外，要求所有彩灯按照 1率节奏性的闪烁； 2 案的论证和选取 方案一： 基于单片机的 音乐彩灯控制器的设计 ，是利用单片机编程产生频率 分 2方波，根据实际情况，本设计采用 12为系统的外部晶振，电容值取 30过发射驱动电路放大，使 闪烁 ， 同时音乐同步播放并通过 12864液晶屏显示频率 2。其系统框图如图 1 所示。 图 1 基于单片机的 音乐彩灯控制器的设计的 系统框图 这种以单片机为核心的 基于单片机的音乐彩灯控制器的设计；利用振荡电路产生12时钟 信号， 在通过单片机输出， 单片机系统通过对采用数据进行扫描，控制D/A 转换器转换，并根据 按键控制端口输出 ，此方案思路清楚。 利用单片机 、按键控制音乐彩灯 ， 控制灵敏度高 ，而且单片机控制方便， 操作 简单。许 多 音乐彩灯控制器的设计 都采用这种设计方法。 方案二：这种测距系统采用 件，运用写程序，使用 件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。 件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为 D 触发器、 T 触发器、发器或 发器工作方式或组合逻辑工作方式。它的这种特性非常适用于本系统 。可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由 实现，而只需在外部配上适当的超声波传 感器、接收和发送电路，即可组成一个性能稳定、响应速度快且具有显示功能的 彩灯控制器 。 本 设计首先进行系统模块的划分，规定每一个模块的功能以及各模块之间的借口，最终将设计分为三大模块：四分频器，四选一控制器， 8 样彩灯控制器。本设计充分利用顶向下”的设计优点以及层次化的设计概念，从简单的单元入手，逐渐构成单 片 机 系 统 振荡电路 按键及下载口电路 12864 液晶显示电路 音乐播放电路 彩灯显示 电路 精密恒流源 3 复杂的系统。 配合使用 发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短。其系统框图如图 2 所示。 图 2 基于 音乐彩灯控 制器 系统框图 综合考虑前两种方案，方案一 操作方便，控制性更好 ，功耗低，模块简单，稳定性高，成本低的特点，方案二具有灵敏度高，但结构复杂 、功耗比较和高控制不简便 的 缺点 。综合各自的优劣点我们选择方案一。 音 频 控 制 器 显 示 控 制 器 四分频器 12864 液晶显示 彩灯显示 音乐播放 四选一控制器 音频发生器 4 3 硬件电路的设计 片机系统设计 框图 本文所设计的 基于单片机的音乐彩灯控制器的设计 主要由 时钟 电路、 复位 电路、 按键控制电路、下载口电路 、 喇叭声音电路 、 显示电路、直流稳压 电源等硬件电路部分以及相应的软件部分构成。首先由单片机驱动产生 12单片机片内有一个高增益的反 相放大器，反相放大器的输入端为 出端为 该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。由 单片机驱动后把结果输出到 喇叭和 12864液晶屏 上。 由编程可以实现音符频率表、音名以及半音频率表的确定和分配。可以将声音分为高音（ 2中音（ 500及低音（ 5050等，故可以分配彩灯在不同的频率段实现闪烁；同时当在划定频率外时实现彩灯以 1而可以满足设计的要求，达到设计的标准3。 根据要求并综合 以上 各方面因素，采用 片机作为主控制器， 采用按键来控制音乐以及彩灯的开始、暂停和停止。基于单片机的音乐彩灯控制器的单片机最小系统 如下图 3 所示： 0 1 . 5P 1 D / P 3 . 010T X D /P 3 . 111T 0 /P 3 . 414T 1 /P 3 . 515P 2 A L 118X T A L 219V s c T 1 / P 3 . 313I N T 0 / P 3 . 212P S E / P 3 . 616R D / P 3 8 9 S 5 2R E . 6P 1 . 7 . 0P 3 . 1P 3 . 2P 3 . 3P 3 . 4P 3 . 5P 3 . 6P 3 . 7R S . 0P 2 . 1P 2 . 2单片机外围电路复位电路晶振电路图 3 基于单片机的彩灯控制器的设计的 设计框图 5 片机外围电路 当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的 来接石英晶体和微调电容，晶体一般可以选择 2容选择 30们选择晶振为 12容 30系统上电的瞬间， 电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升， 是在 成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即=0般取 R1C22当人按下按钮 ，使电容 过 速放电，待 起后， C 再次充电，实现手动复位。 般取 10们通过 启动 控制 ，程序中通过查询 电平来检测是否按键被按下，当按下按键时 低电平，单片机通过查询到低电平开始 音乐输出和彩灯 ，当松开按键， 为高电平，在软件中通过软件延时来消除按键的机械抖动。 6 03 5 单片机外围电路 钟电路 (1) 在单片机片内有一 个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为 出端为 该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟方式和外部时钟方式。我们采用内部时钟方式，如图 4 所示： 7 晶振电路 (2) 在内部方式时钟电路中，必须在 脚两端跨接石英晶体振荡器和两个微调电容构成振荡电路， 31右，晶振的频率取值 2据实际情况，本设计采用 12为系统的外部晶振，电容值取 30。 位电路 我们在用 按键控制 时， 为了 避免 单片机程序错误而导致的错误输出，从而加入复位电路，对任意的情况都能够通过复位按键使电路复位。 单片机复位是使 系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。无论是单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。所以，必须弄清楚单片机复位的条件、复位电路和复位后的状态。单片机复位的条件是，必须使 脚（ 9 脚）加上持续两个机器周期（即 24 个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为 12机器周期为 1只需 2上时间的高电平。在 脚出现高电平后的第二个周期执行复位。单片机常见的复位电路有上电复位电路和按键复位电路。为了方便系统的硬件初始化，我们采用按键复位电路。 如图 6 所示 ： 复位 电路 8 键 电路 由于 要达到设计要求，同时也为了提高设计的课操作性；选用按键来控制输入从而可以手动的对音乐彩灯进行控制 。 按键 单片机 口连接是“开始”按键；按键单片机 口连接是“暂停”按键；按键 单片机 口连接是“停止”按键。 如 图 7 所示 。 按键电路 载口电路 下载口电路采用了 载口，能快速下载和更换单片机中的程序，从而满足和达到实验的要求下载口的 1 脚与单片机的 连接，下载口的 2 脚与 连接，下载口的 3 脚与单片机的相连接，下载口的 5 脚与单片机的相连接，下载口的 7 脚与单片机的 连接，下载口的 9 脚与单片机的 连接，下载口的 4、 6 和 8 脚与 载电路采用 座；其插座的管脚如图 8 示， 脚功能如表 1 所示 5。 P 1 3 45 67 89 10下载口电路图 8 按键下载口电路 9 表 1 脚使用说明 脚 说明 脚 说明 1 钟信号 5 位端 2 源 9 出信号 3 入信号 10 线 4 线 灯 显示电路 码显示管有两种，一种是共阳极数码管，另一种是共阴极数码管，其内部是由八个阳极或阴极相连接的发光二极管组成，二者原理不同但功能相同。共阴极 码显示块的发光二极管阴极连接在一起，形成该模块的公共端（通常称为位选端），因此称为共阴极 码显示器 ， 8 个数码管的另一端通常称为段选端，当显示器的公共端接低电平，某个发光二极管的阳极接高电平时，该发光二极管被点亮；而共阳极 码显示管 则 形成共阳极 码显示块的公共端，该公共端必须接高电平，同理在共阳极 码显示块中如某个发光二极管的阴极为低电平时，该发光二极管被点亮 7。 2用 12获得较稳定的时钟频率， 从而使输出的频率更为稳定。 显示电路采用简单实用的 8位共阳片机系统显示电路如图 9所示 。 30 . 0 P 3 . 1 P 3 . 2 P 3 . 3 P 3 . 4 P 3 . 5 . 6 P 3 . 730303030303030图 9 示电路 2864 液晶 电路 2864 液晶简介 12864 是 128*64 点阵 液晶模块的点阵数简称 。 该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器。液晶模组的驱动应遵照规定的额定指标，避免故障及永久损坏。液晶显示屏 焊接温度： 280C+10C 焊接时间 3 6。液晶的电气特性如表 2 所示 。 10 表 2 12864液晶的电气特性 项目 符号 最小 典型 最大 单位 电源电压 液晶驱动电压 a=0 5 0 晶的背光驱动电流 60 80 液晶驱动电流 2864 液晶显示屏管脚号及作用 液晶的 1 脚 电源，为液晶提供电流； 17 脚为复位端，与单片机的 27 脚连接，通过单片机程序来控制液晶显示的复位；液 晶 20 脚接地线； 714 脚与排阻的 29 脚连接。如表 3 所示。 表 3 12864液晶显示屏的管脚号及作用 管脚号 管脚名称 电平 管脚功能描述 1 5V 电源地 2 5V 电源正 3 对比度（亮度）调整 4 S） H/L H”,表示 示数据 L”,表示 5 R/W( H/L R/W=“H”,E=“H”,R/W=“L”,E=“HL”, 6 E(H/L 使能信号 7 ： 8位或 4位并口方式 ， L： 串口方式 16 空脚 17 /，低电平有效 11 续表 12864 液晶显示屏的管脚号及作用 管脚号 管脚名称 电平 管脚功能描述 18 动电压输出端 19 A 光源正端 （ +5V） 20 K 光源负端 在这个设计中 由于采用的是并行，故直接将 接高电平； 接地。液晶的数据位 别接在排阻 7 上；复位端 17 脚和单片机的复位端连接。 12864 液晶屏显示部分电图如图 10 所示 。 123456789 I Z U _ 8V C 1 0 07D B 18D B 29D B 310D B 411D B 512D B 613D B 714P S D _ D _ 8 6 4 D 显示电路图 10 12864 液晶屏显示 电路 乐播放 电路 为了提高声音电路的功率并保持稳定在喇叭电路中增加了一个 8550 三极管，并增加了一个阻值比较大的电阻来增加电路的电流 。音乐播放电路如图 11 所示 。 L 1图 11 喇叭 电路 12 流稳压电源电路 电源电路采用普通可调电源供电，电源由外接端口连接 5V 电压参考源，可满足本系统单片机、彩灯和小喇叭的供电要求。其中采用两个电容并联，达到滤波的作用，以便得到 稳定 的 电流。如下图 12。 12 30. 12 稳压电源电路 13 4 系统软件设计 硬件电路一旦确定，大体的功能框架也形成了。这时我们需要在硬件平台上编写软件程序，完成各部分硬件的控制和协调。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最终实现的系统功能可强可弱，差别可 能很大。因此，软件是本系统的灵魂。 音乐彩灯控制器的软件设计主要是为了实现彩灯与音乐同步控制。基于单片机的音乐彩灯控制器的设计 的软件设计主要由主程序、 复位程序、音频及半音 程序、 按键 中断程序及显示子程序组成。下面 分别 对主程序、 音频及半音 程序 、按键 中断程序 和显示程序 逐一作介绍 7。 片机系统设计 主程序 流程图 本设计选用 单片机来控制歌曲播放和歌词显示。采用直流电源为其提供基准电压 +5V，采用 12864示，小喇叭播放音乐 8。通过软件程序与按键输入来控制输入与输出。当电源接 通时，程序开始初始化。当开始键按下时单片机的 21 脚输入低电平，程序启动；音乐开始播放彩灯交替移动点亮；随即进入通过频率变化范围中断若在整体频率范围内则继续程序；若不在整体频率范围内则所有彩灯 1烁。当程序进入高频判定时，若在高频段内则使高频段灯亮，液晶显示当前频率的大概值；若不在高频段范围内则进入中频判定，判定结果同高频；当程序进入低频判定时，若满足频率判定要求则低频段灯亮，液晶显示当前频率的大概值；若不满足判定要求则程序结束。图13 为主要程序流程图 。 14 图 13 主程序流程图 开始 初始化 按键按下？ 播放音乐 Y 在高频段内？ 在中频段内？ 高频段灯亮并且液晶显示当前频率大概值 Y 中频段灯亮并且液晶显示当前频率大概值 Y 在低频段内？ 低频段灯亮并且液晶显示当前频率大概值 Y 所有彩灯 1结束 N N N N 15 音乐彩灯控制器的主程序如下。 #) #0; # 1 ; # 0 ; # 1 ; # 0 ; # 1 ; # 0 ; #1059200 /所使用的晶振频率 ; ; ; 27; 30; 31; 32; 33; 34; 35; 36; 37; 20; /*产生方波的定时器的初值 */ /*定时器延时计数 */ /*定时器定时完成标志 */ 16 , ; 6=当前频率值： ; ; /*音符频率表 */ = 523, 587, 659, 698, 784, 880, 988, 1047,1175,1319,1396,1568,1760,1976, 2093,2349,2637,2793,3136,3520,3961; /*音名 */ =c,d,e,f,g,a,b, 1,2,3,4,5,6,7, C,D,E,F,G,A,B,0; /*半音频率表 */ = 554, 622, 740, 831, 933, 1109,1245,1480,1161,1865, 2218,2489,2960,3322,3729; /*音名 */ =c,d,f,g,a, 1,2,4,5,6, C,D,F,G,A,0; 17 /*声明 */ p,i); ; ; ; ; ; x, y, ; 乐 程序 主要 利用单片机的频率发生器产生方波，来产生不同频率的音乐。 10， 具体 程序如下 。 i; ; ; ; ; ) 0) if(i=1)i=0; /启动关闭按键 if(i=0)i=1; if(i=1) /1_1_5_5_6_6_54_4_3_3_2_2_15_5_4_4_3_3_2 5_5_4_4_3_3_21_1_5_5_6_6_5 4_4_3_3_2_2_1); /满天都是小星星 0,0, 曲目：两只老虎 ) ; 1_2_3_1_1_2_3_1_3_4_5 3_4_55=6=5=4=3_1_ 5=6=5=4=3_1_ 2_; /两只老虎 18 /; /山楂树 0,0, 学习雷锋好榜样 ) ; ; /学习雷锋好榜样 /; / 3- 2_3_4_3 3- 2_3_4_3 3- 4- 3_4_5_4 4- 33- 2_3_4_3 3- 2_3_4_3 3_4_5_4 4- 3;/许巍星空前奏 0,0, 许巍 时光 ) ; 543 3_2_1_2_30 _2_1_2_30 _3_2_3_4 1 b a g);/许巍 ; /*音符频率表 */ = 523, 587, 659, 698, 784, 880, 988, 1047,1175,1319,1396,1568,1760,1976, 2093,2349,2637,2793,3136,3520,3961; /*音名 */ =c,d,e,f,g,a,b, 1,2,3,4,5,6,7, C,D,E,F,G,A,B,0; /*半音频率表 */ = 554, 622, 740, 831, 933, 1109,1245,1480,1161,1865, 19 2218,2489,2960,3322,3729; /*音名 */ =c,d,f,g,a, 1,2,4,5,6, C,D,F,G,A,0; 时器子程序设计 序 时器工作原理 当定时器设置为定时方式时，计数器对内部机器周期计数，每过一个机器周期，计数器加 1，直至计满溢出。定时器的定时时间与系统的振荡频率紧密相关，实验单片机系统采用 12振，计数周期为 1 s，适当选择定时器的初值可获取各种定时时间。 时器特殊功能寄存器 定时器的初始化是通过定时器的方式寄存器 控制寄存器 成的。 (1) 定时器的方式寄存器 定时器 0、定时器 1 的工作方式寄存器，其格式如表 4 所示。 表 4 定时器工作方式寄存器 ，高四位为定时器 1 的方式字段，它们的含义完全相同。各位的意义如下。 作方式选择位，设最大计数值为 M。具体功能如表 5 所示。 表 5 作功能描述 作方式 功能描述 最大计数值 00 方式 0 13 位定时器 /计数器 M=213=8192 01 方式 1 16 位定时器 /计数器 M=216=65536 10 方式 2 常数自动重 装的 8 位定时器 /计数器 M=28=256 11 方式 3 仅适用于 为两个 8 位定时器 /计数器。定时器 0 20 分成两个 8 位计数器，所以两个定时器的 M 值均为 256。 C/T：定时器 /计数器的选择位。 C/T =0 工作于定时方式， C/T =1 工作于计数方式。 控位。 当 时，只要有 ，定时器 /计数器就开始工作，称为软启动。当 时，只有 脚和 脚同时为 1 时，定时器 /计数器才开始工作，主要用于测量脚上高电平脉冲的宽度，称为硬启动。 (2) 定 时器控制寄存器 作用是控制定时器 /计数器的启动、停止，标志定时器的溢出和中断情况，其格式如表 6 所示。 表 6 定时器控制寄存器 定时器 /计数器 溢出标志。 当 允许计数后， 初始值开始加 1 计数，最高位产生溢出时，该位由内部硬件置位，并向 求申请中断。当 应，由硬件清零。 定时器 /计数器 运行控制位。由软件置 1 或清零来启动或关闭定时器 /计数器。 本 程序通过单片机的 生中断，来调用歌词显示程序和彩灯程序，达到一种同步的效果。按下复位键后，将从头开始。 软件分为两部分，主程序和中断服务程序，主程序完成初始化工作、 进入定时中断程序。 定时中断服务子程序完成 对彩灯和音乐的控制 ，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、 程序的运算 、结果的输出等工作 9。定时中断与外部中断流程图分 别如图 14、 15 所 示。 21 图 14 定时中断服务子程序流图 定时中断入口 N Y 显示同步 定时器初始化 返回 按键输入 音乐同步 22 图 15 外部中断服务子程序流图 时器子程序 首先我们定义寄存器 择定时器 0，定时方式，方式 1。本设计采用的 12晶振，所以计数周期为 1 s。方式 1 最大计数时间为 65536 s，这里我们选择定时 50以初值就可以计算： 初值 X=655365536=3 (公式 1) 0H (公式 2) 由于本设计需要使彩灯 1频率闪烁，即需要定时时间为 500以，没完成一次定时，定义一个 加一次，当 数到 10 时，使所以彩灯取反。定义好初值以后则打开总开关 和允许中断开关 ，最后启动定时器 0,。定时器程序如下： 关外部中断 外部中断入口 读取输入 程序运算 结果输出 开外部中断 返回 23 /*定时器 0 用来产生方波 */ ) /*定时器用来进行比较准确的延时 */ ; if(500000l) ; ; i; j; i=0; ; i = 125 ; i 0 ; ; /初始化 0 ; /基本指令集 50 ) ; 0 ; /清屏 50 ) ; 0 ; /光标右移 50 ) ; 0 ; /开显示 x, y ) /地址转换 y ) 29 : 0 x ; : 0 x ; : 0 x ; : 0 x ; ; x, y, x, y ) ; *= 0 ) * ) ; 30 5 结束语 在即将毕业之际，做一个系统的设计可以对自己三年的所学做一个总结，也是给自己以后工作增添一份信心。 以上基于单片机的 音乐彩灯控制器 的设计包含了：电路分析、数字、模拟电路和单片机、传 感器、 C 语言等方面的知识，另外还有选材购买、动手制作等方面。所以具有很高的参考价值，同时，该设计的方案也是来源于生活中广泛的应用领域，有很强的应用价值。 单片机的应用改变了传统的设计思路，以前构建一个系统需用用很多的数字模拟器件或者电路单元来构建，系统可靠性差、缺乏灵活性、维护不便、成本高、无法实现智能化等诸多缺点。单片机的应用解决了很多问题，现在只要写一个软件，通过单片机和一些简单的外接电路就可以实现具有很多功能的、而且具有智能化的系统，同时可方便升级维护。所以单片机的应用广泛，在日常生活和生产中占用重要 位置。所以我们设计选择了单片机的系统其说明我们深深的意识到它的重要作用。设计中也 “小试牛刀 ”的使用了我们传感器课程所学的超声波的知识；用到了电路分析；模拟电子技术的知识；单片机程序设计使用了 C 语言来编写程序，感受到了 C 语言的魅力所在。可以说该设计的过程是对我们三年所学的一次总结。 通过以上的设计过程，我不但在知识上收获了，而且发现了自己的一些不足之处；我遇到了很多的问题。 首先是对电路的优化，硬件可以通