流水灯与音乐的完美结合.doc

9速度流水灯电路和程序的设计 2009-12-01 11:33:11来源：文字大小：【大】【中】【小】查看次数：2726关键字：9速度流水灯电路和程序的设计 电子制作 09年第12期 一、 9速度流水灯电路和程序的设计：9速度流水灯用到是单片机和周围的15个发光二极管，使用9个按键来完成9个速度的现场设置。简化后的电路如图3所示。图315个发光二极管的正极接5电源，负极通过1K的限流电阻连接单片机的15个端口，单片机的端口输出高点平，发光二极管熄灭，端口输出低电平，发光二极管点亮。对于控制发光二极管流水，只要按顺序点亮不同的二极管就可以显示出流水的状态，每个发光二极管点亮后保持点亮的时间不同，显示出流水速度的不同。顺序点亮每个二极管时，如果二极管所对应的控制管脚在一个P口内，使用“左移”或者“右移”指令可以很简单的控制其流水，本电路中的流水控制端口分布在3个P口内，最简单、直观的方案是使用端口置位指令，通过顺序对不同的端口置位1或者0，使发光二极管点亮和熄灭，好在本单片机是1T的单片机，其执行指令的速度相对很快，不利的地方是编写的程序的长度可能要长一些。流水速度通过9个按键来设置，而9个按键端口与9个发光二极管兼用，由于按键按下与单片机拉低端口效果相同，软件中需要在检测某按键时，首先保证单片机释放此端口的情况下的检测，如果是高点平，则认为对应的开关状态是释放的，如果是低电平，则认为对应的开关是按下的，使用不同的按键开关来改变不同的流水速度。流水灯的速度使用一个定时器来控制时间，使用定时器控制时间的特点是，控制准确且方便，定时器每次中断以后，重新装载的初始时间数据，决定了下次中断的时间，从而改变流水灯的流水速度。9速度流水灯的软件框图如图4所示。图49速度流水灯的源程序请到网站下载。9速度流水灯的演示效果请到下载视频文件观看。二、 9速度鸳鸯步电路与程序设计：9速度鸳鸯步电路原理图与9速度流水灯的原理点图相同，不同之处是软件功能不同，此软件功能是对顺序排列的发光二极管按“进二退一”来控制发光二极管的点亮。其软件框图见图4。9速度鸳鸯步的源程序请到网站下载。9速度鸳鸯步的演示效果请到网站下载视频文件观看。三、 可设置时间的十字路口交通指挥灯的设计与实现：十字路口的交通指挥灯，是大家非常熟悉的一个路口指挥的控制设备，两个不同方向线上有倒计时计时器和红、黄、绿三种颜色的指示灯，本电路模拟十字路口计时器和交通指挥灯与现场不同的是现场有4组倒计时器和4组指挥灯，此处在一个方向上只取用一组到计时器和指挥灯。模拟的路口交通指挥灯的计时器和指挥灯如图5所示。图5A、B是两个不同方向上的倒计时器，A1、A2、A3，B1、B2、B3是两个不同方向上的三种颜色的指挥灯，由于电路用于多种功能演示，所以指挥灯的分布位置不规则。本电路中的计时器使用的数码管驱动端口，与按键1按键7，以及7个发光二极管兼用，所以本电路中只能使用按键8和按键9来完成两个不同方向上的时间设置。两个不同方向上的工作时间根据车流大小，可以设置成不同的时间数据。在正常的工作状态下，常按8按键不放,听到一声鸣响进入A方向时间设置状态，前面的两个数码管显示A方向上的通行时间，后面的两个数码管消隐。使用按键8增加工作时间，使用按键9减小工作时间，每次“按键8”递增一秒钟，每次“按键9”递减1秒钟。数据调整设置完毕，再次常按住按键8退出A方向的设置状态，自动进入正常的工作状态下。在正常的工作状态下，常按9按键不放,听到一声鸣响进入B方向时间设置状态，后面的两个数码管显示B方向上的通行时间，前面的两个数码管消隐。使用“按键8”增加工作时间，使用“按键9”减小工作时间，每次按键8递增1秒钟，每次按键9递减1秒钟。数据调整设置完毕，再次常按住按键9退出B方向数据设置状态，自动进入正常的工作状态下交通指挥灯的功能原理是，绿灯方向上的倒计时器比红灯方向上的倒计时器提前2秒钟，绿灯倒计时等于0,此组的黄色指挥灯闪烁2秒钟。之后转换为红色指挥灯点亮。另一个方向上的红色指挥灯，转变为绿色指挥灯。两个不同的行使方向上的指挥灯交替切换绿灯、黄灯和红灯，指挥十字路口的车辆行驶和停止。软件框图如图6所示：图6交通指挥灯的源程序请到:网站下载。交通指挥灯的演示效果请到:网站下载视频文件观看。四、 3首电子曲目交替播放的音乐电子喷泉:软件编写乐曲通过单片机端口输出并放大，驱动发声器发出电子音乐，在很多电子产品中可见到，例如；“美的”豆浆机工作完成以后，便发出一段音乐来提醒。单片机发出音乐最简单的方法就是根据音乐中的音调高低，单片机端口输出不同的工作频率脉冲信号，根据音乐的节拍，单片机端口输出不同持续时间信号。单片机按照音乐的旋律改变着输出端口上输出的不同频率，不同持续时间的脉冲信号，这些脉冲信号便是一段悦耳的乐曲。编写乐曲软件，在一个音调的持续期间内，单片机输出等宽度的脉冲信号即可，最简单的方案是通过延时程序控制端口的翻转，这种方案中，单片机在这段延时程序内只能发送音频脉冲。另外一种方案是使用一个定时器，每次定时中断，控制输出端口翻转一次。每次定时中断后，通过加载不同的初始值实现不同的工作频率，按节拍加载不同的中断初始值，便输出一段音乐。这种方案的特点是：编写的程序比较简单，而且单片机还可以在播放音乐的同时再完成其它的工作。本功能的软件中使用了定时器方案输出音乐信号。电子喷泉是在播放音乐的同时，单片机根据音乐中不同的音调而控制点亮发光二极管的数量。音调越高，点亮发光二极管的数量的越多，音调越低点亮发光二极管的数量越少，这就是简易电子喷泉的原理。不同的音乐其音调不同，为了保证任何一段音乐在播放期间所控制的电子喷泉都在理想的动态范围，本文软件中采用在更换一曲音乐后，单片机自动分析这段音乐的音调数据，从而计算出这段音乐的动态数据范围，保证了不同音乐下的电子喷泉的最大动态效果。电子音乐喷泉使用的电路如图7所示。图7软件框图如图8所示。图8三曲目音乐电子喷泉的源程序请到网站下载。三曲目音乐电子喷泉的演示效果请到网站下载视频文件观看。五、 声控电子喷泉声控电子喷泉是使用MIC接收外界的声音信号，依据声音信号的强弱控制“电子喷泉”的高度，接收到的声音信号的强度越大，喷泉幅度越高，声音越小，幅度越低。声控电子喷泉的电路原理图如图9所示：图9与上面的音乐电子喷泉不同的是，该电路的控制信号来自一个声音检测、放大、检波电路，即图9中的声控电路部分。声控电路中的驻极话筒M1接收到音频信号后，将信号耦合到三极管V7组成的放大电路进行信号放大，放大后的音频信号通过电容器C2耦合到的D1和D2组成的检波电路取出音频信号的幅度包络线，R17和C4分别是检波电路的负载电阻和滤波电容器。声音信号幅度包络线的正信号传送到单片机的P1.7进行AD转换。STC12C5412AD单片机具有AD转换功能，P1口具有8 通道，10 位ADC转换器，每个转换通道可以独立设置。单片机根据即时检测到的音频包络线的信号幅度数据，将其转换成数字信号（数据），单片机依据即时数据控制点亮不同数量的发光二极管，从而形成声控电子喷泉。声控电子喷泉电路应用的场合不确定，即便是在特定的场合下使用，声控的信号强度也不可能相同。为了保证声控电子喷泉始终处于最大的动态范围内，该部分软件中增加了声音信号强度的加权平均值计算，以其平均数据为参考，每次检测到的声音幅度数据与平均数据进行比较后计算出点亮LED 发光二极管的数量，某段音乐的音量小，其平均值也小，接收到的即时数据与平均值的比值比克能小，这就保证了电子喷泉的最大动态范围。由于平均数据的取值时间在34秒钟，所以不会影响音频范围内的动态控制效果。这种自适应环境的控制方案，大大提高了声控电子喷泉的使用的场合。 声控电子喷泉的软件参考框图如图10所示。图10声控电子喷泉的源程序请到网站下载。声控电子喷泉的演示效果请到网站下载视频文件观看。六、 声控电子滑块首先解释“声控电子滑块”的意义。回忆“声控电子喷泉”，可知声控电子喷泉在声音的幅度最小的时候，只点亮1个发光二极管，声音最大的时候点亮全部的发光二极管。“声控电子滑块”是根据声音信号的强度，只点亮所有发光二极管中的一个，随着声音信号强度的变化，点亮的发光二极管在整个范围内在变化，声音小时点亮低端的发光二极管,声音大时点亮高端的发光二极管。随着声音的变化，好像有一个光点在滑动，所以称为电子滑块。声控电子滑块的电路原理图与声控电子喷泉的原理图相同，所不同的是软件编写中的控制方案和算法不同而已。声控电子喷泉的软件框图如图11所示。图11声控电子滑块的源程序请到网站下载。声控电子滑块的演示效果请到网站下载视频文件观看。七、 无线遥控编码的基本原理：无线遥控也是生活中常见的一种电子控制，例如汽车无线遥控中控锁，无线遥控防盗系统，家庭中的无线遥控灯具等等。本部分功能的内容主要介绍无线遥控信号的组成，无线遥控对码学习和4种不同工作方式的无线遥控程序的编写思路。本文使用的无线遥控器是市场上销售的载频频率315MHZ的普通的无线遥控器，本文以使用PT2262编码的遥控器为例，介绍曼彻斯特编码方式和规律，以及使用单片机解码的规律。曼彻斯特编码分为标准编码方式和差分编码方式两种，此处只介绍标准曼彻斯特的编码方式。曼彻斯特编码的0与1的表示如下图12所示。图12有图形可见，脉冲信号从低电平跃变高点平代表数字“0”，脉冲信号从高电平变为低电平代表数字“1”。将一串二进制数据发送出去，例如：1011001的标准曼彻斯特编码位表示如图13所示。图13二进制数据串与曼彻斯特的编码图形对应关系如图14所示：图14有图14可见，在曼彻斯特编码中，二进制数据的每一位的中间都有一跳变，一位数据中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示1，从低到高跳变表示0。在传输代码信息的同时，也将时钟同步信号一起传输到对方。因每位编码中有一跳变，所以信号传送中不存在直流分量，因此曼彻斯特编码具有自同步能力和良好的抗干扰性能。但是由于每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。对于PT2262的地址编码通过68个脚位来表示，数据编码通过64个脚位来表示。例如：PT2262-4L,它有8个地址端口和4位数据端口，8地址端口状态有“高”、“低”和悬空，数据编码只有“高”、“低”两种状态。在地址编码中，位端口接地表示数据“0”，位端口接高点平表示数据“1”，空置则表示数据“2”，有些图形中标记为“F”。所以地址编码必须使用两位二进制数据位来来对端口的状态进行表示。为了保持地址位与数据位的通用，数据位也同样使用两位二进制数据来表示一个端口状态。这样一来，代表地址、数据位的脉冲数据将有12个变为24个，每个数字位都存在高、低两个电平信号，所以PT2262编码脉冲的数量是24个，共计48个正、负脉冲组成。一个完整的PT2262的曼彻斯特编码的数据组，由一个引导脉冲和数据脉冲所组成，一个有8位地址+4位数据的编码脉冲图，如图15所示。图15无线接收部分使用了一个专用的无线接收模块，因为遥控器是曼彻斯特编码，所以接收器输出端输出的也是曼彻斯特编码脉冲信号，曼彻斯特编码的脉冲数据组直接传送到单片机的某个端口中，单片机的解码方案是：首先查找引导脉冲信号，从引导脉冲的结束位置开始进行分析脉冲数据，有两种方案均可实现解码的目的。第一种方案是，采用边检测脉冲，边分析计算数据，最后将2进制数据，整理成10进制数据或者16进制数据。单片机解码的第二方案是，从引导脉冲之后的脉冲开始检测并顺序储存脉冲数据，当读出一组完整的脉冲数据之后，统一进行分析和计算。两种方法进行比较，前者占用的内部RAM数量较少，节省资源，后者将读取储存数据和分析计算数据分开，检测和计算数据更准确。曼彻斯特编码方式的抗干扰性，表现在脉冲数据组的相邻两位必然是一个高点平和一个低电平，单片机对高、低两个相邻的电平脉冲数据“求和”计算结果，等于1，则表示接收到的脉冲数据是正确的，如果不等于“1”，则认为接收到的脉冲出现错误，需要重新读取数据。这样的验证提高了数据传输的可靠性。八、 接收器与遥控器的对码学习：大家都知道一把钥匙开一把锁，无线遥控的原理也是这样的，普通的无线遥控系统是在出厂之前已经对遥控发射器和无线接收器之间，通过固定的端口编码完成了编码相配，这种固定方式的编码相配存在两方面的问题，一是厂家的生产工序比较麻烦，而且有容易出错，二是一旦用户使用过程中遥控器损坏或者丢失，只有将接收器送交厂家重配遥控器才能再次继续使用。本文介绍的接收器与遥控器之间的对码学习，克服了上述的两个不足。使用任意一个PT2262编码的遥控器，都可以通过对码学习以后进行遥控。无线接收电路如下图16所示。图16对码学习是厂家产品出厂之前的一个生产步骤，或者用户遥控器出现问题重新更换遥控器以后的一个操作过程。因为正常情况下很少使用，所以该操作的过程也是一种非正常的操作过程。在未通电之前同时按下“按键1”和“按键4”不放再接通电源，此时所有的发光二极管点亮，表示已经进入对码学习状态，此时按下需要对码的遥控器上的任意一个按键，略等片刻，发光二极管闪烁三次而熄灭，表示学习成功，接收电路并将遥控器发送的地址编码记录到相应的储存地址中，以备正常情况下接收到遥控器信号数据后进行比较核对。本功能的示教过程中，如果有多个不同地址编码的遥控器，可见到学习新的遥控器后，原来遥控器则失去遥控功能。此学习示教板上为了让学生熟悉对码原理和反复实验，还增加了清除遥控器地址编码的一种操作，方法是：在未通电之前，同时按下按键6和按键9不放，再接通电源，发光二极管闪烁几次以后，内部的遥控器地址编码被清除。对于只有一个遥控器，可以通过对码学习，和清除编码进行反复学习实验。九、 双稳态无线遥控系统：双稳态无线遥控系统是指接收器控制负载的方式是：每次接收到一个控制某路的遥控指令后，相对应的工作路的控制状态翻转一次。示教学习板上此部分功能的电路图如图17所示。图17遥控器暂且使用普通的4按键遥控器。如图18所示。图18实物线路板上面的数码管，前后两对分别显示接收器工作方式和接收到的数据数值，同组数码管显示两个相同的数字，本工作方式显示“11”。显示数值的数码管则根据接收到的数据，显示“11”；“22”；“33”；“44”。数码管下面的4个LED指示灯分别对应遥控器上的4个按键的操作结果-点亮或者熄灭。双稳态无线遥控工作方式一般应用于控制普通电器的开与关，例如，控制电灯的开关。工作方式的转换使用示教学习板上的按键8和按键9进行转换， 转换过程中，前面的两位数码管的数据发生变化。双稳态无线遥控接收部分的软件框图如图19所示：图19双稳态工作方式的无线遥控部分的演示效果请到网站下载视频文件观看。十、 单稳态无线遥控系统：进入单稳态无线遥控工作方式后，前面的两位数码管显示“22”。其电路原理图和遥控器见图17和图18。单稳态工作方式下的无线接收电路，每次接收到遥控器的指令后，对应路输出，对应的发光二极管点亮。从点亮发光二极管开始，不管遥控器按键时间长短，延时一段相等的时间后自动熄灭，工作时间有软件决定。在点亮发光二极管的同时，后面的两个数码管显示对应工作路的数字。单稳态无线遥控工作方式一般应用于对工作时间有相同要求的控制中，例如控制中控锁等。单稳态无线遥控接收部分的软件框图如图20所示。图20单稳态工作方式的无线遥控部分的演示效果请到网站下载视频文件观看。十一、 多选一无线遥控系统：进入多选一无线遥控工作方式后，前面的两位数码管显示“33”。其电路原理图和遥控器见图17 和图18。多选一工作方式下的无线接收电路，每次接收到与上次不同路的遥控器的指令后，对应路输出，对应的发光二极管点亮，原来的的路停止工作，对应的发光二极管熄灭。每次接收到一个新路的遥控指令后，总是保持四路中的一路在工作。每次接收到不同的遥控指令后，后面的两位数码管显示工作路的数字。连续操作同一个遥控器按键，接收器接收到与当前工作路相同的遥控指令后，当前路停止工作，即4路输出都进入关闭状态。多选一无线遥控接收部分的软件框图如图21所示： 图21多选一无线遥控工作方式应用于多路选择1路的工作的场合下，例如控制电风扇转速，调整速度挡等。多选一工作方式的无线遥控部分的演示效果请到网站下载视频文件观看。十二、 暂态无线遥控系统：进入暂态无线遥控工作方式后，前面的两位数码管显示“44”。其电路原理图和遥控器见图17和图18。暂态工作方式的无线遥控状态下，接收电路每次接收到遥控器的指令后，所对应路进入输出状态，对应的发光二极管点亮。遥控器按键按住的发射期间，该路一直保持输出。松开按键，输出立即停止。暂态无线遥控工作方式应用于人为操作的控制中，例如模拟电器设备的启动按键和停止按键来控制电器设备的启动和停止，控制运行设备的前进、倒退，以及左、右运动等。暂态无线遥控接收部分的软件框图如图22所示：图22暂态工作方式的无线遥控部分的演示效果请到网站下载视频文件观十三、 无线遥控数码闹铃时钟使用单片机设计时钟是比较简单的事情，杂志上有很多的文章介绍单片机设计的时钟。本电路中利用该示教学习板上现有的4个数码管也来设计一个时钟，而且该时钟不但有闹铃设计，而且可以使用无线遥控器远程进行设置操作，这样的设计可以将时钟壁挂高处，使用无线遥控器调整时间和设置闹铃非常方便。故本时钟称为无线遥控闹铃时钟。无线遥控闹铃时钟的电路原理图如图23所示。图23单片机对4个数码管采用动态驱动方式，LED15和LED16闪烁用于秒点指示灯，无线遥控接收模块接收遥控器指令，完成当时时间的校正和闹铃时间的设置。发声电路在闹铃时间到达时发出闹铃音乐。由于闹铃时钟的电路很多见，其工作原理不再多述。闹铃时钟的设计的重点是软件部分，软件的工作框图如图24所示，软件设计方案见源程序。下面重点介绍一下无线遥控闹铃时钟的使用方法，对分析理解源程序有很大的帮助。 图24无线遥控器使用上面的四按键遥控器，4按键的功能是：C-校时进入/闹铃确认；A-闹铃进入/校时确认；D-数字递增；B-数字递减。1、无线遥控校时：在正常的走势状态下，按下遥控器上的“C”按键，讯响器发出一声鸣响提示，同时数码管1闪烁，表示已经进入校正时间的状态，使用遥控器上的按键“D”操作小时数据的递增， 或“B”按键操作小时数据的递减，当调整输入正确，通过“A”按键确认并自动进入下一位数据设置。同样使用“D”和“B”按键的递增或者递减设置输入小时和分钟的其它数据位的数据，再次按“C”按键退出时钟校正并储存设置数据。2、闹铃的查询、修改与删除：在正常的走时状态下，按下遥控器上的“A”按键，讯响器发出两声鸣响提示，第一个数码管闪烁，表示进入闹铃查询、修改输入状态。使用遥控器上的按键“D”操作小时数据的递增， 或“B”按键操作小时数据的递减，当调整输入正确，通过“C”按键确认并自动进入下一位数据设置。同样使用“D”和“B”按键的递增或者递减设置输入小时和分钟数据，所有数据位设置输入完毕，再次按“A”按键退出闹铃查询、输入状态，并储存设置数据。按A按键进入查询、修改状态后，数码管显示闹铃时间，如果不做修改时，直接按A按键退出。本处的闹铃次数仅仅设计了一次，多个闹铃的软件设计有读者自己设计。无线闹铃时钟的有效元器件如图25所示。图25闹铃时钟部分的源程序请到网站下载。闹铃时钟的演示效果请到网站下载视频文件观十四、 电子秒表电子秒表相同于时钟的硬件和软件，也是一种定时技术方案，只不过数码管显示的不是小时和分钟数据了，显示秒钟和十分之一秒钟两组数据。定时器中的计数器数是以十分之一秒钟进位。使用一个按键进行操作“开始”，“暂停”和“清零”。电路原理图如图26所示。图26由于根据线路板上的9个按键设计对应的9个功能模块，所以只好将秒表和闹铃时钟设定在一个功能模块中。在闹铃时钟状态下，按一下按键8，功能转换到秒表状态，两个秒点指示灯处于长亮状态，在秒表状态下，按一下按键9,转换到闹铃时钟状态下。在秒表状态下，按键8顺序操作秒表的“开始计时”，“秒表停止”，“秒表清零”，三个操作循环切换。秒表部分的源程序请到网站下载。秒表部分的演示效果请到网站下载视频文件观十五、 数字电子温度计本功能使用常用的单总线数字温度传感器DS18B20来检测温度，单片机读取温度传感器的数据显示到4位数码管上。前面两位表示温度的整数，后面两位显示温度的小数部分，LED15做整数与小数之间的分隔数点。相对应的电路原理图如图27所示。图27在该电路中，温度传感器连接成寄生电源供电方案，单片机不断地从温度传感器中读出数据并计算转换成相应的十进制数据，并将温度数据显示到数码管上。首先介绍一下温度传感器DS18B20的特性：1. 在-55+125范围内，DS18B20具有0.0625的精度。2. 分辨率为912位（包括1位符号位），并可由编程决定具体位数；3. DS18B20的转换时间与设定的分辨率有关，当设定为9位时，最大转换时间为93.75ms；10位时的转换时间为187.5ms；11位时为375ms；12位时为750ms；4. 电源电压范围：为3.0V5.5V；5. 内含程序设置寄存器。DS18B20的封装有两种，分别是直插封装和贴片封装，封装图如图28所示。VDD-电源正，DQ-数据端，GND-接地。DS18B20与电路的链接方法有两种，一种是独立的电源供电，DS18B20的三个脚分别连接VDD，数据端和地，一种是寄生电源供电，使用寄生电源连接方式时，VDD与GND均接地，这个电路会在DQ引脚处于高电平时，从信号线上“偷”能量来为器件供电。图28 在示教学习板电路中，温度传感器需要脱离电路板使用连线连接，考虑连线的长度不是很长，所以使用了计生供电方案。电路中将DS18B20的VDD和GND连接到一起，连接电路板的“地”，数据端使用一条线路与单片机的一个端口相连接。DS18B20与线路板之间只有两根引线，电路简化且取材方便。DS18B20是一个单总线的主从器件，通过漏极开路或三态端口连接到数据总线上，每个器件在不发送数据时“释放”总线。总线上有多个从器件的系统称为“多点访问”系统，总线上只有一个从器件的系统称为“单点访问”系统，本文电路中使用一个DS18B20，所以此处只介绍单点访问软件设计步骤：1、初始化DS18B20:DS18B20开始工作是从初始化开始，相当于双方握手。单片机发送复位脉冲，从属设备回应存在脉冲向单片机告知自己的存在，此时准备工作就绪。2、ROM命令(ROM Command)DS18B20有5个单字节ROM命令。单片机检测到温度传感器的存在脉冲后，方可发送ROM命令。对于单点访问系统，最重要的ROM命令是“跳过”命令 ，由于总线上只有一个从属器件，单片机不必发送64比特序列码，单片机发送的“跳过”命令被DS18B20收到，DS18B20对于以后的命令就知道单片机对自己操作，这样的目的减少了单片机与DS18B20之间的指令传送，从而节省大量宝贵时间。3、DS18B20功能命令 总线控制器在发送某种ROM命令指定操作对象后才能发送DS18B20功能命令。DS18B20加电后处于低功耗待命状态，单片机