【基于单片机的音乐霓虹灯设计7200字（论文）】

基于单片机的音乐霓虹灯设计目录TOC\o"1-3"\h\u30854摘要 1143431引言 289631.1课题的研究背景及意义 2261181.2国内外现状及发展趋势 2302231.3设计的基本要求 2194361.4研究方法 3176272基于单片机的音乐霓虹灯设计 313212.1总体方案概述 3130222.2主要模块的选择及方案论证 3199872.2.1主控制模块的选择 3324862.2.2液晶显示模块的选择 4222202.2.3按键模块的选择 4314723基于单片机的音乐霓虹灯系统硬件设计 526103.1单片机及其最小系统模块 5112183.2显示模块电路设计 5208453.3按键电路的的设计 659103.4声音采集电路的设计 6247973.5灯条电路设计 6145123.6蓝牙电路设计 7167503.7功放电路设计 7101114系统的软件流程图设计 886084.1软件介绍 8262914.2主函数流程图的设计 850624.3LCD子函数的设计 950125实物调试 1019275参考文献 1623093附录 1823093附录一电路图 1723093附录二元器件清单 19摘要：在现在的生活当中，人们的生活水平逐渐提高，对灯光的要求也越来越高了，灯光生产商也为了迎合大众的需求，生产出了各种各样的且功能不同的灯。本次设计的单片机的音乐霓虹灯的设计主要包含以下几个模块，主控制的模块采用的是52系列的单片机，显示模块采用了LCD1602显示器，霓虹灯模块采用了已经编织好的灯带，按键采用的是独立按键，蓝牙模块选择的是HC-05，功放模块选择的是喇叭，根据以上几个模块进行结合来设计出一款基于单片机的音乐霓虹灯，该霓虹灯系统能够插内存卡和进行蓝牙连接播放音乐，霓虹灯色彩是根据音乐的大小来进行变换的，该设计能够应用在各种场合当中，有很强的实用性。关键词：单片机；音乐；霓虹灯引言课题的研究背景及意义21世纪已经到来，各个国家已经进入了半智能化的时代，在这个时代，各国的科技和经济在不断的发展，在一些场合当中，传统的LED灯已经不能够满足人们对灯光的要求了[1-2]，霓虹灯登上了历史的舞台开始逐渐代替了LED灯，在我国的商业领域当中，霓虹灯被大量的使用，不论是在室内还是室外都能够见到霓虹灯的身影，小到街边的小吃店的招牌，大到各个广场当中显示牌和公园当中的音乐喷泉使用的都是霓虹灯，但是在霓虹灯市场火热的同时，霓虹灯的缺点也开始逐渐的被暴露了出来，当前生产出来的霓虹灯难以制作并且还是易碎产品在运输的时候十分容易发生损坏，但是在当今社会高速发展的状态下，霓虹灯已经走入了人们的日常生活当中，成为了人们日常生活的一部分了[3-4]。国内外现状及发展趋势最开始发展霓虹灯技术的国家是法国，法国生产出来的第一款霓虹灯使用的是直径为45毫米的灯体玻璃管，其在制作的时候先将玻璃管通关工艺进行加工成所需要的文章或者图案，然后再通过高压电为其供电，使之发光，霓虹灯的正负电极使用的石墨制作而成的，在两个电极之间冲入氮气这种惰性气体，冲入氮气的霓虹灯在工作的时候发出红色的光芒，当然还有在两个电极之间冲入二氧化碳气体的[5]，冲入二氧化碳气体的霓虹灯在工作的时候发出白色的光芒，但是充入的这两种气体属于相对活泼的气体很容易和石墨进行发生反应，在霓虹灯灯管的内壁上面附着一些黑色薄膜层来降低霓虹灯的使用寿命，当时为了解决这个问题，法国做了很多次实验，才将这个问题给解决了，刚生产出来的霓虹灯寿面短、工业复杂、成本高昂，只能够在一些军工行业当中进行使用，很难商用化。随着时间的不断推移，在1907年的时候，科学家克罗德和林德在研究的时候发现了一种液态空气分馏装置，经过了三年的时间去完善来改变霓虹灯的缺点，其主要就是利用液态空气分馏装置在等管内充入一定量的惰性气体来进行减缓发光气体在灯管内部消耗的速度，并且使霓虹灯的发展更上一层楼，能够产生红、蓝、黄等颜色，在当时也是一项比较先进的发明，随着时间的继续推移，到了第二次时间大战，发光材料被生产了出来，从此霓虹灯开始登上了历史物体，发光材料被研究出来霓虹灯的制作工艺被大大的简化了并且能够进行量产，霓虹灯开始进行了迅猛的发展。设计的基本要求(1)LED彩灯具有6种色彩；(2)声音传感器能够接受不同音乐类型的音乐；(3)LED彩灯能根据音乐的声音强度转变不同的颜色。研究方法（1）首先明确设计任务和需求，查阅单片机，声音传感器，LED彩灯等相关文献资料；（2）根据设计任务和需求，确定系统总体设计方案，绘出总体设计框图；（3）根据设计框图，采用模块化设计思路，先设计单片机最小系统，再分别设计声音分辨模块，按键模块、LED显示模块、中断控制模块等；（4）基于Proteus仿真软件，对设计的硬件电路，分模块仿真测试，不满足要求，修改方案，再测试，直至满足功能要求，最终确定具体设计方案；（5）按最终确定的设计电路图，购买元器件，分模块焊接，测试；基于单片机的音乐霓虹灯设计总体方案概述本次设计的音乐霓虹灯主要是由单片机、功放模块、蓝牙模块、声音采集模块、灯光模块组成，按照功能进行分析各个模块能够实现的功能，绘制出电路图，然后根据电路图来进行设计实物。总体方案设计图如图2-1所示。图2-1总体设计方案主要模块的选择及方案论证主控制模块的选择单片机的选型是非常重要的。内存大小、工作速度、应用程序范围大小和成本都是要考虑的因素。因此，我们选择了两种方案进行比较和论证。方案一：采用AT89C51单片机，它存在8K存储器，而且作为8位微处理器消耗特别低。AT89C51是Atmel公司采用高密度工艺制造的一种高精度芯片，兼容市场上所有的51系列控制器，而且AT89C51具有CMOS工艺，成本低性价比高，不仅在工业上使用广泛，在我们日常学习中也处处可见，不仅因为它可靠度高，而且编程简单，还具有高处理性能的8位CPU，能给人们甚至工业生提供稳定高效的解决方案。方案二：采用我国自主开发的STC89C52单片机来作为数据处理器，STC89C52单片机和AT89C51单片机都是同一类型的单片机，外部都是40个引脚，并且在编程的时候不需要使用专门的程序编辑器只需要使用keil软件来进行编程并且使用TTL线将编写好的程序烧录到单片机芯片当中就行了，STC89C52单片机是传统8051单片机处理信息速度的10倍左右，并且成本低、稳定性极强。考虑到本次设计的成本以及本次设计系统的难易程度，最终选择方案二的STC89C52单片机来作为信息处理器。液晶显示模块的选择LCD显示屏幕是市面上使用较多的一款液晶显示器，但是液晶是不能够进行发光的，但是液晶在外加电压的情况下能够进行改变液晶的内部光线折射的方向在液晶显示器上面进行显示出一块亮暗分明的区域来进行显示数据。方案一：使用LCD12864显示器来充当显示屏，LCD12864是一款能够进行显示汉字和字符的显示器，其显示的分辨率为128×64，并且自带16×16的点阵汉字8192个，LCD12864在正常工作的时候，需要的驱动电压是非常小的，而且在人机交互的时候用户能够通过显示器轻而易举的观察到当前显示的数据，但是LCD12864在显示的时候显示的内容过大，照成了显示空间的大量浪费，并且成本较高。方案二：使用LCD1602来充当显示屏幕，LCD1602是一个简单的显示屏幕，因为其内部不带汉字字符所以只能够显示英文和字母，不能够显示汉字，其每行能够显示16个字符，能够显示两行总共能显示32个字符，在工业设计领域当中被广泛的使用，其优点就是编程简单、成本低，其缺点就是不能够进行显示汉字。综上所述，本次设计不需要显示屏能够显示太过复杂的东西，LCD1602显示屏的功能能够满足我们的使用需求，所以本次设计就采用LCD1602来当显示模块。按键模块的选择方案一：选择独立按键来作为人机交互设备，独立按键的优点就是每一个按键能够实现一种功能，能够和单片机进行直接相连接，具有处理信息速度快等优点，其缺点就是要浪费单片机大量的外部引脚，导致单片机外部不能够进行连接很多外部设备。方案二：使用矩阵键盘来作为人机交互设备，矩阵键盘正常分为4×4矩阵键盘和3×3矩阵键盘的，矩阵键盘外部只有一条引线能够和单片机的外部接口进行连接，能够节省单片机大量的外部接口其缺点就是信息处理过慢，每一个按键都需要进行延时消抖。综合上述的描述，本次设计不需要太多的按键，所以本次设计选择了独立按键来充当按键模块。基于单片机的音乐霓虹灯系统硬件设计单片机及其最小系统模块STC89C52单片机是经过8051单片机进行更新换代发展而来的，是一款高性能8位处理器，其外部封装和8051单片机一样都是有40个引脚，但是数据处理速度确比传统的8051单片机快了十多倍，STC89C52单片机是一款微处理器和闪存器进行结合的微型控制器，在烧录和擦写程序的过程当中能够稳定使用一千多次，但是单一个单片机是不能够进行正常运行的，还要和其辅助电路组成一个最小系统来进行正常工作，单片机的最小电路是由单片机、时钟电路、复位电路组成的。单片机的时钟电路也被称为晶振电路，能够用于单片机正常工作的时候进行产生时钟信号，时钟电路是由一个晶振振荡器和调谐电容相连接组成的，时钟电路的两个引脚分别接在了单片机的XTAL1引脚和XTAL2引脚上面，利用芯片的震荡电路来进行起震形成一个稳定的自激振荡器来进行产生时钟信号。复位电路采用的是按键复位，能够在单片机工作出现异常的时候将其复位到初试状态，复位电路的一端和单片机的RST引脚进行连接，并且其另外一端接电源，另外一端和串联一个电阻和地想连接，当有按键按下时候，电容器内部的电源增多，电流减小，会产生一个脉冲电压来使电路进行服务，单片机芯片和其最小系统如图3-1所示。3-1单片机的最小系统显示模块电路设计在液晶显示模块的设计中，主要是用过LCD1602作为显示模块进行设计，其中在电压为5伏的情况下，可以使LCD1602启动，LCD1602显示模块内部自动带有复位电路，可以给各个模块发送控制指令[10]。LCD1602通常是通过液晶显示的方式来实现，主要是由液晶分子的重量来决定，耗能比较少，有很强的的驱动能力，在本设计的应用过程中，主要是通过16脚显示模块作为液晶显示模块来实现的，其电路图如图3-2所示。图3-2LCD1602显示电路按键电路的的设计按键模块的设计中，主要是用过4个按键为主要的控制按键，来实现本设计所需要的功能，其中每一个按键都是相对独立的按键，在工作的时候都不可能对别的I/O口线产生影响，并且所有的按钮都独自占据了一根I/O口线[11]。独立按键的工作的方式，主要是通过电平触发的方式为主，当整个电路是低电平的情况下，是有效的，在按键模块的设计中，每一个独立按键都代表着不同的功能，按键电路如图3-3所示。图3-3按键电路声音采集电路的设计声音采集电路使用的是声音传感器模块，声音传感器模块能够检测周围环境的声音强度，但是该传感器有个缺点就是不能够识别特定频率的声音，只能够识别声音的大小。其工作电压为3.3V-5V，能够直接连接使用，并且兼容性较高[12]。声音采集电路如图3-4所示。图3-4声音采集电路灯条电路设计霓虹灯设计采用的是RGB彩灯，当中一共有六个小LED灯组成，通过已经编好的程序来进行工作，能够发出六种颜色及其混合光，能够应用在各种场合当中，该灯带的型号为WS2811，具有256个灰度级，发光角度为180°，工作电压为5V，具有寿命长，环保、轻薄等优点[13]。灯条电路如图3-5所示。图3-5灯条电路设计蓝牙电路设计我们使用HC-05蓝牙模块进行单片机之间的通信，在使用此模块之前必须要配置好HC-05蓝牙模块的参数，如蓝牙名称，密码，波特率等。连接usb转ttl模块和蓝牙模块，把两个模块的VCC口相连，GND口相连，TX和RX交叉相连（既TX连RX，RX连TX）。接着用dofly(德莱飞)进行串口调试。提前将程序下载至单片机中，蓝牙就会把单片机串口发送来的数据向已经连接上的蓝牙设备进行发送[14]。电路图3-6所示图3-6蓝牙电路设计功放电路设计功放电路主要使用的是TDA2030型号的音频功放芯片，能够通过可调电阻来进行调节功放声音的大小，工作电压为6V到12V，可以直接通过引脚来进行输入音频信号[15]，来进行播放音乐，功放电路如图3-7所示。图3-7功放电路设计系统的软件流程图设计软件介绍随着智能化的不断进步，开发语言的种类也是越来越多，并且越来越简练且实用。作为这其中的一门语言，C语言虽然是一种最基本的语言，但是由于它的易懂和易操作性。它往往能够通过一些简单的编译使得人们实现一些简单的应用。它有着十分方便且快捷的基础特性，并且具有丰富的库函数供人们直接调用，支持各种模块的开发应用，不仅拥有其他语言的优点，也有自己本身独特的优点，因此这次我们选择了C语言作为我们的主要开发语言。AltiumDesigner是我们大学四年中一直在接触的一个软件，大家相对都比较熟悉这个软件。我们在大学当中使用它最多的功能就是用来设计我们自己的PCB板子，有着很强大的功能，我们通过它创建所需要的空白工程文件，然后把原理图文件，和PCB文件都放在当前这个工程之下。在原理图中找到我们所需要的器件，通过手动布线的方式，按照程序的设定和系统原理的规则进行连线，在PCB文件当中我们可以采用自动布线和手动布线两种方式来进行操作，为了更为清楚直观的了解线路以及使我们的板子更为美观，大多时候会采用手动布线的方式。再下一步操作，就是转印到我们自己的电路板上，此PCB板就可以正常使用了。AltiumDesigner使用起来既方便又快捷，给我们省去了不少的麻烦。Keil是一款拥有着非常完整的功能性的编写C语言程序开发系统的软件，具有C编译器，宏编译器等的编译方式，并且由它生成的代码效率较高，人们理解起来也比较容易，在使用它之后的体会也更加深刻。此次我们主要需要的是Keil软件运行进行编译之后的文件，我们找到.hex文件写入到单片机中就可以了。主函数流程图的设计主函数设计是设计一个系统的核心函数，只要主函数能够进行正常运行，才能够去调用相对应的子函数，因为本次设计的主函数流程图如图4-1所示，系统上电进行开机后，等待系统的初始化，系统初始化完成后，判断是否有蓝牙进行连接，当蓝牙连接完成后，判断是否有音乐进行播放，当有音乐播放后，系统会自动的将音乐的声音进行A/D转换，然后将得到的电信号发生到霓虹灯控制系统当中[16]。图4-1主函数流程图LCD子函数的设计显示数据子程序的主要功能：能够将进行处理单片机发送过来的数据，处理完成后的最终数据显示在LCD液晶显示屏上[17]。显示数据子程序流程图如图4-2所示。图4-2LCD子程序函数设计实物调试在程序设计完成后，我们要进行实物的焊接，首先要在网上进行购买相关的元器件，然后自己将元器件进行相对于的分类，按照绘制的电路图将原件插在万用板上面，元器件插完后，在进行检查是否有元器件漏插和误插，然后在进行检查元器件的极性是否有放错的，检查完成后，将电烙铁通电进行加热，准备好松香、焊锡和导线，进行实物焊接，焊接的时候要进行注意实物是否会出现漏焊和虚焊，焊接完成后，我们要对焊接完成的实物进行检测，看实物的各个引脚是否都已经焊接完成，然后再用万用表进行检测各个部分的电路是否有短路的部分，焊接完成的实物图如图5-1所示，背部接线图如图5-2所示。图5-1实物图图5-2背部接线图我们能够从图5-1和5-2进行观察当前焊接完成的实物，然后现在对实物的各个模块进行讲解说明，如图5-3所示。图5-3实物讲解图实物显示屏由LCD1602液晶显示，下面是STC89C52单片机。蓝牙电路主要是为了连接手机播放音乐。蓝牙电路左边的是附带的内存卡模块和USB模块，本设计中并不需要，因此不做演示。最下面是四个独立的按键电路，负责控制歌曲的切换，音量大小的调节以及声音接收的方式。右边的是喇叭和霓虹灯，负责播放音乐与随音乐闪烁。现在我们开始对实物进行测试，先将实物连接上蓝牙，如图5-4所示。图5-4实物连接蓝牙图在实物蓝牙连接完成后，我们要对进行下一步测试，通过按键来进行切歌，看音乐霓虹灯是否会通过语音来进行闪烁，如图5-5所示。图5-5运行工作图然后按下按键进行切歌，如图5-6所示。图5-6切歌图根据上面一系列的测试，本次设计出来的基于单片机的音乐霓虹灯设计能够满足我们所要设计的要求。结论这次的毕业设计是比较贴切实际生活的一次设计，音乐霓虹灯已经走进了人们的生活，因此我们每位大学生也都应该主动走进社会，去实实在在的感受一下科技的发展之快慢，追随一下时代的潮流之变化，在社会的发展中不断地认知自己的不足之处并加以改正，只有这样我们才能获得更多的知识，取得进步。通过这次设计不仅培养了我的兴趣，而且丰富了我的知识并拓宽了我的视野，使我逐步养成了一个能够善于分析错误，解决错误的好习惯。最重要的是这次毕业设计既锻炼了我的动手能力，又使得我在学习的过程中养成了一个乐于探索的良好习惯。通过做毕设这一段历程，我学会了查阅文献，学会了借鉴别人的过人之处来丰富和完善自己的设计，总之这是我大学四年非常难得的一次机会，不但使我复习了一遍大学课堂中老师所讲授过的知识，而且又学习到了新的内容。对我来说更重要的是，通过这次毕业设计所收获的不管是理论知识还是实践知识，对于我来说都是获益匪浅。说起来整个音乐霓虹灯的设计，真是感慨万分，从刚开始的一片茫然和不知所措，到一点一点的完成这个题目，我感觉很自豪，可能在别人眼里这不过是一个简单的事情，但是对于我这么一个比较菜的新手而言却费了九牛二虎之力。并且在撰写和修改论文的时候，也遇到了许多问题，总结下来就是自己的基础知识还是不够扎实，不然像实现原理和各个器件的功能这些都不应该成为过大的阻力。这使我更加坚定了一个信念，生活和学习当中要不断地丰富自己，只有更加完善自己，才会在遇到各种困难的时候都迎刃而解。参考文献陈万疆.基于单片机LED显示屏显示系统设计[J].电子元器件与信息技术,2020,v.4;No.38(08):138-140.李应攀.基于单片机的音乐播放器系统设计[J].数码世界,2020,000(002):32.付晓雪.基于单片机的音乐播放器系统设计[J].产业科技创新,2019,v.1(20):37-38.李飞,张冬梅,常弘煜,等.基于单片机的音乐喷泉控制系统设计[J].智能城市,2018,4(10):172-173.宗颖,张婷婷,葛耿育,等.基于单片机的音乐播放器设计[J].电脑知识与技术,2018,14(33):260-261.魏林海.基于单片机的音乐盒设计与实现[J].电脑知识与技术:学术交流,2016.覃贵礼.基于Proteus霓虹灯控制电路设计[J].电子制作,2020,No.395(09):81-82+86.潘