音乐彩灯控制器设计.docx
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音乐彩灯控制器设计
毕业设计说明书
设计题目音乐彩灯控制器
学号
姓名
班级
专业
系部
指导老师
完成时间2009年7月20日至2009年10月11日
目录
引言…………………………………………………………………3
第1章单片机的概述………………………………………………4
1.1单片机的产生………………………………………………4
1.1.1单片机的定义………………………………………………4
1.1.2单片机的介绍………………………………………………5
1.1.3单片机的历史………………………………………………8
1.2单片机的发展特点…………………………………………8
1.3单片机的应用领域…………………………………………10
第2章音乐彩灯的硬件设计及工作原理………………………13
2.1同步控制器总电路的设计…………………………………13
2.1.1控制器的原理图……………………………………………13
2.1.2控制器的的工作原理………………………………………13
2.2分电路的设计………………………………………………14
2.2.1电源的设计…………………………………………………14
(1)电源的原理图…………………………………………14
(2)电源的工作原理………………………………………15
(3)元气件的选择…………………………………………15
2.2.2放大电路的设计……………………………………………16
(1)放大电路的原理………………………………………16
(2)放大电路的工作原理…………………………………16
1)三极管的放大原理………………………………16
2)多级放大电路原理……………………………17
(3)元气件的选择……………………………………17
2.2.3振荡电路的设计…………………………………………17
(1)振荡电路的原理图…………………………………17
(2)振荡电路的工作原理………………………………17
(3)元气件的选择………………………………………19
2.2.4整流、滤波电路设计……………………………………20
(1)整流、滤波电路的原理图………………………20
(2)整流、滤波电路的原理…………………………20
第3章软件设计…………………………………………………21
3.1音乐彩灯功能模块………………………………………21
3.2设计思想及工作原理……………………………………21
3.3流程图……………………………………………………22
3.4程序清单…………………………………………………24
第四章系统调试与分析…………………………………………27
第5章结束语……………………………………………………28
第6章参考文献…………………………………………………29
引言
现代都市夜晚的金碧辉煌、雄伟壮观是和各式各样的彩灯及其规则有序的显示花案分不开的,彩灯不但给人类带来了光明,更带来了温馨和美好。
传统的彩灯控制系统实现方法是采用中小规模集成电路和计算机控制等,其主要缺点是体积大、功耗大、成本高、实现起来较麻烦且花案、功能不齐全。
单片机具有集成度高、系统结构简单、控制功能强,使用灵活方便及成本低等优点。
在智能仪表、工业控制及语音处理技术等方面取得了令人瞩目的成果,展现出良好的应用前景。
本文以8032单片机为核心,外扩一片8279及辅助电路,构成音乐彩灯同步控制电路。
通过软件设计成功地实现了音乐与彩灯同步控制。
此外,系统还模拟了录音机各种功能(如暂停、幽左、倒带等)以实现自动选曲。
系统带有一个多功能电子钟显示时间或正在播放的歌曲号并可以校正所显示的时间。
比较详细地论述了音乐乐谱数字化编码的方法,如何通过软件设计,用音乐乐谱编码数据控制扬声器.使其发出与乐谱一致的音乐声。
该方案的优点是系统体积小、功耗小、可靠性高、调节灵活、多功能、多花案、使用灵活方便。
第1章单片机的概述
1.1单片机的产生
1.1.1单片机的定义
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件:
CPU、内存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机也被称为微控制器(Microcontroller),是因为它最早被用在工业控制领域。
单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。
最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031,因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。
90年代后随着消费电子产品大发展,单片机技术得到了巨大的提高。
随着INTELi960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用,32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位,并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比起80年代提高了数百倍。
目前,高端的32位单片机主频已经超过300MHz,性能直追90年代中期的专用处理器,而普通的型号出厂价格跌落至1美元,最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。
而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统,因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。
手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。
而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。
汽车上一般配备40多部单片机,复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作!
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合,甚至比人类的数量还要多。
1.1.2单片机的介绍
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时,学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也是低的,一般不超过10元即可......用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影!
......它主要是作为控制部分的核心部件。
它是一种在线式实时控制计算机,在线式就是现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机的(比如家用PC)的主要区别。
单片机是靠程序的,并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能,尤其是特殊的独特的一些功能,这是别的器件需要费很大力气才能做到的,有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列,或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话,电路一定是一块大PCB板!
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机,结果就会有天壤之别!
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能,高效率,以及高可靠性!
以8051单片机为例讲解单片机的引脚及相关功能;
《单片机引脚图》
40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类:
电源、时钟、控制和I/O引脚。
⒈电源:
⑴VCC-芯片电源,接+5V;
⑵VSS-接地端;
注:
用万用表测试单片机引脚电压一般为0v或者5v,这是标准的TTL电平。
但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间,其实这是万用表的响应速度没这么快而已,在某一个瞬间单片机引脚电压仍保持在0v或者5v。
⒉时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
⒊控制线:
控制线共有4根,
⑴ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲
①ALE功能:
用来锁存P0口送出的低8位地址
②PROG功能:
片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,此引脚输入编程脉冲。
⑵PSEN:
外ROM读选通信号。
⑶RST/VPD:
复位/备用电源。
①RST(Reset)功能:
复位信号输入端。
②VPD功能:
在Vcc掉电情况下,接备用电源。
⑷EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
①EA功能:
内外ROM选择端。
②Vpp功能:
片内有EPROM的芯片,在EPROM编程期间,施加编程电源Vpp。
⒋I/O线
80C51共有4个8位并行I/O端口:
P0、P1、P2、P3口,共32个引脚。
P3口还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)
5.P3口第二功能
P30RXD串行输入口
P31TXD串行输出口
P32INT0外部中断0(低电平有效)
P33INT1外部中断1(低电平有效)
P34T0定时计数器0
P35T1定时计数器1
P36WR外部数据存储器写选通(低电平有效)
P37RD外部数据存储器读选通(低电平有效)
[编辑本段]常用单片机芯片简介
PIC单片机:
是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片.
EMC单片机:
是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差.
ATMEL单片机(51单片机):
ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机.
PHLIPIS51PLC系列单片机(51单片机):
PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求.
HOLTEK单片机:
台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品.
TI公司单片机(51单片机):
德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合
由于单片机对成本是敏感的,所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言,它是除了二进制机器码以上最低级的语言了,既然这么低级为什么还要用呢?
很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢?
原因很简单,就是单片机没有家用计算机那样的CPU,也没有像硬盘那样的海量存储设备。
一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮,也会达到几十K的尺寸!
对于家用PC的硬盘来讲没什么,可是对于单片机来讲是不能接受的。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行,所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
一样的道理,如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行,家用PC的也是承受不了的。
可以说,二十世纪跨越了三个“电”的时代,即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过,这种电脑,通常是指个人计算机,简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成。
还有一类计算机,大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机(亦称微控制器)。
顾名思义,这种计算机的最小系统只用了一片集成电路,即可进行简单运算和控制。
因为它体积小,通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中,起着有如人类头脑的作用,它出了毛病,整个装置就瘫痪了。
现在,这种单片机的使用领域已十分广泛,如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机,就能起到使产品升级换代的功效,常在产品名称前冠以形容词——“智能型”,如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品,不是电路太复杂,就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因,可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
1.1.3单片机的历史
单片机诞生于20世纪70年代末,经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。
1.SCM即单片微型计算机(SingleChipMicrocomputer)阶段,主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。
“创新模式”获得成功,奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
在开创嵌入式系统独立发展道路上,Intel公司功不可没。
2.MCU即微控制器(MicroControllerUnit)阶段,主要的技术发展方向是:
不断扩展满足嵌入式应用时,对象系统要求的各种外围电路与接口电路,突显其对象的智能化控制能力。
它所涉及的领域都与对象系统相关,因此,发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。
从这一角度来看,Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。
在发展MCU方面,最著名的厂家当数Philips公司。
Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势,将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
因此,当我们回顾嵌入式系统发展道路时,不要忘记Intel和Philips的历史功绩。
3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路,向MCU阶段发展的重要因素,就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决;因此,专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。
随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展,基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。
因此,对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。
1.2单片机的发展特点
自单片机出现至今,单片机技术已走过了近20年的发展路程。
纵观20年来单片机发展历程可以看出,单片机技术的发展以微处理器(MPU)技术及超大规模集成电路技术的发展为先导,以广泛的应用领域拉动,表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
单片机长寿命这里所说的长寿命,一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年,另一方面是指与微处理器相比的长寿命。
随着半导体技术的飞速发展,MPU更新换代的速度越来越快,以386、486、586为代表的MPU,很短的时间内就被淘汰出局,而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁,产量仍是上升的。
这一方面是由于其对相应应用领域的适应性,另一方面是由于以该类CPU为核心,集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。
可以预见,一些成功上市的相对年轻的CPU核心,也会随着I/O功能模块的不断丰富,有着相当长的生存周期。
新的CPU类型的加盟,使单片机队伍不断壮大,给用户带来了更多的选择余地。
8位、16位、32位单片机共同发展这是当前单片机技术发展的另一动向。
长期以来,单片机技术的发展是以8位机为主的。
随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭,32位单片机应用得到了长足发展。
以Motorola68K为CPU的32位单片机97年的销售量达8千万枚。
过去认为由于8位单片机功能越来越强,32位机越来越便宜,使16位单片机生存空间有限,而16位单片机的发展无论从品种和产量方面,近年来都有较大幅度的增长。
单片机速度越来越快MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。
而单片机则有所不同,为提高单片机抗干扰能力,降低噪声,降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。
一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序,在不提高时钟频率的条件下,使运算速度提高了很多,Motorola单片机则使用了琐相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟产生器的频率。
68HC08单片机使用4.9M外部振荡器而内部时钟达32M,而M68K系列32位单片机使用32K的外部振荡器频率内部时钟可达16MHz以上。
低电压与低功耗自80年代中期以来,NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替,功耗得以大幅度下降,随着超大规模集成电路技术由3μm工艺发展到1.5、1.2、0.8、0.5、0.35近而实现0.2μm工艺,全静态设计使时钟频率从直流到数十兆任选,都使功耗不断下降。
Motorola最近推出任选的M.CORE可在1.8V电压下以50M/48MIPS全速工作,功率约为20mW。
几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。
允许使用的电源电压范围也越来越宽。
一般单片机都能在3到6V范围内工作,对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。
低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。
0.9V供电的单片机已经问世。
低噪声与高可靠性技术为提高单片机系统的抗电磁干扰能力,使产品能适应恶劣的工作环境,满足电磁兼容性方面更高标准的要求,各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。
如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路,增强了“看门狗”的性能。
Motorola也推出了低噪声的LN系列单片机。
OTP与掩膜OTP是一次性写入的单片机。
过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。
由于掩膜需要一定的生产周期,而OTP型单片机价格不断下降,使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。
它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。
近年来,OTP型单片机需量大幅度上扬,为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术(InSystemProgramming)。
未编程的OTP芯片可采用裸片Bonding技术或表面贴技术,先焊在印刷板上,然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。
解决了批量写OTP芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题。
使OTP的裸片得以广泛使用,降低了产品的成本。
编程线与I/O线共用,不增加单片机的额外引脚。
而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型,全部为有ISP功能的OTP。
MTP向OTP挑战MTP是可多次编程的意思。
一些单片机厂商以MTP的性能、OTP的价位推出他们的单片机,如ATMELAVR单片机,片内采用FLASH,可多次编程。
华邦公司生产的与8051兼容的单片机也采用了MTP性能,OTP的价位。
这些单片机都使用了ISP技术,等安装到印刷线路板上以后再下载程序。
8051类单片机最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。
由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的、高档芯片的开发上,8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。
这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性(如时序特性)。
提高了速度、降低了时钟频率,放宽了电源电压的动态范围,降低了产品价格。
1.3单片机的应用领域
目前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。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此,单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域,大致可分如下几个范畴:
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点,广泛应用于仪器仪表中,结合不同类型的传感器,可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化,且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备(功率计,示波器,各种分析仪)。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理,电梯智能化控制、各种报警系统,与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说,现在的家用电器基本上都采用了单片机控制,从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备,五花八门,无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口,可以很方便地与计算机进行数据通信,为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件,现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制,从手机,电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话,集群移动通信,无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛,例如医用呼吸机,各种分析仪,监护仪,超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能,从而在各种电路中进行模块化应用,而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机,看似简单的功能,微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理),就需要复杂的类似于计算机的原理。
如:
音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM),由微控制器读出,转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。
在大型电路中,这种模块化应用极大地缩小了体积,简化了电路,降低了损坏、错误率,也方便于更换。
7.单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛,例如汽车中的发动机控制器,基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器,RGPS导航系统,abs防抱死系统,制动系统等等。
此外,单片机在工商,金融,科研、教育,国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
第2章硬件设计及工作原理
2.1同步控制器的总电路设计
2.1.1控制器的原理图
音乐彩灯同步控制电路如图2.1所示。
大致可分为3部分:
音频输出接C-I电路、键盘、显示器。
图2.1音乐彩灯控制器电路图
2.1.2控制器的工作原理
音频输出接口电路由D触发器、LM386音频功率放大器及扬声器组成。
通过8032单片机内部定时器2控制8032的Pi.or1线卜高低电平的翻转,从
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