基于單片機(jī)的音樂彩燈控制器設(shè)計

張德坤 彭森

摘 要：如今，單片機(jī)正以迅雷不及掩耳之勢的速度占領(lǐng)了智能控制系統(tǒng)的主導(dǎo)位置。各種彩燈也伴隨在我們生活周圍。此次的音樂彩燈控制器是使用AT89C51單片機(jī)制作的，由于單片機(jī)的頻率不一樣，所以當(dāng)輸出到揚聲器播放音樂時，彩燈會跟隨著音樂的變化而有節(jié)律的亮和滅。本文主要講述了該系統(tǒng)硬件電路的組成結(jié)構(gòu)和連接方法，同時還介紹了應(yīng)用軟件的程序設(shè)計。在硬件設(shè)計上，我們先對直流電源電路、復(fù)位電路以及時鐘電路和聲音驅(qū)動電路進(jìn)行電路設(shè)計，然后把所有模塊電路進(jìn)行連線組合，通過仿真軟件調(diào)試確定此次設(shè)計的硬件電路。設(shè)計軟件的時候，我們先將音符頻率發(fā)生的程序、彩燈程序、計數(shù)器/定時器程序全部設(shè)計好，之后再將每個程序塊整合，最后將程序通過軟件仿真聯(lián)合進(jìn)行調(diào)試。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；彩燈；控制器

1 引言

現(xiàn)如今，單片機(jī)已經(jīng)應(yīng)用于各個領(lǐng)域。比如：私家高檔轎車的安全系統(tǒng)，工業(yè)的控制，導(dǎo)彈導(dǎo)航裝置，智能的儀器表，普遍應(yīng)用的各種智能IC卡，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通訊領(lǐng)域的應(yīng)用以及程控玩具、電子寵物等等?？萍荚絹碓桨l(fā)達(dá)，智能化的東西也越來越多。所以可以說，學(xué)習(xí)單片機(jī)相關(guān)的知識、研發(fā)及應(yīng)用必然會成為這個社會發(fā)展的一種趨勢。在20世紀(jì)80年代的時候，單片機(jī)首次出現(xiàn)在我國，隨后又開展了全國第一屆單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用的交流會，有些地方甚至還創(chuàng)立了和這有關(guān)的協(xié)會，這是單片機(jī)在國內(nèi)形成的第一次熱潮。現(xiàn)如今，發(fā)展得最快的就屬單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)了，只要將 “單片機(jī)”三個字輸入到網(wǎng)上進(jìn)行搜索，就能夠出現(xiàn)數(shù)以萬計的和單片機(jī)有關(guān)的網(wǎng)站。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前我國的單片機(jī)從業(yè)人數(shù)至2010年達(dá)到了100多萬，人才的需求量位居第一。據(jù)統(tǒng)計，單片機(jī)的年生產(chǎn)能力已達(dá)到3億片，每年以約為百分之二十的速度快速增長，可是相對世界市場中國的全球市場份額不足 1%。因此，我國單片機(jī)知識的學(xué)習(xí)是一個很好的發(fā)展前景。所以，隨著社會的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)將更受歡迎。迄今為止，有許許多多的音樂彩燈控制器的設(shè)計方案，例如：使用單片機(jī)進(jìn)行控制、使用傳感器進(jìn)行控制，使用EDA進(jìn)行控制等等。在節(jié)約實驗器材和簡化設(shè)計步驟的情況下，為了簡化硬件電路，也可采用PLCS7-20CN來控制，雖然硬件電路與其他控制系統(tǒng)相比相對簡單，但實驗程序比較繁雜，實驗過程也比較復(fù)雜；對于編寫程序是個比較困難的問題。因此我們常常會選擇單片機(jī)來設(shè)計音樂彩燈控制器，通過單片機(jī)端口來控制音樂的播放和彩燈閃爍，這個方案編寫程序更簡易，可編譯性也更好。此次設(shè)計是通過以AT89C51芯片為基礎(chǔ)來實現(xiàn)音樂彩燈的效果，我們用一個恒流源供電，使用單片機(jī)來產(chǎn)生不同的頻率和一些外圍的輔助電路，再通過蜂鳴器播放音樂，當(dāng)蜂鳴器播放音樂時彩燈跟隨著音樂節(jié)奏的變化而變換，從而達(dá)到音樂彩燈的效果。

2 系統(tǒng)方案選擇

本設(shè)計需要實現(xiàn)兩種工作模式：播放音樂模式和花樣燈模式。

（1）播放音樂模式：播放音樂，八路LED跟著音樂的變化而變換。

（2）花樣燈模式：八路LED通過程序控制變換出各種花樣。方案一：基于單片機(jī)音樂彩燈控制器的設(shè)計，是利用AT89C51芯片編程產(chǎn)生頻率發(fā)出音調(diào)。依據(jù)具體情況，本方案選取12MHz作為系統(tǒng)的外部晶振。使振蕩電路得到12MHz的時鐘信號，通過發(fā)射驅(qū)動電路放大，再經(jīng)過單片機(jī)輸出，并根據(jù)按鍵控制端口輸出使音樂播放，同時彩燈閃爍。此方案運用單片機(jī)和按鈕來控制音樂和彩燈，靈敏度高。很多音樂彩燈控制器的設(shè)計都采用這類設(shè)計方案。方案二：利用STC12C5A60S2芯片設(shè)計音樂彩燈控制器，把程序?qū)懭胄酒笸瓿刹薀襞c音樂的控制?？刂破髯寴非盘柦?jīng)由FFT（Fast Fourier Transformation，即離散傅里葉變換的快速算法）計算后產(chǎn)生n（led陣列燈數(shù)）個數(shù)據(jù)，而后每一個數(shù)據(jù)發(fā)送到led陣列對應(yīng)點，從而完成音樂和彩燈同步控制。方案一思路清楚，電路簡單，便于操作，成本低。而方案二雖然靈敏度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗比較高，控制并不簡單。結(jié)合各自的優(yōu)劣點我們選取方案一。

預(yù)期調(diào)試結(jié)果：

（1）經(jīng)過調(diào)試后結(jié)果。蜂鳴器播放出千年之戀這首歌的曲子，彩燈隨著音樂的節(jié)奏改變。（2）按K1鍵進(jìn)行選擇調(diào)試。按K1鍵之后，彩燈花樣點亮。（3）按K2鍵進(jìn)行選擇調(diào)試。按K2鍵之后，蜂鳴器播放出寂寞沙洲冷這首歌的曲子，彩燈隨著音樂的節(jié)奏改變。（4）再按K2鍵進(jìn)行選擇調(diào)試。再按K2鍵之后，蜂鳴器播放出千年之戀這首歌的曲子，彩燈隨著音樂的節(jié)奏改變。此電路的程序只需要大約1K，我們可以編寫更多的音樂和彩燈花樣，使系統(tǒng)更強(qiáng)大。

3 電路設(shè)計

3.1系統(tǒng)模塊框圖

本文主要介紹了硬件電路的設(shè)計和連接方式，硬件電路模塊的工作原理和它所能實現(xiàn)的功能做了系統(tǒng)的介紹。該設(shè)計的整體模塊由單片機(jī)模塊、彩燈模塊、復(fù)位模塊、時鐘模塊、電源模塊、按鍵模塊、通信模塊及音頻模塊組成，系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。

3.2電路原理

因為51系列單片機(jī)的電流驅(qū)動能力比較弱，而揚聲器的工作電流需要幾十毫安，因此驅(qū)動揚聲器時，我們需用使用一個pnp三極管。如果芯片給P3.0低電平，那么蜂鳴器工作；反之，若給高電平，蜂鳴器不工作。

LED接到單片機(jī)的P1口，拉低IO口電平，讓LED亮起。

兩個按鍵的端口分別接單片機(jī)的I/O口和地。若按鍵不動，則與之連接的I/O口被芯片內(nèi)部的上拉電阻拉高，若我們按下按鍵，則與之連接的I/O口變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)中斷。

要實現(xiàn)花樣彩燈功能，我們要將8個流水燈花樣點亮、熄滅。同時我們還要注意一點，因為單片機(jī)執(zhí)行每條指令的時間很短，而且人眼有視覺暫留效應(yīng)，是以在控制彩燈亮滅時我們應(yīng)當(dāng)將指令延時一段時間， 否則我們就看不到花樣彩燈的效果了。因此，此電路還需要延時模塊。

4 結(jié)束語

本設(shè)計要成功實現(xiàn)所有功能，我們必須要有一個更可靠的硬件電路。當(dāng)然，有了硬件電路沒有成功的軟件程序設(shè)計也是不成功的。經(jīng)過此次基于單片機(jī)的音樂彩燈控制器的設(shè)計后，我們不僅加深了對理論知識的理解，將之很好地應(yīng)用到現(xiàn)實情況之中去，同樣也使我們看到了本身存在的缺點，無論是理論上還是解決問題的能力上仍還有待提高，這也激勵了我們在往后努力學(xué)習(xí)。此次設(shè)計使我們從中學(xué)到的知識將讓我畢生受益。發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、分析問題、解決問題，提高實踐的能力將受益于我在以后的工作和生活中。

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作者簡介

張德坤，邵陽學(xué)院信息工程學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生