基于單片機的電子音樂門鈴

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上控制電路學年設計任務書 學 院計算機與信息工程學院專 業(yè)物聯(lián)網(wǎng)工程課程名稱控制電路題 目基于51單片機的電子音樂門鈴設計與實現(xiàn)完成期限自2015年7月9日至2015年8月28日共1周內(nèi)容及任務一、項目的目的 1.利用學過的單片機及C語言等知識，實現(xiàn)基于單片機的電子音樂門鈴系統(tǒng)2.鞏固所學習的AT89C51、LCD、蜂鳴器控制等知識，訓練單片機應用系統(tǒng)開發(fā)能力。3.培養(yǎng)查找資料和閱讀文獻的能力，撰寫學年設計報告。二、項目任務的主要內(nèi)容和要求 1.使用51單片機、蜂鳴器、按鍵按鈕和LCD1602等元器件，焊接門鈴硬件部分；2.使用C51編寫控制程序，使I/O口產(chǎn)生一定頻率

2、的方波，驅動蜂鳴器，發(fā)出不同的音調(diào)，從而演奏樂曲（最少三首樂曲）3.客人可通過門鈴按鍵播放音樂，并顯示提示信息。4.如果主人在家，可暫停并取消音樂播放。5.完成設備的代碼測試及文檔撰寫。三、項目設計思路 1.設計相關電路圖，然后焊接電路板。2.查閱資料了解音樂組成，音符和節(jié)拍的產(chǎn)生原理。3.編寫音樂播放程序、按鍵、LCD信息顯示和繼電器開門程序。4.系統(tǒng)軟件調(diào)試，并測試通過。四、具體成果形式和要求1.完成基于單片機的電子音樂門鈴系統(tǒng)設計，以搭建好的電路實現(xiàn)所要求功能，并配合原理圖闡述。2.完成學年設計文檔。進度安排起止日期工作內(nèi)容2015.6102015.7.1選題，討論內(nèi)容2015.7.9布

3、置任務和學年設計安排，明確使用的元器件和開發(fā)模塊2015.7.102015.8.24暑假期間查閱資料，準備相關知識，以及具體開發(fā)2015.8.25小組交流討論，系統(tǒng)調(diào)試，撰寫學年設計報告初稿2015.8.262015.8.27修訂學年設計報告，完成系統(tǒng)2015.8.28學年設計答辯主要參考資料1張毅剛等.單片機原理與應用設計 M .北京：高等教育出版社,2005.2彭偉.單片機C語言程序設計實訓100例M.電子工業(yè)出版社,2012.10.3劉茂榮.畫說樂理(二十)-音程J.琴童，201O，第8期：18-19.4林志琦.基于Proteus的單片機可視化軟硬件仿真M.北京：北京航空航天大學出版社，

4、2006.指導教師意見（簽字）： 年 月 日系（教研室）主任意見（簽字）： 年 月 日 控制電路設計說明書學院名稱： 計算機與信息工程 班級名稱： 2013級物聯(lián)網(wǎng)工程1班 學生姓名： 高戰(zhàn) 學 號： 題 目： 基于單片機的電子音樂門鈴 指導教師姓 名： 董 再 秀 起止日期： 2015年7月9日-8月28日 第一部分：正文部分一、選題背景隨著時代的前進和發(fā)展，控制智能化、小型化、低功耗化得到廣泛關注。在這些領域中，單片機起到了舉足輕重的作用，這就把單片機的應用提升到重要的地位，單片機應用系統(tǒng)設計就成為新的技術熱點。近幾年來，隨著市場上智能家居的不斷升溫，門鈴系統(tǒng)已作為智能化辦公室和智能化住宅

5、小區(qū)的一個重要組成部分，被各商家和用戶所接受。人們已開始習慣用個性化的音樂門鈴代替?zhèn)鹘y(tǒng)鐵門鈴，這使電子音樂門鈴系統(tǒng)得到了飛躍性的發(fā)展。隨著單片機技術的飛速發(fā)展，通過單片機實現(xiàn)人們對物質生活的滿足，這將會日益成為今后的一個重要發(fā)展的方向。本設計是介紹了由AT89C51單片機來構成電子音樂門鈴系統(tǒng)的工作過程，本系統(tǒng)主要完成該電子門鈴不僅具有普通電子門鈴的功能，而且還具有液晶顯示屏提示功能。單片機價格便宜，性能可靠，耗電量少，安裝也簡便，按下再也不是“叮咚”聲，而是悅耳的音樂，讓客人可以耐心的等待； 它的工作狀態(tài)能夠由用戶自行設定音樂和提示語，給來訪者提供必要的音樂和文字回應信息，給人們生活提供很大

6、的便利。二、相關知識2.1 硬件部分2.1.1 AT89C51單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。相當于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。AT89C51是一個8位的微處理器，并包含有4KB的Flash存儲器，即單片微機。在很多的嵌入式控制系統(tǒng)中，許多具有高度靈活性及低成本的解決方案都由AT89C51為其提供。AT89C51中中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的反相放大器

7、，引腳XTAL1為放大器的輸入端，XTAL2為放大器的輸出端。AT89C51的P3口第二功能，如下表2-1所示：表2-1 P3口第二功能端口引腳第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD(串行輸入口)TXD(串行輸出口)INT0(外中斷0)INT1(外中斷1)T0(定時/計數(shù)器0外部輸入)T1(定時/計數(shù)器1外部輸入)WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)AT89C51的引腳排列如圖2-1所示:圖2-1 AT89C51引腳圖2.1.2 液晶顯示模塊本次系統(tǒng)采用的液晶顯示屏是LCD1602。引腳功能說明 ： LCD1602采用標準的

8、14腳（無背光），各引腳接口說明如表2-1所示: 表2-1 LCD1602引腳說明編號  符號  引腳說明 編號  符號  引腳說明 1  VSS  電源地2  VDD  電源正極3  VL  液晶顯示偏壓4  RS  數(shù)據(jù)/命令選擇 5  R/W  讀/寫選擇 6  E  使能信號7  D0  數(shù)據(jù) 8  D1  數(shù)據(jù) 9 D

9、2  數(shù)據(jù) 10  D3  數(shù)據(jù) 11  D4  數(shù)據(jù) 12  D5  數(shù)據(jù) 13  D6  數(shù)據(jù) 14  D7  數(shù)據(jù) LCD1602的引腳圖如圖2-2所示圖2-2 LCD1602液晶顯示屏引腳圖2.2 開發(fā)環(huán)境2.2.1 軟件開發(fā)環(huán)境Keil Vision3時2006年1月30日ARM推出全新的針對各種的，集成RealView MDK開發(fā)環(huán)境。RealView MDK開發(fā)工具Keil Vision3源自Keil公司。Rea

10、lView MDK集成了業(yè)內(nèi)領先的技術，包括Keil Vision3與RealView。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核處理器，自動配置啟動代碼，集成Flash燒寫模塊，強大的Simulation設備模擬，等功能，與ARM之前的工具包ADS等相比，RealView編譯器的最新版本可將性能改善，其界面顯示如下圖2-3所示。圖2-3 Keil uVision32.2.2 硬件開發(fā)環(huán)境本次系統(tǒng)設計運用的是Proteus電路仿真軟件。Proteus軟件是英國Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍

11、器件。它是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。雖然目前國內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機愛好者、從事單片機教學的教師、致力于單片機開發(fā)應用的科技工作者的青睞。Proteus是世界上著名的仿真軟件，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設計。用來將Keil uVision3內(nèi)編譯生成的.HEX文件導入到電路中的AT89C51單片機中，進行仿真，完成設計。圖2-4 Proteus仿真軟件三、總體設計3.1 系統(tǒng)需求設計是基于AT89C51單片機的可控音樂門鈴程序設計。依據(jù)單片機技術原理，通過PROTEUS仿真軟件對硬件電路進行仿真制作以及

12、利用KEIL軟件對音樂門鈴源程序進行C語言編譯，而設計制作出的一個多功能音樂門鈴。系統(tǒng)需滿足以下要求，利用51單片機的I/O口產(chǎn)生一定頻率的方波，驅動蜂鳴器，發(fā)出不同的音調(diào)，從而演奏樂曲；同時客人可通過門鈴按鍵器播放音樂，并顯示主人預設的提示信息；如果主人在家，可暫停并取消音樂。3.2總體設計方案音樂門鈴的系統(tǒng)結構以AT89C51單片機位控制核心，加上2個按鍵、時鐘復位電路、放大器、蜂鳴器、LCD顯示模塊組成。單片機負責接收按鍵的輸入，根據(jù)輸入控制音樂播放曲目和顯示提示信息以及蜂鳴器發(fā)音。系統(tǒng)組成結構圖如圖2-1所示。AT89C51單片機蜂鳴器放大器門鈴按鍵LCD1602顯示內(nèi)容復位按鍵音樂停

13、止圖3-1 系統(tǒng)組成結構圖3.3系統(tǒng)功能流程當客人來訪，按動門鈴開關K2，單片機根據(jù)開關K1判斷主人是否在家，當K1斷開時，即主人在家，則驅動蜂鳴器播放主人預先設定的音樂，并且LCD1602液晶顯示屏顯示內(nèi)容“Welcome!Please wait!”，主人此時可關閉蜂鳴器和LCD提示前去開門。當K1閉合時，即主人不在家，則蜂鳴器無任何聲音，同時LCD1602顯示內(nèi)容“Sorry!maste is not at home!”。具體功能流程如圖所示：開始門鈴按鍵K1主人是否在家（開關K2）否是LCD顯示主人不在家LCD顯示蜂鳴器播放音樂主人關閉音樂播放和LCD提示結束圖3-2系統(tǒng)功能流程圖四、硬

14、件設計4.1 復位電路的設計復位是單片機的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復位鍵以重新啟動。在振蕩器工作時將RST腳保持至少兩個機器周期高電平，12時鐘模式為24個振蕩器周期，6時鐘模式為12振蕩器周期，可實現(xiàn)復位。為了保證上電復位的可靠RST保持高電平的時間至少為振蕩器啟動時間通常為幾個毫秒再加上兩個機器周期復位后振蕩器以12時鐘模式運行當已通過并行編程器設置為6時鐘模式時除外。本次設計復位電路設計，如圖4-1所示。圖4-1復位電路4.

15、2 時鐘電路的設計時鐘電路產(chǎn)生與單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格的按時序進行工作。而時序所研究的則是指令執(zhí)行中各信號之間的相互時間的關系。在51單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端引腳為XTAL2，在芯片的外部通過這兩個腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。如圖4-2所示：圖4-2 時鐘電路的設計內(nèi)部程序存振蕩晶體可在1.2MHz12MHz之間選擇，電容值無嚴格要求，但在電容值取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響

16、，C1、C2可在20pF100pF之間取值，但在60pF70pF時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。本設計選取晶振為12MHz，電容為30pH。4.3 開關電路的設計開關K1為主人是否在家的控制開關，開關K2模擬門鈴按鈕，開關K3為主人控制開關，用于停止音樂提醒，詳細設計見圖4-3。K3K2圖4-3 開關電路的設計4.4 蜂鳴器蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、汽車電子設備、電話機、等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲。利用51單片機的I/O口產(chǎn)生一定頻率的方波，驅動蜂鳴器，發(fā)出不同的音調(diào)，從而演奏樂曲 圖4-4 蜂鳴器4.4 總體硬件電路總體硬件電路實現(xiàn)功能如下，

17、如圖4-5所示。電路中用P3.2、P3.3控制按鍵。P0.0-P0.7和P2.0-2.7控制數(shù)碼管的時間顯示。P2.6控制蜂鳴器。圖4-5 硬件仿真電路圖五、軟件設計一般說來，單片機演奏音樂基本都是單音頻率，它不包含相應幅度的諧波頻率，也就是說不能像電子琴那樣能奏出多種音色的聲音。因此單片機奏樂只需弄清楚兩個概念即可，也就是“音調(diào)”和節(jié)拍表示一個音符唱多長的時間。5.1音調(diào)的確定不同音高的樂音是用C、D、E、F、G、A、B來表示，這7個字母就是音樂的音名，它們一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成簡譜的1、2、3、4、5、6、7，相當于漢字“多來米發(fā)梭拉西”的讀音，這是唱

18、曲時樂音的發(fā)音，所以叫“音調(diào)”，即Tone。把C、D、E、F、G、A、B這一組音的距離分成12個等份，每一個等份叫一個“半音”。兩個音之間的距離有兩個“半音”，就叫“全音”。在鋼琴等鍵盤樂器上，CD、DE、FG、GA、AB兩音之間隔著一個黑鍵，他們之間的距離就是全音；EF、BC兩音之間沒有黑鍵相隔，它們之間的距離就是半音。通常唱成1、2、3、4、5、6、7的音叫自然音，那些在它們的左上角加上號或者b號的叫變化音。叫升記號，表示把音在原來的基礎上升高半音，b叫降記音，表示在原來的基礎上降低半音。（1）要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（1/頻率），然后將此周期除以2，即為半周期的時間。利用定

19、時器計時這半個周期時間，每當計時到后就將輸出脈沖的I/O反相，然后重復計時此半周期時間再對I/O反相，就可在I/O腳上得到此頻率的脈沖。（2）利用AT89C51的內(nèi)部定時器使其工作在計數(shù)器模式MODE1下，改變計數(shù)值TH0及TL0以產(chǎn)生不同頻率的方法。此外結束符和休止符可以分別用代碼00H和FFH來表示，若查表結果為00H，則表示曲子終了；若查表結果為FFH，則產(chǎn)生相應的停頓效果。計數(shù)脈沖值與頻率的關系公式如下：N=Fi2FrN：計算值；Fi：內(nèi)部計時一次為1us，故其頻率為1MHz；（3）其計數(shù)值的求法如下：T=65536-N=65536-Fi2Fr例如：設K=65536，F(xiàn)=Fi=1MHz

20、，球低音DO（261Hz）。中音DO（523Hz）。高音的DO（1046Hz）的計算值T=65536-N=65536-Fi2Fr=65536-Fr=65536-/Fr低音DO的T=65536-/262=63627低音DO的T=65536-/523=64580低音DO的T=65536-/1047=65059（4）C調(diào)各音符頻率與計數(shù)值T的對照表如表5-1所示。表5-1 C調(diào)各音符頻率與計數(shù)值T的對照表低音頻率T參數(shù)中音頻率T參數(shù)高音頻率T參數(shù)Do2621908229Do523956115Do10465757Do2771805217Do554903108Do11095454Re2941701204

21、Re587852102Re11755151Re3111608193Re62280497Re12454848Mi3301515182Mi65975991Mi13184545Fa3491433172Fa69871686Fa13974343Fa3701351162Fa74067681Fa14804141So3921276153So78463877So15683838So4151205145So83160272So16613636La4401136136La88056868La17603434La4641078129La93253664La18653232Si4941012121Si98850661S

22、i19763030相關代碼如下：uchar code cuzhi= 0xff,0xff,/占位 0xFC,0x8E,/中央C調(diào)1-7 0xFC,0xED, 0xFD,0x43, 0xFD,0x6A, 0xFD,0xB3, 0xFD,0xF3, 0xFE,0x2D, 0xFE,0x47,/高八度1-7 0xFE,0x76, 0xFE,0xA1, 0xFE,0xC7, 0xFE,0xD9, 0xFE,0xF9, 0xFF,0x16 ;5.2 節(jié)拍的確定若要構成音樂，光有音調(diào)是不夠的，還需要節(jié)拍，讓音樂具有旋律（固定的律動），而且可以調(diào)節(jié)各個音的快滿度。休止符表示暫停發(fā)音。一首音樂是由許多不同的音符

23、組成的，而每個音符對應著不同頻率，這樣就可以利用不同的頻率的組合，加以與拍數(shù)對應的延時，構成音樂。對于單片機來說，產(chǎn)生不同頻率的脈沖是非常方便的，利用單片機的定時/計數(shù)器來產(chǎn)生這樣的方波頻率信號。表5-2節(jié)拍與節(jié)拍碼對照節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)11/4拍11/8拍22/4拍21/4拍33/4拍33/8拍41拍42/1拍51又1/4拍55/8拍61又1/2拍63/4拍82拍81拍A2又1/2拍A1又1/4拍C3拍C1又1/2拍F3又3/4拍相關代碼如下：uchar code DSY_CODE=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x

24、00;/編程規(guī)則:字節(jié)高位是簡譜,低位是持續(xù)時間,/代表多少個十六分音符/1-7代表中央C調(diào),8-E代表高八度,0代表停頓/最后的0是結束標志void Delay1(uint z);/延時1MSvoid Delay(uint z);/延時165MS,即十六分音符uchar code qnzl= /千年之戀0x32,0x31,0x21,0x32,0x52,0x32,0x31,0x21,0x32,0x62,0x32,0x31,0x21,0x32,0x82,0x71,0x81,0x71,0x51,0x32,0x22,0x32,0x31,0x21,0x32,0x52,0x32,0x31,0x21,0x

25、32,0x62,0x32,0x31,0x21,0x32,0x83,0x82,0x71,0x72,0x02,0x63,0xA1,0xA2,0x62,0x92,0x82,0x52,0x31,0x51,0x63,0x51,0x63,0x51,0x63,0x51,0x62,0x82,0x7C,0x02,0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x0A2,0x71,0x76,0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0x52,0x31,0x36,0x61,0x71,0x82,0x71,0x62,0xA3,0x73,0x62,0x53,0x42,0x82,0x88,0x02,0x74,0

26、x93,0x89,0xff/結束標志;/簡譜音調(diào)對應的定時器初值/適合11.0592M的晶振5.3 編碼do re mi fa so la si分別編碼為17，重音do編為8,重音re編為9，停頓編為0。播放長度以十六分音符為單位（在本程序中為165ms），一拍即四分音符等于4個十六分音符，編為4,其它的播放時間以此類推。音調(diào)作為編碼的高4位，而播放時間作為低4位，如此音調(diào)和節(jié)拍就構成了一個編碼。以0xff作為曲譜的結束標志，可以參考簡譜碼如表4-4所示。歌曲播放的設計：先將歌曲的簡譜進行編碼，儲存在一個數(shù)據(jù)類型為unsigned char 的數(shù)組中。程序從數(shù)組中取出一個數(shù)，然后分離出高4位得到音調(diào)，接著找出相應的值賦給定時器0，使之定時操作蜂鳴器，得出相應的音調(diào)；接著分離出該數(shù)的低4位，得到延時時間，接著調(diào)用軟件延時。表5-4 簡譜對應的簡譜碼、T值、節(jié)拍數(shù)簡譜發(fā)音簡譜碼T值節(jié)拍碼節(jié)拍數(shù)5低音SO16426011/4拍6低音LA26440022/4拍7低音TI36452433/4拍1中音DO46458041拍2中音RE56468451又1/4拍3中音MI66477761又1/2拍4中音FA76482082拍5中音SO864898A2又1/2拍6中音LA964968C3拍7中音TIA6503