【正文】 音樂彩燈控制器設(shè)計(jì)方案1 引言目前，基于彩燈控制器的設(shè)計(jì)的方法很多，有利用單片機(jī)控制的、有利用傳感器控制的，還有利用EDA控制的等等。在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟和節(jié)約實(shí)驗(yàn)器材的情況下，為了簡(jiǎn)化硬件電路，也可采用PLC S720CN控制的，雖然硬件電路比較簡(jiǎn)便，但是實(shí)驗(yàn)程序更復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)步奏更繁瑣；對(duì)于編寫程序是個(gè)比較困難的問題。通常采用單片機(jī)控制的方法，即利用單片機(jī)的端口來控制彩燈以及音樂播放，在程序編寫上更容易編寫，程序的可編譯性更強(qiáng)。本設(shè)計(jì)利用AT89S52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的音樂彩燈控制的設(shè)計(jì)。用一恒流源供電，當(dāng)按下“開始”按鍵時(shí)單片機(jī)開始輸出，彩燈開始閃爍和音樂播放開始同步播放；當(dāng)按下“停止”按鈕時(shí)音樂播放停止，彩燈停止閃爍，LCD顯示停止。當(dāng)再次按下“開始”按鈕時(shí)彩燈開始閃爍和音樂播放開始同步播放。單片機(jī)系統(tǒng)通過對(duì)采用數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，控制D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，并根據(jù)按鍵控制端口輸出。此方案思路清楚，電路簡(jiǎn)單，便于操作[1]。2 設(shè)計(jì)方案的比較與選擇 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求要求將音樂分成四個(gè)不同的頻段，將彩燈分為四組，各組彩燈顏色不同，每組彩燈包含兩個(gè)顏色相同的彩燈。(1) 實(shí)現(xiàn)音樂彩燈同步控制；(2) 當(dāng)音樂處于高頻段2000~4000Hz時(shí)第一組彩燈根據(jù)音樂節(jié)拍長(zhǎng)短不同決定燈亮的個(gè)數(shù)；(3) 當(dāng)音樂處于中頻段500~1200Hz時(shí)第二組彩燈根據(jù)音樂節(jié)拍長(zhǎng)短不同決定燈亮的個(gè)數(shù)；(4) 當(dāng)音樂處于低頻段50~250Hz時(shí)第三組彩燈根據(jù)音樂節(jié)拍長(zhǎng)短不同決定燈亮的個(gè)數(shù)；(5) 當(dāng)音樂在這些頻段之外，要求所有彩燈按照1Hz頻率節(jié)奏性的閃爍； 方案的論證和選取方案一： 基于單片機(jī)的音樂彩燈控制器的設(shè)計(jì)，~12MHz的方波，根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)采用12MHz作為系統(tǒng)的外部晶振，電容值取30pF。經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使LED燈閃爍，同時(shí)音樂同步播放并通過12864液晶屏顯示頻率[2]。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。單片機(jī)系統(tǒng)振蕩電路按鍵及下載口電路12864液晶顯示電路音樂播放電路彩燈顯示電路精密恒流源圖1 基于單片機(jī)的音樂彩燈控制器的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖這種以單片機(jī)為核心的基于單片機(jī)的音樂彩燈控制器的設(shè)計(jì)；利用振蕩電路產(chǎn)生12MHz的時(shí)鐘信號(hào)，在通過單片機(jī)輸出，單片機(jī)系統(tǒng)通過對(duì)采用數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描，控制D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，并根據(jù)按鍵控制端口輸出，此方案思路清楚。利用單片機(jī)、按鍵控制音樂彩燈，控制靈敏度高，而且單片機(jī)控制方便，操作簡(jiǎn)單。許多音樂彩燈控制器的設(shè)計(jì)都采用這種設(shè)計(jì)方法。方案二：這種測(cè)距系統(tǒng)采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，運(yùn)用VHDL編寫程序，使用MAX+plusII軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。CPLD器件內(nèi)部的宏單元是其最基本的模塊，能獨(dú)立地編程為D觸發(fā)器、T觸發(fā)器、RS觸發(fā)器或JK觸發(fā)器工作方式或組合邏輯工作方式。它的這種特性非常適用于本系統(tǒng)?？蓪⒈鞠到y(tǒng)所需要的分頻功能、計(jì)數(shù)功能、振蕩器、七段碼顯示全部由MAX來實(shí)現(xiàn)，而只需在外部配上適當(dāng)?shù)某暡▊鞲衅?、接收和發(fā)送電路，即可組成一個(gè)性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且具有顯示功能的彩燈控制器。本設(shè)計(jì)首先進(jìn)行系統(tǒng)模塊的劃分，規(guī)定每一個(gè)模塊的功能以及各模塊之間的借口，最終將設(shè)計(jì)分為三大模塊：四分頻器，四選一控制器，8樣彩燈控制器。本設(shè)計(jì)充分利用VHDL“自頂向下”的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)以及層次化的設(shè)計(jì)概念，從簡(jiǎn)單的單元入手，逐漸構(gòu)成復(fù)雜的系統(tǒng)。配合使用MAX+plusII開發(fā)軟件，可集設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和器件編程于一體，集成度高，開發(fā)周期短。其系統(tǒng)框圖如圖2所示。音頻控制器顯示控制器四分頻器12864液晶顯示彩燈顯示音樂播放四選一控制器音頻發(fā)生器圖2 基于CPLD的音樂彩燈控制器系統(tǒng)框圖綜合考慮前兩種方案，方案一操作方便，控制性更好，功耗低，模塊簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，成本低的特點(diǎn)，方案二具有靈敏度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗比較和高控制不簡(jiǎn)便的缺點(diǎn)。綜合各自的優(yōu)劣點(diǎn)我們選擇方案一。3 硬件電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖本文所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的音樂彩燈控制器的設(shè)計(jì)主要由AT89S52單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、按鍵控制電路、下載口電路、喇叭聲音電路、顯示電路、直流穩(wěn)壓電源等硬件電路部分以及相應(yīng)的軟件部分構(gòu)成。首先由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生12MHz晶振，在單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)高增益的反相放大器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，由該放大器構(gòu)成的振蕩電路和時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)后把結(jié)果輸出到LED彩燈、小喇叭和12864液晶屏上。由編程可以實(shí)現(xiàn)音符頻率表、音名以及半音頻率表的確定和分配。可以將聲音分為高音（2KHz~4KHz）、中音（500Hz~）以及低音（50Hz~250Hz）三等，故可以分配彩燈在不同的頻率段實(shí)現(xiàn)閃爍；同時(shí)當(dāng)在劃定頻率外時(shí)實(shí)現(xiàn)彩燈以1Hz的頻率節(jié)奏閃爍；從而可以滿足設(shè)計(jì)的要求，達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)[3]。根據(jù)要求并綜合以上各方面因素，采用AT89S52單片機(jī)作為主控制器，采用按鍵來控制音樂以及彩燈的開始、暫停和停止?；趩纹瑱C(jī)的音樂彩燈控制器的單片機(jī)最小系統(tǒng)如下圖3所示：圖3 基于單片機(jī)的彩燈控制器的設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)框圖 單片機(jī)外圍電路當(dāng)使用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，單片機(jī)的XATL1和XATL2用來接石英晶體和微調(diào)電容，~12MHz，電容選擇30pF左右。我們選擇晶振為12MHz,電容30pF。在系統(tǒng)上電的瞬間，RST與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，RST電位下降，于是在RST形成一個(gè)正脈沖。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)位，即て=RC≥20ms。一般取R≥1KΩ，C≥22uF。當(dāng)人按下按鈕S1時(shí)，使電容C5通過R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。R1一般取10KΩ。，，單片機(jī)通過查詢到低電平開始音樂輸出和彩燈，當(dāng)松開按鍵，在軟件中通過軟件延時(shí)來消除按鍵的機(jī)械抖動(dòng)。圖4 單片機(jī)外圍電路 時(shí)鐘電路(1) 在單片機(jī)片內(nèi)有一個(gè)高增益的反相放大器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，由該放大器構(gòu)成的振蕩電路和時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。根據(jù)硬件電路的不同，單片機(jī)的時(shí)鐘連接方式可分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。我們采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，如圖4所示：圖5 晶振電路(2) 在內(nèi)部方式時(shí)鐘電路中，必須在XTAL1和XTAL2引腳兩端跨接石英晶體振蕩器和兩個(gè)微調(diào)電容構(gòu)成振蕩電路，C6和C7取31pF左右，~12MHz。根據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)采用12MHz作為系統(tǒng)的外部晶振，電容值取30pF[4]。 復(fù)位電路我們?cè)谟冒存I控制時(shí)，為了避免單片機(jī)程序錯(cuò)誤而導(dǎo)致的錯(cuò)誤輸出，從而加入復(fù)位電路，對(duì)任意的情況都能夠通過復(fù)位按鍵使電路復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。無論是單片機(jī)剛開始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。所以，必須弄清楚單片機(jī)復(fù)位的條件、復(fù)位電路和復(fù)位后的狀態(tài)。單片機(jī)復(fù)位的條件是，必須使RST引腳（9腳）加上持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)振蕩周期）的高電平。例如，若時(shí)鐘頻率為12MHz,每機(jī)器周期為1us，則只需2us以上時(shí)間的高電平。在RST引腳出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)周期執(zhí)行復(fù)位。單片機(jī)常見的復(fù)位電路有上電復(fù)位電路和按鍵復(fù)位電路。為了方便系統(tǒng)的硬件初始化，我們采用按鍵復(fù)位電路。如圖6所示：圖6 復(fù)位電路 按鍵電路由于要達(dá)到設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為了提高設(shè)計(jì)的課操作性；選用按鍵來控制輸入從而可以手動(dòng)的對(duì)音樂彩燈進(jìn)行控制?！伴_始”按鍵；“暫?！卑存I；“停止”按鍵。如圖7所示。圖7 按鍵電路 ISP下載口電路下載口電路采用了ISP下載口，能快速下載和更換單片機(jī)中的程序，下載口的2腳與VCC相連接，下載口的3腳與單片機(jī)的相連接，下載口的5腳與單片機(jī)的相連接，，下載口的6和8腳與GND相連接。下載電路采用DIP10插座；其插座的管腳如圖8示，DIP10管腳功能如表1所示[5]。圖8 按鍵下載口電路表1 DIP10管腳使用說明AT89ISP引腳CPU端說明AT89ISP引腳CPU端說明1SCK時(shí)鐘信號(hào)5RST復(fù)位端2VCC電源9MOSI輸出信號(hào)3MISO輸入信號(hào)10GND地線4GND地線 LED彩燈顯示電路LED數(shù)碼顯示管有兩種，一種是共陽極數(shù)碼管，另一種是共陰極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由八個(gè)陽極或陰極相連接的發(fā)光二極管組成，二者原理不同但功能相同。共陰極LED數(shù)碼顯示塊的發(fā)光二極管陰極連接在一起，形成該模塊的公共端（通常稱為位選端），因此稱為共陰極LED數(shù)碼顯示器，8個(gè)數(shù)碼管的另一端通常稱為段選端，當(dāng)顯示器的公共端接低電平，某個(gè)發(fā)光二極管的陽極接高電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；而共陽極LED數(shù)碼顯示管則形成共陽極LED數(shù)碼顯示塊的公共端，該公共端必須接高電平，同理在共陽極LED數(shù)碼顯示塊中如某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮[7]。AT89S52是采用12MHZ晶振獲得穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，從而使輸出的頻率更為穩(wěn)定。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的8位共陽LED數(shù)碼管。單片機(jī)系統(tǒng)顯示電路如圖9所示。圖9 LED顯示電路 12864液晶電路 12864液晶簡(jiǎn)介　12864是128*64點(diǎn)陣液晶模塊的點(diǎn)陣數(shù)簡(jiǎn)稱。該點(diǎn)陣的屏顯成本相對(duì)較低，適用于各類儀器。液晶模組的驅(qū)動(dòng)應(yīng)遵照規(guī)定的額定指標(biāo)，避免故障及永久損壞。液晶顯示屏焊接溫度：280176。C+10176。C 焊接時(shí)間34秒[6]。液晶的電氣特性如表2所示?！”? 12864液晶的電氣特性 項(xiàng)目符號(hào)最小典型最大單位電源電壓VDDVSSV液晶驅(qū)動(dòng)電壓VDDVADJTa=0Ta=25Ta=50 液晶的背光驅(qū)動(dòng)電流ILED6080液晶驅(qū)動(dòng)電流IEE 12864液晶顯示屏管腳號(hào)及作用液晶的1腳VSS接電源，為液晶提供電流；17腳為復(fù)位端，與單片機(jī)的27腳連接，通過單片機(jī)程序來控制液晶顯示的復(fù)位；液晶20腳接地線；7~14腳與排阻的2~9腳連接。如表3所示?！　?表3 12864液晶顯示屏的管腳號(hào)及作用管腳號(hào)管腳名稱電平管腳功能描述1VSS+5V電源地2VCC~+5V電源正3V0對(duì)比度（亮度）調(diào)整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7——DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7——DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID）H/LR/W=“H”,E=“H”,R/W=“L”,E=“H→L”, 6E(SCLK)H/L使能信號(hào)7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC空腳17/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效續(xù)表 12864液晶顯示屏的管腳號(hào)及作用管腳號(hào)管腳名稱電平管腳功能描述18VOUTLCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負(fù)端在這個(gè)設(shè)計(jì)中由于采用的是并行，故直接將PSB連接高電平；VSS與LED_K端接地。液晶的數(shù)據(jù)位DB0~DB7分別接在排阻U2的A0~A7上；復(fù)位端17腳和單片機(jī)的復(fù)位端連接。12864液晶屏顯示部分電圖如圖10所示。圖10 12864液晶屏顯示電