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1、湖南第一师范学院课程设计报告音乐盒与闪烁电路的设计起止日期：自2011年12月19日 至2011年12月30日系（部）信息科学与工程系学生姓名Xx班级xxxxx学号xxxxx成绩指导教师(签字) xxxx 2012年3月1日湖南第一师范学院课程设计任务书2011-2012学年第一学期系（部） 信息科学与工程系 专业 电子科学与技术 班级 xxxx 课程名称： 数字电子技术 设计题目： 音乐盒与闪烁电路的设计 完成期限：自2012年 2月25日至2012年03月10日共2周目的及任务目的：通过设计和搭建一个实用电子产品雏形，巩固和加深在单片机电子技术课程中的理论基础和实验中的基本技能，训练电子产
2、品制作时的动手能力。通过该课程设计，设计出符合任务要求的电路，掌握通用电子电路的一般设计方法和步骤.任务：（1）根据原理图分析各单元电路的功能； （2）熟悉电路中所用到的各集成块的管脚及其功能； （3）进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求； （4）写出完整、详细的课程设计报告。进度安排起止日期工作内容2011.12.19前选题，了解设计内容，复习数电相关知识和查阅资料。2011.12.19-22分析设计任务，选择总体方案，单元电路设计。2011.12.22-27设计总体电路，调试。2011.12.27-30继续完成设计，撰写实验报告，进行答辩。主要参考资料1 韩志军. 单片机系统
3、设计与应用实例 M. 机械工业出版社.20102 李朝青.单片机原理及接口技术M北京航空航天大学出版社2005.3 刘守义.单片机应用技术M.西安电子科技大学出版社，2002.4 李群芳，肖看.单片机原理接口及应用嵌入式系统技术基础M.清华大学出版社,2008指导教师（签字）： 年 月 日教研室主任（签字）： 年 月 日目 录1 概述11.1 前言11.2 设计要求11.3 设计总思路12 方案的选择13单元电路的设计和元器件的选择23.1时钟脉冲产生电路23.2循环控制电路33.3彩灯花样输出电路33.3.1运用到74LS194功能表33.3.2S0和S1及其CLK端真值表33.4各元器件逻
4、辑符号与引脚图解34 经验体会34.1设计过程中遇到的问题及解决方案34.2设计体会34.3对该设计的建议3参考文献3附录A彩灯花样输出电路连线图3附录B 总电路设计3附录C EDA仿真电路图3附录D 元器件清单31 概述1.1 前言目前市场上的音乐播放器价格偏高，能否利用现在所学的单片机知识及常见的元器件搭建出能播放简单音乐的电路，将会巩固所学的单片机知识, 单片机因其体积小、功能强、价格低廉而得到广泛应用。本文介绍用sTc89C52单片机设计音乐盒的方法,仅需sTc89C52最小系统,扩展两个按键,再外加一个闪烁灯光电路以及输出设备蜂鸣器和LED。通过两个按键可以选择上一首歌曲及下一首歌曲
5、，并在LED上直观的显示出歌曲的序号，同时在LED上显示旋律。1.2 设计要求用单片机中规模集成电路设计并制作一个音乐盒及闪烁电路系统，要求如下：1以单片机为核心器件组成一个音乐盒，音乐盒的音符范围：c调低音5高音5。2内部存储器至少存储两首歌曲，并通过按键选择播放。3播放音乐时通过晶振产生的脉冲驱动led有节奏的闪烁。1.3设计总思路本文是应用MCS-51单片机原理和控制理论设计音乐演奏控制器的硬件电路，并利用汇编语言进行程序设计。通过控制单片机内部的定时器来产生不同频率的方波，驱动喇叭发出不同音调的音乐，再利用延迟环节延迟一段时间来控制音乐的音调，再通过LED闪烁。通过查找相关音乐资料把乐
6、谱转化成相应的定时常数就可以从发音设备中演奏出悦耳动听的音乐。2 方案的选择计数器的方案有多种，主要有：方案1 采用多路芯片控制电路为主实现音乐盒及闪烁电路。过程较为麻烦，芯片要选择较多，容易出错。同时不能突出单片机课程设计的重点，故不予采纳。方案2 采用单片机控制组合实现音乐合及闪烁电路。选择stc89c52单片机，通过T0中断，并配合P3.0引脚输出音频频率，P3.0引脚输出接扬声器。通过P3.2引脚接入“播放音乐”选择按键，中断方式接入。只通过一个定时中断，不存在优先级顺序。利用延迟实现电路，易于理解和编程。单片机音频发生器时钟与复位电路扬声器音频放大器选择按键输入电路 图1.3系统框图
7、将上述方案进行比较得之，运用单片机易于实现本项目。音乐盒的硬件电路由六个部分组成：单片机，时钟与复位电路，按键选择电路，音频发生器，音频放大器和扬声器。3系统硬件设计3.1 主控芯片设计中所采用主控芯片为STC89C52。因其价格便宜，在市场上已经很成熟，各个方面都能够满足设计要求故选择它。其采用标准双列直插式引脚DIP-40大规模集成电路封装。图二AT89C52的引脚排列引脚介绍：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第
8、八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的
9、缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口： P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3口管脚 备选功能: P3.0 RXD（串行输入
10、口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外部中断0） P3.3 INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用
11、作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN： 外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESE
12、T；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.2 蜂鸣器及蜂鸣器驱动蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、
13、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器又各有两种结构：有源型和无源型。有源型内部带振荡器，只要一通电就会叫。而无源蜂鸣器内部不带振荡源，所以如果用直流信号驱动它，将无法令其鸣叫，必须采用2kHz5kHz的方波信号驱动。这里从价格及控制上方面，我们选择市场上常见的有源蜂鸣器作为音频输出设备。达林顿三极管又称复合三极管，它将二只三极管组合在一起，以组成一只等效的新的三极管。达林顿三极管的放大倍数是二只三极管放大倍数之积。达林顿三极管可以看作是一种直接耦合的放大器，三极
14、管间以直接方式串接，没有加上任何耦合元件。这样的晶体管串接型式最大的作用是：提供高电流放大增益。两只三极管同为NPN型，将前级三极管的射极电流直接引入下一级的基极，当作下级的输入。这种使用相同类型的三极管组成的达林顿管称为同极型达林顿管。由于以上原因，我们选择通过两个NPN三级管搭建成一个达林顿作为为驱动。如图三所示。 图三三极管组成的达林顿管3.3 按键采用常用的四引脚按键，其中各有两个引脚相连。按下时，接通，放开时，将断开。设计中需要两个按键，作为上一首和下一首的信号输入以及复位按键。4单元电路的设计。4.1 基本知识音调4.1.1 音频脉冲 要生产音频脉冲，只要算出某一音频的周期(1/频
15、率)，然后将此周期除以2，即为半周期的时间。利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后就将输出脉冲的I/O反相,然后重复计时此半周期时间再对I/O反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。4.1.2 方法利用8051的内部定时器使用其工作在计数器模式MODE1下，改变计数值THO及TLO以产生不同频率的方法。4.1.3 计算公式例如频率为523Hz，其周期T1/5231912us，因此只要令计数器计时956us/1us956，在每次计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO (523Hz)。计数脉冲值与频率的关系公式如下： N： 计算值；Fi：内部计时一次为1us， 故其频率为1MHz；4.1
16、.4 其计数值的求法例如：设K65536， F1000000Fi1MHz， 求低音DO(261Hz)。中音DO (523Hz)。 高音的DO (1046Hz)的计算值。低音DO的中音DO的高音DO的4.1.5 C调各音符频率与计数值T的对照表如表二所示。表二C调各音符频率与计数值T的对照表音符频率(HZ)简谱码(T值)音符频率(HZ)简谱码(T值)低 1 DO26263628# 4 FA#74064860# 1 DO#27763731中 5 SO78464898低 2 RE29463853# 5 SO#83164934# 2 RE#31163928中 6 LA88064968低 3 M3306
17、4021# 693264994低 4 FA34964103中 7 SI98865030# 4 FA#37064185高 1 DO104665058低 5 SO39264260# 1 DO#110965085# 5 SO#41564331高 2 RE117565110低 6 LA44064400# 2 RE#124565134# 646664463高 3 M131865157低 7 SI49464524高 4 FA139765178中1 DO52364580# 4 FA#148065198# 1 DO#55464633高 5 SO156865217中 2 RE58764684# 5 SO#166
18、165235# 2 RE#62264732高 6 LA176065252中 3 M65964777# 61865652684.2 基本知识-节拍4.2.1相关知识每个音符使用1个字节,字节的高4位代表音符的高低,低4位代表音符的节拍，表三为节拍与节拍码的对照.如果1拍为0.4秒，1/4拍是0.1秒,只要设定延迟时间就可求得节拍的时间.假设1/4拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY,以此类推.所以只要求得1/4拍的DELAY时间,其余的节拍就是它的倍数,如表四为1/4和1/8节拍的时间设定。表三节拍与节拍码对照节 拍 码节 拍 数节 拍 码节 拍 数11/4 拍11/8 拍22/4 拍21/
19、4 拍33/4 拍33/8 拍41 拍41/2 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 拍表四各调1/4节拍的时间设定及各调1/8节拍的时间设定曲 调 值DELAY曲 调 值DELAY调 4/4125 毫秒调 4/462 毫秒调 3/4187 毫秒调 3/494 毫秒调 2/4250 毫秒调 2/4125毫秒3.4各元器件逻辑符号与引脚图解 图3.4.A74LS194逻辑符号和引脚图 图3.4B 74LS163引脚图 图3.4C 74LS20引脚图 图3.4D 74LS20内部结构图 图3.
20、4E 74LS09内部引脚图 图3.4F 74LS04引脚图及内部结构 图3.4G 74LS32引脚图及内部结构4 经验体会4.1设计过程中遇到的问题及解决方案1）彩灯只有一种花样变化，没有其它的花样.可能是移位计数器的S0，S1端控制出现问题，应该检查循环控制逻辑电路。还可能是12进制循环控制计数器没正常工作，检查是否正确接线，芯片是否功能完好。特别注意不能把非门的输入与输出接反了。2）彩灯无规律变化.原因可能是12进制循环控制电路不能产生符合要求的控制码，检查模十六计数器的CP脉冲是否稳定，看74LS161是否能计数，即QA、QB、QC、QD是否周期性的高低电平变化，前面没问题，再检查与非
21、门74LS20门74LS04是否能实现它们逻辑功能。3）彩灯的四种花样都有，但一次循环结束到另一次循环开始中间有段时间彩灯不亮.原因可能是控制循环的12进制计数器没有真确接线，实际控制循环的进制大于12进制，导致有放空时间。应该检查74LS20是否正常工作，确保能实现12进制计数。4.2设计体会本来当初选题是要做自动控制延时电路，比较盲目，最后遇到了瓶颈，要用220v电压供电，最后不得不放弃该项目，转而开始这个项目。看似简单的功能做起来并不简单。两周的实习很快就过去了，过程中出现了很多波折，在这次实习中我学到了很多东西，不仅仅是专业知识首先是四路彩灯电路的设计，我发现自己对芯片的功能还是不太了
22、解，后来又重新查了一遍，选择了合适的芯片。但又在连线时出了问题，出了问题并不重要，重要的是让自己冷静下来，用心去找出问题的所在。然后用自己所学知识解决掉问题，硬是不能解决的，可以去请教别人，但在问别人的时候，一定要理解对方是怎样解决掉这个问题的，否则你将一无所获，下次遇到这个问题你一样又不知道。其次是电路的连接，线路连接比画图难多了。在连接的时候先要检查芯片、电线等。在连接的时候也要非常的细心，而且要有耐心，只要接错一根，就前功尽弃了。因此，要学会耐心细致的做一件事，不要毛躁，不要粗心。还有以后做事的时候一定要事先考查清楚，不能盲目选择没有目标。最后，我要感谢学校给我们这样的实践机会，特别要感
23、谢肖主任对我们这组的大力支持。亲自帮助我们修改电路，总之，这次课程设计，让我体会到了团队合作的重要性，让我以后做事更有耐心，更加细心。让我能够更加从容的面对未来的机遇与挑战。4.3对该设计的建议（1）先检查各芯片的电源和地是否接上，检查线路是否连好；前面的检查无问题后，再根据彩灯的变化情况，确定可能的原因，分析是哪个功能模块出了问题，用数字万用表检查各模块的功能，发现并改正错误，直到符合要求为止。（2）对于中等规模以上的电路，可以分模块去实现不同的功能。各个功能实现后然后再组合，这样便于检查错误和扩展功能。参考文献1 余孟尝. 数字电子技术基础 M. 北京: 高等教育出版社，20062 方大千
24、,鲍俏伟.实用电子控制电路M.(第一版).北京：国防工业出版社,2003.3 肖景和.数字集成电路应用精粹M .北京：人民邮电出版社,2002.4 李忠波,袁宏.电子设计与仿真技术M.北京:机械工业出版社,20045 历雅萍，易映萍.电子技术课程设计M.高等教育出版社,2002附录A 彩灯花样输出电路连线图图A彩灯花样输出电路连线图附录B 总电路设计图B总电路设计图附录C EDA仿真电路图C EDA仿真图附录D 元器件清单型号功能备注74LS163模十六进制计数器2个74LS20两个4输入与非门1个555定时器产生多种脉冲1个74LS194移位寄存器1个74LS32四-二输入或门1个74LS09四-二输入与门1个74LS04六-单输入非门1个导线连接电路若干LED 显示彩灯变化6个5V提供稳定电源1个