基于单片机的电子音乐门铃

控制电路学年设计任务书学院计算机与信息工程学院专业物联网工程课程名称控制电路题目基于51单片机的电子音乐门铃设计与实现完成期限自2015年7月9日至2015年8月28日共1周内容及任务一、项目的目的1.利用学过的单片机及C语言等知识，实现基于单片机的电子音乐门铃系统2.巩固所学习的AT89C51、LCD、蜂鸣器控制等知识，训练单片机应用系统开发能力。3.培养查找资料和阅读文献的能力，撰写学年设计报告。二、项目任务的主要内容和要求1.使用51单片机、蜂鸣器、按键按钮和LCD1602等元器件，焊接门铃硬件部分；2.使用C51编写控制程序，使I/O口产生一定频率的方波，驱动蜂鸣器，发出不同的音调，从而演奏乐曲（最少三首乐曲）3.客人可通过门铃按键播放音乐，并显示提示信息。4.如果主人在家，可暂停并取消音乐播放。5.完成设备的代码测试及文档撰写。三、项目设计思路1.设计相关电路图，然后焊接电路板。2.查阅资料了解音乐组成，音符和节拍的产生原理。3.编写音乐播放程序、按键、LCD信息显示和继电器开门程序。4.系统软件调试，并测试通过。四、具体成果形式和要求1.完成基于单片机的电子音乐门铃系统设计，以搭建好的电路实现所要求功能，并配合原理图阐述。2.完成学年设计文档。进度安排起止日期工作内容2015.6．10~2015.7.1选题，讨论内容2015.7.9布置任务和学年设计安排，明确使用的元器件和开发模块2015.7.10~2015.8.24暑假期间查阅资料，准备相关知识，以及具体开发2015.8.25小组交流讨论，系统调试，撰写学年设计报告初稿2015.8.26~2015.8.27修订学年设计报告，完成系统2015.8.28学年设计答辩主要参考资料[1]张毅刚等.单片机原理与应用设计[M].北京：高等教育出版社,2005.[2]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].电子工业出版社,2012.10.[3]刘茂荣.画说乐理(二十)--音程[J].琴童，201O，第8期：18-19.[4]林志琦.基于Proteus的单片机可视化软硬件仿真[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.指导教师意见（签字）：年月日系（教研室）主任意见（签字）：年月日控制电路设计说明书学院名称：计算机与信息工程班级名称：2013级物联网工程1班学生姓名：高战学号：2013211641题目：基于单片机的电子音乐门铃指导教师姓名：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、选题背景随着时代的前进和发展，控制智能化、小型化、低功耗化得到广泛关注。在这些领域中，单片机起到了举足轻重的作用，这就把单片机的应用提升到重要的地位，单片机应用系统设计就成为新的技术热点。近几年来，随着市场上智能家居的不断升温，门铃系统已作为智能化办公室和智能化住宅小区的一个重要组成部分，被各商家和用户所接受。人们已开始习惯用个性化的音乐门铃代替传统铁门铃，这使电子音乐门铃系统得到了飞跃性的发展。随着单片机技术的飞速发展，通过单片机实现人们对物质生活的满足，这将会日益成为今后的一个重要发展的方向。本设计是介绍了由AT89C51单片机来构成电子音乐门铃系统的工作过程，本系统主要完成该电子门铃不仅具有普通电子门铃的功能，而且还具有液晶显示屏提示功能。单片机价格便宜，性能可靠，耗电量少，安装也简便，按下再也不是“叮咚”声，而是悦耳的音乐，让客人可以耐心的等待；它的工作状态能够由用户自行设定音乐和提示语，给来访者提供必要的音乐和文字回应信息，给人们生活提供很大的便利。二、相关知识2.1硬件部分2.1.1AT89C51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。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。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。AT89C51是一个8位的微处理器，并包含有4KB的Flash存储器，即单片微机。在很多的嵌入式控制系统中，许多具有高度灵活性及低成本的解决方案都由AT89C51为其提供。AT89C51中中有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，引脚XTAL1为放大器的输入端，XTAL2为放大器的输出端。AT89C51的P3口第二功能，如下表2-1所示：表2-1P3口第二功能端口引脚第二功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD(串行输入口)TXD(串行输出口)INT0(外中断0)INT1(外中断1)T0(定时/计数器0外部输入)T1(定时/计数器1外部输入)WR(外部数据存储器写选通)RD(外部数据存储器写选通)AT89C51的引脚排列如图2-1所示:图2-1AT89C51引脚图2.1.2液晶显示模块本次系统采用的液晶显示屏是LCD1602。引脚功能说明：LCD1602采用标准的14脚（无背光），各引脚接口说明如表2-1所示:表2-1LCD1602引脚说明编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压4RS数据/命令选择5R/W读/写选择6E使能信号7D0数据8D1数据9D2数据10D3数据11D4数据12D5数据13D6数据14D7数据LCD1602的引脚图如图2-2所示图2-2LCD1602液晶显示屏引脚图2.2开发环境2.2.1软件开发环境KeilμVision3时2006年1月30日ARM推出全新的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具，集成RealViewMDK开发环境。RealViewMDK开发工具KeilμVision3源自Keil公司。RealViewMDK集成了业内领先的技术，包括KeilμVision3集成开发环境与RealView编译器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核处理器，自动配置启动代码，集成Flash烧写模块，强大的Simulation设备模拟，性能分析等功能，与ARM之前的工具包ADS等相比，RealView编译器的最新版本可将性能改善，其界面显示如下图2-3所示。图2-3KeiluVision32.2.2硬件开发环境本次系统设计运用的是Proteus电路仿真软件。Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的仿真软件，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。用来将KeiluVision3内编译生成的.HEX文件导入到电路中的AT89C51单片机中，进行仿真，完成设计。图2-4Proteus仿真软件三、总体设计3.1系统需求设计是基于AT89C51单片机的可控音乐门铃程序设计。依据单片机技术原理，通过PROTEUS仿真软件对硬件电路进行仿真制作以及利用KEIL软件对音乐门铃源程序进行C语言编译，而设计制作出的一个多功能音乐门铃。系统需满足以下要求，利用51单片机的I/O口产生一定频率的方波，驱动蜂鸣器，发出不同的音调，从而演奏乐曲；同时客人可通过门铃按键器播放音乐，并显示主人预设的提示信息；如果主人在家，可暂停并取消音乐。3.2总体设计方案音乐门铃的系统结构以AT89C51单片机位控制核心，加上2个按键、时钟复位电路、放大器、蜂鸣器、LCD显示模块组成。单片机负责接收按键的输入，根据输入控制音乐播放曲目和显示提示信息以及蜂鸣器发音。系统组成结构图如图2-1所示。图3-1系统组成结构图3.3系统功能流程当客人来访，按动门铃开关K2，单片机根据开关K1判断主人是否在家，当K1断开时，即主人在家，则驱动蜂鸣器播放主人预先设定的音乐，并且LCD1602门铃按键复位按键AT89C51单片机音乐停止LCD1602显示内容放大器蜂鸣器液晶显示屏显示内容“Welcome!Pleasewait!”，主人此时可关闭蜂鸣器和LCD提示前去开门。当K1闭合时，即主人不在家，则蜂鸣器无任何声音，同时LCD1602显示内容“Sorry!masteisnotathome!”。具体功能流程如图所示：图3-2系统功能流程图四、硬件设计4.1复位电路的设计复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键以重新开始门铃按键K1LCD显示蜂鸣器播放音乐LCD显示主人不在家主人是否在家（开关K2）结束是否主人关闭音乐播放和LCD提示启动。在振荡器工作时将RST脚保持至少两个机器周期高电平，12时钟模式为24个振荡器周期，6时钟模式为12振荡器周期，可实现复位。为了保证上电复位的可靠RST保持高电平的时间至少为振荡器启动时间通常为几个毫秒再加上两个机器周期复位后振荡器以12时钟模式运行当已通过并行编程器设置为6时钟模式时除外。本次设计复位电路设计，如图4-1所示。图4-1复位电路4.2时钟电路的设计时钟电路产生与单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。而时序所研究的则是指令执行中各信号之间的相互时间的关系。在51单片机内部有一个高增益反向放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端引脚为XTAL2，在芯片的外部通过这两个脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成一个稳定的自激振荡器。如图4-2所示：图4-2时钟电路的设计内部程序存振荡晶体可在1.2MHz~12MHz之间选择，电容值无严格要求，但在电容值取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20pF~100pF之间取值，但在60pF~70pF时振荡器有较高的频率稳定性。本设计选取晶振为12MHz，电容为30pH。4.3开关电路的设计开关K1为主人是否在家的控制开关，开关K2模拟门铃按钮，开关K3为主人控制开关，用于停止音乐提醒，详细设计见图4-3。图4-3开关电路的设计K2K34.4蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。利用51单片机的I/O口产生一定频率的方波，驱动蜂鸣器，发出不同的音调，从而演奏乐曲图4-4蜂鸣器4.4总体硬件电路总体硬件电路实现功能如下，如图4-5所示。⑴电路中用P3.2、P3.3控制按键。⑵P0.0-P0.7和P2.0-2.7控制数码管的时间显示。⑶P2.6控制蜂鸣器。图4-5硬件仿真电路图五、软件设计一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波频率，也就是说不能像电子琴那样能奏出多种音色的声音。因此单片机奏乐只需弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和节拍表示一个音符唱多长的时间。5.1音调的确定不同音高的乐音是用C、D、E、F、G、A、B来表示，这7个字母就是音乐的音名，它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成简谱的1、2、3、4、5、6、7，相当于汉字“多来米发梭拉西”的读音，这是唱曲时乐音的发音，所以叫“音调”，即Tone。把C、D、E、F、G、A、B这一组音的距离分成12个等份，每一个等份叫一个“半音”。两个音之间的距离有两个“半音”，就叫“全音”。在钢琴等键盘乐器上，C–D、D–E、F–G、G–A、A–B两音之间隔着一个黑键，他们之间的距离就是全音；E–F、B–C两音之间没有黑键相隔，它们之间的距离就是半音。通常唱成1、2、3、4、5、6、7的音叫自然音，那些在它们的左上角加上﹟号或者b号