电子音乐闹钟的设计与仿真毕业设计论文Word文档格式.docx
《电子音乐闹钟的设计与仿真毕业设计论文Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子音乐闹钟的设计与仿真毕业设计论文Word文档格式.docx（42页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
导师签名：
日期：
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性；
技术线路的可行性；
设计方案的合理性
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
建议成绩：
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
二、论文（设计）水平
评阅教师：
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
教学系意见：
系主任：
摘要
电子音乐闹钟在日常生活中具有很广泛的应用。
本课题设计了一个基于单片机控制的电子音乐闹钟，从硬件和软件两个方面对系统进行了详细设计。
硬件系统主要包括单片机主控模块、显示模块、按键模块和音乐播放模块。
其中单片机模块采用AT89C51，显示模块采用简单实用的数码管，音乐播放利用扬声器发声控制。
系统能够准确地显示时、分、秒信息，通过独立按键实现时间调整和闹钟时间的设置，能够定时播放预先设置的电子音乐。
软件方面基于模块化编程思想，开发环境采用KeilC51。
最后利用硬件仿真软件Proteus构建硬件仿真平台，对系统进行了功能验证。
仿真结果充分说明系统设计是完全可行的。
关键词：
单片机；
电子音乐闹钟；
LED数码管；
独立按键
ABSTRACT
Electronicmusicalarmclockhasawiderangeofapplicationsinourdailylife.Thistopichasdesignedabasedonsinglechipmicrocomputercontrolelectronicmusicalarmclock,fromtwoaspectsofhardwareandsoftwareofthesystemhascarriedonthedetaileddesign.HardwaresystemmainlyincludestheSCMcontrolmodule,displaymodule,keymoduleandmusicplaybackmodule.TheAT89C51singlechipmicrocomputermodule,displaymoduleadoptsthesimpleandpracticaldigitaltube,musicplaybackusingspeakervoicecontrol.Systemisabletoaccuratelydisplayhours,minutesandseconds,throughindependentkeyimplementationtimeadjustmentandthealarmtimeSettings,canplayapresetelectronicmusicregularly.Softwarebasedonthemodularprogrammingideas,developmentenvironmentKeilC51.FinallyusinghardwareemulationsoftwareProteussimulationplatformbuildinghardware,thesystemfunctionalverification.Thesimulationresultsfullyshowsystemdesigniscompletelyfeasible.
Keywords:
Singlechipmicrocomputer;
Electronicmusicalarmclock;
LEDdigitaltube;
Separatebutton
1引言
1.1研究目的和意义
目的：
设计一个电子闹钟，该闹钟可由使用者自己校准时间并根据需要在规定的时间发出音乐提醒使用者，防止遗忘时间。
意义：
电子音乐闹钟在生活中很常见，有了它，使得我们忙碌的生活不在枯燥，也不用担心会错过什么重要的事。
随着现在生活压力的增大，失眠现象已经很普遍，特别是当第二天有重要事情的时候，老是怕睡过而导致人们睡不好，有了电子闹钟，我们再也不用担心这种事会发生了，而是能好好地睡到闹钟闹醒的那一刻，如果再加上那么一段美妙的音乐，这样，我们会伴随柔和的音乐而起床。
所以，电子音乐闹钟给人们的生活带来了极大的方便。
于是，研究这样一个电子音乐闹钟有着非常现实的意义。
1.2本系统主要研究的内容
本设计主要研究用proteus和keil协同仿真一个电子音乐闹钟，主要包括硬件电路详细设计和软件详细设计两方面。
其中硬件电路部分可分为四个模块：
键盘模块；
②显示模块；
③计时模块；
④音乐播放模块。
软件部分则应做到程序的准确、简单、可读性强。
最后通过硬软件的结合实现电子音乐闹钟的精确计时、闹钟设置和播放音乐功能。
2方案的选择和论证
2.1单片机选择
通过分析多种单片机，认为AT89C51是比较适合做电子音乐闹钟的芯片，器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次以上,其寿命较长，使用更方便。
再者他的数据保留时间可达10年。
AT89C51是一种高效微控制器，是最好的选择。
2.2按键的选择
方案一：
矩阵式键盘。
为了节省I/O口，通常将按键排列成矩阵形式。
虽然电路连接复杂，但是提高了I/O口的利用率，在修改时钟或设置闹铃时间时可以直接从键盘输入，快捷、方便。
如果选择此方案，软件编程较复杂，适用于需很多个按键的场合。
方案二：
独立式按键。
独立式按键是直接用I/O口线构成单个按键电路，一个按键单独占用1根I/O线。
虽然会给布线带来诸多不便，但程序设计简单，适合用于按键较少的场合。
如果系统中的键较少，就可以使用独立式按键，因此，此方案适用于按键较少的情况。
如果使用该方案，无论从硬件还是软件方面实现起来都比较方便，所以我选择方案二。
2.3显示器的选择
方案一：
液晶显示器。
此显示器体积小，便于携带；
并且液晶显示器可视面积大。
其缺点为此显示器的亮度和对比度不是很好，并且寿命有限，驱动电路复杂，使用起来更麻烦。
方案二：
数码管显示器。
数码管的驱动电路简单，并且在亮度、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。
LED寿命长，背光功耗低、更环保，它不含有害金属汞，免去了对人体对环境的损害；
第三、LED背光让显示器显得更轻薄，LED采用发光二极管，不需要复杂的光路设计，实现真正的光源平面化，所以显示器也能节省很多空间。
如果选择了此方案，那么在夜间看时间的时候就非常方便。
其缺点是耗电量较大。
综合考虑，数码管使用起来较为方便，因此我选择用数码管做显示器。
2.4计时部分的选择
DS1302时钟芯片，大可以实现计时功能，而且系统不怕掉电且时间精确。
它采用备份电池供电，在系统断电时仍可以工作。
实时时钟芯片的这些优点，使得它广泛应用于需要显示时间的场合，但这种芯片比较贵，况且，设计本系统目的是为了学习单片机程序的编写和调试，因此采用了软件编程的方法来计时而没有采用价格较高的时钟芯片。
2.5单片机播放音乐原理
一般情况下，用单片机蜂鸣器来演奏音乐基本都是单音频率，不像专用乐器那样能演奏多种音色的音乐。
所以音调和节拍是该设计要了解的两个概念。
音调表示了一个音符的频率有多高，节拍表示了一个音符能唱多久。
2.5.1音调的确定
音调主要是通过频率来确定的，我们可以根据音调表查出各个音符所对应的相应频率，接下来就需要用51单片机发出相应的频率即可，主要方法就是使用定时器定时中断，将蜂鸣器对应I/O口来回取反就行了。
下面我举个例子说明一下怎么确定一个频率对应的定时器的定时值。
例如标准音高A：
频率f=440Hz,其对应的周期为：
T=1/f=1/440=2272μs，那么单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反的时间应为：
t=T/2=2272/2=1136μs，也就是清零、置位在一个周期内完成.
音符与节拍数的关系如表1所示。
表1音符与节拍数的关系
音符
节拍数
x--（全音符）
4拍
x·
（附点八分音符）
3/4拍
x-（二分音符）
2拍
（附点十六分音符）
3/8拍
X（四分音符）
1拍
000（三分休止符）
休止3拍
X（八分音符）
1/2拍
00（二分休止符）
休止2拍
X（十六分音符）
1/4拍
0（四分休止符）
休止1拍
（附点四分音符）
1.5拍
0（八分休止符）
休止1/2拍
2.5.2音乐节拍的产生
一般情况下，如果一首乐曲没有说明，一拍的时长大约400ms到500ms之间，我们可以通过软件延时的方法来延时这么长时间。
for（t1=0;
t1<
t;
t1++）
for（t2=0;
t2<
8000;
t2++）;
通过改变t的值就可以唱出不同节拍的音乐。
表2所示为不同曲调下的1/4和1/8节拍的时间设定。
如果单片机要实现播放音乐，那么必须在程序设计中要考虑到节拍，节拍数和节拍码的对照表如表3所示。
表2各调节拍的时间设定
曲调值（1/8节拍）
DELAY
曲调值（1/4节拍）
调4/4
62ms
125ms
调3/4
94ms
185ms
调2/4
250ms
表3节拍数与节拍码的对照
节拍码
1
1/8拍
2
2/4拍
3
4
5
1.25拍
5/8拍
6
1.5拍
8
A
2.25拍
C
3拍
F
3.75拍
3电子音乐闹钟系统详细设计
3.1系统功能方框图
根据设计需求分析，系统主要包括以下几个模块：
微处理器模块、单片机最小系统、数码管显示模块、按键模块以及扬声器发声模块，具体方框图如图3.1所示。
AT89C51
复位
晶振
6位数码管
段码驱动
位码驱动
按键
蜂鸣器
图3.1系统功能方框图
下面从硬件和软件两个方面对系统进行详细设计。
3.2硬件详细设计
3.2.1AT89C51单片机简介
AT89C51是这几年我国非常流行的单片机，AT89C51是一种高性能、低电压的CMOS单片机，它的片内包含4kbytes可重复擦写的FLASH只读程序存储器，同时还有128bytes的随机存取数据的存储器。
由ATMEL公司开发生产，在8051、8751的基础上增强了许多特性。
如时钟频率更高，运行速度更快。
是嵌入式微控制器，与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，功耗和成本下降，可靠性提高。
AT89C51是一种高效的微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了质优价廉的方案。
它可以满足多方面的性能需求。
AT89C51采用了高性能的处理器结构，指令执行时间较短。
P0口是开路型漏极双向输入输出口，也即数据、地址复用口。
P1口可作输入口，因其自带有上拉电阻的双向输入输出口。
P2口也是带有上拉电阻的双向输入输出口。
P3口也是一个双功能口，当作为通用I/O口外，P3口还可以工作于专用功
图3.2.1AT89C51单片机
能，P3口在输入方面多了一个缓冲器，P3口无须再加上拉电阻。
其电源正负极分别接在40和20引脚上。
3.2.2晶振电路
晶振电路是构成单片机的最小系统，单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。
单片机系统里都有晶振，在单片机里晶振的作用非常大，全称晶体振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1，即19引脚，输出端为XTAL2，即18引脚。
在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。
晶振电路如图3.2.2所示。
图3.2.2晶振电路
3.2.3复位电路
一个单片机系统至少有单片机芯片、电源、晶体振荡器，还需要有能使单片机复位的电路。
复位电路分上电复位和手动按键复位两种，电路如图3.2.3所示。
图3.2.3复位电路
3.2.4键盘电路的设计
键盘电路采用4个独立按键和上拉电阻实现对闹钟时间的设定。
其分别接在单片机的P1^1、P1^2、P1^3、P1^4引脚上，如图3.2.4所示。
图3.2.4键盘输入电路
3.2.5显示电路
此为六个七段共阳数码管，1、2、3、4、5、6表示数码管位控制管脚，分别接在74HC138的15、14、13、12、11、10引脚上，实现对6位数码管位的选择；
a、b、c、d、e、f、g，就是数码管的段码输入，分别接在单片机P0口的P0.0~P0.6引脚。
显示电路如图3.2.5所示。
图3.2.5数码管显示电路
3.2.6显示驱动模块
74HC138是一款高速CMOS器件，适合内存地址解码或数据路由应用。
可接受3位加权地址输入（A,B,C），在高性能存贮器系统中，这种译码器可提高译码效率。
所以采用74HC138来驱动位码，段码由上拉电阻驱动。
其三位地址输入1、2、3引脚分别接在单片机P2口的21、22、23引脚上。
具体电路如图3.2.6所示。
图3.2.674HC138功能引脚图图3.2.7蜂鸣器发音电路
3.2.7发音电路模块
蜂鸣器是一种常用的电子器件，在很多的场合都有广泛的应用，一般用来发出报警或者提示的声音。
在本系统中，利用蜂鸣器进行闹钟音乐的播放。
其控制端一端接在P3口的P3.7引脚上，另一端接地。
具体电路如图3.2.7所示。
3.3软件详细设计
3.3.1主程序设计
主程序部分采用程序设计的模块化思想设计，模块化设计的优点是效率高，其模块相对独立，便于修改。
在执行程序时，主程序只需要调用子程序就可完成相应的功能。
主程序流程图如图3.3.1所示。
图3.3.1主程序流程图
3.3.2定时器定时模块
电子音乐闹钟设计中主要使用定时器T0，利用中断进行时间的增加，进而实现计时功能。
其流程图如图3.3.2所示。
图3.3.2定时程序流程图
3.3.3闹钟模块
判定有没有到达闹钟设定时间是通过将闹钟设定时间与当前时间进行对比来确定是否进行闹铃。
其程序流程图如图3.3.3所示。
图3.3.3闹钟程序流程图
3.3.4计时模块
计时函数部分，主要是通过单片机定时器中断进行的，当单片机产生一次中断，counter=20时，说明1秒时间到，然后把counter清0，把秒sec加1。
以此类推，然后再依次判断分钟和小时。
计时模块流程图如图3.3.4所示。
图3.3.4计时流程图
3.3.5键盘扫描模块
图3.3.5键盘扫描流程图
此部分主要是通过判断counter在不同值时通过调用加1、减1子函数对时间和闹钟的时、分、秒进行设置。
在闹钟设置时，按下key1时钟停止，进入闹钟设置模式，key2用来选择时、分、秒的设定，按一下设置秒、两下设置分、三下设置时，key3用来选择加，key4用来选择减,设定好了之后再次按下key1即可完成闹钟时间设定，时间正常走。
3.3.6播放音乐模块
当当前时间与所设的闹钟时间相等时，调用曲目，查找相应的音符，音符的高四位（即音频）装入T0，音符的低四位（即节拍）装入节拍单元。
T0开始计数，从P3.7输出脉冲信号，播放音乐。
音乐播放结束，返回主程序。
播放音乐流程图如图3.3.7所示。
Y
图3.3.7播放音乐流程图
4系统调试
4.1软件介绍
4.1.1PROTEUSISIS软件介绍
Proteus软件是英国Labcenter公司出版的EDA工具软件。
目前，Proteus仿真系统支持的主流单片机有ARM7（LPC21xx）、8051/52系列、AVR系列等，它支持第三方软件开发、编译。
Proteus主要由ISIS和ARES两部分组成，ISIS主要用于原理图设计及与电路原理图的交互仿真。
Proteus的ISIS是一款专业的单片机软件仿真系统，ProteusISIS是Proteus软件的核心，具有高质量的原理图，良好的用户界面，自动走线，层次设计，总线支持等特性。
该软件具有数字电路仿真、模拟电路仿真等，ISIS提供的ProteusVSM实现了混合式的SPICE电路仿真，他将高级图表应用，单片机仿真，第三方程序与调试环境有机结合，可以完成原理图设计、电路分析与仿真及单片机程序仿真、测试及验证。
并且有各种虚拟仪器。
4.1.2
升级会员 