带有电子时钟的音乐盒系统设计毕业设计.docx

1、带有电子时钟的音乐盒系统设计毕业设计深 圳 职 业 技 术 学 院 SHENZHEN POLYTECHNIC专 业 班 级 电子信息工程技术 05电四4班 论 文 名 称 带有电子时钟的音乐盒系统设计 毕业设计（论文）任务书专业（班）： 05电四4班 姓名： 1、课题名称、主要内容和基本要求课题名称：带有电子时钟的音乐盒系统设计主要内容： 传统课堂上的音乐盒在功能实现和弹奏方式上都比较单一，本设计是基于传统的音乐盒功能实现上采用创新的方法，在信号输入采用非接触式的方法来处理，在声音的实现上抛弃利用单片机的频率来发出声音，而是采用串口信号传送方法，把相应的指令传送到上位机，再由上位机执行发声的任

2、务。该音乐盒能实现非接触式按键输入，信号传输，弹奏音乐，播放音乐等功能。基本要求：1 掌握非接触式音乐盒的工作原理、技术可行性分析2 完成音乐盒的电路硬件设计、硬件调试3 完成音乐盒的软件设计调试4 试运行、测试，完成作品。5 完成设计论文。技术指标：1LED彩灯的点亮方式与功能复用2信号的采集方法和传送方式3上位机处理验收标准:1.毕业设计论文符合要求2.作品演示功能正常3.技术指标达到要求2、进度安排周次工作内容执行情况上学期搜集资料、选择方案、技术可行性分析、方案论证与确定完成第1-2周撰写、修改、评定开题报告完成第3-5周设计与绘制硬件电路原理图、绘制硬件电路PCB板图完成第6-7周硬

3、件电路PCB板制作及测试、故障诊断、电路完善完成第8-10周系统程序设计、完成上位机程序完成第11-12周与硬件的联调、完成各单元的功能完成第13-15周写设计报告（论文）完成第16周答辩，演示制作成品、讲解设计思路、回答提问3、指导教师评语 指导教师签名： 4、评阅教师评语 评阅教师签名： 5、毕业设计（论文）成绩答辩委员会主任签名： 摘 要本设计是一个创意音乐盒也是一款益智类的玩具，针对现在市场上给小朋友玩的音乐盒都是以敲击和自动播放作为弹奏音符的主要形式的这个特点，设计一个集益智，非接触式的弹奏方式，并具有电子时钟功能为一体的音乐盒。它是可以带动小朋友对音乐的兴趣，有助于提高他们的动手能

4、力和思考能力。本系统以AVR单片机为控制核心，配合AD非接触式按键输入，串口模块、时钟模块、显示模块及小型上位机的应用组成，实现了非接触式的设置时间，弹奏音乐及时间准确显示等功能。经测试，本系统弹奏音色好，误差小反应快，功耗小，能出色地完成所要求的功能。关键词：AVR单片机;串口上位机；非接触式按键；时钟显示 AbstractThis design is a creative music box is a puzzle for now, class of toys for kids to play on the market of music box are percussion and au

5、tomatic playback as the main forms of play notes this characteristic, design a set of the plays, non-contact, and has the function of electronic music, as one of the clock. It can promote childrens interest in music, which helps to improve their ability of thinking. This system in AVR core is MCU, c

6、ooperate with AD contactless keystroke serial module, the clock display module and small module, and the application of computer and a set of non-contact music playing time, and the time accurately display function. The test, this system is playing well and small error response tone, low consumption

7、, can complete the required to function.Key Words：AVR microcontroller；Serial PC； Contactless buttons； The clock display系统功能说明本次设计的目的是为了开发智能音乐盒，与传统课堂上的音乐盒相比，本设计采用了非接触式的弹奏方式，在声音的实现上抛开传统的放大器而是采用串品信号传输来实现，并具有电子时钟功能为一体的音乐盒。音乐盒将达到以下要求：1、音乐、音符发音的实现基本的功能，利用电脑串口通信借助于声卡的音色实现音符和音乐的发音功能。2、音乐弹奏功能这是本系统的最基本，最主要实现的

8、功能，主要实现七个音符（do ri mi fa so la xi)的弹奏，点到哪个音符哪个音符相应的音就会响起。3、自动播放歌曲功能可以根据自已喜欢的歌曲进行自动播放，可以在几首歌里进行选择。4、电子时钟的时间显示功能该电子时钟能够准确显示北京时间（时、分、秒）及公历日期显示功能（年、月、日）5、电子时钟的时间调整电子时钟在第一次使用时，需要根据当前时间进行时间调整，设定其初始时间，设置完成之后，它会在设定值基础上进行推确的计时和显示。在挂钟断电或出现其他故障排除后，也需要根据当前时间进行时间调整。目前市面上尚无此类产品，本设计一旦投入市场，将以价格低廉，功能强大为卖点非常适合投资者，本设计适

9、合开发儿童思维。本课题的主要难点是电脑通信利用电脑声卡的音色来发音，利用小型上位机与产品配合，利用AD采样扫描LED灯作为双重按键功能，在编程过程中都需要处理好些问题。设计方案论证系统所选的控制芯片方案编号实现方式方案评估方案择优1用51系列单片机作为控制芯片，用汇编语言实现此方案所用的芯片在编程过程中比较复杂和烦锁。2用AVR系列单片机作为控制芯片，用C语言来编程实现采用AVR单片机编程，可提高电路的可靠性与稳定性，硬件电路比较简单，主要是软件来控制电路。比较可靠和稳定。采用表2.1声音的实现方案论证和比较方案编号实现方式方案评估方案择优1外接一个功放，利用单片机编程发出声音此方案实现的声音

10、效果较差，音质不好2通过串口的通信方式，利用电脑里自带的声卡来实现音乐的播放与弹奏功能。该方案可以用VB编程上位机，实现界面管理，操作简单，实现的声音效果较好，技术含量高采用表2。2 非接触式的弹奏方案论证和比较方案编号实现方式方案评估方案择优1可用七个光敏电阻，加一个LED灯，通过AD转换实现该方案在实现的过程中，容易受到环境光影响，电路简单，编程简单，但效果不美观2可用七个不同颜色的LED灯加一个光敏电阻该方案实现的效果好，彩灯闪烁，点到哪个音符即发出声音，效果美观，电路简单，编程实现简单。采用3可用七组红外收发对射管该方案在实现的过程中，电路较为复杂，但编程简单。表2.3时钟源的方案论证

11、和比较方案编号实现方式方案评估方案择优1单片机定时器，用软件实现AVR芯片内部有定时器，无需附加外部元器件，通过编程实现时钟功能，但容易受单片机外接的电容等的影响，精度差，准确性不高，成本低，程序设计困难。2外接32.768MHz晶振，用软件实现外接晶振分频后作为时钟的基准信号，具有较高的精度但程序设计困难3采用实时时钟日历芯片，通过硬件实现实时时钟芯片能自动产生1秒时钟基准信号，且自带日期及闰年调整功能，计时精度高，准确性高，程序设计简单，但成本略高。采用表2.4时钟显示的方案论证和比较方案编号实现方式方案评估方案择优1可用数码管实现电路设计复杂，编程复杂2可用1602液晶实现电路简单，编程

12、简单，界面直观采用表2.5系统组成及设备造型应用系统结构设计根据对音乐的功能要求和选定的设计方案，设计出如图的控制系统结构。图3.1 音乐盒系统结构框图控制面板设计图3.2 音乐盒面板设计在音乐盒的面板上有七个彩色的LED灯，液晶显示和信号接收头。各部分功能如下： 在液晶上会显示当前的日期和时间，可以利用信号接收头控制七个LED的时间设置功能来初始化时间，设定及调整当前的时间，进入设定菜单后，LED的六个灯对应的分别是年月日，时分秒的设置，每点到一个灯则相应的时间会加1，设置完毕后，点到第七个LED灯，退出时间设置模式，时间启动。七个彩色的LED灯是代表七个音符，没有弹奏时，它是循环点亮的，当

13、光敏电阻点到哪个灯时，它所对应的音符就会通过串口把信号传出去，上位机接收到后，就会发出它所对应的音符声音。利用VB里的COM控件，对其设置和编程，下位机加了串口电路，用两者的通信，利用电脑里的声卡来发出声音，音频方面则是上位机用了player控件，对其设置，用相应的MID格式音符文件，通信成功后，接收到命令便会自动播放音频文件，此设计特点，让音乐盒的声音更好听，更悦耳，更方便。设备造型本设计采用ATMEL公司的高性能低功耗AvR单片机MEGA16L作为控制系统的核心。按照图所确定的系统结构，选择合适的功能部件，以完成完整的系统控制电路设计。控制系统需要选择实时时钟日历单元、非接触式弹奏单元、串

14、口通信单元和显示单元、小型上位机单元五部分。器件编号器件名称型号基本参数1单片机Mega16L8位单片机，32个8位通用工作寄存器，JTAG接口，32个可编程的I/O口，工作电压2.7-5.5V2电平转换MAX232低功耗，低电压供电RS232系统3串口RS-232-C标准串口，是目前最常用的一种串行通讯接口，9芯D型插座。4彩灯LED灯七个各色的LED灯5实时时钟芯片PCF8563内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片，内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路1.0V 以及两线制I2C 总线通讯方式6显示单元1602液晶1602可以显示2行16个字符，有8位数据总

15、线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光。表3.3 设备选型表硬件总体说明硬件设计总体说明本设计是基于Atmega16单片机作为主控芯片，附加各功能模块系统硬件包括以下几个部分：1） 单片机及外围电路 2） 串口电平转换的硬件结构3） 时钟系统的硬件结构4） 液晶显示的硬件结构5） 非接触式按键模块6） 电源模块图4.1.1 总设计原理图在本系统中，具体端口分配参考如下图：图4.1.2 Mega16端口功能分配图硬件各模块主要元器件说明CPU及外围电路在其外围电路里，附加了晶振模块，晶振我所选用的是7.2728MHz，用来和串口进行通信，目的

16、在于更准确。本设计所使用的芯片是ATmel公司所出的mega16, ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。该芯片特性： 高性能、低功耗的 8 位AVR 微处理器 先进的RISC 结构 131 条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8 位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程Flash

17、 擦写寿命: 10,000 次 具有独立锁定位的可选Boot 代码区 通过片上Boot 程序实现系统内编程 真正的同时读写操作 512 字节的EEPROM 擦写寿命: 100,000 次 1K字节的片内SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 符合JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立振荡器的实时计数器R

18、TC 四通道PWM 8路10 位ADC 8 个单端通道TQFP 封装的7 个差分通道2个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/ 片外中断源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、 Standby 模式以及扩展的Standby 模式 I/O 和封装 32 个可编程的I/O 口 40引脚PDIP 封装, 44 引脚TQFP

19、 封装, 与44 引脚MLF 封装 工作电压: ATmega16L：2.7 - 5.5V ATmega16：4.5 - 5.5V 速度等级 0 - 8 MHz ATmega16L 0 - 16 MHz ATmega16 ATmega16L 在1 MHz, 3V, 25C 时的功耗 正常模式: 1.1 mA 空闲模式: 0.35 mA 掉电模式: 1 A图4.2.1 Mega16管脚图Mega16管脚：端口A(PA7.PA0) 端口A为 8位双向 I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时

20、将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。端口B(PB7.PB0) 端口B为 8位双向 I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口C(PC7.PC0) 端口C为 8位双向 I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果

21、JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5（TDI）、PC3（TMS）与PC2（TCK）的上拉电阻被激活。端口D(PD7.PD0) 端口D为 8位双向 I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。RESET 复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间在 P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。 XTAL2 反向振荡器放大器的

22、输出。 AVCC AVCC为端口 A以及A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用 ADC时应该通过一个低通滤波器与 VCC连接。 AREF A/D的模拟基准输入引脚。 串口模块Max232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。下图为MX232双串口的连接图，可以分别接单

23、片机的串行通信口或者实验板的其它串行通信接口： 图4.2.2-1 RS232串口电路图4.2.2-2 RS232引脚 引脚定义符号1 载波检测 DCD 2 接收数据 RXD3 发送数据 TXD 4 数据终端准备好 DTR5 信号地 SG 6 数据准备好 DSR7 请求发送 RTS 8 清除发送 CTS9 振铃提示 RI时钟系统模块 采用了PCF8563实时时钟芯片，用了32.768MHz的晶振，时钟线（SCL）接到了PD2，数据线（SDA）接到了PD3。PCF8563实时时钟芯片介绍：PCF8563 PHILIPS 公司推出的一款工业级内含I2C 总线接口功能的具有极低功耗的CMOS多功能时钟

24、/日历芯片。它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C 总线接口串行传递。最大总线速度为400Kbits/s ，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。PCF8563 的多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能能完成各种复杂的定时服务，甚至可为单片机提供看门狗功能。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路1.0V 以及两线制I2C 总线通讯方式，不但使外围电路及其简洁，而且也增加了芯片的可靠性。 特性：1）低工作电流典型值为0.25 A VDD=3.0V Tamb=25 时；2）世纪标志；图4.2.3-1 PCF8563管脚图

25、3）大工作电压范围1.0 5.5V；4）低休眠电流典型值为0.25A(VDD=3.0V,Tamb=25 )；5）400KHz 的I2C 总线接口VDD=1.8 5.5V 时；6）可编程时钟输出频率为32.768KHz 1024Hz 32Hz 1H；7）报警和定时器；8）内部集成的振荡器电容片内电源复位功能掉电检测器；9）I2C 总线从地址读0A3H 写0A2H；10）开漏中断引脚。图4.2.3-2 PCF8563电路图液晶显示模块1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符

26、都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。图4.2.4 1602液晶电路接法非接触式按键模块 非接触式按键的设计，是采用七个LED灯，加一个光敏电阻，当光敏电阻点到哪个灯时，通过AD转换，再进行信号的外理，起到按键的功能。 电源模块电源模块主要是采用7805稳压管，把外加的9V/12V电源通过7805稳出5V供单片机工作和处理。图4.2.6 电源模块电路PCB的制作布线规则：GND 65mil VCC 70mil Width 50mil把制作好的PCB图打印出来，把电路走线曝光在腐蚀

27、板上，再放到洗板水中腐蚀3到4小时后，再把板钻孔，即制作成单面的PCB板，再把对应的元器件焊接上去，再进行电路的检测，本系统的硬件从设计到制作就完成了。图4.2.7 PCB图软件设计流程图主程序流程图说明：上电后，根据第7个LED判断point的值，如果point=1时说明没选中第7个LED，进入时间设置功能，此时六个LED灯都可做按键使用，对应的分别是年月日，时分秒，可作时间的设置启动；如果point=0时说明选中第7个LED，进入音乐功能，此时的LED灯就作为音符使用，信号接收头点到哪个灯，相应的信号就会通过串口上传到上位机，上位机执相应的功能。以下是该部分的程序：if(point=1)

28、PORTA=PORTAvalue+280) if(n!=k) /照同一个灯只当照一次处理 if(n=1) key_value=1; else if(n=2) key_value=2; else if(n=3) key_value=3; else if(n=4) key_value=4; else if(n=5) key_value=5; else if(n=6) key_value=6; else if(n=7) key_value=7; delay_ms(500); if (key_value 0) switch (key_value) case 1: year+; if(year=2000

29、 | year=2050)year=2005; rtc_set_date(date,month,year); rtc_set_time(hour,min,sec); break; case 2: month+; if(month=13 | month=1)month=1; rtc_set_date(date,month,year); rtc_set_time(hour,min,sec); break; case 3: date+; if(date=32 | date=0)date=1; rtc_set_date(date,month,year); rtc_set_time(hour,min,sec); break; case 4: hour+; if(hour=24 | hour=0)hour=0; rtc_set_date(date,month,year); rtc_set_time(hour,min,sec); break; case 5: min+ ; if(min=60 | min=0)min=0; rtc_set_dat