基于单片机的音乐彩灯控制器设计

张德坤 彭森

摘 要：如今，单片机正以迅雷不及掩耳之势的速度占领了智能控制系统的主导位置。各种彩灯也伴随在我们生活周围。此次的音乐彩灯控制器是使用AT89C51单片机制作的，由于单片机的频率不一样，所以当输出到扬声器播放音乐时，彩灯会跟随着音乐的变化而有节律的亮和灭。本文主要讲述了该系统硬件电路的组成结构和连接方法，同时还介绍了应用软件的程序设计。在硬件设计上，我们先对直流电源电路、复位电路以及时钟电路和声音驱动电路进行电路设计，然后把所有模块电路进行连线组合，通过仿真软件调试确定此次设计的硬件电路。设计软件的时候，我们先将音符频率发生的程序、彩灯程序、计数器/定时器程序全部设计好，之后再将每个程序块整合，最后将程序通过软件仿真联合进行调试。

关键词：单片机；彩灯；控制器

1 引言

现如今，单片机已经应用于各个领域。比如：私家高档轿车的安全系统，工业的控制，导弹导航装置，智能的仪器表，普遍应用的各种智能IC卡，计算机网络和通讯领域的应用以及程控玩具、电子宠物等等。科技越来越发达，智能化的东西也越来越多。所以可以说，学习单片机相关的知识、研发及应用必然会成为这个社会发展的一种趋势。在20世纪80年代的时候，单片机首次出现在我国，随后又开展了全国第一届单片机开发与应用的交流会，有些地方甚至还创立了和这有关的协会，这是单片机在国内形成的第一次热潮。现如今，发展得最快的就属单片机应用技术了，只要将 “单片机”三个字输入到网上进行搜索，就能够出现数以万计的和单片机有关的网站。根据调查发现，当前我国的单片机从业人数至2010年达到了100多万，人才的需求量位居第一。据统计，单片机的年生产能力已达到3亿片，每年以约为百分之二十的速度快速增长，可是相对世界市场中国的全球市场份额不足 1%。因此，我国单片机知识的学习是一个很好的发展前景。所以，随着社会的发展，单片机技术将更受欢迎。迄今为止，有许许多多的音乐彩灯控制器的设计方案，例如：使用单片机进行控制、使用传感器进行控制，使用EDA进行控制等等。在节约实验器材和简化设计步骤的情况下，为了简化硬件电路，也可采用PLCS7-20CN来控制，虽然硬件电路与其他控制系统相比相对简单，但实验程序比较繁杂，实验过程也比较复杂；对于编写程序是个比较困难的问题。因此我们常常会选择单片机来设计音乐彩灯控制器，通过单片机端口来控制音乐的播放和彩灯闪烁，这个方案编写程序更简易，可编译性也更好。此次设计是通过以AT89C51芯片为基础来实现音乐彩灯的效果，我们用一个恒流源供电，使用单片机来产生不同的频率和一些外围的辅助电路，再通过蜂鸣器播放音乐，当蜂鸣器播放音乐时彩灯跟随着音乐节奏的变化而变换，从而达到音乐彩灯的效果。

2 系统方案选择

本设计需要实现两种工作模式：播放音乐模式和花样灯模式。

（1）播放音乐模式：播放音乐，八路LED跟着音乐的变化而变换。

（2）花样灯模式：八路LED通过程序控制变换出各种花样。方案一：基于单片机音乐彩灯控制器的设计，是利用AT89C51芯片编程产生频率发出音调。依据具体情况，本方案选取12MHz作为系统的外部晶振。使振荡电路得到12MHz的时钟信号，通过发射驱动电路放大，再经过单片机输出，并根据按键控制端口输出使音乐播放，同时彩灯闪烁。此方案运用单片机和按钮来控制音乐和彩灯，灵敏度高。很多音乐彩灯控制器的设计都采用这类设计方案。方案二：利用STC12C5A60S2芯片设计音乐彩灯控制器，把程序写入芯片后完成彩灯与音乐的控制。控制器让乐曲信号经由FFT（Fast Fourier Transformation，即离散傅里叶变换的快速算法）计算后产生n（led阵列灯数）个数据，而后每一个数据发送到led阵列对应点，从而完成音乐和彩灯同步控制。方案一思路清楚，电路简单，便于操作，成本低。而方案二虽然灵敏度高，但结构复杂、功耗比较高，控制并不简单。结合各自的优劣点我们选取方案一。

预期调试结果：

（1）经过调试后结果。蜂鸣器播放出千年之恋这首歌的曲子，彩灯随着音乐的节奏改变。（2）按K1键进行选择调试。按K1键之后，彩灯花样点亮。（3）按K2键进行选择调试。按K2键之后，蜂鸣器播放出寂寞沙洲冷这首歌的曲子，彩灯随着音乐的节奏改变。（4）再按K2键进行选择调试。再按K2键之后，蜂鸣器播放出千年之恋这首歌的曲子，彩灯随着音乐的节奏改变。此电路的程序只需要大约1K，我们可以编写更多的音乐和彩灯花样，使系统更强大。

3 电路设计

3.1系统模块框图

本文主要介绍了硬件电路的设计和连接方式，硬件电路模块的工作原理和它所能实现的功能做了系统的介绍。该设计的整体模块由单片机模块、彩灯模块、复位模块、时钟模块、电源模块、按键模块、通信模块及音频模块组成，系统模块框图如图1所示。

3.2电路原理

因为51系列单片机的电流驱动能力比较弱，而扬声器的工作电流需要几十毫安，因此驱动扬声器时，我们需用使用一个pnp三极管。如果芯片给P3.0低电平，那么蜂鸣器工作；反之，若给高电平，蜂鸣器不工作。

LED接到单片机的P1口，拉低IO口电平，让LED亮起。

两个按键的端口分别接单片机的I/O口和地。若按键不动，则与之连接的I/O口被芯片内部的上拉电阻拉高，若我们按下按键，则与之连接的I/O口变为低电平，触发中断。

要实现花样彩灯功能，我们要将8个流水灯花样点亮、熄灭。同时我们还要注意一点，因为单片机执行每条指令的时间很短，而且人眼有视觉暂留效应，是以在控制彩灯亮灭时我们应当将指令延时一段时间， 否则我们就看不到花样彩灯的效果了。因此，此电路还需要延时模块。

4 结束语

本設计要成功实现所有功能，我们必须要有一个更可靠的硬件电路。当然，有了硬件电路没有成功的软件程序设计也是不成功的。经过此次基于单片机的音乐彩灯控制器的设计后，我们不仅加深了对理论知识的理解，将之很好地应用到现实情况之中去，同样也使我们看到了本身存在的缺点，无论是理论上还是解决问题的能力上仍还有待提高，这也激励了我们在往后努力学习。此次设计使我们从中学到的知识将让我毕生受益。发现问题、提出问题、分析问题、解决问题，提高实践的能力将受益于我在以后的工作和生活中。

参考文献

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[6]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京：电子工业出版社，2009.

[7]何立民.单片机高级教程[M]].北京：北京航空航天大学出版社，2004年7月.

作者简介

张德坤，邵阳学院信息工程学院电子科学与技术专业学生