基于ATmega128单片机的灯光音乐控制器的设计

向清华 南京邮电大学通信与信息工程学院

当今，在人们的娱乐休闲生活中，音乐是必不可少的一部分。而现在应用最多的音乐播放软件由于手机、电脑等硬件设备的功能限制，不能将乐曲与视觉感受很好的结合。本文从这一点出发设计了一种基于ATmega128单片机的灯光音乐控制器，可以实现传统音乐播放软件的基本功能，同时融合了对灯光的控制，以求达到更好的娱乐作用。

1 总体电路设计

本课题实现的具体功能有：

1.由蜂鸣器播放出存放在单片机中的乐曲，可由CHANGE按键切换曲目，并将正在播放的曲目编号在液晶显示屏上显示；

2.由按键JIEZOU_F、JIEZOU_N、JIEZOU_S分别选择播放歌曲的节奏为快、正常、慢，并将当前播放的节拍值在液晶显示屏上显示出来，同时在一个点阵屏上根据节奏逐列点亮显示；

3.当曲目号、节奏选定后便可点击START按键播放所选的曲子，在液晶显示屏上显示“PLAY”状态；

4.在乐曲的播放过程中，可以点击PAUSE按键将正在播放的乐曲暂停，在液晶显示屏上显示“PAUSE”状态，若再次点击PAUSE按键，则可以从暂停的地方开始继续向后播放，在液晶显示屏上显示切换回“PLAY”状态；

5.在乐曲的播放过程中，可以点击SILENCE按键将蜂鸣器置为静音状态，再次点击SILENCE按键即可切换回正常状态；

6.PINPU按键用来控制一个点阵屏显示当前播放的音阶，用点阵屏的一列从下至上依次代表 1（Do）、2（Re）、3（Mi）、4（Fa）、5（Sol）、6（La）这6个音阶；

7.在播放乐曲时液晶显示屏上也同步显示数字1、2、3、4、5、6分别对应6个音阶；

8.在乐曲播放时若点击STOP按键，可提前结束播放，在液晶显示屏上由“PLAY”状态变为“STOP”状态；若不点击STOP按键，当一首曲子播放结束时，自动退出“PLAY”状态，显示“STOP”。

电路组成方框图如图1所示，电路原理图如图2所示。

图1 ：电路组成方框图

图2 ：电路原理图

2 单元电路设计与分析

2.1 复位、晶振模块

复位电路接至ATMEGA128单片机的RESET引脚，可将单片机复位重置；晶振电路接至ATMEGA128的XTAL1与XTAL2引脚，当单片机使用外部时钟时，时钟信号可以由该晶振电路提供。复位、晶振电路图如图3。

图3 ：复位、晶振及接口电路

2.2 按键模块

按键模块接至ATMEGA128单片机的PB0～PB7、PG0，通过按键的选择可以控制单片机实现相应的灯光音乐控制器的功能。按键模块的电路原理图如图4。

图4 ：按键模块及接口电路图

本课题中使用了10个按键，它们的实现原理与功能说明如下。

a)一个按键用于复位功能，接至ATMEGA128的RESET引脚。当按键按下时RESET引脚电平为低，即可复位单片机；

b)三个按键用于选择节奏，分别对应节奏的快、中、慢。这三个按键分别接至ATMEGA128单片机的PB0、PB1、PB2引脚（端口初始化为输入、带上拉电阻），当按键按下时，对应的引脚电平变为低电平，在主函数中将PINB与0x07相与，根据结果即可得知是哪个按键按下，并依此设置节拍值（等待定时器中断的时间）；

c)一个按键用于开始乐曲的播放，该按键接至ATMEGA128单片机的PB3口（端口初始化为输入、带上拉电阻），当按键按下时PB3口变为低电平。在主函数中将PINB与0x08相与，将结果与0x00比较即可知道按键是否按下，若按下即可开始读取音阶，通过蜂鸣器播放；

d)一个按键用于停止乐曲的播放，该按键接至ATMEGA128单片机的PB4口（端口初始化为输入、带上拉电阻），当按键按下时PB4口变为低电平。在中断程序中将PINB与0x10相与，将结果与0x00比较即可知道按键是否按下，若按下，直接将指针指向乐曲的最后一个音阶，完成乐曲的停止操作；

e)一个按键用于乐曲的频谱（音阶），该按键接至ATMEGA128单片机的PB5口（端口初始化为输入、带上拉电阻），当按键按下时PB5口变为低电平。在中断程序中将PINB与0x20相与，将结果与0x00比较即可知道按键是否按下，若按下通过改变连接点阵屏的I/O口电平即可实现点阵的点亮；

f)一个按键用于乐曲的暂停操作，该按键接至ATMEGA128单片机的PB6口（端口初始化为输入、带上拉电阻），当按键按下时PB6口变为低电平。在中断程序中将PINB与0x40相与，将结果与0x00比较即可知道按键是否按下，若按下将单片机置于循环，等待暂停键再次按下后从原来的地方往后继续播放；

g)一个按键用于静音的操作，该按键接至ATMEGA128单片机的PG0口（端口初始化为输入、带上拉电阻），当按键按下时PG0口变为低电平。在中断程序中将PING与0x01相与，将结果与0x00比较即可知道按键是否按下，若按下将连接蜂鸣器的I/O口置恒为低电平，而指针继续往后移动，当静音按键再次按下，将蜂鸣器重新置于正常工作的状态；

3 点阵显示模块

该模块放置了两个MATRIX-8*8-GREEN点阵屏，接至ATMEGA128单片机的PA0～PA7、PD0～PD7，分别用于显示节奏的快慢和音乐的频谱（音阶）的变化。点阵显示模块电路原理图如图5，接口模块如图6。

图5 ：点阵显示模块电路

图6 ：点阵显示接口电路

其中，图5中左边一个点阵用于显示音乐节奏的快慢；右边一个点阵用于显示频谱（音阶），该点阵可以由按键PINPU选择是否显示。

4 蜂鸣器模块

蜂鸣器模块为发出音乐声音的模块，蜂鸣器的一端接至ATMEGA128的PC0口，另一端接地，由单片机程序控制PC0口的电平变化的频率以改变蜂鸣器发出的音阶，通过不同音阶的组合便可形成音乐。蜂鸣器模块原理图如图7。

图7 ：蜂鸣器及接口电路

5 液晶显示模块

液晶显示模块用于显示当前播放状态及当前拍值的时长、频段的范围。该模块使用的是LM041L液晶屏，其中VSS、VEE接至电源，VDD接地，RS引脚接至PF0，RW引脚接至PF1，使能端E接至PF2，通过这三个引脚可实现对液晶屏的命令/数据的读/写；液晶屏的D0～D7端分别接至单片机的PE0～PE7。液晶显示模块原理图如图8所示。

图8 ：液晶显示及接口电路