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1、本科毕业设计题 目 电子音乐闹钟的设计与仿真 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 Keil C51。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
2、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 ABSTRACTElectronic music alarm clock has a wide range of applications in our daily life. This topic has designed a based on single chip microcomputer control electronic music alarm clock, from two aspects of hardware and software of the system has carried on the
3、 detailed design. Hardware system mainly includes the SCM control module, display module, key module and music playback module. The AT89C51 single chip microcomputer module, display module adopts the simple and practical digital tube, music playback using speaker voice control. System is able to acc
4、urately display hours, minutes and seconds, through independent key implementation time adjustment and the alarm time Settings, can play a preset electronic music regularly. Software based on the modular programming ideas, development environment Keil C51. Finally using hardware emulation software P
5、roteus simulation platform building hardware, the system functional verification. The simulation results fully show system design is completely feasible.Key words: Single chip microcomputer; Electronic music alarm clock; LED digital tube; Separate button目 录 1 引言11.1 研究目的和意义11.2 本系统主要研究的内容12 方案的选择和论证
6、12.1 单片机型号的选择12.3 显示器的选择22.4 计时部分的选择22.5 单片机播放音乐原理32.5.1 音调的确定32.5.2 音乐节拍的产生33 电子音乐闹钟系统详细设计43.1 系统功能方框图43.2 硬件详细设计53.2.1 AT89C51 单片机简介53.2.2 晶振电路63.2.3 复位电路73.2.4 键盘电路的设计73.2.5 显示电路83.2.7 显示驱动模块83.2.8 发音电路模块93.3 软件详细设计93.3.1 主程序设计93.3.2 定时器定时模块103.3.3 闹钟模块113.3.4 计时模块113.3.5 键盘扫描模块133.3.6 播放音乐模块144
7、系统调试154.1 软件介绍154.1.1 PROTEUS ISIS 软件介绍154.1.2 KEIL C51 软件介绍154.2 利用Proteus和Keil进行联合调式155 仿真结果176 结论18参考文献19致 谢20附 录21 安徽财经大学管理科学与工程学院本科毕业设计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
8、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；显示模块；计时模块；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。
9、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
10、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
11、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
12、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 = 440 Hz,
13、 其对应的周期为：T = 1/ f = 1/440 =2272s ，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 = 1136 s ，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x（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x（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
14、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）DELAY调4/462ms调4/4125ms调3/494ms调3/4185ms调2/4125ms调2/4250ms 表3 节拍数与节拍码的对照节拍码节拍数节拍码节拍数11/4拍11/8拍22/4拍21/4拍33/4拍33/8拍41拍41/2拍51.25拍55/8拍61.5拍63/4拍82拍81拍A2.25拍A1.25拍C3拍C1.5拍F3.75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。 AT
