1、基于单片机的音乐电子闹钟的设计学 士 学 位 论 文系 别： 计算机科学与技术系 学科专业： 计算机科学与技术 姓 名： 王 小 雪 运 城 学 院2011年6月音乐电子闹钟的设计系 别：计算机科学与技术学科专业：计算机科学与技术姓 名： 王 小 雪 指导教师： 朱 铭 琳 运 城 学 院2011年 6 月音乐电子闹钟的设计摘 要：20世纪末，电子技术获得了飞速的发展，在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，在以AT89S51单片机为代表的电子技术有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。本课题基于单片机完成
2、了音乐电子闹钟的设计与实现，通过软、硬件结合实现了设定时间、按时闹铃、数字显示等功能。硬件部分是通过AT89S51及KD9300音乐芯片相结合实现音乐电子闹钟的基本框架。软件设计利用C51单片机语言完成了时间显示、走时计数、判断时间及按时响铃等功能。本电子闹钟系统结构简单、成本低，具有比较好的市场前景。关键词：单片机 闹钟 设计Design of electronic music alarm clockAbstract:At the end of 20th century, electronic technology gained rapid development,In its driven
3、, modern electronic products, almost permeated every area of society ,In at89s51 monolithic integrated circuits of the technology to effectively promote the development of the social productive forces and social information service level of increase,also makes the modern electronic performance, prod
4、uct beat faster and faster.This subject is based on single chip microcomputer to realize the design and implementation of the music electronic alarm clock which implement the functions of the set time with time, alarm, digital display etc. Hardware part use AT89S51 and KD9300 music chip by combining
5、 music electronic alarm clock to realize the basic framework. The software design use C51 language to complete the functions of time display, time count, time decision and rang the bell on time etc. The electronic alarm system features simple structure, low cost and will have a quite good market pro
6、spect.Keywords: Monolithic integrated circuit alarm clock design前 言自单片机问世以来，性能得到不断提高和完善，因其资源能够满足很多应用场合的需要，加之单片机具有集成度高、功能强、速度快、体积小、功耗低、使用方便、性能可靠、价格低廉等优点。所以，在工业控制、智能仪器仪表、数据采集和处理、通信系统、高级计算器、家用电器等领域的应用日益广泛，并且正在逐步取代现有的多片微机应用系统。由于单片机适用于机，电，仪一体化的智能产品，且其又具有精度高，低功耗，控制功能强，小巧等优点。因此把它用到仪器和仪表上，可使产品的体积缩小，功能增强，实现不
7、同程度的智能化。本课题将侧重基于51单片机的电子音乐闹钟的研究。在现代的快节奏生活中，时间对人们来说总是那么宝贵，工作的忙碌性和繁杂性容易使人忘记时间，电子闹钟的应用正是因此而生。其具有一些突出的优点：体积小、重量轻、耗电少、电源单一、功能强、价格低、运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高，所以在通信、家电、工业控制、仪器仪表、汽车等产品中都可以看到单片机的身影。目前国内单片机的应用仍以8051系列为主。音乐电子闹钟是集电子技术、数字显示技术为一体的高端产品，具有按时闹铃，使用方便等优点。本设计是在熟练掌握单片机性能及其系统知识的基础上,设计采用一个AT89S51单片机控制的音乐电子闹钟系统。从音
8、乐电子闹钟的系统功能设计，硬件电路设计和软件设计三部分分别论述这一系统。本音乐电子闹钟系统硬件部分结构简单、成本低，具有比较好的市场前景。本设计的目的是使用单片机设计电子音乐闹钟，运用AT89S51单片机原理和控制理论设计音乐电子闹钟的硬件电路，并利用C51语言进行程序设计。通过这次毕业课题的设计，不仅能够巩固所学的知识，改善知识结构，而且有助于我们提高独立分析问题和解决问题的能力，提高综合运用知识的能力。第一章 绪 论1.1概 述在科学技术高度发展的今天, 音乐电子闹钟早已成为了千家万户都必不可少的用品,很多家庭、个人都需要有一个音乐电子闹钟，为其提供报时功能,但普通电子闹钟不够方便实用。因
9、此本文给出了一种以51芯片为核心的音乐电子闹钟设计方法，以给人们带来更为方便的工作与生活方式。1.1.1 音乐电子闹钟发展趋势 电子钟是一种利用数字电路来显示秒、分、时的计时装置，与传统的机械钟相比，它具有走时准确、显示直观、无机械传动装置等优点，因而得到广泛应用。随着人们生活环境的不断改善和美化，在许多场合可以看到数字电子钟。在城市的主要营业场所、车站、码头等公共场所使用LCD数字电子钟已经成为一种时尚。但目前市场上各式各样的LCD数字电子钟大多数是使用全硬件电路实现的，其具有电路结构复杂，功率损耗大等缺点。因此有必要对数字电子钟进行改进。单片机音乐电子闹钟是一种具有闹钟创新性的系统，它代表
10、了时代的发展趋势。2011年，无论从国内外行业发展趋势，还是从闹钟市场准入的要求来看，节能、环保、创新都已成为中国家电企业无法回避的大问题。在原材料价格不断上涨、下游渠道商实力膨胀、价格战越来越激烈、行业利润日趋微薄的背景下，对传统闹钟的改进成为迫切需要，中国的音乐电子闹钟在节能化、环保化、创新型转变过程中，正进行新一轮闹钟赛跑。目前，国内专业音乐电子闹钟厂家的数量正在迅速增长。音乐电子闹钟市场在未来的三五年内会高速增长，新技术、新产品也会不断出现并投入应用。1.1.2 本课题研究的主要内容本设计是对闹钟进行实时控制,由4个七段数码显示管、扬声器及一些相关的按键等构成。设计的音乐电子闹钟实现了
11、基本的调时（时、分）、定时、按时发出闹铃的功能：在当前系统下对闹钟进行时间校对,之后按个所需的进行闹钟响铃时间设定,当闹钟时间与响铃时间相吻合时该闹钟将会发出事先设定好的铃声音乐,提醒使用者时间已到。1. 音乐电子闹钟设计的总体框图如图1.1所示。 图1.1 音乐电子闹钟设计总体框图2. 主要研究内容（1） 熟悉核心芯片,掌握使用芯片的关键技术,熟练运用芯片；（2） 利用所掌握的芯片技术完成电子闹钟的设计；（3） 具有时间设定功能,计数时间到时，音乐报警；（4） 完成系统的设计的拓扑图、原理图、PCB板图等。3. 该设计主要包括以下几个组成部分（1） 设定键：在复位后的待机状态下，用于启动设定
12、时间参数（对时或定闹）；（2） 下移键：在设定时间参数状态而且不是设定最低位（即分个位）的状态下，用于结束当前位的设定，当前设定位下移；（3） 确认键：在设定最低位（分个位）的状态下，用于结束本次时间设定；（4） 扬声器：在当前时钟时间与闹钟时间相同时,发出蜂鸣声； （5） 显示器：当输入时间信号时显示时间功能。1.2音乐电子闹钟简介1.2.1 开发的目的和意义1.目的使用单片机设计音乐电子闹钟，运用AT89S51单片机原理和控制理论设计音乐电子闹钟的硬件电路，并利用C51单片机语言进行程序设计。该闹钟可由使用者自己设定一个当前时间及闹铃时间，闹铃为事先设定在KD9300音乐芯片内的固定铃声，
13、这样设置好后，它就会按照所设置的闹铃时间相应的发出响声。2.意义电子闹钟已经是现代生活中经常用到的工具之一，传统的电子闹钟只是机械控制,另外，体积也很大,又不美观也不实用。而现在我设计的音乐电子闹钟是利用单片机性能完成的。只要简单的设置好后，它就会按照所设置的闹铃时间相应的发出响声。也能给人们的生活带来方便。1.2.2 音乐电子闹钟的优点AT89S51本身无专门的液晶驱动接口，因此，本时钟采用数码管显示方式。数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、价格便宜等优点，而且市场上也有专门的时钟显示组合数码管，其优点如下。1.简单好用、美观、体积小、实用；2.用电量少、电压低、节能、环保、创新。1.2
14、.3 音乐电子闹钟的用途我设计的音乐电子闹钟是以51单片机为核心做的。只要简单的设置好时间后，它就会按照所设置的闹铃时间相应的发出响声。也能给人们的生活、工作学习带来方便。1.2.4 音乐电子闹钟的特点音乐电子闹钟的特点如下。1.可按照使用者事先设定好的时间进行到时提醒，防止遗忘时间； 2.数码管作为一种主动显示器件，具有亮度高、价格便宜、显示数字清晰等特点；3.简单好用，可任意设定时间；4.使用LED显示器，省电，寿命长。第二章 AT89S51单片机基础知识简介2.1单片机的特点及应用计算机的发展经历了从电子管到大规模集成电路等几个发展阶段，随着大规模集成电路技术的发展，使计算机向性能稳定、
15、微型化、廉价方向发展，从而出现了单片微型计算机。所谓单片微型计算机，是指将组成微型计算机的基本功能部件，如中央处理器CPU、存储器ROM和RAM、输入/输出（I/O）接口电路等集成在一块集成电路芯片上的微型计算机，简称单片机。2.1.1 单片机的特点随着现代科技的发展，单片机的集成度越来越高，CPU的位数也越来越高，已能将所有主要部件都集成在一块芯片上，使其应用模式多、范围广，并具有以下特点。1.体积小，功耗低，价格便宜，重量轻，易于产品化；2.控制功能强，运行速度快，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制问题，满足工业控制要求，并有很强的位处理和接口逻辑操作等多种功能；3.抗干扰能力强，适用温
16、度范围宽。由于许多功能部件集成在芯片内部，受外界影响小，故可靠性高；4.虽然单片机内存储器的容量不可能很大，但存储器和I/O接口都易于扩展；5.可以方便的实现多机和分布式控制。2.1.2 单片机的应用单片机的应用具有面广量大的特点，目前它广泛的应用于国民经济各个领域，对技术改造和产品的更新起着重要作用。主要表现在以下几个方面。1.单片机在智能化仪器、仪表中的应用：由于单片机有计算机的功能，它不仅能完成测量，还既有数据处理、温度控制等功能，易于实现仪器、仪表的数字化和智能化。2.单片机在实时控制中的应用：单片机可以用于各种不太复杂的实时控制系统中，如一般性的温度控制、液面控制、电镀顺序控制等。将
17、测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥单片机的数据处理和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态。3.单片机在机电一体化中的应用：单片机有利于机电一体化技术的发展，已广泛应用于数控机床、医疗设备、汽车设备等。4.单片机在多机系统中的应用：单片机在多机系统中的应用是将来单片机发展的主要模式，它可以提高单片机的可靠性，使系统运行速度更快。5.单片机在计算机外围设备中的应用：单片机广泛应用于打印机、绘图机等多种计算机的外围设备，特别是用于智能终端，可大大减轻主机负担，提高系统的运行速度。6.单片机在家用电器中的应用：单片具有体积小、重量轻、价格便宜等特点，所以家电产品中配上微电脑后，使其身价
18、百倍，功能更强，使用方便，灵活，深得用户欢迎。7.单片机在通信中的应用：单片机广泛应用于移动通信领域，使移动电话的功能更强大，操作更方便。2.2 AT89S51芯片基本工作原理及其应用2.2.1 AT89S51简介AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，俗称单片机。该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的A
19、T89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。图2.1是常用的一种单片机，型号为AT89S51。图2.1 AT89S51单片机2.2.2 引脚介绍AT89S51具有如下特点：40个引脚，分成两排，每一排各有20个脚如图2.2所示，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比如控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降
20、等，这32个脚叫做单片机的“端口”，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比如第一脚的那个端口叫做“P1.0”。图2.2 AT89S51引脚图此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置的省电模式。即在空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 1.主要功能特性（1）兼容MCS-51指令系统；（2）32个双向I/O口；（3）全静态工作：0Hz-24Hz；（4）2个16位可
21、编程定时/计数器；（5）全双工UART串行中断口线；（6）2个外部中断源；（7）中断唤醒省电模式；（8）看门狗（WDT）电路；（9）灵活的ISP字节和分页编程；（10）4k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM；（11）4.5-5.5V工作电压；（12）片内振荡器和时钟电路；（13）128x8bit内部RAM；（14）低功耗空闲和省电模式；（15）3级加密位；（16）软件设置空闲和省电功能；（17）双数据寄存器指针。2管脚说明（1）VCC：供电电压。（2）GND：接地。（3）P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为
22、高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。（4）P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。（5）P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为
23、输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。（6）P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S51的一
24、些特殊功能口，其功能如下。 1）P3.0 RXD（串行输入口）2）P3.1 TXD（串行输出口）3）P3.2 /INT0（外部中断0）4）P3.3 /INT1（外部中断1）5）P3.4 T0（记时器0外部输入）6）P3.5 T1（记时器1外部输入）7）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）8）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） 9）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。10）ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信
25、号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时 ，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 11）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 12）/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有
26、内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 13）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。14）XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4芯片擦除整个PEROM阵列和
27、三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2.2.3 电源89S51有很宽的工作电源电压，电源范围宽达4-5.5V。2.2.4 存储器MCS-51的存储器结构与常见的微型计算机的配置方式不同，
28、它把程序存储器和数据存储器分开，各存储器空间是相互独立的，物理结构也不同。其各有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数，为只读存储器（ROM）。数据存储器通常用来存放程序运行中所需要的常数和变量，为随机存取存储器（RAM）。从物理地址空间看，MCS-51有4个存储器地址空间，即片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。单片机的存储器编址方式采用与工作寄存器、I/O口锁存器统一编址的方式。89S51支持ISP在线可编程写入技术，串行写入、速度更快、稳定性更好,烧写电压也仅仅需要4-5V即可。2.2.5 应用就目前中国市场的情况来看，89S5
29、1有很大的市场。其原因有下列几点。1.AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式；2.AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机； 3.芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案；4.同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。第三章 系统方案设计3.1 系统功能描述本系统是利用AT89S51为内核，包含一个KD9300音乐芯片，利用C51语言，制作完成一个音乐电子闹钟，该设计中采用数码管显示方式，充分体现系统的简易性
30、。音乐电子闹钟要实现以下功能：1.能正确显示闹钟的走时；2.可以进行当前时间的设置；3.可以设置闹钟时间，并在时间到时发出响声。整个系统的任务要求如下。1.输入时间信号按键功能，保证时间设定的输入；2.复位电路的功能，所有时间回到初始化状态,用于启动设定时间参数（对时或定闹）；3.显示电路的功能，当输入时间信号时显示时间功能；4.闹铃功能，设置好闹铃时间后，能按设置好的时间准时闹铃。3.2系统设计思路与步骤先进行系统的整体规划确定整个系统的功能，然后按照每个功能的具体要求，进行各个模块的实物设计并逐个调试，待全部通过后，进行整个系统的联调，最终实现一个完整的系统，并制成印刷线路板。整个系统的设
31、计步骤如下。1.在单片机最小系统的基础上，完成按键电路和复位电路的设计；2.完成显示电路、数字按键、复位电路。整个系统的3个功能按键如下。1.在复位后的待机状态下，用于启动设定时间参数（对时或定闹）；2.在设定时间参数状态而且不是设定最低位（即分个位）的状态下，用于结束当前位的设定，当前设定位下移； 3.在设定最低位（分个位）的状态下，用于结束本次时间设定。其+1键，用于对当前设定位（编辑位）进行加1操作，根据1224小时工作模式和正在编辑的当前位的含义（时十位、时个位、分十位、分个位）自动进行数据的上限和下限判断。例如，对12小时制，小时的十位只能是0、1，如果当前值为0，则按1键后为1，再按1键则又回复到0。把以上各个模块联结起来，整体调试功能。第四章 系统设计一个完整的系统，离不开硬件和软件的设计。硬件与软件各有所长，如何合理的安排软硬件的任务是系统设计的第一步。4.1系统硬件设计系统硬件的设计可以根据系统的各个功能，把整个系统划分成若干个模块，分别对这些模块来进行设计，然后在通过单片机程序来实现对各个硬件模块功能的调度。本系统涉及到的硬件模块有：秒灯电路、按键电路、复位电路、显示电路、晶振电路及发音部分。4.1.1 秒灯电路LED 是英文 light emitting diod
