基于ATmega128單片機的燈光音樂控制器的設計

向清華 南京郵電大學通信與信息工程學院

當今，在人們的娛樂休閑生活中，音樂是必不可少的一部分。而現在應用最多的音樂播放軟件由于手機、電腦等硬件設備的功能限制，不能將樂曲與視覺感受很好的結合。本文從這一點出發設計了一種基于ATmega128單片機的燈光音樂控制器，可以實現傳統音樂播放軟件的基本功能，同時融合了對燈光的控制，以求達到更好的娛樂作用。

1 總體電路設計

本課題實現的具體功能有：

1.由蜂鳴器播放出存放在單片機中的樂曲，可由CHANGE按鍵切換曲目，并將正在播放的曲目編號在液晶顯示屏上顯示；

2.由按鍵JIEZOU_F、JIEZOU_N、JIEZOU_S分別選擇播放歌曲的節奏為快、正常、慢，并將當前播放的節拍值在液晶顯示屏上顯示出來，同時在一個點陣屏上根據節奏逐列點亮顯示；

3.當曲目號、節奏選定后便可點擊START按鍵播放所選的曲子，在液晶顯示屏上顯示“PLAY”狀態；

4.在樂曲的播放過程中，可以點擊PAUSE按鍵將正在播放的樂曲暫停，在液晶顯示屏上顯示“PAUSE”狀態，若再次點擊PAUSE按鍵，則可以從暫停的地方開始繼續向后播放，在液晶顯示屏上顯示切換回“PLAY”狀態；

5.在樂曲的播放過程中，可以點擊SILENCE按鍵將蜂鳴器置為靜音狀態，再次點擊SILENCE按鍵即可切換回正常狀態；

6.PINPU按鍵用來控制一個點陣屏顯示當前播放的音階，用點陣屏的一列從下至上依次代表 1（Do）、2（Re）、3（Mi）、4（Fa）、5（Sol）、6（La）這6個音階；

7.在播放樂曲時液晶顯示屏上也同步顯示數字1、2、3、4、5、6分別對應6個音階；

8.在樂曲播放時若點擊STOP按鍵，可提前結束播放，在液晶顯示屏上由“PLAY”狀態變為“STOP”狀態；若不點擊STOP按鍵，當一首曲子播放結束時，自動退出“PLAY”狀態，顯示“STOP”。

電路組成方框圖如圖1所示，電路原理圖如圖2所示。

圖1 ：電路組成方框圖

圖2 ：電路原理圖

2 單元電路設計與分析

2.1 復位、晶振模塊

復位電路接至ATMEGA128單片機的RESET引腳，可將單片機復位重置；晶振電路接至ATMEGA128的XTAL1與XTAL2引腳，當單片機使用外部時鐘時，時鐘信號可以由該晶振電路提供。復位、晶振電路圖如圖3。

圖3 ：復位、晶振及接口電路

2.2 按鍵模塊

按鍵模塊接至ATMEGA128單片機的PB0～PB7、PG0，通過按鍵的選擇可以控制單片機實現相應的燈光音樂控制器的功能。按鍵模塊的電路原理圖如圖4。

圖4 ：按鍵模塊及接口電路圖

本課題中使用了10個按鍵，它們的實現原理與功能說明如下。

a)一個按鍵用于復位功能，接至ATMEGA128的RESET引腳。當按鍵按下時RESET引腳電平為低，即可復位單片機；

b)三個按鍵用于選擇節奏，分別對應節奏的快、中、慢。這三個按鍵分別接至ATMEGA128單片機的PB0、PB1、PB2引腳（端口初始化為輸入、帶上拉電阻），當按鍵按下時，對應的引腳電平變為低電平，在主函數中將PINB與0x07相與，根據結果即可得知是哪個按鍵按下，并依此設置節拍值（等待定時器中斷的時間）；

c)一個按鍵用于開始樂曲的播放，該按鍵接至ATMEGA128單片機的PB3口（端口初始化為輸入、帶上拉電阻），當按鍵按下時PB3口變為低電平。在主函數中將PINB與0x08相與，將結果與0x00比較即可知道按鍵是否按下，若按下即可開始讀取音階，通過蜂鳴器播放；

d)一個按鍵用于停止樂曲的播放，該按鍵接至ATMEGA128單片機的PB4口（端口初始化為輸入、帶上拉電阻），當按鍵按下時PB4口變為低電平。在中斷程序中將PINB與0x10相與，將結果與0x00比較即可知道按鍵是否按下，若按下，直接將指針指向樂曲的最后一個音階，完成樂曲的停止操作；

e)一個按鍵用于樂曲的頻譜（音階），該按鍵接至ATMEGA128單片機的PB5口（端口初始化為輸入、帶上拉電阻），當按鍵按下時PB5口變為低電平。在中斷程序中將PINB與0x20相與，將結果與0x00比較即可知道按鍵是否按下，若按下通過改變連接點陣屏的I/O口電平即可實現點陣的點亮；

f)一個按鍵用于樂曲的暫停操作，該按鍵接至ATMEGA128單片機的PB6口（端口初始化為輸入、帶上拉電阻），當按鍵按下時PB6口變為低電平。在中斷程序中將PINB與0x40相與，將結果與0x00比較即可知道按鍵是否按下，若按下將單片機置于循環，等待暫停鍵再次按下后從原來的地方往后繼續播放；

g)一個按鍵用于靜音的操作，該按鍵接至ATMEGA128單片機的PG0口（端口初始化為輸入、帶上拉電阻），當按鍵按下時PG0口變為低電平。在中斷程序中將PING與0x01相與，將結果與0x00比較即可知道按鍵是否按下，若按下將連接蜂鳴器的I/O口置恒為低電平，而指針繼續往后移動，當靜音按鍵再次按下，將蜂鳴器重新置于正常工作的狀態；

3 點陣顯示模塊

該模塊放置了兩個MATRIX-8*8-GREEN點陣屏，接至ATMEGA128單片機的PA0～PA7、PD0～PD7，分別用于顯示節奏的快慢和音樂的頻譜（音階）的變化。點陣顯示模塊電路原理圖如圖5，接口模塊如圖6。

圖5 ：點陣顯示模塊電路

圖6 ：點陣顯示接口電路

其中，圖5中左邊一個點陣用于顯示音樂節奏的快慢；右邊一個點陣用于顯示頻譜（音階），該點陣可以由按鍵PINPU選擇是否顯示。

4 蜂鳴器模塊

蜂鳴器模塊為發出音樂聲音的模塊，蜂鳴器的一端接至ATMEGA128的PC0口，另一端接地，由單片機程序控制PC0口的電平變化的頻率以改變蜂鳴器發出的音階，通過不同音階的組合便可形成音樂。蜂鳴器模塊原理圖如圖7。

圖7 ：蜂鳴器及接口電路

5 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊用于顯示當前播放狀態及當前拍值的時長、頻段的范圍。該模塊使用的是LM041L液晶屏，其中VSS、VEE接至電源，VDD接地，RS引腳接至PF0，RW引腳接至PF1，使能端E接至PF2，通過這三個引腳可實現對液晶屏的命令/數據的讀/寫；液晶屏的D0～D7端分別接至單片機的PE0～PE7。液晶顯示模塊原理圖如圖8所示。

圖8 ：液晶顯示及接口電路