基于STC15L104單片機(jī)的音樂門鈴設(shè)計(jì)

王鳳珠，張成蛟，謝少偉

(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于STC15L104單片機(jī)的音樂門鈴設(shè)計(jì)

王鳳珠，張成蛟，謝少偉

(浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

提出了一種基于單片機(jī)技術(shù)的音樂門鈴設(shè)計(jì)方案.門鈴以STC15L104單片機(jī)為核心，輔以低壓差電池反接保護(hù)、喇叭驅(qū)動、門鈴按鍵三個外圍線路.門鈴的樂曲通過單片機(jī)編程錄入，樂曲錄入程序采用了單字節(jié)壓縮編碼技術(shù)，并具有音調(diào)、半音、休止符等處理功能.門鈴適合3 V電池供電，并通過單片機(jī)低功耗掉電技術(shù)，降低了門鈴的待機(jī)電流，延長了電池的使用時間，實(shí)測待機(jī)電流低于1 uA.

音樂門鈴；單片機(jī)(MCU)；低功耗；反接保護(hù)

傳統(tǒng)的音樂門鈴是用專用集成電路設(shè)計(jì)而成，其樂曲選擇范圍較少.本文介紹一種基于單片機(jī)設(shè)計(jì)而成的音樂門鈴，其樂曲可通過單片機(jī)編程進(jìn)行錄入，并采用了單字節(jié)樂曲壓縮編碼技術(shù)，有節(jié)省了貯存空間，具有低、中、高三個音階的36個音符頻率、音調(diào)、半音、休止符等處理能力，樂曲的更換修改十分方便.門鈴采用3V電池供電，8Ω喇叭時的正常工作電流約50 mA，待機(jī)電流小于1 uA，具有電池反接保護(hù)功能.加以遙控發(fā)射接收模塊，可方便地改成遙控音樂門鈴.

1 硬件線路設(shè)計(jì)

圖1為音樂門鈴硬件線路圖，主要由STC15L104單片機(jī)、SI2302 MOS管、8550三極管、門鈴按鍵K1、喇叭S1等構(gòu)成，線路采用3伏電池供電，設(shè)計(jì)非常簡單.喇叭驅(qū)動采用了8550三極管，適合驅(qū)動8Ω、0.5W及以下功率的喇叭.

1.1 STC15L104單片機(jī)及外圍線路

STC15L104單片機(jī)為單時鐘/機(jī)器周期單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8 051,但速度快6～12倍.內(nèi)置4K片內(nèi)Flash程序存儲器及獨(dú)立的硬件看門狗電路.其工作電壓范圍為2.4～3.6 V，適合3 V電池供電.掉電模式下電流<0.1 uA，并可由外部中斷喚醒.具有高速、低功耗、抗干擾及加密能力強(qiáng)等特點(diǎn)[1].

圖1 音樂門鈴硬件線路圖

如圖1所示，STC15L104單片機(jī)的外圍線路特點(diǎn)如下：

(1)采用內(nèi)置復(fù)位電路.STC15L104單片機(jī)設(shè)有高可靠內(nèi)部復(fù)位電路，8級可選復(fù)位門檻電壓，省掉了外部復(fù)位電路.

(2)采用內(nèi)部時鐘電路.STC15L104單片機(jī)內(nèi)設(shè)高精度R/C時鐘，常溫下溫飄5‰，內(nèi)部時鐘從5～35MHz可選，省掉了外部時鐘電路.

(3)單片機(jī)引腳配置：STC15L104單片機(jī)有8個外圍引腳，2、4為電源引腳，其余均為雙功能或多功能口線.圖1中P3.3為普通IO口線，用于音樂信號產(chǎn)生，P3.2為門鈴按鍵輸入口線，配置為外部中斷1功能，用于單片機(jī)掉電喚醒，觸發(fā)音樂循環(huán)播放.

(4)單片機(jī)程序下載：通過P3.0及P3.1(RXD、TXD)口線進(jìn)行ISP在系統(tǒng)程序下載，程序下載時需采用3V系列的RS232接口線路.

1.2 電池反向保護(hù)線路

由于電池在實(shí)際使用時容易反向安裝，需進(jìn)行反向保護(hù).為了降低保護(hù)線路的導(dǎo)通壓降,提高電池的使用時間(如SR360肖特基二極管在50 mA電流下有0.28 V導(dǎo)通壓降),采用了低壓差MOS管反向保護(hù)線路.

圖1中MOS管反向保護(hù)線路由R1和Q1組成.由于采用3 V電池供電，因此選用了低開啟電壓SI2302 N溝道MOS管[2]，其開啟電壓VGS(th)在0.65～1.2 V之間，通態(tài)電阻RDS為0.110 Ω(VGS=2.5 V,ID=3.1 A)，柵極漏電流IGSS為±100 nA.

圖1中，由于SI2302有內(nèi)置保護(hù)二極管，因此采用了漏極D接電池負(fù)端的接法(如果采用源極S接電池負(fù)端，電池反接時內(nèi)置二極管將導(dǎo)通，失去反向保護(hù)作用)，其VGS為電池電壓減去VDS導(dǎo)通壓降的絕對值.其當(dāng)電池正向安裝時，只要VGS大于開啟電壓，MOS管導(dǎo)通，一旦電池反向安裝，MOS管VGS低于開啟電壓，處于截止?fàn)顟B(tài).

表1列出了不同ISD時MOS管的DS導(dǎo)通壓降，ISD為1A時的壓降為最大，約61.6 mV.而門鈴的實(shí)測工作電流低于50 mA，導(dǎo)通壓降將低于2.2 mV，遠(yuǎn)低于SR360肖特基二極管導(dǎo)通壓降值.

表1 SI2302 VDS導(dǎo)通壓降測試結(jié)果

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)音樂發(fā)聲原理

音樂是由一系列特定頻率的聲音組成，音樂中每一個音符都對應(yīng)著一種頻率，即音頻.表2列出C-B調(diào)低、中、高三個音階各音符對應(yīng)的音頻，“#”表示升半音.

要使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)音樂發(fā)聲，只需讓單片機(jī)產(chǎn)生與音符所對應(yīng)的同頻方波即可(方波中的直流分量無法使喇叭發(fā)聲，但與方波同頻率的基波可以使喇叭發(fā)聲).

(1)音頻與定時初值.單片機(jī)方波由定時器T0中斷產(chǎn)生，在每次定時器溢出后，在中斷服務(wù)程序中將單片機(jī)口線取反，可產(chǎn)生方波，T0中斷服務(wù)流程圖(見圖2).其定時時間長度為方波周期的一半，設(shè)音頻為f(Hz)，時鐘(晶振)頻率為fosc(MHz)，選用16位定時器，則定時器初值可計(jì)算如下：

定時值=216-fosc×106÷(24×f)

以fosc=12 MHz為例，表2中C調(diào)低音1的頻率為131 Hz，可以計(jì)算出定時器是初值為0×F8，0×8D，表2最后一位的頻率1 869 Hz頻率的初值為0×FF，0×7A.

將表2中所有頻率對應(yīng)初值構(gòu)成一維數(shù)組，即構(gòu)成音頻初值表，通過數(shù)組查表的方式，便可得到不同音符對應(yīng)的定時初值.

音頻初值表：uchar code a[]={0×F8，0×8D，……0×FF，0×7A}；

圖2 T0、T1中斷服務(wù)程序流程

表2 音頻表

注:音頻單位為Hz

(2)音調(diào).表2中也包含了其他音調(diào)的音符與音頻的對應(yīng)關(guān)系.各音調(diào)低音1對應(yīng)的頻率列入了表3，相鄰二個音調(diào)低音1對應(yīng)的頻率在表2中的位置依次后移了一位.其他音符對應(yīng)的音頻也各后退了一位.表3中也列出了其他音調(diào)與C調(diào)同音符在表2中的位置偏移量，將這一位偏移量稱為音調(diào)偏移量，如表2最后一位的頻率“1 869 Hz”是對應(yīng)B調(diào)高音“7”的頻率，與C調(diào)高音“7”相差11格，音調(diào)偏移量為0 BH.將C調(diào)各音符在音頻初值表中查表偏移量加上音調(diào)偏移量，查音頻初值表，可得到各音調(diào)音符對應(yīng)的音頻初值.表2中最后一行的音頻與第一行的簡譜音符并不對應(yīng)，如1 048 Hz是C#調(diào)高音7對應(yīng)的頻率.

表3 各音調(diào)低音1對應(yīng)音頻及音調(diào)偏移量

注:音頻單位為Hz

(3)音速及節(jié)拍.音速為樂曲的播放速度，可由一拍的時間確定，音速及節(jié)拍時間由單片機(jī)定時器T1產(chǎn)生.將定時器一次中斷產(chǎn)生的定時時間設(shè)為T1=15. 625 mS，將此作為1/8拍時間，則1/8、1/4、1/2、3/4、1拍，所對應(yīng)的定時中斷次數(shù)N1分別為01H、02H、04H、06H、08H，在此將N1稱作為節(jié)拍編碼，1拍時定時器將中斷8次，其定時時間為125 ms.若將4次中斷產(chǎn)生的定時時間62.5 mS作為1/8拍時間，則改變了樂曲的播放速度.將此中斷次數(shù)稱作音速編碼N2.如節(jié)拍編碼N1=8(1拍)，音速編碼N2=4，則1拍的總定時時間=N1×N2×T1=500 mS.T1中斷服務(wù)流程圖見圖2，N1的判斷及賦初值可在主程序中處理.

2.2 單字節(jié)壓縮編碼技術(shù)

樂譜中每個音符包括音頻(音高)和節(jié)拍(音長)兩個信息，要讓單片機(jī)能識別包括音頻和節(jié)拍的樂譜,必須對音符進(jìn)行編碼.為節(jié)省空間,采用一個音符對應(yīng)一個字節(jié)的壓縮編碼技術(shù).音符編碼的字節(jié)高4位對應(yīng)節(jié)拍及音區(qū)編碼，低4位為音高編碼.

(1)音頻編碼.音頻編碼實(shí)際上是每個音符在音頻初值表中對應(yīng)的查表偏移量，由于表2中所列的每個音調(diào)對應(yīng)的低、中、高三個音區(qū)的頻率有36個，無法用半個字節(jié)(0-F)進(jìn)行編碼，所以將音頻編碼分成二個部分即音區(qū)編碼及音高編碼.

音區(qū)編碼有3個，分別為低音區(qū)編碼00H，中音區(qū)編碼0CH，高音區(qū)編碼18H，音區(qū)編碼編在高4位中.

音高編碼為表2中12個簡譜音符對應(yīng)的編碼，為0-B.

音調(diào)編碼+音區(qū)編碼+音高編碼為某個音調(diào)的音符在音頻初值表中的查表偏移量，如B調(diào)高音7的偏移量=0BH+18H+0BH=2EH，將偏移量×2=2EH×2=5CH(因?yàn)?個音符對應(yīng)2個字節(jié)的定時器初值，故需乘2),5CH為1869Hz在音頻初值表中對應(yīng)的定時器初值高字節(jié)(0×FF)的下標(biāo)變量，5CH+01H=5DH即為定時器初值低字節(jié)(0×7A)的下標(biāo)變量.

(2)節(jié)拍音區(qū)編碼.為0—E，共計(jì)15個，分三段，第一段的00H—04H，對應(yīng)的音區(qū)編碼均為00H，而節(jié)拍編碼分別為01H、02H、04H、06H、08H，分別對應(yīng)的1/8、1/4、1/2、3/4、1拍.第二、三段的音區(qū)編碼為0CH及18H，而節(jié)拍編碼與第1段相同.表4為節(jié)拍音區(qū)編碼表.

表4 節(jié)拍音區(qū)編碼表(編碼為HEX十六進(jìn)制)

由于高4位包含節(jié)拍及音區(qū)二個編碼，所以需要構(gòu)成節(jié)拍及音區(qū)二個一維數(shù)組，通過節(jié)拍音區(qū)編碼查取二個一維數(shù)組表，得到對應(yīng)的節(jié)拍及音區(qū)編碼.

節(jié)拍編碼表：uchar code b[]={0x01,0x02,0x04,0x06,0x08,0x01,0x02,0x04,0x06,0x08; 0x01,0x02,0x04,0x06,0x08}；

音區(qū)編碼表：uchar code c[]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x0C,0x0C,0x0C,0x0C,0x0C,0x18,0x18,0x18,0x18,0x18}；

如節(jié)拍音區(qū)編碼為0BH，以此為偏移量，查“節(jié)拍編碼表”可得到節(jié)拍編碼為0x02，對應(yīng)1/4拍.查“音區(qū)編碼表”可得到音區(qū)編碼為0x18，對應(yīng)高音區(qū).

(3)休止符處理.對休止符編碼時可將音高編碼設(shè)為0x0F，音區(qū)設(shè)為低音區(qū)，節(jié)拍編碼保持不變.程序中讀到音高編碼為0x0F時，可關(guān)定時器T0，P3.3置“1”，定時器T1仍正常運(yùn)行.

為播放多首樂曲，采用了music_code所示的二維數(shù)組構(gòu)成樂曲編碼表.X表示有X首樂曲，Y表示最長一首樂曲的編碼表長度.每首樂曲的第1字節(jié)為音調(diào)偏移量，第2字節(jié)為音速編碼，第3字節(jié)開始為音符編碼，0xFF為結(jié)束符(音符編碼不可能出現(xiàn)0xFF).

uchar code music_code[X][Y]=

{{0x05，0x04，0x77，0x78，0x94，0xE0，…，0xFF}，

…………………………………………………

{……………………第X首…………………}}

2.3 程序主流程圖

程序主流程圖(見圖3)，主要實(shí)現(xiàn)口線、定時器、中斷等初始化，音調(diào)偏移量、音速編碼初值讀取，音符編碼解析，節(jié)拍編碼回零判斷，掉電狀態(tài)進(jìn)入及喚醒等功能.

圖3 程序主流程圖

一首樂曲播放完后，由電源控制寄存器PCON(PCON賦0X02，即PD/PCON.1置為1)控制進(jìn)入掉電模式[3]，特別注意在單片機(jī)掉電前，應(yīng)將P3.2、P3.3口置高電平，使Q2截止，電阻R2、R3及喇叭上無電流，以降低靜態(tài)功耗.進(jìn)入掉電模式后，通過外部中斷可將掉電模式喚醒，喚醒后單片機(jī)首先執(zhí)行設(shè)置單片機(jī)進(jìn)入掉電模式語句的下一句(流程中NOP語句)，然后進(jìn)入相應(yīng)的外部中斷服務(wù)程序.在外部中斷服務(wù)程序中只需判斷門鈴按鍵是否釋放，釋放后才退出服務(wù)程序，其中斷服務(wù)程序流程不再給出.

3 結(jié) 語

基于STC15L104單片機(jī)設(shè)計(jì)而成的音樂門鈴，具有線路簡單、低功耗、低成本的特點(diǎn)，圖1所示器件的另售成本總價在￥2.8元左右，線路和程序已經(jīng)過長時間使用，正?？煽浚⒁烟岢鱿嚓P(guān)的專利申請.門鈴可以面向?qū)非刑囟ㄒ蟮目蛻暨M(jìn)行設(shè)計(jì)，也十分適合作為DIY設(shè)計(jì)制作項(xiàng)目或創(chuàng)新性、興趣性、實(shí)用性的單片機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，并已作為電子信息工程技術(shù)專業(yè)的單片機(jī)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目.

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Design of Music Doorbell Based on STC15L104 MCU

WANG Feng-zhu, ZHANG Chen-jiao, XIE Shao-wei

(School of Electrical Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

A design and implementation scheme of music doorbell based on single-chip microcomputer technology is presented in this paper, which is simple and reliable, by using STC15L104 single-chip and three peripheral circuits, such as the circuit of opposite connection protection for low drop-out, the circuit of loudspeaker drive and the circuit of doorbell button. The music is entered into the doorbell through the program of single-chip, which processes pitch, half-tone and rest based on the single byte compression and encoding technology. The doorbell adapts to battery of 3V and can reduce standby current by using the “power down” technology of single-chip which can also bring longer life cycle of the battery. The measured value of standby current is lower than 1 uA.

music doorbell; micro controller unit(MCU); low power consumption; reverse polarity protection

2015-08-12

2014年浙江省“新苗人才”計(jì)劃項(xiàng)目(2014R432005);2014年國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201411481003);2015年浙江省度高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目(KG2015498)

王鳳珠(1991-)，女，河北辛集人，從事與嵌入式系統(tǒng)、EDA技術(shù)相關(guān)研究.

TP368

A

1008-536X(2015)09-0068-05