單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用實(shí)習(xí)報(bào)告基于AT89S52單片機(jī)的多音階電子琴設(shè)計(jì)

1、單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用工程實(shí)習(xí)報(bào)告選題名稱:基于at89s52單片機(jī)的多音階電子琴設(shè)計(jì)系（院）: 專 業(yè): 班 級(jí): 姓 名: 學(xué) 號(hào): 指導(dǎo)教師: 學(xué)年學(xué)期: 2009 2010 學(xué)年 第 2 學(xué)期2010年 5 月 30 日摘要： 隨著科技的快速發(fā)展，單片機(jī)的應(yīng)用日益普遍。單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)，用at89s52單片機(jī)為核心控制元件根據(jù)上學(xué)期所學(xué)的單片機(jī)知識(shí)結(jié)合設(shè)計(jì)了一套單片機(jī)控制的電子琴系統(tǒng)。電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤(pán)樂(lè)器，它在現(xiàn)代音樂(lè)扮演著重要的角色。以

2、單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤(pán)、揚(yáng)聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有16個(gè)按鍵和揚(yáng)聲器。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價(jià)比較高等，具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：at89c52；lm386；矩陣鍵盤(pán)行掃描；電子琴目錄1 課題綜述11.1 課題來(lái)源11.2 開(kāi)發(fā)意義11.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)12 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及說(shuō)明12.1 系統(tǒng)組成及總體框圖12.2 系統(tǒng)板硬件連線 22.3 元件簡(jiǎn)介32.4 音頻功放電路53 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及說(shuō)明53.1 行列式鍵盤(pán)識(shí)別63.2 音樂(lè)發(fā)生63.3 系統(tǒng)總體功能流程圖84 系統(tǒng)調(diào)試94.1 硬件調(diào)試94.2 軟件調(diào)試10總

3、結(jié)11參考文獻(xiàn)121 課題綜述1.1 課題來(lái)源單片微型計(jì)算機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬第四代電子計(jì)算機(jī)，它具有高性能、高速度、體積小、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。因此，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤(pán)樂(lè)器。它在現(xiàn)代音樂(lè)扮演著重要的角色，單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。單片機(jī)技術(shù)使我們可以利用軟硬件實(shí)現(xiàn)電子琴的功能，從而實(shí)現(xiàn)電子琴的微型化。1.2 開(kāi)發(fā)意義（1）可以隨意彈奏想要表達(dá)的音樂(lè)；（2）

4、軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠；（3）制作簡(jiǎn)單，成本低；1.3 設(shè)計(jì)目標(biāo)以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤(pán)、揚(yáng)聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有16個(gè)按鍵和揚(yáng)聲器。一首音樂(lè)是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂(lè)了。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及說(shuō)明2.1 系統(tǒng)組成及總體框圖硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。主電路主要由4*4按鍵矩陣電路、功率放大電路、揚(yáng)聲器、復(fù)位電路、晶振電路、電源電路幾部分組成。該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)一種由單片機(jī)控制的電子琴，單片機(jī)工作于12mhz時(shí)鐘頻率

5、，使用其定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0，工作模式為1，改變計(jì)數(shù)值th0和tl0可以產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)。該設(shè)計(jì)4*4鍵盤(pán)對(duì)應(yīng)不同音階，用戶可以根據(jù)樂(lè)譜在鍵盤(pán)上進(jìn)行演奏，音樂(lè)發(fā)生器會(huì)根據(jù)用戶的彈奏，通過(guò)揚(yáng)聲器將音樂(lè)播放出來(lái)。用單片機(jī)產(chǎn)生的音頻脈沖直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器并不能產(chǎn)生所要實(shí)現(xiàn)的音樂(lè)，因?yàn)樗鼪](méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，這就需要音頻功率放大電路。該設(shè)計(jì)使用低壓音頻功率放大器lm386實(shí)現(xiàn)音頻功放電路。圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2-2 電路原理圖2.2 系統(tǒng)板硬件連線 系統(tǒng)板硬件連線如圖2-2所示，發(fā)生模塊，鍵盤(pán)模塊連接如下：1. 把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的p1.0端口用導(dǎo)線連接到“音頻放大模塊”區(qū)域中的spk in端口上；

6、 2.把“單片機(jī)系統(tǒng)“區(qū)域中的p3.0p3.7端口用8芯排線連接到“4x4行列式鍵盤(pán)”區(qū)域中的c1c4r1r4端口上。2.3 元件簡(jiǎn)介2.3.1 at89c52簡(jiǎn)介功能特性：at89s52是一種低功耗、高性能cmos8位微控制器，具有 8k 在系統(tǒng)可編程flash 存儲(chǔ)器。使用atmel 公司高密度非 易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80c51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位cpu 和在系統(tǒng) 可編程flash，使得at89s52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 at89s52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功

7、能： 8k字節(jié)flash，256字節(jié)ram， 32 位i/o 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，at89s52 可降至0hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，cpu 停止工作，允許ram、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，ram內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8k 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 flash at89s52。主要性能：與mcs-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容、8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲(chǔ)器、1000次

8、擦寫(xiě)周期、全靜態(tài)操作：0hz33hz、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器、32個(gè)可編程i/o口線、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器八個(gè)中斷源、全雙工uart串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門(mén)狗定時(shí)器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識(shí)符。圖2-3 管腳圖2.3.2 lm386簡(jiǎn)介lm386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。圖2-4 lm386內(nèi)部電路原理圖lm386內(nèi)部電路原理圖如圖2-4所示。與通用型集成運(yùn)放相類似，它是一個(gè)三級(jí)放大電路。第一級(jí)為差分放大電路，t1和t3、t2和t4分別構(gòu)成復(fù)合管，作為差分放大電路的

9、放大管；t5和t6組成鏡像電流源作為t1和t2的有源負(fù)載；t3和t4信號(hào)從管的基極輸入，從t2管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。使用鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載，可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益。第二級(jí)為共射放大電路，t7為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。第三級(jí)中的t8和t9管復(fù)合成pnp型管，與npn型管t10構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。二極管d1和d2為輸出級(jí)提供合適的偏置電壓，可以消除交越失真。引腳2為反相輸入端，引腳3為同相輸入端。電路由單電源供電，故為otl電路。輸出端（引腳5）應(yīng)外接輸出電容后再接負(fù)載。電阻r7從輸出端連接到t2的發(fā)射極，形成反饋通路

10、，并與r5和r6構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)，從而引入了深度電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使整個(gè)電路具有穩(wěn)定的電壓增益。圖2-5 lm386的外形和引腳的排列 lm386的外形和引腳的排列如圖2-5所示。引腳2為反相輸入端，3為同相輸入端；引腳5為輸出端；引腳6和4分別為電源和地；引腳1和8為電壓增益設(shè)定端；使用時(shí)在引腳7和地之間接旁路電容，通常取10f。查lm386的電源電壓4-12v或5-18v(lm386n-4)；靜態(tài)消耗電流為4ma；電壓增益為20-200db；在1、8腳開(kāi)路時(shí)，帶寬為300khz；輸入阻抗為50k；音頻功率0.5w。盡管lm386的應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，但稍不注意，特別是器件上電、斷電瞬間，甚至工作穩(wěn)定后

11、，一些操作（如插拔音頻插頭、旋音量調(diào)節(jié)鈕）都會(huì)帶來(lái)的瞬態(tài)沖擊，在輸出喇叭上會(huì)產(chǎn)生非常討厭的噪聲。2.4 音頻功放電路 該設(shè)計(jì)使用國(guó)家半導(dǎo)體公司的低壓音頻功率放大器lm386來(lái)實(shí)現(xiàn)音頻功放電路。其電路以及各參數(shù)如下圖圖2-6 lm386電路圖及各參數(shù)圖2-7 lm386應(yīng)用圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及說(shuō)明本軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵是要實(shí)現(xiàn)一種由單片機(jī)控制的簡(jiǎn)單音樂(lè)發(fā)生器，它由16個(gè)音節(jié)組成的的鍵盤(pán)，用戶可以根據(jù)樂(lè)譜在鍵盤(pán)上進(jìn)行演奏，音樂(lè)發(fā)生器會(huì)根據(jù)用戶的彈奏，通過(guò)揚(yáng)聲器將音樂(lè)播放出來(lái)。3.1 行列式鍵盤(pán)識(shí)別為了降低成本采用非編碼鍵盤(pán)。非編碼鍵盤(pán)：鍵盤(pán)只簡(jiǎn)單地提供按鍵開(kāi)關(guān)的行列矩陣。有關(guān)按鍵的識(shí)別、鍵碼的確定與輸入、

12、去抖動(dòng)等功能均由軟件完成。鍵盤(pán)接口必須具有去抖動(dòng)、防串鍵、按鍵識(shí)別和鍵碼產(chǎn)生4個(gè)基本功能。 （1）去抖動(dòng):每個(gè)按鍵在按下或松開(kāi)時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間的抖動(dòng)。抖動(dòng)的持續(xù)時(shí)間與鍵的質(zhì)量相關(guān)，一般為520mm。所謂抖動(dòng)是指在識(shí)別被按鍵是必須避開(kāi)抖動(dòng)狀態(tài)，只有處在穩(wěn)定接通或穩(wěn)定斷開(kāi)狀態(tài)才能保證識(shí)別正確無(wú)誤。去抖問(wèn)題可通過(guò)軟件延時(shí)或硬件電路解決。 （2）防串鍵：防串鍵是為了解決多個(gè)鍵同時(shí)按下或者前一按鍵沒(méi)有釋放又有新的按鍵按下時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題。常用的方法有雙鍵鎖定和n鍵輪回兩種方法。雙鍵鎖定，是當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的按鍵按下時(shí)，只把最后釋放的鍵當(dāng)作有效鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼。n鍵輪回，是當(dāng)檢測(cè)到有多個(gè)鍵被按下時(shí)，能根

13、據(jù)發(fā)現(xiàn)它們的順序依次產(chǎn)生相應(yīng)鍵的鍵碼。 （3）被按鍵識(shí)別：如何識(shí)別被按鍵是接口解決的主要問(wèn)題，一般可通過(guò)軟硬結(jié)合的方法完成。常用的方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法兩種。行掃描法的基本思想是，由程序?qū)︽I盤(pán)逐行掃描，通過(guò)檢測(cè)到的列輸出狀態(tài)來(lái)確定閉合鍵，為此，需要設(shè)置入口、輸出口一個(gè)，該方法在微機(jī)系統(tǒng)中被廣泛使用。線反轉(zhuǎn)法的基本思想是通過(guò)行列顛倒兩次掃描來(lái)識(shí)別閉合鍵，為此需要提供兩個(gè)可編程的雙向輸入/輸出端口。 （4）鍵碼產(chǎn)生：為了從鍵的行列坐標(biāo)編碼得到反映鍵功能的鍵碼，一般在內(nèi)存區(qū)中建立一個(gè)鍵盤(pán)編碼表，通過(guò)查表獲得被按鍵的鍵碼。3.2 音樂(lè)發(fā)生3.2.1 音樂(lè)相關(guān)知識(shí)樂(lè)音聽(tīng)起來(lái)有的高，有的低，這就叫音高，

14、音高是由發(fā)音物體振動(dòng)頻率的高低決定的，頻率高聲音就高，頻率低聲音就低，不同音商的樂(lè)音是用c、d、e、f、g、a、b表示的，這7個(gè)字母就是樂(lè)音的音名，它們一般依次唱成do、re、mi、fa、so、la、si，這是唱曲時(shí)樂(lè)音的發(fā)音，所以叫唱名。音持續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短即時(shí)值，一般用拍數(shù)表示，休止符表示暫停發(fā)音。一首音樂(lè)是由許多不同的音符組成的，而每個(gè)音符對(duì)應(yīng)著不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數(shù)對(duì)應(yīng)的延時(shí)，構(gòu)成音樂(lè)。3.2.2 如何用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)音樂(lè)的頻率 一首音樂(lè)是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂(lè)了，當(dāng)然對(duì)于單片

15、機(jī)來(lái)產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0來(lái)產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)，因此，我們只要把一首歌曲的音階對(duì)應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。利用定時(shí)器計(jì)時(shí)半周期時(shí)間，每當(dāng)計(jì)時(shí)終止后就將p1.0反相，然后重復(fù)計(jì)時(shí)再反相。就可在p1.0引腳上得到此頻率的脈沖。我們要為音符建立一個(gè)表格，單片機(jī)通過(guò)查表的方式來(lái)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。根據(jù)所建表我們可以給4*4鍵盤(pán)每個(gè)按鍵賦予音階對(duì)應(yīng)的頻率。單片機(jī)12mhz晶振，高中低音符與計(jì)數(shù)t0相關(guān)的計(jì)數(shù)值如表3-1所示表3-1 頻率表音符頻率（hz）計(jì)數(shù)值（t值）音符頻率（hz）計(jì)數(shù)值（t值）低1do26263628#4fa#74064860#1do#27763737

16、中5so78464898低2re29463835#5so#83194934#2re#31163928中6la88064968低3mi33064021#6la#93264994低4fa34964103中7si96865030#4fa#37064185低1do104665058低so39264260#1do#110965085#5so#41564331高2re117565110低6la44064400#2re#124565134#6la#46664463高3mi131865157低7si49464524高4fa139765178中1do52364580#4fa#149065198#1do#5546

17、4633高5so156865217中2re58764633#5so#166165235#2re#62264884高6la176065252中3mi65964732#6la#186565268中4fa69864820高7si196765283表3-2 曲調(diào)曲調(diào)值delay曲調(diào)值delay調(diào)4/4125ms調(diào)4/462ms調(diào)3/4187ms調(diào)3/494ms調(diào)2/4250ms調(diào)2/4125ms對(duì)于不同的曲調(diào)我們也可以用單片機(jī)的另外一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)完成。在這個(gè)程序中用到了兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)完成的。其中t0用來(lái)產(chǎn)生音符頻率，t1用來(lái)產(chǎn)生音拍。圖3-1 音樂(lè)發(fā)聲程序框圖3.3 系統(tǒng)總體功能流程圖 該程序

18、設(shè)計(jì)思路比較清晰既從開(kāi)始到聲明變量與函數(shù)再到讀取按鈕開(kāi)關(guān)，判斷是否按下，然后就是一個(gè)一個(gè)按鈕的動(dòng)作。其主程序流程圖如下： 圖3-2 主程序流程圖按鍵子程序流程圖如下圖3-3 按鍵子程序流程圖4 系統(tǒng)調(diào)試電路調(diào)試是整個(gè)系統(tǒng)功能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵步驟，我們將整個(gè)調(diào)試過(guò)程分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和綜合調(diào)試。4.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試主要是針對(duì)單片機(jī)部分進(jìn)行調(diào)試。在上電前，先確保電路中不在斷路或短路情況，這一工作是整個(gè)調(diào)試工作的第一步，也是非常重要的一個(gè)步驟。在這部分調(diào)試中主要使用的工具是萬(wàn)用表，用來(lái)完成檢測(cè)電路中是否存在斷路或者短路情況等。注意焊點(diǎn)之間，確保焊點(diǎn)沒(méi)有短接在一起，同時(shí)注意焊點(diǎn)的美觀，確

19、保沒(méi)有開(kāi)路以及短路的現(xiàn)象出現(xiàn)。在確保硬件電路正常，無(wú)異常情況(斷路或短路)方可上電調(diào)試，上電調(diào)試的目的是檢驗(yàn)電路是否接錯(cuò)，同時(shí)還要檢驗(yàn)原理是否正確，在本次設(shè)計(jì)中，上電調(diào)試主要鍵盤(pán)單片機(jī)控制部分、和音頻轉(zhuǎn)換電路硬件調(diào)試。鍵盤(pán)單片機(jī)控制部分調(diào)試：上電后，隨機(jī)按動(dòng)鍵盤(pán)可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的音正確。4.2 軟件調(diào)試調(diào)試主要方法和技巧：通常一個(gè)調(diào)試程序應(yīng)該具備至少四種性能：跟蹤、斷點(diǎn)、查看變量、更改數(shù)值。整個(gè)程序是一個(gè)主程序調(diào)用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)功能的過(guò)程，要使主程序和整個(gè)程序都能平穩(wěn)運(yùn)行，各個(gè)模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運(yùn)行必不可少，所以在軟件調(diào)試的最初階段就是把各個(gè)子程序模塊進(jìn)行分別調(diào)試?？偨Y(jié)通過(guò)各方面努力

20、，本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)完成，系統(tǒng)部分功能已實(shí)現(xiàn)。將程序燒入芯片,調(diào)試成功后,可任意彈奏自己想要的旋律。本設(shè)計(jì)通過(guò)制作電子琴，將幾個(gè)模塊很好的融合起來(lái)，對(duì)使用單片機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電子琴進(jìn)行了分析，并介紹了基于單片機(jī)電子琴統(tǒng)硬件組成。利用單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率來(lái)獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏想要表達(dá)的音樂(lè)。說(shuō)明一首音樂(lè)是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂(lè)了，于是我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0來(lái)產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)，因此，我們只要把一首歌曲的音階對(duì)應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可，然后我們利用功放電路來(lái)將音樂(lè)聲音放大，同時(shí)通過(guò)顯示模塊來(lái)確知自己所彈的音符。單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電子琴的微型化，使我們可以利用軟硬件實(shí)現(xiàn)電子琴