課程設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)

1、電子琴設(shè)計(jì)摘要：本設(shè)計(jì)是用at89s52單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)電子琴。以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤(pán)、揚(yáng)聲器、led顯示器等模塊組成核心主控制模塊。在主控模塊上設(shè)有8個(gè)按鍵，其中7個(gè)按鍵控制7個(gè)音符，而1個(gè)作為功能轉(zhuǎn)換鍵使用，具有手動(dòng)隨意彈奏和自動(dòng)播放樂(lè)曲的功能。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?xún)r(jià)比較高等，具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：at89c52單片機(jī) led顯示器 揚(yáng)聲器 18矩陣鍵盤(pán) 7個(gè)音符 自動(dòng)播放樂(lè)曲 1 引言電子琴是現(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。目前市場(chǎng)上各種品牌、型號(hào)的電子琴有上百種，由幾十塊的玩具電子琴到幾

2、百，幾千的學(xué)習(xí)、演奏用琴真是琳瑯滿(mǎn)目，電子琴能夠模仿各種音色和具有自動(dòng)伴奏功能，這些是電子琴最基本的特征。檔次的高低無(wú)非是音色模仿的是否逼真，自動(dòng)伴奏設(shè)計(jì)的是否豐富，或者增加了其他制作，編曲功能的。本設(shè)計(jì)主要對(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)電子琴系統(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7個(gè)音符，最終可隨意彈奏想要表達(dá)的音樂(lè)。并且本設(shè)計(jì)分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理及各模塊的程序的調(diào)試來(lái)詳細(xì)闡述。 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)于單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生不同的頻率非常方

3、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。2 總體設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)思路2.1.1 從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能上來(lái)看，電子琴的設(shè)計(jì)主要分為手動(dòng)彈奏樂(lè)曲和自動(dòng)播放音樂(lè)兩大部分組成。手動(dòng)彈奏樂(lè)曲是根據(jù)具體的硬件鍵盤(pán)設(shè)置了7個(gè)音符按鍵和1個(gè)功能轉(zhuǎn)換鍵，自動(dòng)播放音樂(lè)是在單片機(jī)的存儲(chǔ)器中通過(guò)軟件編程的方法放置音樂(lè)代碼和相關(guān)播放程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.1.2 從系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)上來(lái)看，主要使用到52系列單片機(jī)、矩陣18鍵輸入電路、led數(shù)碼管顯示電路、揚(yáng)聲器以及電源電路等等。將這些硬件電路有機(jī)地結(jié)合起來(lái)使之滿(mǎn)足電子琴設(shè)計(jì)的基本硬件要求。2.1.3 從

4、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)角度來(lái)看，將電子琴的設(shè)計(jì)采用程序模塊化設(shè)計(jì)方法，將程序分為主程序、鍵盤(pán)掃描程序模塊、數(shù)碼顯示模塊、轉(zhuǎn)換控制模塊、音樂(lè)產(chǎn)生模塊等等。此外，采用程序設(shè)計(jì)思想，將中斷定時(shí)方式與外部按鍵查詢(xún)方式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)彈奏樂(lè)曲到自動(dòng)播放音樂(lè)的切換。2.1.4 從音樂(lè)產(chǎn)生原理方面來(lái)看，通過(guò)控制單片機(jī)的定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間產(chǎn)生不同頻率的音頻脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出不同音樂(lè)的聲音。用軟件延時(shí)來(lái)控制發(fā)音時(shí)間的長(zhǎng)短，控制節(jié)拍。把音樂(lè)的音符和相應(yīng)的節(jié)拍變換為定時(shí)常數(shù)和延時(shí)常數(shù)，作為數(shù)據(jù)表格存放在程序存儲(chǔ)器中，由程序查表得到定時(shí)常數(shù)和延時(shí)常數(shù)，分別用來(lái)控制定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖頻率和發(fā)出音頻脈沖的持續(xù)時(shí)間。 因此，我

5、們可以綜合上述的不同角度的方案設(shè)計(jì)原理，主要從軟件和硬件兩部分進(jìn)行有計(jì)劃有步驟的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)，最終確立總體的設(shè)計(jì)方案。方案確立 1、手動(dòng)彈奏樂(lè)曲和自動(dòng)播放音樂(lè)用非編碼的矩陣鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中包括數(shù)字鍵和功能鍵，功能鍵主要是將手動(dòng)彈奏模塊轉(zhuǎn)換到自動(dòng)播放樂(lè)曲模塊。手動(dòng)彈奏樂(lè)曲中7個(gè)鍵分別設(shè)置不同的7個(gè)音符，然后通過(guò)功能鍵可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)彈奏樂(lè)曲到播放樂(lè)曲之間的切換。2、一位led數(shù)碼管顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，將按下的鍵值送入顯示，并一一對(duì)應(yīng)各個(gè)音符。采用動(dòng)態(tài)掃描輸出。3、軟件的設(shè)計(jì)主要包括矩形鍵盤(pán)鍵值的讀取、led動(dòng)態(tài)掃描輸出程序、手動(dòng)彈奏樂(lè)曲程序和音樂(lè)自動(dòng)播放程序。4、此次程序設(shè)計(jì)主要分為兩大塊:手動(dòng)彈奏樂(lè)

6、曲程序和自動(dòng)播放程序。兩者之間用功能轉(zhuǎn)換程序?qū)ζ溥M(jìn)行結(jié)合，并實(shí)現(xiàn)各種不同功能的控制。2.2 設(shè)計(jì)方框圖基于單片機(jī)系統(tǒng)的電子琴的基本結(jié)構(gòu)如圖（1）所示圖(1)3 設(shè)計(jì)原理分析3.1演奏音樂(lè)原理通過(guò)控制單片機(jī)定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間產(chǎn)生不同頻率的音頻脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出不同音節(jié)的聲音。用軟件延時(shí)來(lái)控制發(fā)音時(shí)間的長(zhǎng)短，控制節(jié)拍。把樂(lè)譜的音符和相應(yīng)的節(jié)拍變換為定時(shí)常數(shù)和延時(shí)常數(shù)，作為數(shù)據(jù)表格存放在存儲(chǔ)器中，由程序到定時(shí)常數(shù)和延時(shí)常數(shù)，分別用來(lái)控制定時(shí)器產(chǎn)生的脈沖頻率和發(fā)出該音頻脈沖的持續(xù)時(shí)間。單片機(jī)晶振頻率為12mhz時(shí)，樂(lè)曲中的音符、頻率及定時(shí)常數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可制成表格。本次設(shè)計(jì)中，定時(shí)常數(shù)是有1

7、6定時(shí)器t0根據(jù)不同的音符，裝入不同的初值實(shí)現(xiàn)延時(shí)的，而延時(shí)常數(shù)是在自動(dòng)播放音樂(lè)部分使用，控制不同音符的節(jié)拍，其延時(shí)常數(shù)是通過(guò)16位定時(shí)器t1實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求給出的各音符頻率，我們只需要的各音符頻率與計(jì)數(shù)值t的關(guān)系如表(1)所示表（1）： c調(diào)各音符頻率與計(jì)數(shù)值t的關(guān)系音符頻率（hz）半周期（ms） 簡(jiǎn)譜碼t值定時(shí)值（h）簡(jiǎn)譜碼t值定時(shí)值（d）1 do2621.90f894h626282 re2941.70f95ch638353 mi3301.51fa1ah640214 fa3491.43fa6ah641035 so3921.28fb00h642606 la4401.14fb8ch6440

8、07 si4941.01fc0eh645243.2 鍵盤(pán)掃描原理先將18矩陣鍵盤(pán)的行（p2.0）和列(p1口)全部置為高電平，然后再逐行置為低電平，當(dāng)有鍵按下時(shí)p1口的值會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，通過(guò)與給定數(shù)的比較，判定是否有鍵按下和是否鍵已松開(kāi)。并給定列號(hào)并保存，根據(jù)所給的列號(hào)的值，一方面通過(guò)p0口給led送入確定好的段碼數(shù)值，從而相對(duì)應(yīng)地在led上顯示音符數(shù)字，另一方面從table表中取出相應(yīng)的值，給此時(shí)作為16位定時(shí)器的t0裝入初值，不同的音符給t0裝入的初值不同，即定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間將不相同，將產(chǎn)生不同頻率的音頻脈沖，轉(zhuǎn)換成聲音播出的頻率也將不同，從而實(shí)現(xiàn)7個(gè)不同的音符。同時(shí)，通過(guò)示波器可查看p

9、3.7的音頻輸出方波。3.3 硬件電路設(shè)計(jì)分析 因?yàn)閍t89cxx系列與mcs-51系列單片機(jī)相比，有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序的寫(xiě)入更方便；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個(gè)硬件電路的體積更小。它以較小的體積、良好的性能價(jià)格比倍受青睞。本次綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用89c52單片機(jī)。3.3.1 按鍵模塊的設(shè)計(jì)如圖（2）所示為18矩陣鍵盤(pán)模塊，其行接p2.0口，其列逐一與p1口相接圖（2）因?yàn)椴煌囊舴麑?duì)應(yīng)的頻率是不同的，當(dāng)按到不同的按鍵，發(fā)出的聲音不一樣，所以其產(chǎn)生的方波頻率信號(hào)也會(huì)不一樣，如下列7個(gè)小圖對(duì)應(yīng)著7個(gè)不同音符的方波頻率信號(hào)。 圖 1 do 圖 2 re 圖 3

10、mi 圖 4 fa 圖 5 so 圖 6 la 圖 7 si 3.3.2 led數(shù)碼管顯示模塊的設(shè)計(jì) 如圖(3)所示，為led數(shù)碼顯示模塊電路的設(shè)計(jì)部分 圖(3) 一位共陽(yáng)數(shù)碼管 本系統(tǒng)用單片機(jī)的p0口的p0.0p0.6來(lái)控制led顯示器的數(shù)字顯示。當(dāng)有7個(gè)音符按鍵17中有被按下，led數(shù)碼管將對(duì)應(yīng)顯示出該音符的數(shù)字，從而可以通過(guò)手動(dòng)和眼看來(lái)確定所按的是哪個(gè)音符，應(yīng)該發(fā)出哪個(gè)音符的聲音。而最后一個(gè)功能轉(zhuǎn)換鍵一旦被按下，程序?qū)?huì)調(diào)用倒計(jì)3秒子程序，led數(shù)碼管將從3開(kāi)始倒數(shù)到0，緊接著進(jìn)入自動(dòng)播放音樂(lè)子程序，播放程序中通過(guò)表格數(shù)據(jù)形式存放在rom的音樂(lè)代碼而形成的樂(lè)曲3.3.3 揚(yáng)聲器模塊的設(shè)計(jì)

11、 如圖(4)所示為揚(yáng)聲器模塊電路圖(4) 揚(yáng)聲器模塊電路電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵振動(dòng)膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號(hào)電流通過(guò)電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。本設(shè)計(jì)的蜂鳴器通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)的p3.7連接，單片機(jī)就可以通過(guò)p3.7的輸出信號(hào)頻率就行控制。令外，通過(guò)示波器接到p3.7可方便我們觀察波形。3.3.4 復(fù)位和晶振等其他附屬部分的電路設(shè)計(jì)如圖(5)所示，為復(fù)位和晶振等其他附屬部分的電路圖(5) 復(fù)位和晶振等其他附屬部分的電路 xtal1、xtal2分別是系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)fosc的輸入和輸出端。晶振電路的設(shè)計(jì)

12、可以?xún)蓚€(gè)電容與一個(gè)晶振即可，用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)約等于12mhz的穩(wěn)定的頻率。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，其作用是使cpu和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。本系統(tǒng)采用上電與按鍵復(fù)位電路，為了防止干擾串?dāng)_復(fù)位端，所以再接一個(gè)去耦電容。4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1、利用at89c52的內(nèi)部定時(shí)器t0使其工作在方式1的定時(shí)方式下，改變計(jì)數(shù)值th0及tl0以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音符。計(jì)數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式是： nfi2fr式中，n是計(jì)數(shù)值，fi是機(jī)器頻率（晶體振蕩器為12mhz時(shí)，其頻率為1mhz），fr是想要產(chǎn)生的頻率。其計(jì)數(shù)初值t的求法如下： t65536n65536fi2fr實(shí)驗(yàn)中

13、的k65536，fi1mhz，根據(jù)設(shè)計(jì)要求中給出的音階頻率表，可求出各自的計(jì)數(shù)初值。t65536n65536fi2fr6553610000002fr65536500000/fr因此，可以通過(guò)計(jì)算求得各音階的簡(jiǎn)譜碼t值如下：1 do的t65536500000/262.1636282 re的t65536500000/293.7638363 mi的t65536500000/329.6640214 fa的t65536500000/349.2641045 so的t65536500000/392.0642616 la的t65536500000/440.0644007 si的t65536500000/493

14、.964524相應(yīng)求得在要發(fā)出不同音符時(shí)先給定時(shí)器t0裝入的初值如下表：音階1 do2 re3 mi4 fa5 so6 la7 si頻率(hz)261.1293.7329.6349.2392.0440.0493.9 初值 636286383664021641046426164400645242、因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中用到的led數(shù)碼顯示管是共陽(yáng)極的，所以07八個(gè)數(shù)字的段碼分別為：數(shù)字 01234567段碼40h79h24h30h19h12h02h78h5 結(jié)束語(yǔ)在這一周里，一有空余時(shí)間都把時(shí)間花在本次實(shí)驗(yàn)。其過(guò)程很艱苦，有時(shí)候做到深夜，但收獲是頗多。一開(kāi)始拿到題目，關(guān)于不同頻率的音符，我就知道肯定需要用到

15、定時(shí)中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)，可是自己學(xué)習(xí)的進(jìn)度很慢，大多數(shù)時(shí)間都是自學(xué)。不過(guò)后來(lái)用大量時(shí)間去細(xì)看每一章節(jié)，做起實(shí)驗(yàn)來(lái)就容易多了。本次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)讓我無(wú)論是在硬件還是軟件方面都有了很大的提高，同時(shí)也增強(qiáng)了自己的信心和對(duì)學(xué)習(xí)的興趣。這些也是老師嚴(yán)格要求我們做好每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的好處。參考文獻(xiàn)1潘永雄.新編單片機(jī)原理與應(yīng)用（第二版）.西安電子科技大學(xué)出版社，20072楊欣.51單片機(jī)應(yīng)用從零開(kāi)始：清華大學(xué)出版社，20083彭偉.單片機(jī)c語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例基于8051+proteus仿真. 電子工業(yè)出版社，2010附錄1：總體電路圖附錄2：程序流程圖設(shè)計(jì)附錄3：源程序代碼keybuf equ 30hsth0 equ

16、 31hstl0 equ 32htemp equ 33hspkequ p3.7 ; 發(fā)聲器所在端口 org 0000h ljmp start org 000bh ljmp int_t0 ;定時(shí)器0放置彈奏樂(lè)曲程序 org 001bh ljmp time0start: mov tmod,#11h ;設(shè)置定時(shí)器的工作方式,定時(shí)器t0和t1都是方式1，作為16為定時(shí)計(jì)數(shù)器使用(定時(shí)方式) setb et0 ;開(kāi)各中斷開(kāi)關(guān) setb et1 setb ea ;開(kāi)放中斷總允許和源允許 acall saomiao ;進(jìn)入手動(dòng)彈奏程序 sjmp start;*手動(dòng)彈奏程序*saomiao: mov p2,#

17、0ffh ;手動(dòng)彈奏程序 mov p1,#0ffh ;先將鍵盤(pán)的行和列全部置為高電平，然后再逐行置為低電平 clr p2.0 mov a,p1 xrl a,0ffh cjne a,#00h,neq ;判斷有沒(méi)鍵按下 ljmp nokeys ;沒(méi)有按鍵按下即跳轉(zhuǎn)到nokeysneq: ;有按鍵按下即跳到neq lcall dely10ms ;延時(shí)10ms mov a,p1 ;消除擾動(dòng)和干擾 xrl a,0ffh cjne a,#00h,neq1 ljmp nokeysneq1: mov a,p1 ;判斷是否按下#0鍵 cjne a,#0feh,nk1 ;按下#0鍵即順序執(zhí)行程序，否則跳到nk1檢

18、查下一鍵位 mov keybuf,#0 ;保存列號(hào)#0 mov p0,#79h ;讓led顯示為1 ljmp dk1nk1: cjne a,#0fdh,nk2 ;判斷是否按下#1鍵 mov keybuf,#1 ;保存列號(hào)#1 mov p0,#24h ;讓led顯示為2 ljmp dk1nk2: cjne a,#0fbh,nk3 ;判斷是否按下#2鍵 mov keybuf,#2 ;保存列號(hào)#2 mov p0,#30h ;讓led顯示為3 ljmp dk1nk3: cjne a,#0f7h,nk4 ;判斷是否按下#3鍵 mov keybuf,#3 ;保存列號(hào)#3 mov p0,#19h ;讓led

19、顯示為4 ljmp dk1nk4: cjne a,#0efh,nk5 ;判斷是否按下#4鍵 mov keybuf,#4 ;保存列號(hào)#4 mov p0,#12h ;讓led顯示為5 ljmp dk1nk5: cjne a,#0dfh,nk6 ;判斷是否按下#5鍵 mov keybuf,#5 ;保存列號(hào)#5 mov p0,#02h ;讓led顯示為6 ljmp dk1 nk6: cjne a,#0bfh,nk7 ;判斷是否按下#6鍵 mov keybuf,#6 ;保存列號(hào)#6 mov p0,#78h ;讓led顯示為7 ljmp dk1nk7: cjne a ,#7fh,nk8 nk8: ljmp

20、 choicedk1: mov a,keybuf mov b,#2 mul ab ;對(duì)應(yīng)讀取表格table1的數(shù)據(jù) mov temp,a mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov sth0,a mov th0,a inc temp mov a,temp movc a,a+dptr mov stl0,a mov tl0,a setb tr0 ;開(kāi)啟定時(shí)器t0，t0開(kāi)始計(jì)數(shù)dk1a: mov a,p1 xrl a,#0ffh jnz dk1a mov a,p2 anl a,#0f0h mov p2,a clr tr0nokeys: ret;*功能轉(zhuǎn)換程序*choice:

21、 mov p2,#0ffh ;功能轉(zhuǎn)換程序 mov p1,#0ffh clr p2.0 mov a,p1 cjne a,#7fh,next1111 ;按下了p1.7鍵后，順序執(zhí)行，否則則跳轉(zhuǎn)到next1111 next111: mov p2,#0ffh mov p1,#0ffh clr p2.0 mov a,p1 xrl a,#0ffh jnz next111 ;如果a不為0，即按鍵有變化，繼續(xù)循環(huán) acall display ;如果按鍵沒(méi)變化，即調(diào)用display mov sp,#60h mov dptr,#table acall musicnext1111: ljmp saomiao;*自

22、動(dòng)播放音樂(lè)程序*music: mov 21h,#00h mov p2,#0ffh mov p1,#0ffh clr p2.0 mov a,p1 jnb acc.7,aa1 setb 21h.7 aa1: mov p2,#0ffh mov p1,#0ffh clr p2.0 mov a,p1 xrl a, #0ffh jnz aa1 jnb 21h.7,next1111 clr a movc a,a+dptr mov r1,a inc dptr clr a movc a,a+dptr mov r0,a orl a,r1 jz next1 mov a,r0 anl a,r1 cjne a,#0ff

23、h,next sjmp music next: mov th1,r1 mov tl1,r0 setb tr1 sjmp next2 next1: clr tr1 next2: clr a inc dptr movc a,a+dptr mov r2,a loop1: acall delay djnz r2,loop1 inc dptr sjmp music rep12: clr tr1 ret time0: mov th1,r1 mov tl1,r0 cpl p3.7 retidel1s: mov r5,#30 d1: mov r6,#100 d2: mov r7,#80 djnz r7,$ d

24、jnz r6,d2 djnz r5,d1 retdel: nopdel3: mov r4,#02hdel4: nop djnz r4,del4 nop djnz r3,del3 ret nop;*延時(shí)10ms子程序*dely10ms: mov r6,#10d3: mov r7,#248djnz r7,$djnz r6,d3ret;*t0中斷服務(wù)子程序*int_t0: mov th0,sth0mov tl0,stl0cpl p3.7reti;*倒計(jì)3秒進(jìn)入自動(dòng)播放音樂(lè)子程序*display:mov dptr,#table0 mov r0,#0loop10 :mov a,r0 movc a,a+dptr mov p0,a clr p2.0 lcall delay0 inc r0 cjne r0,#4,loop10 ret;*數(shù)碼顯示display9*display9:mov dptr,#table8 ;數(shù)碼管顯示數(shù)字 mov r0,#0loop15 :mov a,r0 movc a,a+dptr mov p0,a ;送到p0口顯示數(shù)字 clr p2.0 lcall delay0 inc r0 cjne r0,