燕山大學簡易電子琴的設(shè)計畢業(yè)論文設(shè)計

1、 燕山大學 課 程 設(shè) 計 說 明 書 題目： 簡易電子琴 學院（系）： 電氣工程學院 年級專業(yè)： 精儀一班 燕山大學課程設(shè)計（論文）任務(wù)書院（系）：電氣工程學院 基層教學單位：儀器科學與工程系 學 號學生姓名專業(yè)（班級）精儀一班設(shè)計題目簡易電子琴設(shè)計技術(shù)參數(shù)設(shè)計一簡易電子琴，按下不同按鍵，能夠發(fā)出不同的聲音。通過每個按鍵的控制使單片機系統(tǒng)輸出不同頻率的脈沖，經(jīng)過揚聲器發(fā)出不同頻率音調(diào)。演奏一首歌曲。設(shè)計要求設(shè)計電子琴的鍵盤電路（包括硬件電路）；編制相應(yīng)的程序。工作量設(shè)計的內(nèi)容滿足課程設(shè)計的教學目的與要求，設(shè)計題目的難度和工作量適合學生的知識和能力狀況，工作量飽滿。工作計劃查閱資料進行設(shè)計準備

2、、設(shè)計硬件電路、編制程序，編制程序、驗證設(shè)計、撰寫任務(wù)書。參考資料單片微型計算機接口技術(shù)及其應(yīng)用 張淑清 國防工業(yè)出版社單片機應(yīng)用技術(shù)匯編指導教師簽字基層教學單位主任簽字說明：此表一式四份，學生、指導教師、基層教學單位、系部各一份。 2013.7.6目錄摘要 31電子琴的發(fā)聲原理51.1發(fā)聲原理 51.2 單片機實現(xiàn)簡易電子琴原理及代碼值的計算52程序的設(shè)計思想及執(zhí)行流程82.1 主程序的流程 82.2 單發(fā)音子程序的執(zhí)行流程112.3 播放歌曲子程序的執(zhí)行流程 113硬件系統(tǒng)連接 133.1 89c51芯片簡介 133.2 蜂鳴器的電路連接及實現(xiàn) 143.3 4x4矩陣鍵盤 154總結(jié)17參

3、考文獻24摘要：單片機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，具有高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠等特點。單片機的應(yīng)用相當廣泛，從平常的家用電器到航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器都能找到它的身影。因此，單片機的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項重大課題。隨著社會的發(fā)展進步，音樂逐漸成為我們生活中很重要的一部分。本論文設(shè)計一個基于單片機的簡易電子琴。我們對于電子琴如何實現(xiàn)其功能，如音色選擇、聲音強弱控制、節(jié)拍器、自動放音功能等等也很好奇。電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活

4、中，成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用at89s51單片機為核心控制元件，設(shè)計一個電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有16個按鍵和揚聲器。本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其優(yōu)點是硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等，具有一定的實用和參考價值。關(guān)鍵詞：單片機 電子琴 節(jié)拍器 自動放音1、電子琴的發(fā)聲原理11電子琴發(fā)聲原理電子琴既可以演奏不同的曲調(diào)，又可以發(fā)出強弱不同的聲音，還可以模仿二胡、笛子、鋼琴、黑管以及鑼鼓等不同樂器的聲音。那么，電子琴的發(fā)音原理是怎樣的？ 大家知道，當物體振動時，能夠發(fā)出聲音。振動的頻率不同，聲音的音調(diào)就

5、不同。在電子琴里，雖然沒有振動的弦、簧、管等物體，卻有許多特殊的電裝置，每個電裝置一工作，就會使喇叭發(fā)出一定頻率的聲音。當按動某個琴鍵時，就會使與它對應(yīng)的電裝置工作，從而使喇叭發(fā)出某種音調(diào)的聲音。電子琴的音量控制器，實質(zhì)上是一個可調(diào)電阻器。當轉(zhuǎn)動音量控制器旋扭時，可調(diào)電阻器的電阻就隨著變化。電阻大小的變化，又會引起喇叭聲音強弱的變化。所以轉(zhuǎn)動音量控制旋扭時，電子琴發(fā)聲的響度就隨之變化。當樂器發(fā)聲時，除了發(fā)出某一頻率的聲音基音以外，還會發(fā)出響度較小、頻率加倍的輔助音諧音。我們聽到的樂器的聲音是它發(fā)出的基音和諧音混合而成的。不同的樂器發(fā)出同一基音時，不僅諧音的數(shù)目不同，而且各諧音的響度也不同。因而

6、使不同的樂器具有不同的音品。在電子琴里，除了有與基音對應(yīng)的電裝置外，還有與許多諧音對應(yīng)的電裝置，適當?shù)剡x擇不同的諧音電裝置，就可以模仿出不同樂器的聲音來。1.2 單片機實現(xiàn)簡易電子琴原理及代碼計算本課程設(shè)計的題目為簡易電子琴的設(shè)計，通過編程控制蜂鳴器脈沖的頻率和有效信號的長度，可實現(xiàn)如下的功能：一：4*4矩陣鍵盤的1e按鍵分別對應(yīng)著個不同的音符，分為高低不同的14個音符，當按下某一按鍵，會發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)。按下按鍵時，揚聲器會發(fā)出一定時長的聲音。揚聲器發(fā)聲的時長是無法改變的，由程序設(shè)定。如果連續(xù)按動一個樂譜的音符所對應(yīng)的按鍵，可以實現(xiàn)樂曲的演奏。二：程序中預(yù)存了音樂我的中國心樂譜對應(yīng)的編碼，通過

7、矩陣鍵盤中的“0”鍵觸發(fā)，當在單片機處于該音樂播放模式時，可以通過按鍵“f”和“e”對該音樂的播放進行暫停、播放和停止操作等控制。代碼值的計算不同的音符對應(yīng)著不同的頻率，我們可以利用不同的頻率的組合，來實現(xiàn)不同的音符的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了。假如發(fā)生裝置為脈沖型的蜂鳴器，將其連接在p1.0上。按每個音符對應(yīng)的頻率和拍長對p1.0施以有效的脈沖信號，即可實現(xiàn)對應(yīng)的音樂。而對于單片機來說產(chǎn)生不同的頻率和一定長度的脈沖信號是非常方便，我們可以利用單片機的定時/計數(shù)器來產(chǎn)生這樣方波頻率信號，調(diào)用一個可編程的延時函數(shù)即可控制聲音的長度。因此，只需將一首歌的音階和頻率即拍長相對應(yīng)即可。利用定時器

8、計時半周期時間，每當計時終止后就將p1.0反相，然后重復(fù)計時再反相。就可在p1.0引腳上得到此頻率的脈沖。若要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（1/頻率），再將此周期除以2，即為半周期的時間。利用at89s52的內(nèi)部定時器使其工作計數(shù)器模式工作方式1下，改變計數(shù)初值以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階，下面將具體介紹音符頻率的計算方法。計數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式(如式2-1所示)是： n÷12÷ ÷2 （式1-1） 式中，n是產(chǎn)生需要脈沖所需的計數(shù)值，是單片機的晶振頻率（本實驗箱的晶體振蕩器為5mhz），是想要產(chǎn)生的頻率；相應(yīng)的計數(shù)初值t的求法如下： t65536n

9、 （式1-2） 以音符do為例，詳述得到對應(yīng)的頻率所需的計數(shù)初值：本次課程設(shè)計所使用的實驗箱上的單片機晶振為6hz,對應(yīng)的每次計數(shù)時間間隔為2us，低音do對應(yīng)的頻率為262hz，其周期t1/2623817s。低音do（261hz）、中音do（523hz）、高音do（1046hz）的計數(shù)值。t65536n65536/12/ /2655366000000/12/65536250000/ 低音do的t65536250000/26264582 中音do的t65536250000/52365058 高音do的t65536250000/104665297我們要為這個音符建立一個表格，單片機通過查表的方式

10、來獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，單片機6mhz晶振，高中低音符與計數(shù)t0相關(guān)的計數(shù)值如表1所示：音符頻率（hz）代碼值(t)音符頻率（hz）代碼值(t)低1do26264582中 5 so78465217低2re29464686中 6 la88065252低 3 m33064779中 7 si98865283低 4 fa34964820高 1 do104665297低 5 so39264898高 2 re117565323低 6 la44064968高 3 m131865346低 7 si49465030高 4 fa139765357中 1 do52365058高 5 so156865377中 2 re58

11、765110高 6 la176065394中 3 m65965157高 7 si196765409中 4 fa69865178表1-1 音符頻率表音樂的音拍為基本的發(fā)聲時長，一個節(jié)拍為單位（c調(diào)）相應(yīng)的時長如表1-2所示： 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表2-1 曲調(diào)值表error! no bookmark name given. 對于不同的曲調(diào)，本課程設(shè)計采用的是調(diào)用延時子程序的，控制定時器的啟動與關(guān)閉，進而時長的方法來實現(xiàn)的。2程序的設(shè)計思想及執(zhí)行流程2.1主程序的流程主程序的執(zhí)行流程

12、如圖2-1所示，其中包含的功能及其子程序有：一、鍵盤掃描：檢測是否有鍵按下，有鍵按下則記錄按下鍵的鍵值，并跳轉(zhuǎn)至功能轉(zhuǎn)移程序；無鍵按下，則返回鍵盤掃描程序繼續(xù)檢測；二、多功能的實現(xiàn)：對檢測到得按鍵值進行判斷，是單獨發(fā)音按鍵則跳轉(zhuǎn)至單發(fā)音子程序，是歌曲播放鍵“0”鍵則跳轉(zhuǎn)連續(xù)發(fā)音子程序，即開始彈奏我的中國心；單發(fā)音子程序：根據(jù)檢測到得按鍵值，查詢音律表，給計時器t0賦值，同時調(diào)用固定時長的延時子程序，發(fā)出相應(yīng)頻率的及時長的聲音，之后自動返回至鍵盤掃描程序，繼續(xù)等待是否有鍵按下；播放歌曲程序：檢測到按鍵按下的是歌曲播放鍵“0”鍵時執(zhí)行該程序，單片機自動播放事先已經(jīng)存放好的歌曲，同時每隔一定時間掃描

13、一次鍵盤，檢測是否有暫停鍵“f”或停止鍵“e”按下，有則處理相應(yīng)的子功能。歌曲播放完畢之后自動返回至鍵盤掃描程序，繼續(xù)等待是否有鍵按下。開始初始化：設(shè)置定時器工作方式，使能中斷鍵盤掃描程序否有鍵按下否是延時去抖動識別按鍵功能是否是歌曲播放鍵“0”否根據(jù)按鍵值，調(diào)用單發(fā)音子程序，播放鍵入音符是調(diào)用連續(xù)放心子程序，播放歌曲返回鍵盤掃描程序圖2-1 主程序流程圖2.2 單發(fā)音子程序的執(zhí)行流程根據(jù)檢測到得按鍵值，查詢音律表，給計時器t0賦值，同時調(diào)用固定時長的延時子程序，發(fā)出相應(yīng)頻率的及時長的聲音，之后自動返回至鍵盤掃描程序，繼續(xù)等待是否有鍵按下，執(zhí)行流程如圖3-2所示單發(fā)音子程序根據(jù)鍵值查音律表將代

14、碼值轉(zhuǎn)入定時器t0 使能tr0，開始發(fā)聲調(diào)用固定時長延時子程序返回鍵盤掃描程序圖2-2 單發(fā)音子程序流程圖圖2.3 播放歌曲子程序的執(zhí)行流程檢測到按鍵按下的是歌曲播放鍵“0”鍵時執(zhí)行該程序，單片機自動播放事先已經(jīng)存放好的歌曲，同時每隔一定時間掃描一次鍵盤，檢測是否有暫停鍵“f”或停止鍵“e”按下，有則處理相應(yīng)的子功能。歌曲播放完畢之后自動返回至鍵盤掃描程序，繼續(xù)等待是否有鍵按下。執(zhí)行流程如圖3-3所示：播放歌曲子程序 取歌譜地址取對應(yīng)音符的代碼值和拍數(shù) 是是否為停止碼0 返回鍵盤掃描否賦值定時器t1；賦值延時子程序參數(shù) 延時 掃描鍵盤 否歌曲計數(shù)器加一，準備取下一歌曲音符代碼是否有鍵按下是掃描

15、鍵盤是是否暫停鍵“f”否否是否停止鍵“e”是返回鍵盤掃描圖3-3 自動播放歌曲程序流程圖3硬件系統(tǒng)連接3.1 89c51芯片簡介功能描述（1） at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu

16、和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。（2）振蕩器特性：xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，xtal2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。（3）芯片擦除：整個perom陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ale管腳處于低電平10ms 來完成。

17、在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，at89c51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，cpu停止工作。但ram，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存ram的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。 主要特性·與mcs-51 兼容 ·4k字節(jié)可編程閃爍存儲器 ·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0hz-24hz·三級程序存儲器鎖定·128*8

18、位內(nèi)部ram·32可編程i/o線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源 ·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 3.2 蜂鳴器的電路連接及實現(xiàn)利用三極管作為門控信號，將三極管的基極連接在p1.0上，當給p1.0以一定頻率的脈沖信號時，三極管的射級也會輸出同等頻率的脈沖信號。蜂鳴器為脈沖驅(qū)動型，其發(fā)聲頻率由p1.0的輸出頻率決定，發(fā)聲長度由p1.0輸出的脈沖信號的有效時長確定其電路連接圖2-2如圖所示圖2-2揚聲器接口電路3.3 4x4矩陣鍵盤本次課程設(shè)計采用的wave2000試驗箱，課程設(shè)計的功能均由鍵盤控制實

19、現(xiàn)，鍵盤系統(tǒng)的硬件連接圖如圖2-3.1所示，簡化的鍵盤部分如圖2-3.2所示4×4矩陣鍵盤的列掃描信號和行掃描信號分別由74hc374和74hc245控制送出和讀入，其片選信號端key_led_cs連接在一起，可以與試驗箱上的cs0cs7相連接，其地址分別為0x002h和0x001h。采用at89c51的并行口p0口作為數(shù)據(jù)信號線，輸出列掃描信號，讀入行掃描信號。每個按鍵有它的行值和列值，行值和列值的組合就是識別這個按鍵的編碼。每個按鍵的狀態(tài)同樣需變成數(shù)字量“0”和“1”，開關(guān)的一端（列線）通過電阻接vcc，而接地是通過程序輸出數(shù)字“0”實現(xiàn)的。鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無鍵按下，

20、判斷哪一個鍵按下，鍵的功能是什么；還要消除按鍵在閉合或斷開時的抖動。兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)接地，另一個并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號共同形成鍵編碼而識別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能，在本程序中，當程序檢測到有鍵按下時，將查表使按鍵值與預(yù)存數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)對應(yīng)，并調(diào)用發(fā)聲程序。圖2-3.1 鍵盤系統(tǒng)的硬件連接圖圖2-3.2 簡化的矩陣鍵盤連接圖4 總結(jié)本次課程設(shè)計通過制作簡易電子琴，實現(xiàn)了對試驗箱上的蜂鳴器模塊、4x4矩陣鍵盤模塊以及51單片機的定時器等各種內(nèi)部功能很好的融合，掌握了利用單片機設(shè)計簡易電子琴的基本思想和方法。利用單片機產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的

21、音階，利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系弄清楚，利用單片機的定時/計數(shù)器t0/t1來產(chǎn)生這樣的脈沖頻率信號，利用延時函數(shù)控制發(fā)聲長度，然后我們利用蜂鳴器電路將音樂聲音發(fā)出。單片機是一門應(yīng)用性很強的學科，課程設(shè)計是培養(yǎng)我們綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對我們實際工作能力的具體訓練和考察。在設(shè)計過程中，我還查閱了網(wǎng)上一些關(guān)于8051的介紹，向老師同學請教程序的匯編，將很大一部分時間花在研究程序怎么處理和運行。對程序的研究，加深了我對所學單片機匯編語言命令的理解，使我學會了應(yīng)用所學的匯編語言來完成一定的

22、任務(wù)要求，而且也更加了解到軟硬件配套、接口連接的重要性。反復(fù)修改，不斷的改進是程序設(shè)計的必要步驟，這個過程讓我們不斷的審視已有程序，在能實現(xiàn)要求的情況下，盡可能做到簡潔易懂。一周的課設(shè)，讓我收獲了很多，加深了我對單片機匯編語言和硬件連接的理解。在這個過程中，我得到了老師和同學的很大幫助，在此感謝老師的耐心指導和給與的幫助。參考文獻單片微型計算機接口技術(shù)及其應(yīng)用 張淑清 國防工業(yè)出版社單片機原理及應(yīng)用技術(shù) 張淑清 國防工業(yè)出版社匯編語言 王爽 清華大學出版社 附 源程序代碼out_adds equ 08002hin_adds equ 08001hpai_num equ 30hsing_num e

23、qu 31htone_high equ 32htone_low equ 33htonebuf equ 34hkeybuf equ 35h org 0000h ljmp start org 000bh ljmp int_t0 org 001bh ljmp int_t1 start: mov sp, #70h mov tmod, #11h; mov ie, #8ah ; mov tonebuf,#0mloop: call testkey jz mloop call delay call testkey jz mloop call get_char mov b, a cjne a,#0,utterm

24、ov sing_num,#00next: mov a, sing_num mov dptr,# sing_tab movc a,a+dptr mov r2,a jz end_sing anl a,#0fh mov r5,a mov a,r2 swap a anl a,#0fh jnz sing clr tr1 jmp dm1sing: dec a mov 22h,a rl a mov dptr,#sing_tab0 movc a,a+dptr mov th1,a mov 21h,a mov a,22h rl a inc a movc a,a+dptr mov tl1,a mov 20h,a s

25、etb tr1dm1: call delay1 inc sing_num call testkey jz next call delay call testkey jz next call get_char cjne a,#0fh,next1next0: clr tr1 call testkey jz next0 call delay call testkey jz next0 call get_char cjne a,#0fh,next ajmp next0 ; setb tr1 ; jmp nextnext1: cjne a,#0eh,next clr tr1 ljmp mloop ;jm

26、p nextend_sing: clr tr1 ljmp mloop utter: dec b mov a, b rl a mov b, a mov dptr, #tone_table movc a, a+dptr mov tone_high, a mov th0, a mov a, b inc a movc a, a+dptr mov tone_low, a mov tl0, a setb tr0 mov pai_num, #100next2: mov a,pai_num jnz next2 clr tr0 ljmp mlooptone_table: dw 64578, 64686, 647

27、78, 64821, 64898, 64968, 65029 dw 65058,65110,65157,65178, 65217, 65252, 65283,65029sing_tab0: dw 65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283dw 65296,65323,65346,64898,64968,65030sing_tab: db 0c4h,0c2h,32h,22h,32h,12h,0d2hdb 0cch,04hdb 32h,64h,52h,32h,22h,12h,22hdb 3ch,32h,52h,;db 34h,34h,34h,32h,52h,

28、db 66h,72h,62h,52h,32h,22hdb 12h,14h,22h,38hdb 26h,32h,0d2h,0c2h,0b4h db 0cch, 02h,32hdb 54h,52h,32h,34h,02h,32hdb 84h,82h,62h,64h,62h,82hdb 64h,54h,12h,24hdb 3ch,02h,32h,db 86h,62h,066h,062h;db 86h,92h,0a4h,0a4h db 86h,92h,0a6h,0a2h,92h, 76h,52hdb 6ch,04h,db 0c6h,32h,22h,32h,12h,0d2hdb 0cch,04hdb 32h,64h,52h,32h,22h,12h,22hdb 34h,34h,34h,32h,52hdb 64h,62h,72h,62h,52h,32h,22hdb 12h,14h,22h,34h,34hdb 24h,22h,32h,72h,62h,54hdb 6ch,00htestkey: mov d