畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯-梁創(chuàng)耀

1、研究課題：基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易研究課題：基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)電子琴設(shè)計(jì) 姓名：梁創(chuàng)耀 學(xué)號(hào)：1300820315 學(xué)院：電子工程與自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè)：光電信息科學(xué)與工程 指導(dǎo)老師：聶琨2017年5月30日 世界上第一臺(tái)電子琴是20世紀(jì)初美國(guó)發(fā)明家?jiàn)W地斯發(fā)明的“鐵列琴”，重200噸，體積龐大。電子琴?gòu)恼Q生到今天的通過(guò)不斷改良和完善，最終成為家喻戶曉的鍵盤(pán)樂(lè)器。從技術(shù)角度看，國(guó)外產(chǎn)品還是處于領(lǐng)先地位，YAMAHA是當(dāng)今電子琴市場(chǎng)的第一品牌。老式電子琴都是依靠FM合成聲音，使用振蕩器來(lái)產(chǎn)生各種不同頻率的震蕩信號(hào)，再經(jīng)過(guò)分頻器分解成不同的頻率信號(hào)，然后送往放大器，經(jīng)過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音?，F(xiàn)代電子琴是使用P

2、CM或AWM采樣音源的方式進(jìn)行模仿傳統(tǒng)樂(lè)器的音色，一般講聲音數(shù)字化好存在ROM中，然后通過(guò)鍵盤(pán)利用CPU來(lái)回放該音，并通過(guò)振蕩器和濾波器制造和編輯各種音色，實(shí)現(xiàn)電子琴的功能。 電子琴經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，優(yōu)化了電子琴的控制方法，是電子琴向著小型化、低成本的方向發(fā)展。而單片機(jī)的出現(xiàn)為電子琴的發(fā)展提供了支持，基于單片機(jī)的電子琴是高科技技術(shù)在音樂(lè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的一個(gè)典型代表。單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有很多，諸如體積小、低功耗、功能強(qiáng)、可靠性和穩(wěn)定性高，適用于自動(dòng)控制行業(yè)。特別是隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，單片機(jī)設(shè)計(jì)正在深入到各個(gè)行業(yè)。隨著各種各樣的樂(lè)器層出不窮，基于單片機(jī)的電子琴擁有豐富的音色、寬闊的音域、演奏靈活和虛擬的

3、演奏，逐漸受到人們的熱捧。 1、國(guó)內(nèi)外電子琴研究與發(fā)展背景 在中國(guó)，北郵在1958年研制了第一臺(tái)電子管單音電子琴，由于各種因素，中國(guó)到1977年后才起步生產(chǎn)電子琴，國(guó)產(chǎn)的“華星”、“美得理”、“吟飛”等電子琴品牌相繼問(wèn)世。在中國(guó)市場(chǎng)上最初使用的電子琴技術(shù)是基于FM（調(diào)頻）音頻技術(shù)，主要是通過(guò)對(duì)音色的頻率進(jìn)行分析和運(yùn)算。這種設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生的音色比較純凈，有效避免機(jī)械噪聲。 國(guó)內(nèi)對(duì)電子琴的設(shè)計(jì)研究很多，設(shè)計(jì)思路和方式也多種多樣，可以利用單片機(jī)、EDA技術(shù)、PLC技術(shù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。本次利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電子琴，設(shè)計(jì)原則是多功能、低成本、擴(kuò)展性能強(qiáng)，盡量采用成熟技術(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性?；谝陨戏椒ǎ?/p>

4、次設(shè)計(jì)的主要原則是低成本、多功能、系統(tǒng)穩(wěn)定和安全，并且盡量采用成熟技術(shù)，利用單片機(jī)設(shè)計(jì)更為理想。 本次畢設(shè)主要以單片機(jī)為主控芯片，外加復(fù)位電路、LCD1602液晶顯示模塊、音頻處理模塊、4*4矩陣模塊、復(fù)位電路等外圍電路，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴。由單片機(jī)控制定時(shí)器產(chǎn)生不同頻率的輸出脈沖，從而得到不同的音色，通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)聲，得到不同的音階。主要內(nèi)容包括：（1）掌握電子琴以及通過(guò)單片機(jī)控制發(fā)聲的基本原理。（2）掌握單片機(jī)實(shí)現(xiàn)微控外圍電路的基本原理。（3）方案論證，得出系統(tǒng)的最終硬件設(shè)計(jì)，包括控制電路、 電源電路、音頻處理電路、鍵盤(pán)掃描模塊等。（4）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，主要是對(duì)應(yīng)于硬件的軟件設(shè)計(jì)

5、與編寫(xiě)。（5）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路的音樂(lè)演奏、存儲(chǔ)、回放、顯示等功能，并進(jìn)行可靠性分析。2、本課題研究?jī)?nèi)容、重點(diǎn)及難點(diǎn)通過(guò)51單片機(jī)控制蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)功能： （1）實(shí)現(xiàn)基本琴鍵功能； （2）實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電子琴音色功能； （3）通過(guò)按鍵自動(dòng)播放歌曲的功能。3.1 3.1 系統(tǒng)系統(tǒng)總體規(guī)劃總體規(guī)劃3、電子琴系統(tǒng)設(shè)計(jì) 如上圖所示，電子琴系統(tǒng)由51單片機(jī)、4*4矩陣鍵盤(pán)、復(fù)位電路、音頻處理電路、顯示電路等部分組成，并以51單片機(jī)作為主要控制芯片。鍵盤(pán)電路利用4*4矩陣產(chǎn)生兩個(gè)八度的音階，0-7表示低八度do-xi，8-F表示高八度的do-xi。發(fā)聲電路采用LM386音頻集成功放，以減少諧波失

6、真對(duì)音質(zhì)的影響。一首音樂(lè)由不同的音階組成，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，因此可以利用不同的頻率的組合，利用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器得到不同方波頻率信號(hào)，產(chǎn)生不同的音色。通過(guò)不同的按鍵選擇不同的音色。電子琴系統(tǒng)電路原理圖：3.2 3.2 單片機(jī)控制音頻信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理單片機(jī)控制音頻信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理頻率頻率f初值初值T周期（周期（S）33064021303034964103286539264260255144064400227249464524202452364580191258764684170465964777151769864820143378464898127688064968113698865030

7、1012104665058956117565110851131865157759139765178716依次類推，可以計(jì)算得到頻率與計(jì)數(shù)初值對(duì)應(yīng)表如下： 特殊功能寄存器TMOD用于選擇定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1的工作模式和工作方式。定時(shí)器工作模式T0也是通過(guò)計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，此時(shí)計(jì)數(shù)脈沖是對(duì)單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)12分頻后的脈沖計(jì)數(shù)（每12個(gè)時(shí)鐘周期為一個(gè)機(jī)器周期）。TMOD格式如下：M1、M0工作方式選擇：3.3 3.3 電源電路電源電路 如上圖所示，C2是濾波電容，它的值越大，電路帶負(fù)載的能力俞強(qiáng)，濾波效果俞好，這里只使用了1000uF的值。D5、D6都是用來(lái)保護(hù)芯片的，能夠保護(hù)電路安全工作

8、。在電路中，D6為了防止LM317反偏而設(shè)計(jì)的，D5為了防止電位器R3阻值為0時(shí)1引腳和2引腳發(fā)生短路。一般在調(diào)節(jié)管腳和正極輸出端之間接一個(gè)小電阻，通常不超過(guò)200歐。另一方面，在1引腳和地之間接一個(gè)電位器，調(diào)節(jié)它的值得大小，就可以在輸出端得到不同值得電壓。輸出電壓大小主要有電阻R2和R3決定的，輸出電壓與R2、R3阻值的計(jì)算公式為直流穩(wěn)壓電源方框圖變壓器橋式整流濾波穩(wěn)壓市電220V50HZ直流輸出電源電路的仿真如下:3.3 3.3 4 4* *4 4矩陣鍵盤(pán)矩陣鍵盤(pán) 在電子琴系統(tǒng)中，鍵盤(pán)是人機(jī)交互的界面，而鍵盤(pán)一般有兩種類型：獨(dú)立式鍵盤(pán)和矩陣式鍵盤(pán)。用4*4行列式矩陣的16個(gè)按鍵產(chǎn)生低8度和

9、高8度共16種音色。行列式按鍵是指采用行線和列線組成，通過(guò)掃描原理來(lái)確定是否有按鍵按下，比起獨(dú)立式鍵盤(pán)具有能夠節(jié)省I/O口線的特點(diǎn)。uchar temp,num;void keyone() /掃描第一行 P1=0 xfe; /1111 11110 temp=P1; if(temp!=0 xfe) /如果有按鍵按下 delay(5); /延時(shí)消抖，如果是抖動(dòng)，則temp=0 xfe，此時(shí)沒(méi)有鍵值讀出 switch(temp) /掃描列 case 0 xee:Key_Value=0;break; /1110 1110，得鍵值0 case 0 xde:Key_Value=1;break; /1101

10、 1110，得鍵值1 case 0 xbe:Key_Value=2;break; /1011 1110，得鍵值2 case 0 x7e:Key_Value=3;break; /0111 1110，得鍵值3 /同理掃描其他三行得到剩下的鍵值void saomiao()keyone(); /掃描第一行keytwo(); /掃描第二行keythree(); /掃描第三行keyfour(); /掃描第四行開(kāi)始結(jié)束行掃描確認(rèn)按鍵按下延時(shí)消抖是否有按鍵按下？列掃描讀取鍵值送液晶顯示顯示音階送發(fā)聲模塊發(fā)出琴聲YNYN LM386是一種由三級(jí)晶體放大電路組成的低頻低功耗的音頻集成功放。LM386芯片與一般的集

11、成運(yùn)放電路有點(diǎn)類似，但是它還具有一般放大電路所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，這也是采用它作為發(fā)聲模塊主要芯片的主要原因。與一般放大電路相比，LM386音頻功放具有下面幾個(gè)突出特點(diǎn)：1、外圍元件少；2、電壓增益可調(diào)，在1和8腳之間增加一只外接電容和電阻，就可以方便地把電壓增益調(diào)到20-200之間；3、工作電壓范圍寬，4-12V或5-18V；4、失真度小，有利于得到準(zhǔn)確的音頻輸出；5、靜態(tài)功耗低，約為4mA24mW，可用于電池供電。3.4 3.4 音頻處理電路音頻處理電路 使用LCD1602的目的是發(fā)聲時(shí)同時(shí)顯示出對(duì)應(yīng)的音階值，其外圍電路比較簡(jiǎn)單，這里直接采用典型電路的電路結(jié)構(gòu)。這里使用P0口作為與LCD1602的

12、數(shù)據(jù)傳輸接口，P2.5P2.7作為控制引腳的傳輸接口，VL接4.7K歐的電位器調(diào)節(jié)顯示器的明暗程度。由于P1口沒(méi)有內(nèi)置上拉電阻，因此這里用了一個(gè)4.7K歐的上拉電阻，本次課題研究設(shè)計(jì)的顯示電路如下：3.5 LCD16023.5 LCD1602液晶顯示模塊液晶顯示模塊 在使用LCD1602是，使能端E一定要置于高電平，使液晶顯示器處于工作狀態(tài)。另外，數(shù)據(jù)引腳D7的電壓情況直接影響讀寫(xiě)過(guò)程的允許和禁止，當(dāng)其處于高電平時(shí)禁止讀寫(xiě)，低電平時(shí)允許讀寫(xiě)，因此在對(duì)液晶顯示器讀寫(xiě)之前都要對(duì)其進(jìn)行讀忙，即讀寫(xiě)檢測(cè)。在對(duì)1602編程時(shí)，操作時(shí)序尤其重要，是液晶顯示器正常運(yùn)行的關(guān)鍵。操作時(shí)序如下表所示：ERSR/W

13、功能功能100指令碼由D0D7寫(xiě)入101從D0D7讀出狀態(tài)字110從D0D7寫(xiě)入數(shù)據(jù)111從D0D7讀出數(shù)據(jù)開(kāi)始1602初始化是否有按鍵按下？YN顯示00鍵值轉(zhuǎn)ACSII碼顯示116音階結(jié)束基本指令：指令指令說(shuō)明說(shuō)明指令指令說(shuō)明說(shuō)明0X38設(shè)置為16x2的顯示模式0X01清除屏幕0X0F開(kāi)啟顯示，光標(biāo)顯示并閃爍0X08只開(kāi)啟顯示0X0e開(kāi)啟顯示，光標(biāo)顯示但不閃爍0X06光標(biāo)右移0X0c開(kāi)啟顯示，但光標(biāo)不顯示0X02設(shè)置地址為0X80（第一行第一個(gè)位置），AC=00X18顯示左移，光標(biāo)也左移0X800X8F設(shè)置顯示位置在第一行第116個(gè)位置0XC00XCF設(shè)置顯示位置在第二行第116個(gè)位置 16

14、02液晶顯示屏初始化之后就可以顯示我們想要顯示的字符了，顯示模式為16x2時(shí)，我們可以選擇顯示的在某個(gè)具體位置。數(shù)字顯示一般經(jīng)過(guò)兩步： （1）寫(xiě)指令 （2）寫(xiě)ASCII碼。 比如，我們想要在第二行的第四個(gè)位置顯示數(shù)字“2”，則程序過(guò)程為 E=1，RS=0，R/W=0，D0D7=0XC3； E=1，RS=1，R/W=0，D0D7=0X32。 要使電子琴發(fā)出不同音色的聲音，就要有不同頻率的音頻信號(hào)產(chǎn)生。一個(gè)節(jié)拍為一個(gè)曲調(diào)，不同節(jié)拍組合成一首完整的歌曲，節(jié)拍的產(chǎn)生是由單片機(jī)內(nèi)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成的，主要利用延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。音樂(lè)節(jié)拍時(shí)間表如下：3. 6 3. 6 自動(dòng)播放音樂(lè)自動(dòng)播放音樂(lè)節(jié)拍節(jié)拍曲調(diào)曲調(diào)

15、延時(shí)延時(shí)（ms ）節(jié)拍節(jié)拍曲調(diào)曲調(diào)（ms）延時(shí)延時(shí)1/42/42501/82/41253/41873/4944/41254/462開(kāi)始結(jié)束K2鍵按下，進(jìn)入播放狀態(tài)，直至復(fù)位停止音階表K3鍵按下？播放下一首YN節(jié)拍表播放第一首歌開(kāi)定時(shí)器關(guān)定時(shí)器 當(dāng)按下按鍵時(shí)，發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)聲音，同時(shí)液晶顯示器顯示出對(duì)應(yīng)的音階數(shù)字。這里設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)組，把歷史按下過(guò)的鍵值存儲(chǔ)起來(lái)，再設(shè)計(jì)一個(gè)功能按鍵K1，當(dāng)按下K1時(shí)。把存儲(chǔ)好的鍵值取出送到音頻處理模塊和液晶顯示模塊，達(dá)到自動(dòng)播放之前播放過(guò)的音樂(lè)的功能。 51單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器大小為128B，只能存儲(chǔ)不超過(guò)這個(gè)容量的音頻數(shù)據(jù)。當(dāng)我們要檫除歷史數(shù)據(jù)時(shí)，直接按下復(fù)位按鍵即可。有一點(diǎn)需要注意的是，復(fù)位后P2口為高電平，而控制按鍵設(shè)計(jì)為高電平觸發(fā)方式，故要先置低電平。3. 73. 7 音頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及回放音頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及回放開(kāi)始是否有鍵按按下？讀取鍵值鍵值存儲(chǔ)于數(shù)組K1按下？YNYN讀取數(shù)組，回放結(jié)束 單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)集成化發(fā)展的重要結(jié)果，它把多功能模塊集成在一個(gè)很小的體積內(nèi)，利用程序化設(shè)計(jì)就可以 完成各種智能化操作，是一款比較熱門(mén)的控制類芯片。本次課題使用51單片機(jī)，并加上4*4矩陣鍵盤(pán)、復(fù)位電路、液晶顯示電路、按鍵選