基于單片機(jī)的簡易電子琴課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、 PAGE15 / NUMPAGES17 單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 08301班 姓 名： 胡 麗 莉 指導(dǎo)教師： 鄧明華 文勇 二0一一 年十一月 十一日目 錄TOC o 1-2 h u HYPERLINK l _Toc12959 一、概述 PAGEREF _Toc12959 1 HYPERLINK l _Toc9922 1.1 課程設(shè)計(jì)的目的與其意義 PAGEREF _Toc9922 1 HYPERLINK l _Toc3552 1.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求1 HYPERLINK l _Toc31781 二、系統(tǒng)的基本原理2 HYPERLINK l _

2、Toc15337 2.1 音樂的相關(guān)知識2 HYPERLINK l _Toc15505 2.2 基本原理與其框圖3 HYPERLINK l _Toc7088 三、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)5 HYPERLINK l _Toc14401 3.1 單片機(jī)89C51的簡介6 HYPERLINK l _Toc23857 3.2 鍵盤電路7 HYPERLINK l _Toc17706 3.3 振蕩電路7 HYPERLINK l _Toc29904 3.4 復(fù)位電路8 HYPERLINK l _Toc11099 3.5 音頻電路9 HYPERLINK l _Toc693 四、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc6

3、93 10 HYPERLINK l _Toc26981 4.1 系統(tǒng)軟件的主程序10 HYPERLINK l _Toc5646 4.2 系統(tǒng)的軟件的調(diào)試與仿真 PAGEREF _Toc5646 12 HYPERLINK l _Toc14615 五、心得體會(huì)13 HYPERLINK l _Toc13150 六、指導(dǎo)老師意見 PAGEREF _Toc13150 13 HYPERLINK l _Toc16148 七、參考書目 PAGEREF _Toc16148 14附錄 電子琴實(shí)物圖14基于單片機(jī)簡易電子琴一、概 述1.1 課題設(shè)計(jì)目的與其意義單片機(jī)（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，

4、具有高性能、高速度、體積小、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。單片機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，從平常的家用電器到航空航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器都能找到它的身影。因此，單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人們的生活水平也逐步提高，音樂已經(jīng)成為了我們生活中很重要的一部分，在工作和學(xué)習(xí)之余，欣賞音樂不僅使身心得到放松，同時(shí)也提高人們的精神品質(zhì)和個(gè)人素養(yǎng)。當(dāng)代，愛好音樂的年輕人越來越多，也有不少人自己練習(xí)彈奏樂器，作為業(yè)余愛好和一種放松的手段，鑒于一些樂器學(xué)習(xí)難度大需花費(fèi)太多精力，且其價(jià)格太過于高昂，使得一部分有這種想法的人不得不放棄這種想法，而電子琴又是一種新型的鍵盤樂器，它是

5、現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，價(jià)格相對便宜，能夠滿足一般愛好者的需求，因此，在現(xiàn)代音樂中扮演著重要的角色。 故簡易電子琴的研制具有一定的社會(huì)意義。1.2 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)與主要容本文的主要容是用AT89C51單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的電子琴。以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤、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。定時(shí)器按設(shè)置的定時(shí)參數(shù)產(chǎn)生中斷，由于定時(shí)參數(shù)不同，就會(huì)發(fā)出不同頻率的脈沖，不同頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動(dòng)電路放大濾波后，就會(huì)發(fā)出不同音調(diào)。先根據(jù)要求設(shè)計(jì)硬件電路和編寫相應(yīng)的程序，然后進(jìn)行仿真調(diào)試，最后細(xì)心焊接硬件電路圖，將程序烤入芯片中，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。本

6、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡單，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。具體實(shí)現(xiàn)的功能：按下音符鍵可以發(fā)出相應(yīng)的音符。二、基本組成和原理2.1 音樂相關(guān)知識在人類還沒有產(chǎn)生語言時(shí)，就已經(jīng)知道利用聲音的高低、強(qiáng)弱等來表達(dá)自己的思想和感情。聲帶、琴弦等物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲波，聲波通過空氣傳播進(jìn)入人耳，人們就聽到了聲音。聲音有噪音和樂音之分振動(dòng)有規(guī)律的聲音是樂音，音樂中所用的聲音主要是樂音。 樂音聽起來有的高、有的低，這就叫做音高。音高是由發(fā)聲物體振動(dòng)頻率的高低決定的，頻率高聲音就高，頻率低聲音就低。音持續(xù)時(shí)間的長短即時(shí)值，一般用拍數(shù)表示。休止符表示暫停發(fā)音。一首音樂是

7、由許多不同的音符組成的，而每個(gè)音符對應(yīng)著不同的頻率,這樣就可以利用不同的頻率組合，加以拍數(shù)對應(yīng)的延時(shí)，構(gòu)成音樂。如果單片機(jī)要自己播放音樂就必須考慮到節(jié)拍的設(shè)置。對于AT80C51而言要產(chǎn)生一定頻率的方波一般是先將某口線輸出高電平，延遲一段時(shí)間后再輸出低電平。通過改變延遲時(shí)間可以改變單片機(jī)的輸出頻率。單片機(jī)的延時(shí)主要有兩種方式，即軟件延時(shí)和使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器延時(shí)。其中軟件延時(shí)不是很精確，而電子琴電路由于每個(gè)音符的頻率值要求比較嚴(yán)格，因此我們選用定時(shí)/計(jì)數(shù)器延時(shí)。由于本課程設(shè)計(jì)是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。因此，我們只需弄清楚音樂中的音符和對應(yīng)的頻率，利用單片機(jī)的

8、定時(shí)/計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生方波頻率信號即可。要產(chǎn)生相應(yīng)的音頻脈沖，只需要計(jì)算出某音頻的周期，再除以2。利用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)半周期，計(jì)滿時(shí)使P2.0反向，然后重復(fù)計(jì)時(shí)再反向。本例中，單片機(jī)工作在12MHz時(shí)鐘，使用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0，工作模式為1，改變計(jì)數(shù)初值TH0、TL0就可產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號。例如低3MI音，頻率為330Hz，其周期T=1/f=1/330=3030us，計(jì)數(shù)值N=3030/2=1515,所以每計(jì)數(shù)1515次P2.0反向。計(jì)數(shù)初值T=65536-N=64021。C調(diào)的各音符頻率與計(jì)數(shù)值T的對照表如表1所示。表1 C調(diào)各音符頻率與計(jì)數(shù)值T對照表音符頻率(HZ)簡譜碼(T值)音符頻率(HZ)

9、簡譜碼(T值)低 1 DO26263628# 4 FA#74064860# 1 DO#27763731中 5 SO78464898低 2 RE29463853# 5 SO#83164934# 2 RE#31163928中 6 LA88064968低 3 M33064021# 693264994低 4 FA34964103中 7 SI98865030# 4 FA#37064185高 1 DO104665058低 5 SO39264260# 1 DO#110965085# 5 SO#41564331高 2 RE117565110低 6 LA44064400# 2 RE#124565134# 646

10、664463高 3 M131865157低 7 SI49464524高 4 FA139765178中1 DO52364580# 4 FA#148065198# 1 DO#55464633高 5 SO156865217中 2 RE58764684# 5 SO#166165235# 2 RE#62264732高 6 LA176065252中 3 M65964777# 6186565268中 4 FA69864820高 7 SI1967652832.2簡易電子琴基本原理與其框圖基本思想： 簡易的電子琴系統(tǒng)主要是采用AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)工作于12MHZ的時(shí)鐘頻率，使用其定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，工作模

11、式為1，設(shè)計(jì)4*4鍵盤矩陣，設(shè)置成16個(gè)音，可隨意彈奏想要表現(xiàn)的音樂，因?yàn)閱纹瑱C(jī)產(chǎn)生的音頻脈沖沒有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，所以用三極管放大電路實(shí)現(xiàn)音頻的放大，保證揚(yáng)聲器能產(chǎn)生所要實(shí)現(xiàn)的音符聲音。2、硬件框圖：軟件設(shè)計(jì)流程圖： 本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為核心處理器件，按下復(fù)位鍵，進(jìn)入初始化，調(diào)用鍵盤掃面子程序，獲得鍵值，查詢音階表，獲取定時(shí)初值，向喇叭輸入相應(yīng)頻率的脈沖驅(qū)動(dòng)，發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)，若按鍵沒有釋放，則一直發(fā)聲；若按鍵松開，則停止發(fā)聲。當(dāng)讀到結(jié)束符時(shí)，停止播放音樂。 具體軟件流程圖如下： 1）中斷服務(wù)子程序流程圖： 2）主程序流程圖： 三、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括芯片89C51

12、,、4*4鍵盤電路、振蕩電路、復(fù)位電路與音頻電路組成。簡易電子琴硬件電路圖：3.1 單片機(jī)89C51的簡介 HYPERLINK :/ zymcu /datasheet/atmel/at89s51_cn.pdf t _blank AT89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)與80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT8

13、9S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PD

14、IP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。該系列單片機(jī)引腳與封裝如下圖所示：主要引腳功能： RST（9）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位時(shí)，要保持RST引腳2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間；XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入與部時(shí)鐘工作電路的輸入；XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出；P1口（18）：P1口是從部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個(gè)TTL門電流；/:當(dāng)保持低電平時(shí)，單片機(jī)只訪問外部程序存儲(chǔ)器。為高電平時(shí)，單片機(jī)只訪問部程序存儲(chǔ)器。3.2 鍵盤電路鍵盤是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備，大致可以分為獨(dú)立連接式鍵盤和矩陣式。獨(dú)立連接式鍵盤是最簡單的鍵

15、盤電路，每個(gè)鍵獨(dú)立接入一根數(shù)據(jù)線。這種鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但是占用的I/O口線較多。矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，行列式鍵盤可節(jié)省I/O口，適合按鍵數(shù)較多的場合。所以本設(shè)計(jì)的4*4鍵盤采用矩陣式鍵盤。3.3 振蕩電路單片機(jī)的時(shí)鐘信號用來提供單片機(jī)各種位操作的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)鐘信號通常有兩種電路形式得到：部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或瓷諧振器，就構(gòu)成了部震蕩方式。由于單片機(jī)部有一個(gè)高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。晶振通常選用6MHz、12MHz或者24MHz。本設(shè)計(jì)中采用的是12MHz

16、。電容器C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般530pF。部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號比較穩(wěn)定，電路中使用較多。振蕩方式如下圖：3.4 復(fù)位電路復(fù)位操作完成單片機(jī)電路的初始化，是單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位引腳RET出現(xiàn)5ms以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，而無法執(zhí)行程序。因此要求單片機(jī)復(fù)位后能脫離復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用要求，復(fù)位操作通常有2種基本形式：上電復(fù)位、開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。開關(guān)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。上電后，

17、由于電容要充電，是RST持續(xù)一段時(shí)間高電平時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)已經(jīng)在運(yùn)行之中時(shí)，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。通常選擇C=1030uF，R=101k常用的復(fù)位電路如下圖所示：在單片機(jī)啟動(dòng)后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大

18、，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。3.5 音頻放大電路使用PNP管來放大，其中發(fā)射極接5V電源，集電極接喇叭，電路中的電容是用來隔離直流電用的。PNP管放大原理：當(dāng)PNP管的VCVBVE時(shí)，使得集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏時(shí)，管子的發(fā)射極電流流入管子，基極電流和集電極電流流出管子，且集電極電流跟基極電流之間成關(guān)系，三極電流滿足IE=IB+IC=IB(1+IB)。即，基極電流可以控制集電極電流，這種控制作用就稱為管子的放大作用。本課程設(shè)計(jì)的音頻放大電路圖（三極管型號為9015）：四、 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)的軟件主程序：#include #include #define uint

19、 unsigned int #define uchar unsigned charsbit P20 = P20; /P2.0外接揚(yáng)聲器uint FTemp;unsigned int code tab = /定時(shí)半周期的初始值 64021,64103,64260,64400, /低音3 4 5 6 64524,64580,64684,64777, /低音7,中音1 2 3 64820,64898,64968,65030, /中音4 5 6 7 65058,65110,65157,65178; /高音1 2 3 4/* * 函數(shù)功能 : 用掃描法讀 P1 外接 44 鍵盤*/ uchar Keys

20、can(void) uchar i, j, temp, Buffer4 = 0 xfe, 0 xfd, 0 xfb, 0 xf7; for(j = 0; j 4; j+) /循環(huán)四次，掃描四行 P1 = Bufferj; /在低四位分別輸出一個(gè)低電平 _nop_(); temp = 0 x80; /計(jì)劃先讀出P1.7位 for(i = 0; i = 1; /換右邊一位 return 16; /沒有鍵按下就返回16 主函數(shù) */ void Main(void) uchar Key_Value = 16, Key_Temp1, Key_Temp2;/讀出的鍵值 TMOD = 0 x01; /T0定

21、時(shí)方式1 ET0 = 1; /允許T0中斷 EX0 = 1; /允許INT0中斷 EA = 1;/開總中斷 while(1) TR0 = 0; /T0工作停，暫不發(fā)音 Key_Temp1 = Keyscan(); /第一次讀入按鍵 if(Key_Temp1 != 16) /有鍵按下 Key_Temp2 = Keyscan(); /再讀一次 if (Key_Temp1 = Key_Temp2) /兩次相等 Key_Value = Key_Temp1; /就確認(rèn)下來 FTemp = tabKey_Value; /根據(jù)鍵值，取出定時(shí)半周期的初始值 TR0 = 1; /啟動(dòng)定時(shí)器T0，發(fā)音 while (Keyscan() 8; P20 = P20; /發(fā)音 4.2 系統(tǒng)的軟件的調(diào)試仿真硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。這里我們使