萬方科技學院模擬電子琴發(fā)聲控制系統(tǒng)

.z---.--總結資料**理工大學?單片機應用與仿真訓練?設計報告模擬電子琴發(fā)聲控制系統(tǒng)姓名：學號：專業(yè)班級：指導教師：所在學院：電氣工程與自動化學院2012年6月27日摘要本設計是一個基于單片機的簡易電子琴，它是以單片機作為主控核心，設置鍵盤、蜂鳴器等外圍器件；另外還用到一些簡單器件如：NPN型三極管及電阻等。利用按鍵實現音符和音調的輸入；用NPN型三極管8550實現低音頻功率放大；最后用蜂鳴器進展播放“世上只有媽媽好〞。本設計硬件局部主要由最小系統(tǒng)，按鍵系統(tǒng)模塊、數碼管顯示模塊和蜂鳴器模塊組成。其軟件局部主要有主程序模塊、定時中斷程序、定時計數程序、顯示程序?！?〕最小系統(tǒng)：它是單片機應用系統(tǒng)的設計根底。它包括單片機的選擇、時鐘系統(tǒng)設計、復位電路設計、簡單的I/O口擴展、掉電保護等?！?〕按鍵系統(tǒng)模塊：本設計采用10個按鍵，其中7個按鍵用來顯示7個音調，其它3個按鍵可以進展上下中音的切換，并自動播放已存歌曲?！?〕蜂鳴器模塊：此電子琴發(fā)音電路是通過三極管驅動蜂鳴器發(fā)音，經過上拉電阻提高驅動能力。本次設計首先對單片機設計簡易電子琴仔細分析，接著制作硬件電路和編寫軟件的程序，最后進展軟硬件的調試運行。并且從原理圖，主要芯片，各模塊的原理和各個模塊的程序調試來闡述。利用單片機產生不同頻率來獲得我們要求的音階，實現高、中、低共21個音符的發(fā)音和顯示和音樂播放時的控制顯示，并且能自動播放程序中編排的音樂。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，性價比高等，具有一定的使用和參考價值。目錄TOC\o"1-2"\h\u167851.概述 3142541.1設計背景 346661.2設計意義 3308761.3設計任務 375092.系統(tǒng)總體方案及硬件設計 4147822.1總體設計 4200252.2單片機選型 4305522.3原理框圖 5234432.4顯示局部設計 539352.5按鍵局部設計 577972.6發(fā)音局部設計 7196373.系統(tǒng)軟件設計 8242233.1系統(tǒng)分析 813643.2參數計算 1093573.3程序設計 12211914.Proteus軟件仿真 1547604.1硬件調試 15269064.2軟件調試 15269064.3仿真結果 158714.4結果分析 16317325.課程設計體會 176428參考文獻 1821928附1源程序代碼 1910926附2系統(tǒng)原理圖 241.概述1.1設計背景隨著電子科學技術的飛速開展，電子技術正在逐漸改善著人們的學習、生活、工作,因此開發(fā)本系統(tǒng)希望能夠給人們帶來更多的生活樂趣。基于當前市場上的玩具需求量增大，其中電子琴就是一個很好的應用方面。單片機技術使我們可以利用軟硬件來實現電子琴的功能，從而可以實現電子琴的微型化，可以用作玩具琴、音樂轉盤以及音樂童車等等。并且可以進展一定的功能擴展。鑒于傳統(tǒng)電子琴可以用鍵盤上的“1〞到“A〞鍵演奏從低So到高DO等11個音，從而也可以通過單片機實現對十個按鍵的擴展，實現七個音符鍵的高、中、低21個音調的顯示播放和任意音樂的自動播放。該設計將十個音鍵制作成獨立鍵盤，其中七個為音符鍵，三個為控制鍵，并用數碼管進展顯示，使電子琴的功能更加完美。不但可以實現對按鍵的顯示，而且可以實現對音樂的自動存儲和播放，使該設計功能更加完善。1.2設計意義該設計具有以下優(yōu)點：①可以方便得知播放的音符和音調；②比傳統(tǒng)電子琴功能更完善；③制作簡單，本錢低；1.3設計任務實現電子琴發(fā)聲控制系統(tǒng)；要求電路實現如下功能：利用蜂鳴器作為發(fā)聲部件，設置10個按鍵，實現高音、中音、低音的1、2、3、4、5、6、7的發(fā)音。并在存儲一首歌曲的內容，可以實現自動播放。用PROTEUS實現的電子琴仿真設計說明：單片機的工作時鐘頻率為11.0592MHz。2.系統(tǒng)總體方案及硬件設計2.1總體設計采用AT89S52單片機作為主控芯片，設置鍵盤、蜂鳴器等外圍器件，另外還用到一些簡單器件如：NPN型三極管及電阻等。利用按鍵實現音符和音調的輸入；兩位的數碼管進展被操作的按鍵顯示；用NPN型三極管8550實現低音頻功率放大；最后用蜂鳴器發(fā)音。2.2單片機選型硬件電路要以單片機作為主控芯片，實現按鍵輸入音符和音調，兩位數碼管的顯示以及低音頻功率放大和蜂鳴器發(fā)音。針對本設計的功能和用途，采用AT89S51單片機更好，實現功能完全，性價比較高，更適合本設計。時鐘電路單片機內部具有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器。通常在引腳*TALl和*TAL2跨接石英晶體和兩個補償電容構成自激振蕩器，構造圖2中*1、C1、C2。可以根據情況選擇6MHz、12MHz或24MHz等頻率的石英晶體，補償電容通常選擇30pF左右的瓷片電容。圖2-1、時鐘電路復位電路單片機小系統(tǒng)常采用上電自動復位和手動按鍵復位兩種方式實現系統(tǒng)的復位操作。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。手動復位要求在電源接通的條件下，在單片機運行期間，用按鈕開關操作使單片機復位。其構造如以下圖。上電自動復位通過電容C3充電來實現。手動按鍵復位是通過按鍵將電阻R1與VCC接通來實現。圖2-2、復位電路2.3原理框圖本系統(tǒng)有主控芯片89S52、發(fā)音單元、顯示模塊、按鍵模塊組成。LED顯示模塊89S52單片機LED顯示模塊89S52單片機按鍵控制模塊按鍵控制模塊發(fā)音模塊發(fā)音模塊圖2-3、原理框圖2.4按鍵局部設計鍵盤設計鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中是一個關鍵的部件，它能實現向計算機輸入數據，傳送命令等功能，是人工干預計算機的主要手段。鍵盤可以分為2類：獨立連接式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立連接式鍵盤獨立式按鍵是直接用I/O口線構成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件構造簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，然而，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。獨立式按鍵軟件常采用查詢式構造。先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如*一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應的按鍵已按下，然后，再轉向該鍵的功能處理程序。由于本程序較為簡單，為了使用方便及節(jié)省資源，選擇獨立式鍵盤。以下圖為獨立式鍵盤電路圖：圖2-5、獨立式鍵盤電路圖去抖鍵盤編程中主要考慮去抖動的問題。當測試說明有鍵被按下之后，緊接著就進展去抖動處理。因為鍵是機械開關構造，由于機械觸點的彈性及電壓突跳等原因，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現電壓抖動。為保證鍵識別的準確，在電壓信號抖動的情況下不能進展行狀態(tài)輸入。為此需進展去抖動處理。去抖動有硬件和軟件兩種方法。硬件方法就是加去抖動電路，從根本上防止抖動的產生。軟件消抖，在第一次檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一段延時程序之后，再檢測此按鍵，如果第二次檢測結果仍為按下狀態(tài)，CPU便確認此按鍵己按下，消除了抖動。2.5發(fā)音局部設計如以下圖所示，發(fā)音電路是由蜂鳴器、三極管、上拉電阻構成。由三極管來驅動揚聲器發(fā)音的，同時加上拉電阻增強驅動電流，提高驅動能力。圖2-5、發(fā)音局部電路圖3.系統(tǒng)軟件設計3.1系統(tǒng)分析系統(tǒng)軟件的組成〔1〕鍵盤掃描程序：檢測是否有按鍵按下，有按鍵按下則記錄按下鍵的鍵值，并跳轉至功能轉移程序；無按鍵按下，則返回鍵盤掃描程序繼續(xù)檢測?！?〕功能轉移程序：對檢測到的按鍵值進展判斷，是琴鍵則跳轉至琴鍵處理程序，是功能鍵則跳轉至相應的功能程序，我們設計的功能程序有兩種，即音色調節(jié)功能和自動播放樂曲的功能?！?〕琴鍵處理程序：根據檢測到的按鍵值，查詢音調表，給計時器賦值，使發(fā)出相應頻率的聲音?！?〕自動播放歌曲程序：檢測到按鍵按下的是自動播放歌曲功能鍵后執(zhí)行該程序，電子琴會自動播放事先已經存放的歌曲，歌曲播放完畢之后自動返回至鍵盤掃描程序，繼續(xù)等待是否有按鍵按下。系統(tǒng)總體功能流程圖圖3-1、系統(tǒng)總體功能流程圖3.2參數計算發(fā)音原理假設要產生音頻脈沖，只要算出*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。利用定時器計時半周期時間，每當計時終止后就將P1.0反相，然后重復計時再反相。就可在P1.0引腳上得到此頻率的脈沖。利用AT89C51的內部定時器使其工作計數器模式〔MODE1〕下，改變計數值TH0及TL0以產生不同頻率的方法產生不同音階。例如，頻率為523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令計數器計時956μs/1μs＝956，每計數956次時將I/O反相，就可得到中音DO〔523Hz〕。計數脈沖值與頻率的關系式是：N＝fi÷2÷fr，式中，N是計數值；fi是機器頻率〔晶體振蕩器為12MHz時，其頻率為1MHz〕；fr是想要產生的頻率。其計數初值T的求法如下：T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr例如：設K＝65536，fi＝1MHz，求中音DO〔261Hz〕。T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr，中音DO的T＝65536－500000/523＝64580。計算結果〔1〕單片機12MHZ晶振，中音符與計數T0相關的計數值如表所示：音符頻率〔HZ〕計數值〔T值〕音符頻率〔HZ〕計數值〔T值〕低1DO26263628*4FA*74064860*1DO*27763737中5SO78464898低2RE29463835*5SO*83194934*2RE*31163928中6LA88064968低3MI33064021*6LA*93264994低4FA34964103中7SI96865030*4FA*37064185低1DO104665058低5SO39264260*1DO*110965085*5SO*41564331高2RE117565110低6LA44064400*2RE*124565134*6LA*46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580*4FA*149065198*1DO*55464633高5SO156865217中2RE58764633*5SO*166165235*2RE*62264884高6LA176065252中3MI65964732*6LA*186565268中4FA69864820高7SI196765283采用查表程序進展查表時，可以為這個音符建立一個表格，有助于單片機通過查表的方式來獲得相應的數據：低音0－19之間，中音在20－39之間，高音在40－59之間。用單片機播放音樂，或者彈奏電子琴，實際上是按照特定的頻率，輸出一連串的方波。為了輸出適宜的方波，首先應該知道音符與頻率的關系?！?〕音調數據表曲調值DELAY曲調值DELAY調4/4125ms調4/462ms調3/4187ms調3/494ms調2/4250ms調2/4125ms上表中的頻率數值，有些過多，去掉不常用的黑鍵頻率，只是把白鍵對應的數據存放在單片機中，即可滿足絕大局部的應用需求。定義音調數據表的程序如下：DW63628,63835,64021,64103,64260,64400,6452464580,低音區(qū):1234567

DW64580,64671,64777,64820,64898,64968,6503065058中音區(qū):1234567DW65058,65110,65157,65178,65217,65252,6528365312高音區(qū):1234567把這個數據表，放在程序中，需要播音的時候，就從表中取出一個數據送到定時器，當定時器溢出中斷的時候，再對輸出引腳取反，則，在揚聲器中，即可聽到上表中頻率的聲音。3.3程序設計(1)判斷音階〔高中低音〕子程序在軟件設計中采用yinjie代表音階，如以下圖所示音階Yinjie值高2中1低0初始化狀態(tài)為中音〔yinjie=1〕，電路中設計高、低兩個音階鍵。上電后，假設無按鍵按下，則為中音模式。假設音階鍵被按下，則如下流程圖所示，初始化后進展按鍵掃描，在高音鍵按下，假設初始yinjie不為2，則令yinjie=2,進入高音工作模式，假設初始yinjie為2，則對yinjie進展初始化，即另yinjie=1,重新進入進入中音工作模式，這樣即實現了高音鍵切換高、中音方式的轉換。同理，用低音鍵實現中、低音的切換。圖3-2、判斷音階〔高中低音〕子程序(2)播放子程序〔包括自動播放存儲音樂和按鍵發(fā)音〕本設計共兩種播放模式，包括自動播放存儲音樂和按鍵發(fā)音。上電后，首先開中斷并設定定時器0為工作方式1，當自動播放鍵按下時，進入中斷，根據樂譜在定義的音頻數組中查找相應音律，然后給定時器賦初值，即開場播放音樂。當DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七種音符鍵按下時，根據音階值〔如3.3.1中高中低對應〕和音符值在定義的音頻數組中查找相應音律，然后給定時器賦初值，即按鍵發(fā)音。圖3-3、播放子程序4.Proteus軟件仿真4.1硬件調試硬件調試主要是針對單片機局部進展的調試。在上電之前，先確保電路中不存在斷路或短路情況，這一工作是整個調試工作的第一步，也是非常重要的一個步驟。在這局部調試中主要使用的工具是萬用表，用來完成檢測電路中是否存在斷路或者短路情況的任務。注意焊點之間，確保焊點沒有短接在一起，同時注意焊點的美觀，確保沒有開路以及短路的現象出現。在確保硬件電路正常且無異常情況(斷路或短路)的情況下方可上電調試，上電調試的目的是檢驗電路是否接錯，同時還要檢驗原理是否正確，在本次設計中，上電調試主要是檢測單片機控制局部和音頻轉換電路硬件調試。4.2軟件調試調試主要方法和技巧：通常一個調試程序應該具備至少四種性能：跟蹤、斷點、查看變量、更改數值。整個程序是一個主程序調用各個子程序實現功能的過程，要使主程序和整個程序都能平穩(wěn)運行，各個模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運行必不可少，所以在軟件調試的最初階段就是把各個子程序模塊進展分別調試。4.3仿真結果〔任舉一例〕圖4-1、低音音符RE仿真圖4.4結果分析根據仿真結果可知，本次課程設計能夠準確并徹底的完成設計要求。左側數碼管可以顯示a、b、c三種結果，分別代表低音、中音和高音。右側數碼管可以顯示1、2、3、4、5、6、7七個數字，分別代表DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七種音符。下面以4.3為例具體進展分析：當系統(tǒng)上電后，假設按下低音鍵〔如圖P3.6〕,，則選定工作方式為低音模式，圖中a即代表低音。P0口連接數碼管段選端，右側數碼管顯示的1即代表DO。兩位數碼管即代表低音DO。5.課程設計體會總體來說，此次單片機課程設計使我們收獲良多，雖然課程設計的過程中遇到了很多困難與問題，但我們最終還是完成了設計的任務及要求。具體來說可以分為以下幾點：第一，不夠細心，不夠嚴謹〔如因為粗心大意而焊錯線〕；第二，因對課本理論的掌握度不夠導致編程出現錯誤；第三，硬件方面，剛開場有的程序模塊不能實現預期的效果，對于有的硬件，在實物制作過程中焊了比較多的排線，同時對于整體各元器件的布局都有很高的要求。不過在向同學請教，各方面都有了不同程度的改善；第四，在做人方面，我認識到，無論做什么事情，只要你足夠堅強，有足夠的毅力和決心，有足夠的挑戰(zhàn)困難的勇氣，就沒有什么辦不到的。這次課程設計中，經過我們的努力，在仿真軟件和實物上都實現了高、中、低21個音符的發(fā)聲和音樂的自動播放，使我們有了一定的成就感，也使我們進一步熟悉和掌握了單片機的內部構造和工作原理，了解了單片機應用系統(tǒng)設計的根本方法和步驟,掌握了單片機仿真軟件Proteus的使用方法和鍵盤、顯示器在的單片機控制系統(tǒng)中的應用，同時也掌握了撰寫課程設計報告的方法?？傊?，通過這次課程設計，我們都清楚明白了自己的能力有多深，想提高還得歸于多鍛煉，多動手，多向別人學習。參考文獻【1】余發(fā)山、王福忠.單片機原理及應用技術.中國礦業(yè)大學.2008年6月第1版【2】楊凌霄.微型計算機原理與應用，中國礦業(yè)大學.2008年8月第一版【3】康華光.電子技術根底〔數字局部〕，高等教育.第五版【4】*志軍,伊廷輝等.EDA技術與PLD設計人民郵電,2006年2月第1版【5】李朝青.單片機原理及接口技術[M].：航天航空大學出版色，2001.【6】胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].：清華大學，2004.【7】彭偉.單片機C語言程序設計實訓100例.電子工業(yè).2009年【8】李建忠．單片機原理及應用．**：**電子科技大學，2002年【9】韓志軍等.單片機應用系統(tǒng)設計[M].機械工業(yè)，2004【10】馬忠梅等.單片機的C語言應用程序設計[M].航空航天大學，2006附1源程序代碼*include<reg52.h>*definekeyportP1*defineucharunsignedchar*defineuintunsignedintucharhigh,low; //定時器預裝值的高8位和低8位sbitspeak=P3^0;sbitgao=P3^5;sbitdi=P3^6;sbitzdbf=P3^7;ucharyinjie=1;uchartime;ucharn=0;ucharbo=0;ucharcodefre[][2]={ 0*8c,0*f8, 0*5b,0*f9, 0*15,0*fa, 0*67,0*fa, 0*90,0*fb, 0*ae,0*fb, 0*0c,0*fc,//低音 0*44,0*fc, 0*ac,0*fc, 0*09,0*fd, 0*34,0*fd, 0*82,0*fd, 0*c2,0*fd, 0*06,0*fe,//中音 0*22,0*fe, 0*56,0*fe, 0*85,0*fe, 0*9a,0*fe, 0*c1,0*fe, 0*e4,0*fe, 0*03,0*ff, //高音 };voiddelay(uint);voidITimer0(void);//定時器初始化voidkey(void);voiddt*s(int,int);voidsong(){TH0=high;TL0=low;TR0=1;delay(time*180);}voidyinyue(){ ucharcodehls[]={1,2,4,4,2,3,4,2,1,4,2,8,1,2,4,5,2,3,3,2,1,4,2,8,1,2,4,4,2,3,7,2,1,7,2,4,6,2,3,5,2,1,4,2,4,3,2,3,4,2,1,5,2,8,1,2,4,4,2,3,4,2,1,4,2,8,1,2,4,5,2,3,3,2,1,4,2,8,1,2,4,4,2,3,6,2,1,1,3,4,6,2,3,4,2,1,4,2,8,7,2,4,6,2,3,5,2,1,2,2,4,2,2,4,3,2,4,4,2,3,5,2,1,5,2,8,7,2,4,6,2,3,5,2,1,2,2,4,2,2,4,3,2,4,4,2,3,5,2,8,1,2,4,4,2,3,4,2,1,1,2,4,5,2,3,3,2,1,4,2,8,1,2,4,4,2,3,6,2,1,1,3,4,6,2,3,4,2,1,2,2,4,5,2,3,6,2,1,4,2,8,2,2,4,5,2,3,6,2,1,4,2,8,4,2,8 }; ucharm; n=0;while(n<216) { m=hls[n]+7*(hls[n+1]-1)-1; high=fre[m][1]; low=fre[m][0]; time=hls[n+2]; n=n+3; song(); }} voidmain(void){ ucharnum; ITimer0(); speak=0; while(1) { key(); switch(keyport) { case0*fe:num=1;break; case0*fd:num=2;break; case0*fb:num=3;break;case0*f7:num=4;break;case0*ef:num=5;break;case0*df:num=6;break;case0*bf:num=7;break;case0*7f:num=8;break;default:num=0;break; } if(num==0) { TR0=0; speak=0; } else { high=fre[7*yinjie+num-1][1]; low=fre[7*yinjie+num-1][0]; TR