簡易電子琴設(shè)計

１新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計報告課程名稱：單片機原理與應(yīng)用學(xué)生姓名：梁保軍完成時間：2015年7月2日系（部）機電工程系專業(yè)班級農(nóng)電122班課程實訓(xùn)題目簡易電子琴設(shè)計姓名梁保軍組別同組實訓(xùn)者梁保軍楊濤指導(dǎo)教師吳毅實訓(xùn)時間2015.6.15至2015.7.2指導(dǎo)教師評語指導(dǎo)教師簽名：______年____月____日實訓(xùn)成績摘要本次設(shè)計為簡易電子琴設(shè)計，利用8051單片機內(nèi)定時器和I|O端口，設(shè)計一臺簡易電子琴，能通過按鍵進行簡單的樂曲演奏。每個不同的音符對應(yīng)著不同的頻率，利用單片機內(nèi)部定時器TO結(jié)合I|O端口來產(chǎn)生不同頻率的方波信號改變TO的計數(shù)值即可改變不同的音符。關(guān)鍵詞：8501單片機音符頻率內(nèi)部定時器PAGEPAGE1目錄TOC\o"1-3"\h\u24146一、概述 １172841.1課題設(shè)計目的及其意義 １150401.2課題設(shè)計的任務(wù)與主要內(nèi)容 １1029二、基本組成和原理 １289212.1音樂相關(guān)知識 １37802.2簡易電子琴基本原理及其框圖 ３27182.2.1基本思想 ３199202.2.2硬件框圖 ３319162.2.3軟件設(shè)計流程圖 ４288483.1元器件清單及其電路圖 ４53803.2單片機89C51的簡介 ５246663.3鍵盤電路 ６269003.4振蕩電路 ７50253.5復(fù)位電路 ７304593.6音頻放大電路 ８20571四、系統(tǒng)軟件的設(shè)計 ９298554.1系統(tǒng)的軟件主程序 ９16904.2系統(tǒng)的軟件的調(diào)試仿真 １２25732總結(jié) １３7839參考文獻 １４1652附錄 １５6003附錄1簡易電子琴PCB二維圖 １５10797附錄2簡易電子琴PCB三維圖 １５基于單片機簡易電子琴一、概述1.1課題設(shè)計目的及其意義單片機（單片微型計算機）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(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，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，同時也提高人們的精神品質(zhì)和個人素養(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)難度大需花費太多精力，且其價格太過于高昂，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，它是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，價格相對便宜，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意義。1.2課題設(shè)計的任務(wù)與主要內(nèi)容本文的主要內(nèi)容是用AT89C51單片機為核心控制元件，設(shè)計一個簡單的電子琴。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。定時器按設(shè)置的定時參數(shù)產(chǎn)生中斷，由于定時參數(shù)不同，就會發(fā)出不同頻率的脈沖，不同頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動電路放大濾波后，就會發(fā)出不同音調(diào)。先根據(jù)要求設(shè)計硬件電路和編寫相應(yīng)的程序，然后進行仿真調(diào)試，最后細心焊接硬件電路圖，將程序烤入芯片中，最終達到設(shè)計目的。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。具體實現(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，就已經(jīng)知道利用聲音的高低、強弱等來表達自己的思想和感情。聲帶、琴弦等物體振動時會發(fā)出聲波，聲波通過空氣傳播進入人耳，人們就聽到了聲音。聲音有噪音和樂音之分振動有規(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)時間的長短即時值，一般用拍數(shù)表示。休止符表示暫停發(fā)音。一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應(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，構(gòu)成音樂。如果單片機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，延遲一段時間后再輸出低電平。通過改變延遲時間可以改變單片機的輸出頻率。單片機的延時主要有兩種方式，即軟件延時和使用定時/計數(shù)器延時。其中軟件延時不是很精確，而電子琴電路由于每個音符的頻率值要求比較嚴格，因此我們選用定時/計數(shù)器延時。由于本課程設(shè)計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，利用單片機的定時/計數(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，只需要計算出某音頻的周期，再除以2。利用計數(shù)器計時半周期，計滿時使P2.0反向，然后重復(fù)計時再反向。本例中，單片機工作在12MHz時鐘，使用定時器/計數(shù)器T0，工作模式為1，改變計數(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，計數(shù)值N=3030/2=1515,所以每計數(shù)1515次P2.0反向。計數(shù)初值T=65536-N=64021。C調(diào)的各音符頻率與計數(shù)值T的對照表如表1所示。表1C調(diào)各音符頻率與計數(shù)值T對照表音符頻率(HZ)簡譜碼(T值)音符頻率(HZ)簡譜碼(T值)低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763731中5SO78464898低2RE29463853#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA88064968低3M33064021#693264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#646664463高3M131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3M65964777#6186565268中4FA69864820高7SI1967652832.2簡易電子琴基本原理及其框圖2.2.1基本思想簡易的電子琴系統(tǒng)主要是采用AT89C51單片機，單片機工作于12MHZ的時鐘頻率，使用其定時/計數(shù)器T0，工作模式為1，設(shè)計4*4鍵盤矩陣，設(shè)置成16個音，可隨意彈奏想要表現(xiàn)的音樂，因為單片機產(chǎn)生的音頻脈沖沒有足夠的驅(qū)動能力，所以用三極管放大電路實現(xiàn)音頻的放大，保證揚聲器能產(chǎn)生所要實現(xiàn)的音符聲音。2.2.2硬件框圖2.2.3軟件設(shè)計流程圖本設(shè)計采用AT89C51單片機作為核心處理器件，按下復(fù)位鍵，進入初始化，調(diào)用鍵盤掃面子程序，獲得鍵值，查詢音階表，獲取定時初值，向喇叭輸入相應(yīng)頻率的脈沖驅(qū)動，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，停止播放音樂。具體軟件流程圖如下：三、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)3.1元器件清單及其電路圖NameCommentDesignatorQuantity瓷片電容22pFC1,C32電解電容10uFC21數(shù)碼管一位共陽DS11有源蜂鳴器5VLS11排阻10KP11排針2PinP21電阻10KR11普通按鍵四腳S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S10,S11,S12,S13,S14,S15,S1616單片機AT89S52或STC89C52U11晶振12MHzY11簡易電子琴硬件電路圖：3.2單片機89C51的簡介AT89C51是一個低功耗，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計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定時計數(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。同時該芯片還具有PDIP、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，要保持RST引腳2個機器周期的高電平時間；XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入；XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出；P1口（1－8）：P1口是從內(nèi)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TTL門電流；/:當(dāng)保持低電平時，單片機只訪問外部程序存儲器。為高電平時，單片機只訪問內(nèi)部程序存儲器。3.3鍵盤電路鍵盤是最常用的單片機輸入設(shè)備，大致可以分為獨立連接式鍵盤和矩陣式。獨立連接式鍵盤是最簡單的鍵盤電路，每個鍵獨立接入一根數(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)計的4*4鍵盤采用矩陣式鍵盤。3.4振蕩電路單片機的時鐘信號用來提供單片機內(nèi)各種位操作的時間基準，時鐘信號通常有兩種電路形式得到：內(nèi)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）或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部震蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。晶振通常選用6MHz、12MHz或者24MHz。本設(shè)計中采用的是12MHz。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5~30pF。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，電路中使用較多。振蕩方式如下圖：3.5復(fù)位電路復(fù)位操作完成單片機內(nèi)電路的初始化，是單片機從一種確定的狀態(tài)開始運行。當(dāng)單片機的復(fù)位引腳RET出現(xiàn)5ms以上的高電平時，單片機就完成了復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(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，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。開關(guān)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機運行期間，如果發(fā)生死機，用按鈕開關(guān)操作使單片機復(fù)位。上電后，由于電容要充電，是RST持續(xù)一段時間高電平時間。當(dāng)單片機已經(jīng)在運行之中時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。通常選擇C=10~30uF，R=10~1k?常用的復(fù)位電路如下圖所示：在單片機啟動后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候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)按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，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，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機系統(tǒng)自動復(fù)位。3.6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VC<VB<VE時，使得集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏時，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β關(guān)系，三極電流滿足IE=IB+IC=IB(1+β·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4.1系統(tǒng)的軟件主程序/*名稱：簡易電子琴設(shè)計說明：本程序運行時，按下矩陣鍵盤中的按鍵，數(shù)碼管會顯示當(dāng)前的按鍵值，蜂鳴器會播放對應(yīng)的音符*/#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineSmgIOP0//數(shù)碼管顯示的控制IO#defineKeyIOP1//矩陣鍵盤的控制IOsbitBEEP=P2^7;//蜂鳴器對應(yīng)的控制IO//共陽數(shù)碼管編碼數(shù)據(jù)ucharcodeTable_Smg[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e};//各音符對應(yīng)的延時uintcodeTable_Tone[]={64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178};ucharKeyNo;//按鍵序號/**延時子函數(shù)**/voidDelayMS(uchartime){uchari;while(time--){for(i=0;i<120;i++);}}/**矩陣鍵盤的掃描子函數(shù)**/voidKey_Scan(void){ucharTemp,Num;P1=0x0f;//高四位置0，放入四列DelayMS(2);//按鍵按下后00001111將變成0000XXXX，X中1個為0，3個仍為1Temp=KeyIO^0x0f;//異或操作會把3個1變成0，唯一的0變成1switch(Temp){case1:Num=0;break;case2:Num=1;break;case4:Num=2;break;case8:Num=3;break;default:return;}KeyIO=0xf0;//低四位置0，放入四列DelayMS(2);//按鍵按下后11110000將變成XXXX0000，X中1個為0，3個仍為1Temp=(KeyIO>>4)^0x0f;//將高四位移至低四位，并將其中唯一的0變?yōu)?，其余為0switch(Temp){case1:Num+=0;break;case2:Num+=4;break;case4:Num+=8;break;case8:Num+=12;break;default:return;}KeyNo=Num;}/**定時器0中斷服務(wù)程序，不同頻率的聲音由該中斷產(chǎn)生**/voidPlay_Tone()interrupt1{TH0=Table_Tone[KeyNo]/256;TL0=Table_Tone[KeyNo]%256;BEEP=~BEEP;}/**主函數(shù)**/voidmain(void){SmgIO=0xbf;//初始顯示"-"TMOD=0x01;IE=0x82;while(1){KeyIO=0xf0;//發(fā)送掃描碼if(KeyIO!=0xf0)//如果有按鍵按下{Key_Scan();//矩陣鍵盤的掃描SmgIO=Table_Smg[KeyNo];//顯示按鍵數(shù)值TR0=1;//啟動定時器，并發(fā)出對應(yīng)的聲音}else{TR0=0;//停止播放聲音}DelayMS(2);}}

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試運