基于51單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、目錄前言2第1章 基于51單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)31.1 電子琴的設(shè)計(jì)要求31.2 電子琴設(shè)計(jì)所用設(shè)備及軟件31.3 總體設(shè)計(jì)方案3第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)52.1 琴鍵控制電路52.2 音頻功放電路62.3 時(shí)鐘-復(fù)位電路62.4 LED顯示電路62.5 整體電路6第3章 電子琴系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)73.1 系統(tǒng)硬件接口定義73.2 主函數(shù)83.2.1 主函數(shù)程序83.3 按鍵掃描及LED顯示函數(shù)93.3.1 鍵盤去抖及LED顯示子程序103.4 中斷函數(shù)113.4.1 中斷程序12第4章 電子琴和調(diào)試124.1 調(diào)試工具124.2 調(diào)試結(jié)果134.3 電子琴設(shè)計(jì)中的問題及解決方法14第5章 電子琴設(shè)計(jì)總結(jié)

2、15參考文獻(xiàn)16附錄17前言音樂教育是學(xué)校美育的主要途徑和最重要內(nèi)容，它在陶冶情操、提高素養(yǎng)、開發(fā)智力，特別是在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力方面發(fā)揮著獨(dú)特的作用。近年來，我國音樂教育在理論與實(shí)踐上都取得了有目共睹的成績，探索并形成了具有中國特色的、較為完整的音樂教育教學(xué)體系。但我國音樂教育的改革力度離素質(zhì)教育發(fā)展的要求還存在一定距離。 如今，電子琴作為電子時(shí)代的新產(chǎn)物以其獨(dú)特的功能和巨大的兼容性被人們廣泛的接受和推崇。而在課堂教學(xué)方面，它擁有其它樂器無法比擬的兩個(gè)瞬間：瞬間多元素思維的特殊的彈奏方法；瞬間多聲部(包括多音色 )展示的樂隊(duì)音響效果的特點(diǎn)。結(jié)合電子琴自身強(qiáng)大的功能及獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)來進(jìn)行音

3、樂教育的實(shí)施，這樣就應(yīng)該大力推廣電子琴進(jìn)入音樂教室，讓電子琴教學(xué)在音樂教育中發(fā)揮巨大的作用?，F(xiàn)代樂器中，電子琴是高新科技在音樂領(lǐng)域的一個(gè)代表，體現(xiàn)了人類電子技術(shù)和藝術(shù)的完美結(jié)合。電子琴自動(dòng)伴奏的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，以及鮮明的強(qiáng)弱規(guī)律、隨人設(shè)置的速度要求，都更便于人們由易到難、深入淺出的準(zhǔn)確掌握歌曲節(jié)奏和樂曲風(fēng)格，對(duì)其節(jié)奏的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性訓(xùn)練能起到非常大的作用。電子琴所包含的巨量的音樂信息和強(qiáng)大的音樂表現(xiàn)力可以幫助音樂教學(xué)更好地貫徹和落實(shí)素質(zhì)教育，更有效地提高人們的音樂素質(zhì)和能力。 目前，市場上的電子琴可謂琳瑯滿目，功能也是越來越完備。以單片機(jī)作為主控核心，設(shè)計(jì)并制作的電子琴系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是硬

4、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)用與參考價(jià)值。這就為電子琴的普及提供了方便。 二、電子琴設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)主要是用AT89C51單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一臺(tái)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7個(gè)按鍵和1個(gè)復(fù)位按鍵。本系統(tǒng)主要是完成2大功能：音樂自動(dòng)播放、電子琴彈奏。關(guān)于聲音的處理，使用單片機(jī)C語言，利用定時(shí)器來控制頻率，而每個(gè)音符的符號(hào)只是存在自定義的表中。第1章 基于51單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)1.1 電子琴的設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)主要是用AT89C51單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一臺(tái)電子琴。以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤、

5、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7個(gè)按鍵和1個(gè)復(fù)位按鍵。本系統(tǒng)主要是完成的功能：電子琴彈奏。關(guān)于聲音的處理，使用單片機(jī)C語言，利用定時(shí)器來控制頻率，而每個(gè)音符的符號(hào)只是存在自定義的表中。本設(shè)計(jì)的電子琴有以下要求：1. 用鍵盤作出電子琴的按鍵，共7個(gè)，每鍵代表1個(gè)音符。各音符按照符合電子琴的按鍵順序排列；2. 利用五彩小燈顯示有按鍵按下及相對(duì)應(yīng)的位置。 3. 達(dá)到電子琴的基本功能，可以用彈奏出簡單的樂曲；1.2 電子琴設(shè)計(jì)所用設(shè)備及軟件本設(shè)計(jì)除了需要計(jì)算機(jī)，還會(huì)用到兩款軟件：仿真軟件Proteus、編程軟件Keil uVision4。1. 仿真軟件Proteus的簡介Proteu

6、s軟件具有其它EDA工具軟件的功能，諸如：原理布圖、PCB自動(dòng)或人工布線、SPICE電路仿真。除此之外還有一些革命性的特點(diǎn)：互動(dòng)的電路仿真、仿真處理器及其外圍電路。所實(shí)現(xiàn)的功能：數(shù)字電路仿真2. Keil uVision4的簡介uVision4在uVision3 IDE的基礎(chǔ)上，增加了更多大眾化的功能：多顯示器和靈活的窗口管理系統(tǒng)；系統(tǒng)瀏覽器窗口的顯示設(shè)備外設(shè)寄存器信息；調(diào)試還原視圖創(chuàng)建并保存多個(gè)調(diào)試窗口布局；多項(xiàng)目工作區(qū)簡化與眾多的項(xiàng)目。所實(shí)現(xiàn)的功能：編寫程序1.3 總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)采用AT89C51為主控芯片，因其精度較高，操作比較靈活，輸入電路和輸出電路由芯片來進(jìn)行處理，電路的系統(tǒng)的穩(wěn)

7、定性高，功耗小。其中，輸入電路有7個(gè)獨(dú)立按鍵，通過按鍵隨意按下所要表達(dá)的音符，作為電平送給主體電路，中央處理器通過識(shí)別，解碼輸出音符，在揚(yáng)聲器中發(fā)出有效的聲音。由于需要顯示的信息不多，顯示電路未采用液晶屏顯示，而是使用LED管顯示電路負(fù)責(zé)顯示按下的琴鍵所對(duì)應(yīng)的鍵值，這樣既節(jié)省了成本了，又降低了編程難度。AT89C51放大電路按鍵模塊聲音模塊LED顯示系統(tǒng)時(shí)間如圖1-1所示基于單片機(jī)AT89C51的電子琴電路，它主要由琴鍵控制電路、LED顯示電路、音頻功放電路、時(shí)鐘-復(fù)時(shí)鐘復(fù)位電路和電源電路五部分所構(gòu)成。圖1-1 電路的原理框圖第2章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)AT89C51的電子琴電路由琴鍵控制電

8、路、數(shù)碼管顯示電路、音頻功放電路、時(shí)鐘-復(fù)位電路和電源電路五部分所構(gòu)成。琴鍵控制電路采用了8輸入與門芯片CD4068B，收集7個(gè)獨(dú)立按鍵的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)，并觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷來處理；而數(shù)碼管顯示電路負(fù)責(zé)顯示按下的琴鍵所對(duì)應(yīng)的鍵值；同時(shí)，音頻功放電路也會(huì)播放琴鍵對(duì)應(yīng)的音調(diào)；電源電路為整個(gè)電路提供能源。2.1 琴鍵控制電路琴鍵控制電路作為人機(jī)聯(lián)系的輸入部分，也是間接控制數(shù)碼顯示和音頻功放的重要組成部分。鍵盤按照連接方式可以分為獨(dú)立式和矩陣式鍵盤兩類。此次設(shè)計(jì)采用的是獨(dú)立鍵盤。獨(dú)立式鍵盤的特點(diǎn)是一鍵一線，各鍵相互獨(dú)立，每個(gè)鍵各接一條I/O口線，通過檢測I/O輸入線的電平狀態(tài)，可判斷出被按下的按鍵。

9、顯而易見，這樣電路簡單，各條檢測線獨(dú)立，識(shí)別按下按鍵的軟件編寫簡單。適用于鍵盤按鍵數(shù)目較少的場合，不適用于鍵盤按鍵數(shù)目較多的場合，因?yàn)閷⒄加幂^多的I/O口線。 獨(dú)立式鍵盤電路如圖3所示，8個(gè)獨(dú)立按鍵分別對(duì)應(yīng)一個(gè)I/O口線，當(dāng)某一按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)的檢測線就變成了低電平，與其它按鍵相連的檢測線仍為高電平，只需讀入I/O輸入線的狀態(tài)，判別哪一條I/O輸入線為低電平，很容易識(shí)別哪個(gè)鍵被按下。圖2-1 獨(dú)立按鍵電路圖2.2 音頻功放電路如圖2-2所示音頻功放電路，它主要由三極管放大器和揚(yáng)聲器組成。其中，揚(yáng)聲器具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和

10、收音機(jī)之中。電位器Rv1是用來調(diào)節(jié)聲音的大小。圖2-2 音頻電路2.3 時(shí)鐘-復(fù)位電路 時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。AT89C51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，圖2-3是AT89S51內(nèi)部時(shí)鐘方式的電路，C1和C2的典型值通常選擇為30pF，石英晶體常選6MHz或12MHz的。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式做時(shí)鐘電路。圖2-3復(fù)位電路圖2.4 LED顯示電路本

11、文設(shè)計(jì)中采用的是 LED,LED（Light Emitting Diode）發(fā)光二極管縮寫，它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴ED具有體積小，電壓低，使用壽命長，價(jià)格低，亮度高，低熱量等優(yōu)點(diǎn)。但是顯示內(nèi)容單一。本文中采用它顯示按鍵的鍵位。如圖2-4所示。圖2-4 LED顯示電路圖2.5 整體電路基于單片機(jī)AT89C51的電子琴電路由琴鍵控制電路、LED顯示電路、音頻功放電路、時(shí)鐘-復(fù)位電路和電源電路五部分所構(gòu)成。琴鍵控制電路采用了7輸入，收集7個(gè)獨(dú)立按鍵的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)，并觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷來處理；而LED顯示電路負(fù)

12、責(zé)顯示按下的琴鍵所對(duì)應(yīng)的鍵值；同時(shí)，音頻功放電路也會(huì)播放琴鍵對(duì)應(yīng)的音調(diào)；電源電路為整個(gè)電路提供能源。如圖2-5所示。圖2-5整體電路第3章 電子琴系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)一般包括硬件部分和軟件部分，一旦硬件確定下來，軟件要實(shí)現(xiàn)的功能也隨之確定。而為使編程思路清晰，應(yīng)先繪制程序流程圖。判斷鍵值結(jié)束LED發(fā)光蜂鳴器發(fā)聲系統(tǒng)初始化開始掃描鍵盤得到的鍵值圖3-1 電子琴系統(tǒng)流程圖3.1 系統(tǒng)硬件接口定義 系統(tǒng)硬件接口定義如表1所示表1 系統(tǒng)硬件接口定義引腳號(hào)引腳名接口說明備注1-7P0-P7獨(dú)立按鍵接口33-39P1-P7數(shù)碼管與單片機(jī)通信口17P37控制蜂鳴器3.2 主函數(shù) 主函數(shù)流程圖如圖所示。

13、利用模塊化的思想，主函數(shù)只執(zhí)行初始化函數(shù)，對(duì)所需的I/O口、外部中斷1、定時(shí)器0進(jìn)行初始化配置。音頻處理函數(shù)和LED顯示函數(shù)。另外，鍵碼的識(shí)別與刷新是通過中斷函數(shù)來完成。圖3-2 函數(shù)流程圖3.2.1 主函數(shù)程序void main(void) TMOD=0x01; /tmod 方式1ET0=1; EA=1; LED=0xff;KEY =0xff;while(1) if(KEY != 0xff)delay(); key_scan(); STH0=tabMUSIC/256; /設(shè)初始值 STL0=tabMUSIC%256; TR0=1;else SPEAKER = 1;TR0=0; 3.3 按鍵掃

14、描及LED顯示函數(shù)由于本設(shè)計(jì)采用的是接觸開關(guān)式按鍵，故不可避免存在機(jī)械抖動(dòng)。按鍵被按下是，其觸點(diǎn)電壓變化過程如圖19所示。這種抖動(dòng)會(huì)使系統(tǒng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，故需要進(jìn)行消抖處理。抖動(dòng)時(shí)間的長短和按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為510ms。通常手動(dòng)按下鍵然后立即釋放，這個(gè)操作中穩(wěn)定閉合的時(shí)間超過20ms，因此單片機(jī)在檢測按鍵是否按下時(shí)都需要加上去抖動(dòng)操作，有專門的去抖動(dòng)電路或則芯片，但同用軟件延時(shí)的方法也能輕易解決抖動(dòng)問題，沒必要添加多余的硬件。本設(shè)計(jì)是用軟件消抖方法編寫一個(gè)消抖程序。當(dāng)按鍵按下去后，首先對(duì)其進(jìn)行連續(xù)兩次取樣，如果兩次都為低電平，則輸出低電平；如果其中有一次高電平，則輸出高電平。本文所設(shè)計(jì)

15、的顯示為LED顯示，當(dāng)鍵盤得到低電平時(shí)，輸出P1口的LED常亮。以表示所指向的鍵盤動(dòng)作。3.3.1 鍵盤去抖及LED顯示子程序void key_scan(void)if(KEY != 0xff) switch (KEY)/顯示的列位置 case 0x01:MUSIC = 0;P0=0xfe;break;case 0x02:MUSIC = 1;P0=0xfd;break;case 0x04:MUSIC = 2;P0=0xfb;break;case 0x08:MUSIC = 3;P0=0xf7;break;case 0x10:MUSIC = 4;P0=0xef;break;case 0x20:MU

16、SIC = 5;P0=0xdf;break;case 0x40:MUSIC = 6;P0=0xbf;break; 3.4 中斷函數(shù) 中斷函數(shù)用到了定時(shí)器中斷。定時(shí)中斷的流程框圖如圖3-4所示，定時(shí)器溢出中斷后，進(jìn)行重裝載初值，同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的音頻控制操作。圖3-5中斷函數(shù)3.4.1 中斷程序void t0(void) interrupt 1 TH0=STH0; TL0=STL0; SPEAKER=SPEAKER; 第4章 電子琴和調(diào)試由于沒有硬件設(shè)備，所以無法進(jìn)行硬件調(diào)試，但這并不妨礙軟件調(diào)試。利用仿真軟件Proteus和編程軟件KeiluVision4進(jìn)行調(diào)試程序。4.1 調(diào)試工具 Prote

17、us軟件是英國LabcenterElectronics公司研發(fā)的EDA工具軟件。它是一個(gè)集模擬電路、數(shù)字電路、模/數(shù)混合電路以及多種微控制器系統(tǒng)為一體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真平臺(tái)。是目前同類軟件中最先進(jìn)、最完整的電子類仿真平臺(tái)之一。它真正實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)上完成從原理圖、電路分析與仿真、單片機(jī)代碼調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗(yàn)證到PCB板生成的完整的電子產(chǎn)品研發(fā)過程。 最新的KeiluVision4IDE，旨在提高開發(fā)人員的生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)更快，更有效的程序開發(fā)。KeiluVision4引入了靈活的窗口管理系統(tǒng)，能夠拖放到視圖內(nèi)的任何地方，包括支持多顯示器窗口。KeiluVision4在KeiluVision3

18、IDE的基礎(chǔ)上，增加了更多大眾化的功能：多顯示器和靈活的窗口管理系統(tǒng)；系統(tǒng)瀏覽器窗口的顯示設(shè)備外設(shè)寄存器信息；調(diào)試還原視圖創(chuàng)建并保存多個(gè)調(diào)試窗口布局；多項(xiàng)目工作區(qū)簡化與眾多的項(xiàng)目。 4.2 調(diào)試結(jié)果 利用Proteus對(duì)電路進(jìn)行仿真分析，電子琴電路的仿真電路圖如圖22所示。進(jìn)一步達(dá)到了實(shí)驗(yàn)效果。但也一定瑕疵，按鍵按下后，延遲一會(huì)才有聲音。調(diào)試結(jié)果與設(shè)計(jì)的基本一致，如表2所示。表2 調(diào)式結(jié)果按鍵鍵值發(fā)音調(diào)試LED顯示備注S1Do1燈亮S2Re2燈亮S3Mi3燈亮S4Fa4燈亮S5Sao5燈亮S6La6燈亮S7Xi7燈亮圖4-1 電子琴電路仿真4.3 電子琴設(shè)計(jì)中的問題及解決方法 電子琴的設(shè)計(jì)并非

19、一帆風(fēng)順，在這期間遇到了很多問題，下面談幾個(gè)關(guān)鍵的問題。首先是最重要的是程序直接編譯不下去，到處是bug，直接蒙逼。慢慢調(diào)唄，一個(gè)一個(gè)百度，一個(gè)一個(gè)查字典。我的天，老師都幫我在找。最后終于編譯出hxe文件了，擦，外放不響，那就自己整唄，本來自己什么都不會(huì)，百度了好多素材，一個(gè)一個(gè)試試唄。嗯嗯，最終知道是定義的頻率計(jì)算有誤。弄了好久才響。嗯嗯，涂省事用的LED的小燈，太low了，都這么低的要求了，剛開始還亂閃。又一點(diǎn)一點(diǎn)改程序，沒法，自己水平有限，上課又沒有好好聽課，噯。就先這樣吧。第5章 電子琴設(shè)計(jì)總結(jié)在電子音樂領(lǐng)域，電子音調(diào)作為現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，它在現(xiàn)代音樂中扮演著重要的角色。目

20、前，由于電子音樂的普及，電子琴就是一種新型的電子樂器。 本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)AT89C51的電子琴電路由琴鍵控制電路、數(shù)碼管顯示電路、音頻功放電路、時(shí)鐘-復(fù)位電路和電源電路五部分所構(gòu)成。琴鍵控制電路采用了8輸入與門芯片CD4068B，收集8個(gè)獨(dú)立按鍵的開關(guān)狀態(tài)信號(hào)，并觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷來處理；而LED顯示電路負(fù)責(zé)顯示按下的琴鍵所對(duì)應(yīng)的鍵值；同時(shí)，音頻功放電路也會(huì)播放琴鍵對(duì)應(yīng)的音調(diào)；電源電路為整個(gè)電路提供能源。 電子琴的設(shè)計(jì)并非一帆風(fēng)順，在這期間遇到了很多問題，上一章已經(jīng)說過了，在這也不贅述了。通過這次課程設(shè)計(jì)，感覺收獲頗多。首先硬件方面，基本了解了電子產(chǎn)品的開發(fā)流程和所要做的工作，基本掌握了Pr

21、otel99SE原理圖的方法以及怎么利用Proteus進(jìn)行數(shù)字電路仿真。除此之外，對(duì)51系單片機(jī)的接口有了更深層次的理解，熟悉了一些單片機(jī)常用的外圍電路引腳和連接方法，諸如LED數(shù)碼管、鍵盤等等。在軟件方面，通過對(duì)外部中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、I/O的使用，使得C語言編程能力也有了較大的進(jìn)步。以上參考文獻(xiàn)1 魏鴻磊.臨機(jī)原理及應(yīng)用（c語言編程）M.同濟(jì)大學(xué)出版，2015.2 袁東.51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)手冊(cè)M.北京：電子工業(yè)出版社，2011. 3 沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)M.北京：電子工業(yè)出版社，2005.4 蘇麗萍.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.5 曾屹，

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