課程設(shè)計（論文）基于單片機及PC機的電子琴設(shè)計

1、基于單片機及 pc機的電子琴設(shè)計論文 摘 要 電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用at89s51 單片機為核心控制元件，設(shè)計一個電子琴。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，亦可以通過上位機進行操作，達到單片機板上按鍵相同的效果。本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，人機界面友好其優(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。 abstract el

2、ectronic organ is a modern electronic music technology and the product is a new type of keyboard instruments. it played an important role in modern music. scm has powerful control functions and flexible programming characteristics. it has converged with modern peoples lives, become an irreplaceable

3、part. the main content is at89s51 control of the core components, design of a electronic organ. scm as a host to the core, with the keyboard, speaker and other core modules. in the main control module has 16 keys and a speaker. the system is steady, its simple hardware circuits, software functions,

4、reliability of control system and high cost performance is its advantages. it also has certain practical and reference value.1 前言.- 3 -1.1 課題研究背景.- 3 -1.2 課題的原理.- 3 -1.3 研究的目的和意義.- 3 -2 系統(tǒng)硬件設(shè)計.- 4 -2.0 整機原理和pcb圖.- 4 -2.1 51單片機電路模塊框圖.- 5 -2.2 穩(wěn)壓直流電源設(shè)計.- 6 -2.3 矩陣鍵盤電路.- 6 -2.4 串口通信電路設(shè)計.- 7 -2.5 顯示電路設(shè)計

5、.- 9 -3 系統(tǒng)程序設(shè)計.- 10 -3.1 主程序流程圖.- 10 -3.2 電子琴音樂的發(fā)聲原理.- 11 3.3 音樂發(fā)聲程序流程圖.- 11 -4 小結(jié).- 12 -1 前 言1.1 課題研究背景 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，屬第四代電子計算機，它具有高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。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。 目前，基于單片機的微控制器已廣泛應(yīng)用于家電控制、通訊、工業(yè)控制、智能儀器儀表、金融電子等許多領(lǐng)域。 電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型

6、的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用at89s51 單片機為核心控制元件，設(shè)計一個電子琴。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。 一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當然對于單片機來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機的定時/計數(shù)器 t0 來產(chǎn)生這樣方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。1.2

7、課題的原理 本聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單片機某個口線不斷的輸出“高”“低”電平，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的方波，將該方波接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音，若再利用程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時間，就能改變輸出波形的頻率，從而改變音調(diào)。 pc機通過vb編寫友好的人機界面，使用戶可以很方便的控制單片機系統(tǒng)及其發(fā)音。單片機與pc機基于串口通信，穩(wěn)定可靠。用戶亦可以通過鼠標即可在電腦屏幕上點擊相應(yīng)按鈕，單片機依據(jù)相應(yīng)的按鈕定義發(fā)音。1.3 研究的目的和意義 本文主要對使用單片機設(shè)計簡易電子琴進行了分析，并介紹了基于單片機電子琴系統(tǒng)硬件組成。利用單片機產(chǎn)生不同頻率來獲得我

8、們要求的音階，最終可隨意彈奏想要表達的音樂。并且本文分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理及各模塊的程序的調(diào)試來詳細闡述。 本系統(tǒng) ，優(yōu)化了電子琴的控制方法，充分體現(xiàn)了電腦作為智能控制終端的優(yōu)勢 。用單位led 顯示發(fā)音值，蜂鳴器發(fā)音。4x4矩陣鍵盤，作為電子琴的琴鍵。系統(tǒng)整機設(shè)計簡潔，精練。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.0 整機原理 pcb圖2.1單片機電路模塊框圖 本電路采用基于mcs-51單片機，用lm032l進行顯示的硬件設(shè)計方法，電路硬件模塊圖如下：2.2 穩(wěn)壓直流電源設(shè)計本系統(tǒng)設(shè)計為 5v 直流穩(wěn)壓電源給系統(tǒng)供電，ac220 市電經(jīng) 220v9v 變壓器變壓，然后經(jīng)橋式整流電路，再經(jīng)電容濾波電路

9、，經(jīng) 7805 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓，再進行二次濾波，輸出較穩(wěn)定的5v電壓，給本系統(tǒng)供電。本系統(tǒng)在實際制作過程中，基于成本考慮，本設(shè)計未做電源這一部分，而是用 usb 連接線，代替了電源的制作。因電腦現(xiàn)已非常普及，從電腦的 usb 口取5v電源，亦非常方便。2.3矩陣鍵盤電路鍵盤通過與單片機 at89c52 接口 如圖所示，用單片機的并行口p2接44矩陣鍵盤，以p2.0p2.3作輸入線，以p2.4p2.7作輸出線；在數(shù)碼管上顯示每個按鍵的“0f”序號。對應(yīng)的按鍵的序號排列如圖所示矩陣按鍵部分由16個輕觸按鍵按照4 行4 列排列，連接到j(luò)p50端口。將行線所接的單片機的i/o口作為輸出端，而列線所接的i/

10、o口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。這種鍵盤外圍元件少，擴充靈活，而且功耗低。 鍵盤的硬件電路如圖所示：由圖可以看出，該鍵盤為 4行 4列（44）共16個鍵，使用 8條i/o口作為控制線，其中p2.0、p2.1、p2.2、p2.3為掃描線，p2.4-p2.7作為列回復(fù)線。其工作原理是：首先使p2.4-p2.7為低電平，p2.0、p2.1、p2.2、p2.3為高電平，讀取p2.4p2.7的狀態(tài)并存放在某個存儲器的低4位中，此時高4位置零。然后使p2.4p

11、2.7為高電平，p2.0、p2.1、p2.2、p2.3為低電平，讀取p2.0、p2.1、p2.2、p2.3的狀態(tài)并存放在某個存儲器的高4位，而低 4位為低電平。最后，將這兩個存儲器存放的數(shù)值取邏輯后，再判斷其結(jié)果產(chǎn)生按鍵的鍵值。2.4 串口通信電路設(shè)計 串口通信原理圖串口通信簡介 rs232串口針腳定義 9針接口針腳定義： pin 1 cd received line signal detector (data carrier detect) pin 2 rxd received data pin 3 txd transmit data pin 4 dtr data terminal read

12、y pin 5 gnd signal ground pin 6 dsr data set ready pin 7 rts request to send pin 8 cts clear to send pin 9 ri ring indicator 9芯 信號方向來自 縮寫 描述 1 調(diào)制解調(diào)器 cd 載波檢測 2 調(diào)制解調(diào)器 rxd 接收數(shù)據(jù) 3 pc txd 發(fā)送數(shù)據(jù) 4 pc dtr 數(shù)據(jù)終端準備好 5 gnd 信號地 6 調(diào)制解調(diào)器 dsr 通訊設(shè)備準備好 7 pc rts 請求發(fā)送 8 調(diào)制解調(diào)器 cts 允許發(fā)送 9 調(diào)制解調(diào)器 ri 響鈴指示器 串口通信的原理及意義 串口通訊對單

13、片機而言意義重大，不但可以實現(xiàn)將單片機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X端，而且也能實現(xiàn)電腦對單片機的控制，比如你可以把寫入單片機的數(shù)據(jù)碼顯示在電腦上，如可以使用一個按鍵，當按下它時使某一個字母如：aa，通過單片機的串口將它發(fā)送到電腦上顯示，起到仿真器的某些功效，站長在開發(fā)數(shù)據(jù)采集設(shè)備時就是通過串口來檢查數(shù)據(jù)正確與否的。 51單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和電腦之間可以方便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是rs232電平的，而單片機的串口是ttl電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，我們采用了專用芯片max232進行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用

14、專用芯片更簡單可靠。我們采用了三線制連接串口，也就是說和電腦的9針串口只連接其中的3根線：第 5腳的gnd、第2腳的rxd、第 3腳的txd。這是最簡單的連接方法，但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了，電路如下圖所示，max232的第10腳和單片機的11腳連接，第 9腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接。 為了能夠在電腦端看到單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)，我們必須借助一個windows軟件進行觀察，這里我們利用一個免費的電腦串口調(diào)試軟件。 點擊這里可以下載并運行這個串口調(diào)試軟件這是一個綠色的軟件，無需安裝，可以直接在當前位置運行這個軟件。軟件界面如上圖，我們先要設(shè)置一下串口通訊的參數(shù)，將波特率調(diào)整

15、為4800，勾選十六進制顯示。串口選擇為com1，當然將網(wǎng)站提供的51單片機實驗板的串口也要和電腦的com1連接，將燒寫有以下程序的單片機插入單片機實驗板的萬能插座中，并接通51單片機實驗板的電源，這時只要按下k1一次，在串口調(diào)試助手軟件的接收區(qū)界面中就會增加一個“af”字符，表示單片機向電腦發(fā)送“af”字符成功。2.5 顯示電路設(shè)計顯示原理圖設(shè)計led是一種較為常用的發(fā)光元件。目前以led 為發(fā)光元件而研制的顯示屏應(yīng)用可作為實時工業(yè)控制系統(tǒng)中的遠距離實時信息顯示器，對高要求的工藝流程進行實時顯示。數(shù)碼管顯示控制原理 單片機p0口段控，數(shù)碼管的公共腳接地。目前，led顯示器的主要形式有兩種，一

16、種是能夠顯示各種字符、漢字和圖像信息的陣列式led。另一種則是只能顯示09這10個阿拉伯數(shù)字及少數(shù)幾個英文字母的數(shù)碼式led，即八段數(shù)碼管。盡管陣列式led從功能上來說完全取代數(shù)碼式led，但由于前者的成本造價要比后者高得多，實現(xiàn)方法要比后者復(fù)雜，故在很多場合還經(jīng)常用到數(shù)碼式led。本設(shè)計采用的是0.36的數(shù)碼管。因為at89c52單片機管腳的驅(qū)動能力有限，加470 歐姆的上拉電阻驅(qū)動。3 系統(tǒng)程序設(shè)計3.1 主程序流程圖3.2 電子琴音樂的發(fā)聲原理 一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當然對于單片機來產(chǎn)生

17、不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機的定時/計數(shù)器 t0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。 若要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（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(fù)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(nèi)部定時器使其工作計數(shù)器模式（mode1）下，改變計數(shù)值 th0 及 tl0以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階，例如，頻率為 523hz，其周期 t1/5231912s，因此只要令計數(shù)器計時 956s/1s956，每計數(shù) 956 次時將 i/o 反相，就可得到中音 do（523hz）。 計數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式(如式4-1所示)是： nfi2fr 式中，n是計數(shù)值；fi是機器頻率（晶體振蕩器為12mhz時，其頻率為 1mhz）；fr是