簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告指導(dǎo)老師：譚建軍老師班 級(jí)：0309409姓 名：周 博學(xué) 號(hào)：030940913 2011-12-7摘要：電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤(pán)樂(lè)器，它在音樂(lè)演奏中已成為不可缺少的一部分。單片機(jī)是一個(gè)具有功能強(qiáng)大和編程靈活性的控制器，它已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代人們的生活中，扮演著重要的角色。本設(shè)計(jì)主要是使用at89c51單片機(jī)及單片機(jī)c語(yǔ)言，在proteus仿真平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)以單片機(jī)為核心控制元件的一個(gè)具有16個(gè)按鍵的電子琴，同時(shí)還增加了音樂(lè)播放功能。本文中給出了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路，軟件設(shè)計(jì)等。其次，詳細(xì)闡述了程序的各個(gè)模塊和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。本設(shè)計(jì)具有硬件電路簡(jiǎn)單、功能

2、完善、控制可靠、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用性和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞: 單片機(jī)；電子琴；proteus；c語(yǔ)言一、電子琴的相關(guān)介紹1，電子琴的應(yīng)用背景隨著電子科技的飛速發(fā)展，電子技術(shù)正在逐漸改善著人們的學(xué)習(xí)、生活、工作，因此開(kāi)發(fā)本系統(tǒng)希望能夠給人們多帶來(lái)一點(diǎn)生活上的樂(lè)趣?；诋?dāng)前市場(chǎng)上的玩具市場(chǎng)需求量大，其中電子琴就是一個(gè)很好的應(yīng)用方面。單片機(jī)技術(shù)使我們可以利用軟硬件實(shí)現(xiàn)電子琴的功能，從而實(shí)現(xiàn)電子琴的微型化，可以用作玩具琴、音樂(lè)轉(zhuǎn)盤(pán)以及音樂(lè)童車(chē)等等。并且可以進(jìn)行一定的功能擴(kuò)展。鑒于傳統(tǒng)電子琴可以用鍵盤(pán)上的“k0”到“k16”鍵演奏從低so到高do等16個(gè)音，從而可以用來(lái)彈奏喜歡的樂(lè)曲。電子琴是現(xiàn)

3、代電子科技與音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤(pán)樂(lè)器，它在現(xiàn)代音樂(lè)扮演著重要的角色。簡(jiǎn)易電子琴是電聲樂(lè)隊(duì)的中堅(jiān)力量，常用于獨(dú)奏主旋律并伴以豐富的和聲。還常作為獨(dú)奏樂(lè)器出現(xiàn)，具有鮮明時(shí)代特色。但電子琴的局限性也是十分明顯：旋律與和聲缺乏音量變化，過(guò)于協(xié)和、單一；在模仿各類(lèi)館、弦樂(lè)器時(shí)，音色還不夠逼真，模仿提琴類(lèi)樂(lè)器的音色時(shí)，失真度更大，還需要不斷改進(jìn)。單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)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at89c51單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)電子琴。以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤(pán)、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

4、鍵和揚(yáng)聲器。本文主要對(duì)使用單片機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電子琴進(jìn)行了分析，并介紹了基于單片機(jī)電子琴統(tǒng)硬件組成。利用單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率來(lái)獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏想要表達(dá)的音樂(lè)。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(lái)詳細(xì)闡述。一首音樂(lè)是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)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(lè)了，當(dāng)然對(duì)于單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0來(lái)產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)，因此，我們只要把一首歌曲的音階對(duì)應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。這次的電子琴是由4*4組成16個(gè)按鈕矩陣，設(shè)計(jì)成16個(gè)音。然后再用一個(gè)音頻放大模

5、塊來(lái)使音樂(lè)播出的聲音變大。通過(guò)這16個(gè)鍵的隨意組合可隨意彈奏想要表達(dá)的音樂(lè)，使用很簡(jiǎn)單。2，本實(shí)驗(yàn)中電子琴的設(shè)計(jì)思路單片機(jī)因體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉而得到廣泛應(yīng)用。at89c51單片機(jī)設(shè)計(jì)微型電子琴的方法，僅需at89c51最小系統(tǒng)，擴(kuò)展一組矩陣鍵盤(pán)，再接一組發(fā)光二極管用來(lái)指示電子琴的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是音樂(lè)，另一個(gè)就是電子琴。音樂(lè)播放部分：樂(lè)音實(shí)際上是有固定周期的信號(hào)。本文介紹用at89c51的兩個(gè)定時(shí)器（如t0，t1）控制，在p3.7腳上輸出方波周期信號(hào)，產(chǎn)生樂(lè)音，通過(guò)矩陣鍵盤(pán)按鍵產(chǎn)生不同的音符，由此操作人員可以隨心所欲的彈奏自己所喜愛(ài)的樂(lè)曲，當(dāng)不想彈奏時(shí)通過(guò)按放歌鍵可以演

6、奏事先存放在單片機(jī)中的幾首動(dòng)聽(tīng)的曲子供消遣。當(dāng)歌曲演奏完時(shí)，通過(guò)按復(fù)位鍵便可回到初始狀態(tài)，這樣就做出了一臺(tái)微型電子琴。由于一首音樂(lè)是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)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(lè)了，當(dāng)然對(duì)于單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0來(lái)產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)，因此，我們只要把一首歌曲的音階對(duì)應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。樂(lè)曲中，每一音符對(duì)應(yīng)著確定的頻率，我們將每一音符的時(shí)間常數(shù)和其相應(yīng)的節(jié)拍常數(shù)作為一組，按順序?qū)?lè)曲中的所有常數(shù)排列成一個(gè)表，然后由查表程序依次取出，產(chǎn)生音符并控制節(jié)奏，就可以實(shí)現(xiàn)演奏效果。電子琴?gòu)椬嗖?/p>

7、分：實(shí)際上就是把每個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng)的值經(jīng)過(guò)處理后發(fā)給單片機(jī)，再在單片機(jī)內(nèi)把數(shù)字當(dāng)作指針指向所對(duì)應(yīng)的音符。本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能有：由4x4組成16個(gè)按鈕矩陣，設(shè)計(jì)成16個(gè)音?？呻S意彈奏想要表達(dá)的音樂(lè)。詳細(xì)過(guò)程：當(dāng)系統(tǒng)掃描到鍵盤(pán)上有鍵子被按下，則快速檢測(cè)出是那一個(gè)鍵子，然后單片機(jī)的定時(shí)器被啟動(dòng)，發(fā)出一定頻率的脈沖，該頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動(dòng)電路放大濾波后，就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)。假如在前一個(gè)按下的鍵發(fā)聲的同時(shí)有另一個(gè)鍵被按下，則啟用中斷系統(tǒng)，前面鍵的發(fā)音停止，轉(zhuǎn)到后按的鍵的發(fā)音程序，發(fā)出后按的鍵的音。二、系統(tǒng)分析1、系統(tǒng)的組成該系統(tǒng)通過(guò)電子琴按鍵隨意鍵入所要表達(dá)的音符，作為電平送給主體電路，中央處理器通過(guò)識(shí)別，

8、解碼輸出音符，在揚(yáng)聲器中發(fā)出有效的聲音。通過(guò)這樣可以不斷的彈奏音樂(lè)。嵌入式電路，按鍵電路，led顯示電路和兩個(gè)功能鍵組成，通過(guò)功能鍵可以選擇播放音樂(lè)。其主要模塊由五個(gè)部分組成,具體關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)組成框圖本系統(tǒng)的電路基本模塊：51單片機(jī)中心、矩陣鍵盤(pán)模塊、顯示模塊、發(fā)音模塊、功能選擇模塊。2、系統(tǒng)工作原理 工作原理描述如下：打開(kāi)電子琴電源開(kāi)關(guān)后，電子琴默認(rèn)為彈奏狀態(tài)，彈奏顯示燈點(diǎn)亮，數(shù)碼管顯示為0。按下矩陣鍵盤(pán)中的任意鍵，揚(yáng)聲器發(fā)相應(yīng)的音調(diào)，數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)字。按下播放按鈕，電子琴處于自動(dòng)播放狀態(tài)，播放顯示燈點(diǎn)亮，此時(shí)，按下矩陣鍵盤(pán)中的任意鍵，揚(yáng)聲器發(fā)出存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部的對(duì)

9、應(yīng)的樂(lè)曲，數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的按鍵數(shù)字。再按彈奏/停止鍵，音樂(lè)停止。彈奏顯示燈點(diǎn)亮。此時(shí)系統(tǒng)又處于彈奏狀態(tài)。三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)硬件總的設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)的電子琴硬件部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要分以下模塊：（1）矩陣鍵盤(pán)模塊：系統(tǒng)采用4*4矩陣鍵盤(pán)。（2）顯示模塊：系統(tǒng)采用led顯示管顯示。（3）功能顯示模塊：采用發(fā)光二極管顯示彈奏、播放兩種狀態(tài)。（4）發(fā)音模塊：采用揚(yáng)聲器發(fā)音。（5）控制中心模塊：at89c51單片機(jī)。硬件整體電路圖如圖3.1所示。圖3.1 硬件整體電路圖2、at89c51單片機(jī)介紹圖3.2 at89c51引腳分布圖at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（fperom

10、flash programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。at89c51它是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，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，at89c51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。at89c51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖3.2所示。 at89c51主要特性與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作

11、：0hz-24mhz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定1288位內(nèi)部ram32可編程i/o線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路at89c51管腳說(shuō)明vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門(mén)電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門(mén)

12、電流。p1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)ttl門(mén)電流，當(dāng)p2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)

13、容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門(mén)電流。當(dāng)p3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。ale/prog：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于

14、定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時(shí)， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無(wú)效。psen：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。ea/vpp：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在flash編程

15、期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。xtal2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。另外，p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下所示。l 口管腳 備選功能l p3.0 rxd（串行輸入口）l p3.1 txd（串行輸出口）l p3.2 /int0（外部中斷0）l p3.3 /int1（外部中斷1）l p3.4 t0（記時(shí)器0外部輸入）l p3.5 t1（記時(shí)器1外部輸入）l p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）l p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）l p3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。3、矩陣式鍵盤(pán)的結(jié)

16、構(gòu)與工作原理在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少i/o口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如p1口）就可以構(gòu)成4*4=16個(gè)按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤(pán)，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)是合理的。矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤(pán)顯然比直接法要復(fù)雜一些，識(shí)別也要復(fù)雜一些，本系統(tǒng)中的矩陣鍵盤(pán)中，列線通過(guò)電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的i/o口作為輸出端，而列線所接的i/o口則作為輸入。這

17、樣，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸出端都是高電平，代表無(wú)鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低，這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。矩陣式鍵盤(pán)如圖3.3所示。 圖3.3 矩陣式鍵盤(pán)4、按鍵顯示模塊顯示模塊如圖3.4所示。 圖3.45、功能顯示模塊當(dāng)按下彈奏/停止功能鍵時(shí)，d1燈點(diǎn)亮，此時(shí)，電子琴系統(tǒng)處于彈奏狀態(tài)；當(dāng)按下播放鍵時(shí)，d2燈點(diǎn)亮，此時(shí)，電子琴系統(tǒng)處于自動(dòng)播放內(nèi)置音樂(lè)狀態(tài)。此系統(tǒng)的功能顯示模塊如圖3.5所示 如圖3.55、音樂(lè)播放設(shè)置利用at89c51的內(nèi)部定時(shí)器使其工作計(jì)數(shù)器模式（mode1）下，改變計(jì)數(shù)值th0及tl0以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階，

18、例如，頻率為523hz，其周期t1/5231912s，因此只要令計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)956s/1s956，每計(jì)數(shù)956次時(shí)將i/o反相，就可得到中音do（523hz）。計(jì)數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式是： nfi2fr 式中，n是計(jì)數(shù)值；fi是機(jī)器頻率（晶體振蕩器為12mhz時(shí)，其頻率為1mhz）；fr是想要產(chǎn)生的頻率。其計(jì)數(shù)初值t的求法如下：t65536n65536fi2fr例如：設(shè)k65536，fi1mhz，求低音do（261hz）、中音do（523hz）、高音do（1046hz）的計(jì)數(shù)值。t65536n65536fi2fr6553610000002fr65536500000/fr低音do的t6553650

19、0000/26263628中音do的t65536500000/52364580高音do的t65536500000/104665058單片機(jī)12mhz晶振，高中低音符與計(jì)數(shù)t0相關(guān)的計(jì)數(shù)值如表2所示。表2 音符頻率表音符頻率（hz）簡(jiǎn)譜碼（t值）音符頻率（hz）簡(jiǎn)譜碼（t值）休止00中 4 fa69864820低1 do26263628中 5 so78464898低2 re29463835中 6 la88064968低 3 m33064021中 7 si98865030低 4 fa34964103高 1 do104665058低 5 so39264260高 2 re117565110低 6 la

20、44064400高 3 m131865157低 7 si49464524高 4 fa139765178中 1 do52364580高 5 so156865217中 2 re58764684高 6 la176065252中 3 m65964777高 7 si196765283我們要為這個(gè)音符建立一個(gè)表格，單片機(jī)通過(guò)查表的方式來(lái)獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。uint code tab=0，63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524, 64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178,652

21、17,65252,65283音符的節(jié)拍我們可以舉例來(lái)說(shuō)明。在一張樂(lè)譜中，我們經(jīng)常會(huì)看到這樣的表達(dá)式，如1=c 、1=g 等等，這里1=c,1=g表示樂(lè)譜的曲調(diào)， 、就是用來(lái)表示節(jié)拍的。以為例加以說(shuō)明，它表示樂(lè)譜中以四分音符為節(jié)拍，每一小結(jié)有三拍。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)整體程序處理流程圖系統(tǒng)整體程序處理流程圖4.1所示。圖4.1 整體程序處理流程圖在電子琴開(kāi)始工作時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)電子琴處于彈奏狀態(tài)，歌曲選擇功能鍵的目的是賦予矩陣鍵盤(pán)第二功能，即對(duì)系統(tǒng)內(nèi)置的歌曲進(jìn)行選擇，在放歌時(shí)能且只能通過(guò)彈奏/停止鍵來(lái)結(jié)束放歌，選歌時(shí)必須先按下歌曲選擇功能鍵，在通過(guò)矩陣鍵盤(pán)來(lái)選擇和切換曲目。2、系統(tǒng)整體程序處理流程圖系統(tǒng)整體程序處理流程圖4.1所示。圖4.1 整體程序處理流程圖在電子琴開(kāi)始工作時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)電子琴處于彈奏狀態(tài)，歌曲選擇功能鍵的目的是賦予矩陣鍵盤(pán)第