單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì)

1、東 北 石 油 大 學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 2010 年 7 月 31 日課 程 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì) 題 目 院 系 電子科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程 單片機(jī)原理及應(yīng)用課程設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴的設(shè)計(jì) 專業(yè) 姓名 學(xué)號(hào)主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等1、主要內(nèi)容：根據(jù)單片機(jī)課程所學(xué)內(nèi)容，結(jié)合其他相關(guān)課程知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易電子琴，以加深對(duì)單片機(jī)知識(shí)的理解，鍛煉實(shí)踐動(dòng)手能力，為以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2、基本要求：本設(shè)計(jì)以 mcs-51 系列單片機(jī)為核心，采用常用電子器件設(shè)計(jì)。要求最少 8 個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一種音調(diào)，按下

2、按鍵發(fā)聲，松開按鍵后聲音延遲一段時(shí)間后停止，即帶余音的電子琴，延時(shí)時(shí)間可以設(shè)置，要求最少 8 個(gè)不同音調(diào)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的音調(diào)設(shè)計(jì)。3、主要參考資料： 1 張毅坤，陳善久.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用m.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002. 2 張友德，趙志英，徐時(shí)亮.單片微機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)m.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2000. 3 張毅.單片機(jī)原理及應(yīng)用m.北京：高等教育出版社，2003.完成期限 指導(dǎo)教師 專業(yè)負(fù)責(zé)人 年 月 日目錄目錄第 1 章 概 述.11.1 設(shè)計(jì)任務(wù).4第 2 章 總體設(shè)計(jì)思想.22.1 簡(jiǎn)易電子琴基本原理.42.2 系統(tǒng)總框圖.4第 3 章 硬件電路的具體設(shè)計(jì).43.

3、1 總體電路設(shè)計(jì).43.2 單元電路設(shè)計(jì).4 3.3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) .4 3.4 仿真結(jié)果及結(jié)果分析 .4總結(jié).4參考文獻(xiàn).8附錄 1 .9附錄 2 .9課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)價(jià)表 .9第一章第一章 概述概述在電子音樂領(lǐng)域，自從 20 世紀(jì)末期 midi（樂器數(shù)字化接口）推出和逐步規(guī)范化后，各種樂器及眾多數(shù)碼音視頻產(chǎn)品中采用 midi 技術(shù)已逐漸成為一種潮流。但是當(dāng)前各廠商的電子琴產(chǎn)品通常使用自己設(shè)計(jì)的專用音源，并且軟硬件均不對(duì)外公開，阻礙了 midi 技術(shù)的交流。作者在開發(fā)基于 midi 模塊的音樂發(fā)生器的過程中，進(jìn)行了用單片機(jī)控制通用 midi 音源模塊的相關(guān)功能制作電子琴的實(shí)踐，制作出具有 8

4、 個(gè)按鍵的 midi 電子琴，該琴支持單音和復(fù)音彈奏，單片機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的 midi 波特率傳送信息，通過串口連接蜂鳴器，從而獲得優(yōu)美的樂音。1.11.1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)本次設(shè)計(jì)提出了用 89c51 單片機(jī)為核心控制元件,設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的電子琴. 本方案以 89c51 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 16 個(gè)按鍵和揚(yáng)聲器.根據(jù)使用者的操作隨意彈奏想要表達(dá)的音樂。一首音樂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了，當(dāng)然對(duì)于單片機(jī)來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的

5、定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0 來產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)。利用所給鍵盤的 1，2，3，4，5，6，7，8 八個(gè)鍵，能夠發(fā)出 8 個(gè)不同的音調(diào)，并且要求按下按鍵發(fā)聲，松開延時(shí)一段時(shí)間停止，中間再按別的鍵則發(fā)另一音調(diào)的聲音。當(dāng)系統(tǒng)掃描到鍵盤上有鍵被按下，則快速檢測(cè)出是哪一個(gè)鍵被按下，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)。如果在前一個(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。第二章第二章 總體設(shè)計(jì)思想總體設(shè)計(jì)思想本系統(tǒng)采用單片機(jī) 89c51 為電子琴的控制核心，系統(tǒng)主要包括播放模塊

6、、按鍵控制模塊。下面對(duì)各模塊的設(shè)計(jì)逐一進(jìn)行論證比較。2.12.1 簡(jiǎn)易電子琴基本原理簡(jiǎn)易電子琴基本原理播放模塊是喇叭構(gòu)成。它幾乎不存在噪聲，音響效果較好。而且由于所需驅(qū)動(dòng)功率較小，且價(jià)格低廉，所以，被廣泛應(yīng)用。 電子琴設(shè)有 8 個(gè)按鍵，其中 7 個(gè)作為音符輸入，另外 1 個(gè)作為模式轉(zhuǎn)換按鍵，實(shí)現(xiàn)用戶自彈作曲。7 個(gè)按鍵分別代表 7 個(gè)音符，包括中音段的全部音符。通過軟硬件設(shè)計(jì)，模式轉(zhuǎn)換按鍵觸發(fā)外部中斷，中斷使程序跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，啟動(dòng)電子琴。然后通過查詢電子琴所按下的按鍵，讀取電子琴輸入狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的程序人口，實(shí)現(xiàn)自編歌曲。當(dāng)需要取消電子琴編曲功能時(shí)，再次按下模式轉(zhuǎn)換按鍵引起外部中斷即可

7、退出電子琴功能而返回原 來按鍵播放處。2.22.2 系統(tǒng)總框圖系統(tǒng)總框圖 圖 2-2 總體硬件組成框圖第三章第三章 硬件電路的具體設(shè)計(jì)硬件電路的具體設(shè)計(jì) 為使該模塊化電子琴控制系統(tǒng)具有更加方便和靈活性，我們對(duì)系統(tǒng)的硬件做了精心設(shè)計(jì)。硬件電路包括中心控制模塊、播放模塊、按鍵控制模塊三大模塊。3.13.1 總體電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)總體電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中中心控制模塊是采用 89c51 單片機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng)。其中 p1 口作為輸入口，連接蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路，而 p2 口連接按鍵控制電路， 從而實(shí)現(xiàn)播放音樂的功能。3.23.2 單元電路設(shè)計(jì)單元電路設(shè)計(jì)3.2.13.2.1 播放電路設(shè)計(jì)播放電路設(shè)計(jì)如下圖所示,播

8、放模塊其實(shí)就是喇叭，它接到 p1.0 口上當(dāng)有按鍵按下時(shí),它就會(huì)發(fā)出聲音。中心控制模塊 at89c51按鍵控制模塊播放模塊 喇叭 按 鍵 狀 態(tài) 圖 3-2-1 播放模塊硬件連接圖3.2.23.2.2 按鍵控制模塊的硬件設(shè)計(jì)按鍵控制模塊的硬件設(shè)計(jì)在 p.2 口十連有 8 個(gè)按鍵并加有 8 個(gè)拉電阻。它們一端接 5 伏電源,一端接地。在仿真時(shí),只要有一個(gè)鍵被按下,并被單片機(jī)掃描到,則會(huì)使播放器發(fā)出聲音。ls1speaker 圖 3-2-2 按鍵控制連接圖3.2.33.2.3 主控模塊最小系統(tǒng)主控模塊最小系統(tǒng)主控系統(tǒng)為目前主流的 89c51 單片機(jī)，51 系列優(yōu)點(diǎn)之一是它從內(nèi)部的硬件到軟件有一套完

9、整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，或布爾處理器。它的處理對(duì)象不是字或字節(jié)而是位。它不光能對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理，如傳送、置位、清零、測(cè)試等，還能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算，其功能十分完備，使用起來得心應(yīng)手。圖 3-2-3 主控模塊最小系統(tǒng)圖3.33.3 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)軟件是該電子琴控制系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中我們也才用了模塊化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)的各部分功能編寫成子模塊的形式，這樣增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性。3.3.13.3.1 下位機(jī)軟件流程下位機(jī)軟件流程本系統(tǒng)中下位機(jī)（單片機(jī) 89c51）的主要功能就是實(shí)現(xiàn)音樂播放功能。其主程序流程如圖 4-1 所示。圖 3-

10、3-1 軟件程序流程圖3.3.23.3.2 上位機(jī)軟件上位機(jī)軟件 本系統(tǒng)的上位機(jī)軟件主要是編輯電子琴播放狀態(tài)的內(nèi)容，在設(shè)計(jì)中采用匯編語言編寫了電子琴控制系統(tǒng)控制和播放內(nèi)容的程序。 org 0000h ljmp main org 000bh ljmp int_t0 org 0100hmain: mov sp,#60h ;初始化堆棧指針 mov 30h,#00 ;定時(shí)器初值清零 mov 31h,#00 mov p1,#0ffh ;設(shè)置 p1 口為輸入模式 mov tmod,#01h ;設(shè)置定時(shí)器 0 為工作模式 1 setb et0 ;開定時(shí)器 0 中斷 setb ea ;開總中斷 clr tr0

11、 ;關(guān)閉定時(shí)器 0 start: mov r0, p2 cjne r0,#0ffh,key1 ;鍵盤掃描 clr tr0 sjmp startkey1: cjne r0,#0feh,key2 ;k1 鍵按下 mov 30h,#0fbh ;設(shè)置音階 1 mov 31h,#0e9h ljmp set_timerkey2: cjne r0,#0fdh,key3 ;k2 鍵按下 mov 30h,#0fch ;設(shè)置音階 2 mov 31h,#5ch ljmp set_timerkey3: cjne r0,#0fbh,key4 ;k3 鍵按下 mov 30h,#0fch ;設(shè)置音階 3 mov 31h,#

12、0c1h ljmp set_timerkey4: cjne r0,#0f7h,key5 ;k4 鍵按下 mov 30h,#0fch ;設(shè)置音階 4 mov 31h,#0efh ljmp set_timerkey5: cjne r0,#0efh,key6 ;k5 鍵按下 mov 30h,#0fdh ;設(shè)置音階 5 mov 31h,#045h ljmp set_timerkey6: cjne r0,#0dfh,key7 ;k6 鍵按下 mov 30h,#0fdh ;設(shè)置音階 6 mov 31h,#92h ljmp set_timerkey7: cjne r0,#0bfh,key8 ;k7 鍵按下

13、mov 30h,#0fdh ;設(shè)置音階 7 mov 31h,#0d6h ljmp set_timerkey8: cjne r0,#7fh,nokey ;k8 按下 mov 30h,#0fdh ;設(shè)置音階 8 mov 31h,#0fbhset_timer: setb tr0 ;發(fā)聲 sjmp startnokey: clr tr0 ;無鍵按下 sjmp startint_t0: ;t0 中斷服務(wù)程序 mov th0,30h ;定時(shí)器賦初值 mov tl0,31h cpl p1.0 ;輸出方波 reti end3.43.4 仿真結(jié)果及結(jié)果分析仿真結(jié)果及結(jié)果分析3.4.13.4.1 使用的儀器儀表使

14、用的儀器儀表 單片機(jī)仿真器keilc蜂鳴器 ls13.4.23.4.2 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊設(shè)計(jì)法，所以方便對(duì)各電路模塊功能進(jìn)行逐級(jí)測(cè)試：中心控制模塊的調(diào)試，音樂播放模塊的調(diào)試，按鍵控制模塊的調(diào)試等，最后將各模塊組合后進(jìn)行整體測(cè)試。3.4.33.4.3 硬件調(diào)試硬件調(diào)試對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實(shí)現(xiàn)指定的功能。3.4.43.4.4 軟件調(diào)試軟件調(diào)試 軟件調(diào)試采用單片機(jī)仿真器 keilc 及微機(jī)，將編好的程序進(jìn)行調(diào)試，主要是檢查語法錯(cuò)誤。3.4.53.4.5 硬件軟件聯(lián)調(diào)硬件軟件聯(lián)

15、調(diào) 將調(diào)試好的硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，主要調(diào)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)功能。3.4.53.4.5 測(cè)試結(jié)果測(cè)試結(jié)果此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果較好，分別播動(dòng) 8 個(gè)按鍵會(huì)發(fā)出 8 種高低不同的聲音，如果送入音樂程序，則會(huì)播放歌曲。總結(jié)總結(jié) 經(jīng)過兩周的忙碌，我的電子琴終于仿真成功。雖然失敗了幾次，但經(jīng)過老師對(duì)硬件連接圖的糾正，自己又調(diào)整了程序最后終于仿真成功。心情很激動(dòng)，一方面：覺得很有成就感；另一方面：收獲很大，不但鍛煉了編程的能力，而且通過編程對(duì)硬件的整個(gè)流程了解了。在仿真過程中，我犯了兩個(gè)低級(jí)錯(cuò)誤：一個(gè)是用了沒有模型的元件，另一個(gè)是喇叭可以不用驅(qū)動(dòng)就能發(fā)出聲音。經(jīng)老師提醒，我改正了連接圖，結(jié)果成功了。用單片機(jī)控制播放模

16、塊和按鍵控制模塊制作出的電子琴，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，并且價(jià)格低廉，具有實(shí)用的價(jià)值。這種電子琴能夠支持單音和復(fù)音彈奏，如果與高品質(zhì)的音源芯片連接，音質(zhì)更可與高檔電子琴相媲美。參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 張毅坤，陳善久.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用m.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002. 2 張友德，趙志英，徐時(shí)亮.單片微機(jī)原理應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)m.上海：復(fù)旦大學(xué)出版社，2000. 3 張毅.單片機(jī)原理及應(yīng)用m.北京：高等教育出版社，2003.附錄附錄 1 1 源程序源程序 org 0000h ljmp main org 000bh ljmp int_t0 org 0100hmain: mov sp,#60h ;

17、初始化堆棧指針 mov 30h,#00 ;定時(shí)器初值清零 mov 31h,#00 mov p1,#0ffh ;設(shè)置 p1 口為輸入模式 mov tmod,#01h ;設(shè)置定時(shí)器 0 為工作模式 1 setb et0 ;開定時(shí)器 0 中斷 setb ea ;開總中斷 clr tr0 ;關(guān)閉定時(shí)器 0 start: mov r0, p2 cjne r0,#0ffh,key1 ;鍵盤掃描 clr tr0 sjmp startkey1: cjne r0,#0feh,key2 ;k1 鍵按下 mov 30h,#0fbh ;設(shè)置音階 1 mov 31h,#0e9h ljmp set_timerkey2:

18、cjne r0,#0fdh,key3 ;k2 鍵按下 mov 30h,#0fch ;設(shè)置音階 2 mov 31h,#5ch ljmp set_timerkey3: cjne r0,#0fbh,key4 ;k3 鍵按下 mov 30h,#0fch ;設(shè)置音階 3 mov 31h,#0c1h ljmp set_timerkey4: cjne r0,#0f7h,key5 ;k4 鍵按下 mov 30h,#0fch ;設(shè)置音階 4 mov 31h,#0efh ljmp set_timerkey5: cjne r0,#0efh,key6 ;k5 鍵按下 mov 30h,#0fdh ;設(shè)置音階 5 mov

19、 31h,#045h ljmp set_timerkey6: cjne r0,#0dfh,key7 ;k6 鍵按下 mov 30h,#0fdh ;設(shè)置音階 6 mov 31h,#92h ljmp set_timerkey7: cjne r0,#0bfh,key8 ;k7 鍵按下 mov 30h,#0fdh ;設(shè)置音階 7 mov 31h,#0d6h ljmp set_timerkey8: cjne r0,#7fh,nokey ;k8 按下 mov 30h,#0fdh ;設(shè)置音階 8 mov 31h,#0fbhset_timer: setb tr0 ;發(fā)聲 sjmp startnokey: clr tr0 ;無鍵按下 sjmp startint_t0: ;t0 中斷服務(wù)程序 mov th0,30h ;定時(shí)器賦初值 mov tl0,31h cpl p1.0 ;輸出方波 reti end附錄附錄 2 2 電子琴仿真圖電子琴仿真圖 xtal218xtal119ale30ea31p