簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)

１新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名稱(chēng)：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用學(xué)生姓名：梁保軍完成時(shí)間：2015年7月2日系（部）機(jī)電工程系專(zhuān)業(yè)班級(jí)農(nóng)電122班課程實(shí)訓(xùn)題目簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)姓名梁保軍組別同組實(shí)訓(xùn)者梁保軍楊濤指導(dǎo)教師吳毅實(shí)訓(xùn)時(shí)間2015.6.15至2015.7.2指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)指導(dǎo)教師簽名：______年____月____日實(shí)訓(xùn)成績(jī)摘要本次設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)，利用8051單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器和I|O端口，設(shè)計(jì)一臺(tái)簡(jiǎn)易電子琴，能通過(guò)按鍵進(jìn)行簡(jiǎn)單的樂(lè)曲演奏。每個(gè)不同的音符對(duì)應(yīng)著不同的頻率，利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器TO結(jié)合I|O端口來(lái)產(chǎn)生不同頻率的方波信號(hào)改變TO的計(jì)數(shù)值即可改變不同的音符。關(guān)鍵詞：8501單片機(jī)音符頻率內(nèi)部定時(shí)器PAGEPAGE1目錄TOC\o"1-3"\h\u24146一、概述 １172841.1課題設(shè)計(jì)目的及其意義 １150401.2課題設(shè)計(jì)的任務(wù)與主要內(nèi)容 １1029二、基本組成和原理 １289212.1音樂(lè)相關(guān)知識(shí) １37802.2簡(jiǎn)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(jì)流程圖 ４288483.1元器件清單及其電路圖 ４53803.2單片機(jī)89C51的簡(jiǎn)介 ５246663.3鍵盤(pán)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(jì) 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(xiàn) １４1652附錄 １５6003附錄1簡(jiǎn)易電子琴PCB二維圖 １５10797附錄2簡(jiǎn)易電子琴PCB三維圖 １５基于單片機(jī)簡(jiǎn)易電子琴一、概述1.1課題設(shè)計(jì)目的及其意義單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)）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(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。單片機(jī)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(guó)防軍事、尖端武器都能找到它的身影。因此，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，人們的生活水平也逐步提高，音樂(lè)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(lè)不僅使身心得到放松，同時(shí)也提高人們的精神品質(zhì)和個(gè)人素養(yǎng)。當(dāng)代，愛(ài)好音樂(lè)的年輕人越來(lái)越多，也有不少人自己練習(xí)彈奏樂(lè)器，作為業(yè)余愛(ài)好和一種放松的手段，鑒于一些樂(lè)器學(xué)習(xí)難度大需花費(fèi)太多精力，且其價(jià)格太過(guò)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(pán)樂(lè)器，它是現(xiàn)代電子科技與音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，價(jià)格相對(duì)便宜，能夠滿足一般愛(ài)好者的需求，因此，在現(xiàn)代音樂(lè)中扮演著重要的角色。故簡(jiǎn)易電子琴的研制具有一定的社會(huì)意義。1.2課題設(shè)計(jì)的任務(wù)與主要內(nèi)容本文的主要內(nèi)容是用AT89C51單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電子琴。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)按鍵和揚(yáng)聲器。定時(shí)器按設(shè)置的定時(shí)參數(shù)產(chǎn)生中斷，由于定時(shí)參數(shù)不同，就會(huì)發(fā)出不同頻率的脈沖，不同頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動(dòng)電路放大濾波后，就會(huì)發(fā)出不同音調(diào)。先根據(jù)要求設(shè)計(jì)硬件電路和編寫(xiě)相應(yīng)的程序，然后進(jìn)行仿真調(diào)試，最后細(xì)心焊接硬件電路圖，將程序烤入芯片中，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡(jiǎn)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)用和參考價(jià)值。具體實(shí)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(lè)相關(guān)知識(shí)在人類(lèi)還沒(méi)有產(chǎn)生語(yǔ)言時(shí)，就已經(jīng)知道利用聲音的高低、強(qiáng)弱等來(lái)表達(dá)自己的思想和感情。聲帶、琴弦等物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲波，聲波通過(guò)空氣傳播進(jìn)入人耳，人們就聽(tīng)到了聲音。聲音有噪音和樂(lè)音之分振動(dòng)有規(guī)律的聲音是樂(lè)音，音樂(lè)中所用的聲音主要是樂(lè)音。樂(lè)音聽(tīng)起來(lái)有的高、有的低，這就叫做音高。音高是由發(fā)聲物體振動(dòng)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(shí)間的長(zhǎng)短即時(shí)值，一般用拍數(shù)表示。休止符表示暫停發(fā)音。一首音樂(lè)是由許多不同的音符組成的，而每個(gè)音符對(duì)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(duì)應(yīng)的延時(shí)，構(gòu)成音樂(lè)。如果單片機(jī)要自己播放音樂(lè)就必須考慮到節(jié)拍的設(shè)置。對(duì)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(shí)間后再輸出低電平。通過(guò)改變延遲時(shí)間可以改變單片機(jī)的輸出頻率。單片機(jī)的延時(shí)主要有兩種方式，即軟件延時(shí)和使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器延時(shí)。其中軟件延時(shí)不是很精確，而電子琴電路由于每個(gè)音符的頻率值要求比較嚴(yán)格，因此我們選用定時(shí)/計(jì)數(shù)器延時(shí)。由于本課程設(shè)計(jì)是由用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入彈奏樂(lè)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(lè)中的音符和對(duì)應(yīng)的頻率，利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生方波頻率信號(hào)即可。要產(chǎn)生相應(yīng)的音頻脈沖，只需要計(jì)算出某音頻的周期，再除以2。利用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)半周期，計(jì)滿時(shí)使P2.0反向，然后重復(fù)計(jì)時(shí)再反向。本例中，單片機(jī)工作在12MHz時(shí)鐘，使用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0，工作模式為1，改變計(jì)數(shù)初值TH0、TL0就可產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號(hào)。例如低3MI音，頻率為330Hz，其周期T=1/f=1/330=3030us，計(jì)數(shù)值N=3030/2=1515,所以每計(jì)數(shù)1515次P2.0反向。計(jì)數(shù)初值T=65536-N=64021。C調(diào)的各音符頻率與計(jì)數(shù)值T的對(duì)照表如表1所示。表1C調(diào)各音符頻率與計(jì)數(shù)值T對(duì)照表音符頻率(HZ)簡(jiǎn)譜碼(T值)音符頻率(HZ)簡(jiǎn)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(jiǎn)易電子琴基本原理及其框圖2.2.1基本思想簡(jiǎn)易的電子琴系統(tǒng)主要是采用AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)工作于12MHZ的時(shí)鐘頻率，使用其定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0，工作模式為1，設(shè)計(jì)4*4鍵盤(pán)矩陣，設(shè)置成16個(gè)音，可隨意彈奏想要表現(xiàn)的音樂(lè)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)產(chǎn)生的音頻脈沖沒(méi)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，所以用三極管放大電路實(shí)現(xiàn)音頻的放大，保證揚(yáng)聲器能產(chǎn)生所要實(shí)現(xiàn)的音符聲音。2.2.2硬件框圖2.2.3軟件設(shè)計(jì)流程圖本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為核心處理器件，按下復(fù)位鍵，進(jìn)入初始化，調(diào)用鍵盤(pán)掃面子程序，獲得鍵值，查詢音階表，獲取定時(shí)初值，向喇叭輸入相應(yīng)頻率的脈沖驅(qū)動(dòng)，發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)，若按鍵沒(méi)有釋放，則一直發(fā)聲；若按鍵松開(kāi)，則停止發(fā)聲。當(dāng)讀到結(jié)束符時(shí)，停止播放音樂(lè)。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(yáng)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(jī)AT89S52或STC89C52U11晶振12MHzY11簡(jiǎn)易電子琴硬件電路圖：3.2單片機(jī)89C51的簡(jiǎn)介AT89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，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，看門(mén)狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)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(shí)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(jī)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(shí)，要保持RST引腳2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間；XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入；XTAL2（18）：來(lái)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(gè)TTL門(mén)電流；/:當(dāng)保持低電平時(shí)，單片機(jī)只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。為高電平時(shí)，單片機(jī)只訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。3.3鍵盤(pán)電路鍵盤(pán)是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備，大致可以分為獨(dú)立連接式鍵盤(pán)和矩陣式。獨(dú)立連接式鍵盤(pán)是最簡(jiǎn)單的鍵盤(pán)電路，每個(gè)鍵獨(dú)立接入一根數(shù)據(jù)線。這種鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但是占用的I/O口線較多。矩陣式鍵盤(pán)由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，行列式鍵盤(pán)可節(jié)省I/O口，適合按鍵數(shù)較多的場(chǎng)合。所以本設(shè)計(jì)的4*4鍵盤(pán)采用矩陣式鍵盤(pán)。3.4振蕩電路單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)內(nèi)各種位操作的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)鐘信號(hào)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(jiǎn)稱(chēng)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(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(shí)鐘脈沖。晶振通常選用6MHz、12MHz或者24MHz。本設(shè)計(jì)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(shí)鐘信號(hào)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(jī)內(nèi)電路的初始化，是單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位引腳RET出現(xiàn)5ms以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，而無(wú)法執(zhí)行程序。因此要求單片機(jī)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(kāi)關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。開(kāi)關(guān)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開(kāi)關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。上電后，由于電容要充電，是RST持續(xù)一段時(shí)間高電平時(shí)間。當(dāng)單片機(jī)已經(jīng)在運(yùn)行之中時(shí)，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時(shí)間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電且開(kāi)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(jī)啟動(dòng)后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)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(shí)候，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過(guò)程中，電容開(kāi)始釋放之前充的電量。隨著時(shí)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(gè)時(shí)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(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。3.6音頻放大電路使用PNP管來(lái)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(lái)隔離直流電用的。PNP管放大原理：當(dāng)PNP管的VC<VB<VE時(shí)，使得集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏時(shí)，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(chēng)為管子的放大作用。本課程設(shè)計(jì)的音頻放大電路圖（三極管型號(hào)為9015）：四、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)的軟件主程序/*名稱(chēng)：簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)說(shuō)明：本程序運(yùn)行時(shí)，按下矩陣鍵盤(pán)中的按鍵，數(shù)碼管會(huì)顯示當(dāng)前的按鍵值，蜂鳴器會(huì)播放對(duì)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(pán)的控制IOsbitBEEP=P2^7;//蜂鳴器對(duì)應(yīng)的控制IO//共陽(yáng)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(duì)應(yīng)的延時(shí)uintcodeTable_Tone[]={64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178};ucharKeyNo;//按鍵序號(hào)/**延時(shí)子函數(shù)**/voidDelayMS(uchartime){uchari;while(time--){for(i=0;i<120;i++);}}/**矩陣鍵盤(pán)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(gè)為0，3個(gè)仍為1Temp=KeyIO^0x0f;//異或操作會(huì)把3個(gè)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(gè)為0，3個(gè)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(shí)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(pán)的掃描SmgIO=Table_Smg[KeyNo];//顯示按鍵數(shù)值TR0=1;//啟動(dòng)定時(shí)器，并發(fā)出對(duì)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(jī)試運(yùn)