簡易電子琴課程設(shè)計

-18-微型計算機課程設(shè)計PAGE18-課程設(shè)計課程名稱微型計算機課程設(shè)計題目名稱簡易電子琴課程設(shè)計報告專業(yè)班級11電子信息科學與技術(shù)3班學生姓名吳俊學號51102023001指導教師謝春祥目錄第1節(jié)引言………………………41.1單片機發(fā)音概述…………41.1.1音調(diào)…………………41.1.2 節(jié)拍……………………71.1.3單片機演奏音樂的方法………………81.2本次設(shè)計的任務(wù)和主要內(nèi)容………………8第2節(jié)系統(tǒng)的主要硬件電路的設(shè)計………………9單片機控制系統(tǒng)原理……………………9芯片的選用…………9簡易電子琴的組成框圖……………10單片機主機系統(tǒng)電路……………………11時鐘頻率……………11晶振電路……………11鍵盤掃描……………12發(fā)音電路……………14供電及復(fù)位電路……………………14系統(tǒng)的軟件設(shè)計…………16程序…………………16結(jié)束語…………………28參考文獻…………39基于AT89C51單片機的簡易電子琴引言隨著生活水平的提高，在放松自己的同時又能提高各個方面的能力。學習和欣賞音樂可以在使人們得到放松的同時，提高人們的精神品質(zhì)和個人素養(yǎng)。當代，愛好音樂的年輕人越來越多，有不少人自己練習彈奏樂器，作為業(yè)余愛好和一種放松的手段，鑒于一些樂器學習難度大需要太多的學習時間，且其價格又太過于高昂，使得一部分有這種想法的人不得不放棄這種想法。而一些簡易的電子樂器價格相對便宜，學習上手快，價格相對便宜，一般人容易負擔的起，能夠滿足一般愛好者的需求。故簡易電子樂器的研制具有一定的社會意義。本次課程設(shè)計主要研究基于AT89C52單片機的16鍵簡易電子琴的設(shè)計。單片機發(fā)音概述由于單片機的強大功能，除了在測試控制領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用外，還有一些而有趣的應(yīng)用。比如，使用單片機可以驅(qū)動蜂鳴器或者揚聲器發(fā)出聲音，還可以控制其發(fā)出不同的聲調(diào)，從而連接起來構(gòu)成一個曲子。目前，市場上有很多種音樂模塊或者音樂芯片，可以直接產(chǎn)生各種曲子。但是，這種模塊價格比較昂貴，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如果系統(tǒng)中僅需要產(chǎn)生簡單的音符或者簡短的曲子，可以使用單片機配合簡單的揚聲器而產(chǎn)生需要的音樂效果。一般說來，單片機不像其他專業(yè)樂器那樣能奏出多種音色的聲音，即不包含相應(yīng)幅度的諧波頻率。單片機演奏的音樂基本都是單音頻率。因此單片機演奏音樂比較簡單，只需要清楚“音調(diào)”和“節(jié)拍”。音調(diào)表示一個音符唱多高的頻率節(jié)拍表示一個音符唱多長的時間1.1.1音調(diào)音調(diào)是音樂學中的名詞，與平時所說的音高十分相似。在音樂中常把中音C上方的A音定為標準音高，其頻率為f=440Hz，其余音均與其進行比較。和為兩個音符，如果兩個音符的頻率相差一倍時，即時，則稱比高一個倍頻程。在音樂中音符1（do）與音符ⅰ之間正好相差一個倍頻程，在音樂學中稱它相差一個八度音。在一個八度音里，有12個半音。以1--ⅰ八音區(qū)為例。12個半音是：1--#1，#1--2，2--#2，#2—3，3—4,4--#4,#4—5,5--#5,#5—6,6--#6,#6—7,7--ⅰ。由于人耳的聽覺效果，這12個音節(jié)的分度基本上是以對數(shù)關(guān)系來劃分的。只要知道了這12個音符的音高，也就是其基本的音樂的頻率，就可以根據(jù)音符之間的倍頻程關(guān)系得到其他音符基本的音調(diào)頻率。知道了一個音符的頻率后，便可以讓單片機發(fā)出相應(yīng)的頻率的振蕩信號，從而產(chǎn)生相應(yīng)的音符聲音。常采用的方法是通過單片機的定時器進行定時中斷，在中斷服務(wù)子程序中將單片機上外界揚聲器的I/O口來回置高電平或置低電平，從而讓揚聲器發(fā)出聲音。為了讓單片機發(fā)出不同頻率音符的聲音，只需將定時器預(yù)置不同的定時值來實現(xiàn)。以標準音高A為例：標準音高A的頻率f=440Hz,其對應(yīng)的周期為：（1-1）因此需要在單片機I/O口輸出周期為T=2272us的方波脈沖，如圖1-1所示圖1-1單片機控制音調(diào)示意圖由上圖可知：單片機輸出高電平和低電平信號均為：（1-2）也就是說，單片機上定時器的中斷觸發(fā)時間為1136us。如果單片機采用定時器工作方式1，它以振蕩器的十二分頻信號為計數(shù)脈沖。設(shè)外接晶振的振蕩器頻率為f0,則定時器的預(yù)置初值由下式來確定：（1-3）式中，Count==65536,為定時器待確定的計數(shù)初值。因此定時器的高低計數(shù)器的初值為：（1-4）（1-5）如果單片機外接12MHz的晶振，則，將t=1136us和代入上面兩式，即可求得標準音高A在單片機定時器工作方式1下的定時器高低計數(shù)器的初值為：（1-6）（1-7）根據(jù)上面的求法，我們可以求出其他音調(diào)相應(yīng)的計數(shù)器的預(yù)置初值。在單片機晶振頻率，定時器在工作方式1下定時器計數(shù)初值見表1-1表1-1晶振頻率定時器在工作方式1下定時器計數(shù)初值表音符頻率/Hz計數(shù)初值音符頻率/Hz計數(shù)初值低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763731中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83164934#1RE#31163928中6LA88064968低3MI33064021#6LA#93264994低4FA34964013中7SI98895030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#1DO＃110965085#5SO41564331高２ＲＥ117565110低6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3MI65964777#6LA#186565268中4FA69864820高7SI1967652831.1.2節(jié)拍在一張完整樂譜開頭，都有如1=CEQ、1=G……等等的標識。這里1=C，1=G標識樂譜的曲調(diào)，簡單的說就是跟音調(diào)有關(guān)系；這里的、用來表示節(jié)拍。對于音符的節(jié)拍，以為例。它表示樂譜中以四分音符為節(jié)拍，每一小節(jié)有三拍。1=G的節(jié)拍示意圖，見圖1-2在圖中，總共有三拍：1、2為一拍，3、4、5為一拍，6為一拍。從時長角度看，1、2的時長為四分音的一半，即為八分音符長；3、4的時長為八分音符的一半，即為十六分音符長；5的時長為四分音符的一半，即為八分音符長；6的時長為四分音符長。1=G1=G圖1-2節(jié)拍示意圖對于一拍的發(fā)音時間，如果樂曲沒有特殊說明，一般說來，一拍的時長大約為400~450ms。如果這里規(guī)定一拍的時長為400ms，那么以四分音符為節(jié)拍時，四分音符的時長為400ms，八分音符的時長為200ms，十六分音符的時長為100ms。 從而，在單片機上可采用循環(huán)延時的辦法來實現(xiàn)控制一個音符唱多長時間。首先要編寫一個精確的基本時長的延時程序，比如說以八分音符的時長為基本延時時間，那么對于一個音符，如果它是四分音符，只需調(diào)用四次延時程序，如果它是二分音符，則只需調(diào)用八次延時程序，以此類推。1.1.3單片機電子琴演奏音樂的方法步驟一：將樂譜中的每個音符的音調(diào)及節(jié)拍變換成相應(yīng)的音調(diào)參數(shù)和節(jié)拍數(shù)。步驟二：將這些參數(shù)做成數(shù)據(jù)表格，存放在存儲器中。步驟三：通過按鍵調(diào)用程序取出一個音符的相關(guān)參數(shù)，播放該音符。步驟四：播放完該音符后，等待下一次按鍵調(diào)用程序去取出下一次的音符的相關(guān)參數(shù)，再播放音符。對于演奏樂曲，一般將休止符的音調(diào)參數(shù)設(shè)置為FFH，節(jié)拍參數(shù)設(shè)置為00H。1.2本設(shè)計任務(wù)和主要內(nèi)容本次課程設(shè)計主要研究基于AT89C51單片機的8鍵簡易電子琴的設(shè)計。具體要求實現(xiàn)以下功能：按下音符鍵可以發(fā)出相應(yīng)的音符按下音樂播放鍵可以自動播放預(yù)先存在內(nèi)存中的曲子系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計單片機控制系統(tǒng)原理2.1.1芯片選用在本次課程設(shè)計中我采用Atmel公司的AT89C51單片機。AT89C51是美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲器和12B的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52單片機屬于AT89C51單片機的增強型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點和指令系統(tǒng)等方面兼容。AT89C52引腳圖見圖2-1.圖2-1AT89C51引腳圖其主要功能特性：·兼容MCS51指令系統(tǒng)·8k可反復(fù)擦寫(>1000次）FlashROM·32個雙向I/O口·256x8bit內(nèi)部RAM·3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷·時鐘頻率0-24MHz·2個串行中斷·可編程UART串行通道·2個外部中斷源·共6個中斷源·2個讀寫中斷口線·3級加密位·低功耗空閑和掉電模式·軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能2.1.2簡易電子琴的組成框圖發(fā)音電路AT89C51AT89C51獨立鍵盤和發(fā)生電路LED燈路供電及復(fù)位電路晶振電路圖2-2電子琴系統(tǒng)原理框圖2.2單片機主機系統(tǒng)電路2.2.1時鐘頻率單片機必須在時鐘的驅(qū)動下才能工作。在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路，只需要外接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，決定單片機的工作速度。外部振蕩源電路一般選用石英晶體振蕩器，此電路在加電大約延遲10mS后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容C1，C2，作用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。C1,C2的典型值為30PF。單片機在工作時，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時鐘信號的周期稱為時鐘周期。起大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，常用fosc表示。如時鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時鐘周期為1/12μs。2.2.2晶振電路AT89C51單片機的定時控制功能是用時鐘電路和振蕩器完成的，而根據(jù)硬件電路的不同，連接方式分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本設(shè)計中采用內(nèi)部時鐘方式。 單片機內(nèi)部有一個反相放大器XTAL1、XTAL2分別為反相放大器的輸入端和輸出端，外接定時反饋元件組成振蕩器（內(nèi)部時鐘方式），產(chǎn)生時鐘送至單片機內(nèi)部各元件。時鐘頻率越高，單片機控制器的控制節(jié)拍就越快，運算速度也就越快。 一般來說單片機內(nèi)部有一個帶反饋的線性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振蕩器）和電容就可組成振蕩器，如圖2-4所示。加電以后延時一段時間（約10ms）振蕩器產(chǎn)生時鐘，不受軟件控制，圖中X1為晶振，震蕩產(chǎn)生的時鐘頻率主要由Y1確定。電容C1，C2的作用有兩個：一是幫助振蕩器起振，二是對振蕩器的頻率起微調(diào)作用，典型值為30pF。圖2-4晶振電路2.2.3鍵盤掃描在單片機應(yīng)用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤，如圖2-5，圖2-6所示。圖2-5獨立鍵盤它們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計上也不復(fù)雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復(fù)雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。本次課程設(shè)計，我采用矩陣式鍵盤電路，這樣可以大大的節(jié)省單片機I/O的開銷。鍵盤電路見圖2-7：圖2-7鍵盤電路在按鍵過程中常產(chǎn)生“毛刺”現(xiàn)象，如圖2-8所示，要消除“毛刺”現(xiàn)象，這里采用最常用的方法，即延時重復(fù)掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾ms，而我們按鍵的時間一般遠遠大于這個時間，所以當單片機檢測到有按鍵動靜后，再延時一段時間(10ms~20ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài)，如果是則為有效按鍵，否則無效。圖2-8“毛刺”現(xiàn)象2.2.4發(fā)音電路電子琴發(fā)音電路見圖2-9。圖2-9電子琴發(fā)音電路2.2.5供電及復(fù)位電路電子琴的供電電路和復(fù)位電路見圖2-10。圖2-10電子琴供電及復(fù)位電路2.2.6電子琴總體電路第3節(jié)系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.1主程序3.1.1主程序的流程圖主程序的程序流程圖見圖3-1.按鍵是否按下按鍵是否按下開始去抖動，延時10ms掃描按鍵位置做一次按鍵處理，播放相應(yīng)的音符或音樂按鍵是否按下圖3-1程序流程圖3.1.2程序#include<reg51.h>#defineLEDP1#defineSW_PortP2sbitbuzzer=P3^7;unsignedcharkeys;unsignedcharcodetone[]={115,102,91,86,77,68,61,57};voidsound(unsignedchar);voiddelay8us(unsignedchar);main(){while(1){LED=SW_Port=0xff; keys=~SW_Port; switch(keys) {case0x01:sound(0);break; case0x02:sound(1);break; case0x04:sound(2);break; case0x08:sound(3);break; case0x10:sound(4);break; case0x20:sound(5);break; case0x40:sound(6);break; case0x80:sound(7);break; } } } voidsound(unsignedcharx) {unsignedchari; LED=SW_Port; for(i=0;i<60;i++) {buzzer=0;delay8us(tone[x]); buzzer=1;delay8us(tone[x]);} LED=0xff; } voiddelay8us(unsignedcharx) {unsignedchari,j; for(i=0;i<x;i++) for(j=0;j<1;j++); }結(jié)束語單片機作為一門軟硬件相結(jié)合的學科，讓許多像我這樣的非電子專業(yè)的學生頭疼不已。起初，我也屬于一個比較“怕硬”的計算機學生，由于大一大二的數(shù)電模電沒學好，所以一提到硬件方面的東西，我就覺得頭疼。最初聽余老師講的單片機的課的時候，屬于余老師每問必倒的學生之一。因此，最初對于這門課并沒有多少興趣。最初從指令系統(tǒng)，尋址方式，到單片機的內(nèi)部資源，一點概念都沒有。雖然每次課都看著大屏幕，聽著老師講課，但還是覺得整門課聽的比較吃力。我覺得單片機作為微型計算機的一種，必然和計算機有一定的共性。后來有一段時間，我在課余的時間去旁聽了幾堂韓建民老師的《計算機組成原理》，對計算機的指令系統(tǒng)和尋址方式有了點認識，再回過頭來看單片機