基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴電路設(shè)計(jì)

PAGE單片機(jī)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目:基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴電路設(shè)計(jì)初始條件：簡(jiǎn)易電子琴一般具有彈奏一個(gè)自然大調(diào)7聲音階的功能。本課程設(shè)計(jì)，要求用AT89C51等系列芯片實(shí)現(xiàn)控制功能，利用按鍵實(shí)現(xiàn)音符和音調(diào)的輸入；兩位的數(shù)碼管進(jìn)行被操作的按鍵顯示；用LM386放大電路實(shí)現(xiàn)低音頻功率放大；最后用蜂鳴器進(jìn)行播放“送別”。要求完成的主要任務(wù):1.設(shè)計(jì)任務(wù)

根據(jù)已知條件，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易電子琴。

2.設(shè)計(jì)要求

（1）基本要求：

①具備7個(gè)按鍵，能夠分別較準(zhǔn)確地彈奏出1～7八個(gè)音符。

②選擇電路方案，完成對(duì)確定方案電路的設(shè)計(jì)。計(jì)算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總體電路原理圖，闡述基本原理。用EWB或MULTISIM軟件完成仿真，之后制作出相應(yīng)實(shí)物，并按規(guī)定格式寫出課程設(shè)計(jì)報(bào)告書。（2）擴(kuò)展要求：（在完成基本要求的前提下，學(xué)有余力的同學(xué)可完成）

①

能夠彈奏出至少21個(gè)音符（三個(gè)音階）。

②

能夠較便捷地完成音階的升降。（用另外三個(gè)按鍵開關(guān)實(shí)現(xiàn)正常、升8度和降8度的切換）。時(shí)間安排：序號(hào)階段內(nèi)容所需時(shí)間（周）1方案選擇及電路設(shè)計(jì)假期進(jìn)行2制作、編程、調(diào)試13撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告及答辯1合計(jì)2指導(dǎo)教師簽名：年月日

基于單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要目的：本設(shè)計(jì)主要研究基于AT89C52單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)。方法：它是以單片機(jī)作為主控核心，設(shè)置鍵盤、蜂鳴器等外圍器件；另外還用到一些簡(jiǎn)單器件如：兩位數(shù)碼管，和NPN型三極管及電阻等。利用按鍵實(shí)現(xiàn)音符和音調(diào)的輸入；兩位的數(shù)碼管進(jìn)行被操作的按鍵顯示；用NPN型三極管8550實(shí)現(xiàn)低音頻功率放大；最后用蜂鳴器進(jìn)行播放“送別”。結(jié)果：本設(shè)計(jì)硬件部分主要由最小系統(tǒng)，按鍵系統(tǒng)模塊、數(shù)碼管顯示模塊和蜂鳴器模塊組成。其軟件部分主要有主程序模塊、定時(shí)中斷程序、定時(shí)計(jì)數(shù)程序、顯示程序。（1）最小系統(tǒng)：它是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。它包括單片機(jī)的選擇、時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單的I/O口擴(kuò)展、掉電保護(hù)等。（2）按鍵系統(tǒng)模塊：本設(shè)計(jì)采用10個(gè)按鍵，其中7個(gè)按鍵用來顯示7個(gè)音調(diào)，其它3個(gè)按鍵可以進(jìn)行高低中音的切換，并自動(dòng)播放已存歌曲。（3）數(shù)碼管顯示模塊：SM420562段選端接在單片機(jī)的P0口，兩個(gè)位選端分別接在P2^0和P2^1。（4）蜂鳴器模塊：此電子琴發(fā)音電路是通過三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)音，經(jīng)過上拉電阻提高驅(qū)動(dòng)能力。結(jié)論：本次設(shè)計(jì)首先對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電子琴仔細(xì)分析，接著制作硬件電路和編寫軟件的程序，最后進(jìn)行軟硬件的調(diào)試運(yùn)行。并且從原理圖，主要芯片，各模塊的原理和各個(gè)模塊的程序調(diào)試來闡述。利用單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，實(shí)現(xiàn)高、中、低共21個(gè)音符的發(fā)音和顯示和音樂播放時(shí)的控制顯示，并且能自動(dòng)播放程序中編排的音樂。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)比高等，具有一定的使用和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)定時(shí)中斷蜂鳴器數(shù)碼管c語言編程3軟件程序設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)分析（1）系統(tǒng)軟件的組成①鍵盤掃描程序：檢測(cè)是否有按鍵按下，有按鍵按下則記錄按下鍵的鍵值，并跳轉(zhuǎn)至功能轉(zhuǎn)移程序；無按鍵按下，則返回鍵盤掃描程序繼續(xù)檢測(cè)。②功能轉(zhuǎn)移程序：對(duì)檢測(cè)到的按鍵值進(jìn)行判斷，是琴鍵則跳轉(zhuǎn)至琴鍵處理程序，是功能鍵則跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的功能程序，我們?cè)O(shè)計(jì)的功能程序有兩種，即音色調(diào)節(jié)功能和自動(dòng)播放樂曲的功能。③琴鍵處理程序：根據(jù)檢測(cè)到的按鍵值，查詢音調(diào)表，給計(jì)時(shí)器賦值，使發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音。④自動(dòng)播放歌曲程序：檢測(cè)到按鍵按下的是自動(dòng)播放歌曲功能鍵后執(zhí)行該程序，電子琴會(huì)自動(dòng)播放事先已經(jīng)存放的歌曲，歌曲播放完畢之后自動(dòng)返回至鍵盤掃描程序，繼續(xù)等待是否有按鍵按。3.2參數(shù)計(jì)算（1）發(fā)音原理若要產(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(shí)間。利用定時(shí)器計(jì)時(shí)半周期時(shí)間，每當(dāng)計(jì)時(shí)終止后就將P1.0反相，然后重復(fù)計(jì)時(shí)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(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。（2）計(jì)算舉例例如，頻率為523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)956μs/1μs＝956，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：N＝fi÷2÷fr，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：T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr例如：設(shè)K＝65536，fi＝1MHz，求中音DO（261Hz）。T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr，中音DO的T＝65536－500000/523＝64580。（3）計(jì)算結(jié)果（1）單片機(jī)12MHZ晶振，中音符與計(jì)數(shù)T0相關(guān)的計(jì)數(shù)值如表所示：音符頻率（HZ）計(jì)數(shù)值（T值）音符頻率（HZ）計(jì)數(shù)值（T值）低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763737中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83194934#2RE#31163928中6LA88064968低3MI33064021#6LA#93264994低4FA34964103中7SI96865030#4FA#37064185低1DO104665058低SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#149065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764633#5SO#166165235#2RE#62264884高6LA176065252中3MI65964732#6LA#186565268中4FA69864820高7SI196765283采用查表程序進(jìn)行查表時(shí)，可以為這個(gè)音符建立一個(gè)表格，有助于單片機(jī)通過查表的方式來獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)：低音0－19之間，中音在20－39之間，高音在40－59之間。用單片機(jī)播放音樂，或者彈奏電子琴，實(shí)際上是按照特定的頻率，輸出一連串的方波。為了輸出合適的方波，首先應(yīng)該知道音符與頻率的關(guān)系。（2）音調(diào)數(shù)據(jù)表

曲調(diào)值DELAY曲調(diào)值DELAY調(diào)4/4125ms調(diào)4/462ms調(diào)3/4187ms調(diào)3/494ms調(diào)2/4250ms調(diào)2/4125ms上表中的頻率數(shù)值，有些過多，去掉不常用的黑鍵頻率，只是把白鍵對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)中，即可滿足絕大部分的應(yīng)用需求。

定義音調(diào)數(shù)據(jù)表的程序如下：DW63628,63835,64021,64103,64260,64400,6452464580,低音區(qū):1234567

DW64580,64671,64777,64820,64898,64968,6503065058中音區(qū):1234567

DW65058,65110,65157,65178,65217,65252,6528365312高音區(qū):1234567把這個(gè)數(shù)據(jù)表，放在程序中，需要播音的時(shí)候，就從表中取出一個(gè)數(shù)據(jù)送到定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器溢出中斷的時(shí)候，再對(duì)輸出引腳取反，那么，在揚(yáng)聲器中，即可聽到上表中頻率的聲音。3.3程序設(shè)計(jì)（1）判斷音階（高中低音）子程序在軟件設(shè)計(jì)中采用yinjie代表音階，如下所示音階Yinjie值高2中1低0初始化狀態(tài)為中音（yinjie=1），電路中設(shè)計(jì)高、低兩個(gè)音階鍵。上電后，若無按鍵按下，則為中音模式。若音階鍵被按下，則如下流程圖所示，初始化后進(jìn)行按鍵掃描，在高音鍵按下，若初始yinjie不為2，則另yinjie=2,進(jìn)入高音工作模式，若初始yinjie為2，則對(duì)yinjie進(jìn)行初始化，即另yinjie=1,重新進(jìn)入進(jìn)入中音工作模式，這樣即實(shí)現(xiàn)了高音鍵切換高、中音方式的轉(zhuǎn)換。同理，用低音鍵實(shí)現(xiàn)中、低音的切換。圖3-1判斷音階（高中低音）子程序（2）播放子程序（包括自動(dòng)播放存儲(chǔ)音樂和按鍵發(fā)音）本設(shè)計(jì)共兩種播放模式，包括自動(dòng)播放存儲(chǔ)音樂和按鍵發(fā)音。上電后，首先開中斷并設(shè)定定時(shí)器0為工作方式1，當(dāng)自動(dòng)播放鍵按下時(shí)，進(jìn)入中斷，根據(jù)樂譜在定義的音頻數(shù)組中查找相應(yīng)音律，然后給定時(shí)器賦初值，即開始播放音樂。當(dāng)DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七種音符鍵按下時(shí)，根據(jù)音階值（如3.3.1中高中低對(duì)應(yīng)）和音符值在定義的音頻數(shù)組中查找相應(yīng)音律，然后給定時(shí)器賦初值，即按鍵發(fā)音。圖3-2播放子程序（3）由此可得系統(tǒng)總體功能流程圖圖3-3系統(tǒng)總功能流程圖4系統(tǒng)仿真與調(diào)試4.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試主要是針對(duì)單片機(jī)部分進(jìn)行的調(diào)試。在上電之前，先確保電路中不存在斷路或短路情況，這一工作是整個(gè)調(diào)試工作的第一步，也是非常重要的一個(gè)步驟。在這部分調(diào)試中主要使用的工具是萬用表，用來完成檢測(cè)電路中是否存在斷路或者短路情況的任務(wù)。注意焊點(diǎn)之間，確保焊點(diǎn)沒有短接在一起，同時(shí)注意焊點(diǎn)的美觀，確保沒有開路以及短路的現(xiàn)象出現(xiàn)。在確保硬件電路正常且無異常情況(斷路或短路)的情況下方可上電調(diào)試，上電調(diào)試的目的是檢驗(yàn)電路是否接錯(cuò)，同時(shí)還要檢驗(yàn)原理是否正確，在本次設(shè)計(jì)中，上電調(diào)試主要是檢測(cè)單片機(jī)控制部分、數(shù)碼管點(diǎn)亮部分、和音頻轉(zhuǎn)換電路硬件調(diào)試。(1)、數(shù)碼管LED電路調(diào)試：接通電源，隨機(jī)按下按鈕可以看到數(shù)碼管顯示數(shù)字。(2)、鍵盤單片機(jī)控制部分調(diào)試：上電后，隨機(jī)按動(dòng)鍵盤可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的音正確。4.2軟件調(diào)試調(diào)試主要方法和技巧：通常一個(gè)調(diào)試程序應(yīng)該具備至少四種性能：跟蹤、斷點(diǎn)、查看變量、更改數(shù)值。整個(gè)程序是一個(gè)主程序調(diào)用各個(gè)子程序?qū)崿F(xiàn)功能的過程，要使主程序和整個(gè)程序都能平穩(wěn)運(yùn)行，各個(gè)模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運(yùn)行必不可少，所以在軟件調(diào)試的最初階段就是把各個(gè)子程序模塊進(jìn)行分別調(diào)試。4.3仿真結(jié)果（任舉一例）圖4-1低音音符DO仿真圖4.4結(jié)果分析根據(jù)仿真結(jié)果可知，本次課程設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確并徹底的完成設(shè)計(jì)要求。左側(cè)數(shù)碼管可以顯示a、b、c三種結(jié)果，分別代表低音、中音和高音。右側(cè)數(shù)碼管可以顯示1、2、3、4、5、6、7七個(gè)數(shù)字，分別代表DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七種音符。下面以4.3為例具體進(jìn)行分析：當(dāng)系統(tǒng)上電后，若按下低音鍵（如圖P3.6）,，則選定工作方式為低音模式，圖中a即代表低音。P0口連接數(shù)碼管段選端，右側(cè)數(shù)碼管顯示的1即代表DO。兩位數(shù)碼管即代表低音DO。5總結(jié)與展望總體來說，此次單片機(jī)課程設(shè)計(jì)使我們收獲良多，雖然課程設(shè)計(jì)的過程中遇到了很多困難與問題，但我們最終還是完成了設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求。具體來說可以分為以下幾點(diǎn)：第一，不夠細(xì)心，不夠嚴(yán)謹(jǐn)（如因?yàn)榇中拇笠舛稿e(cuò)線）；第二，因?qū)φn本理論的掌握度不夠?qū)е戮幊坛霈F(xiàn)錯(cuò)誤；第三，硬件方面，剛開始有的程序模塊不能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的效果，對(duì)于有的硬件，在實(shí)物制作過程中焊了比較多的排線，同時(shí)對(duì)于整體各元器件的布局都有很高的要求。不過在向同學(xué)請(qǐng)教，各方面都有了不同程度的改善；第四，在做人方面，我認(rèn)識(shí)到，無論做什么事情，只要你足夠堅(jiān)強(qiáng)，有足夠的毅力和決心，有足夠的挑戰(zhàn)困難的勇氣，就沒有什么辦不到的。這次課程設(shè)計(jì)中，經(jīng)過我們的努力，在仿真軟件和實(shí)物上都實(shí)現(xiàn)了高、中、低21個(gè)音符的發(fā)聲和音樂的自動(dòng)播放，使我們有了一定的成就感，也使我們進(jìn)一步熟悉和掌握了單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，了解了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法和步驟,掌握了單片機(jī)仿真軟件Proteus的使用方法和鍵盤、顯示器在的單片機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，同時(shí)也掌握了撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告的方法?？傊ㄟ^這次課程設(shè)計(jì)，我們都清楚明白了自己的能力有多深，想提高還得歸于多鍛煉，多動(dòng)手，多向別人學(xué)習(xí)。6參考文獻(xiàn)【1】余發(fā)山、王福忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù).中國礦業(yè)大學(xué)出版社.2008年6月第1版【2】楊凌霄.微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用，中國礦業(yè)大學(xué)出版社.2008年8月第一版【3】康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分），高等教育出版社.第五版【4】徐志軍,伊廷輝等.EDA技術(shù)與PLD設(shè)計(jì)人民郵電出版社,2006年2月第1版【5】李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版色，2001.【6】胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.附件1：源程序代碼#include<reg52.h>#definekeyportP1#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharhigh,low; //定時(shí)器預(yù)裝值的高8位和低8位sbitspeak=P3^0;sbitgao=P3^5;sbitdi=P3^6;sbitzdbf=P3^7;ucharyinjie=1;uchartime;ucharn=0;ucharbo=0;ucharcodefre[][2]={ 0x8c,0xf8, 0x5b,0xf9, 0x15,0xfa, 0x67,0xfa, 0x90,0xfb, 0xae,0xfb, 0x0c,0xfc,//低音 0x44,0xfc, 0xac,0xfc, 0x09,0xfd, 0x34,0xfd, 0x82,0xfd, 0xc2,0xfd, 0x06,0xfe,//中音 0x22,0xfe, 0x56,0xfe, 0x85,0xfe, 0x9a,0xfe, 0xc1,0xfe, 0xe4,0xfe, 0x03,0xff, //高音 };voiddelay(uint);voidITimer0(void);//定時(shí)器初始化voidkey(void);voiddtxs(int,int);voidsong(){TH0=high;TL0=low;TR0=1;delay(time*240);}voidyinyue(){ucharcodehls[]={5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,4,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,1,2,1,2,2,1,3,2,2,2,2,1, 1,2,1,2,2,6,5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,3,7,2,1,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,1,1,2,6,6,2,2,1,3,2,1,3,4,7,2,2,6,2,1,7,2,1,1,3,4,6,2,1, 7,2,1,1,3,1,6,2,1,6,2,1,5,2,1,3,2,1,1,2,1,2,2,6,5,2,2,3,2,1, 1,2,1,1,3,3,7,2,1,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,1,1,2,6 }; ucharm; n=0;while(n<174) { m=hls[n]+7*(hls[n+1]-1)-1; high=fre[m][1]; low=fre[m][0]; time=hls[n+2]; n=n+3; song(); }} voidmain(void){ ucharnum; ITimer0(); speak=0; while(1) { key(); switch(keyport) { case0xfe:num=1;break; case0xfd:num=2;break; case0xfb:num=3;break;case0xf7:num=4;break;case0xef:num=5;break;case0xdf:num=6;break;case0xbf:num=7;break;case0x7f:num=8;break;default:num=0;break; } if(num==0) { TR0=0; speak=0; } else { high=fre[7*yinjie+num-1][1]; low=fre[7*yinjie+num-1][0]; TR0=1; } dtxs(yinjie,num); }}voidITimer0(void){TMOD|=0x01;//使用模式1，16位定時(shí)器，使用"|"符號(hào)可以在使用多個(gè)定時(shí)器時(shí)不受影響EA=1;//總中斷打開ET0=1;//定時(shí)器中斷打開TR0=1;//定時(shí)器開關(guān)打開}voidTimer0_isr(void)interrupt1{TH0=high;TL0=low;speak=!speak;if(zdbf==0){ delay(100); if