基于51單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

基于51單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

單片機(jī)原理》課程設(shè)計(jì)前言本課程設(shè)計(jì)旨在通過(guò)基于51單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)，加深學(xué)生對(duì)單片機(jī)原理的理解和應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，我們將介紹電子琴的設(shè)計(jì)要求、所用設(shè)備及軟件以及總體設(shè)計(jì)方案。隨后，我們將詳細(xì)介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中琴鍵控制電路、音頻功放電路、時(shí)鐘-復(fù)位電路和LED顯示電路的設(shè)計(jì)。第1章基于51單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)1.1電子琴的設(shè)計(jì)要求在電子琴的設(shè)計(jì)中，我們需要考慮琴鍵數(shù)量、音頻輸出質(zhì)量、電源電壓和外部接口等因素。在本設(shè)計(jì)中，我們將采用25個(gè)琴鍵，保證音頻輸出質(zhì)量和電源電壓穩(wěn)定，并提供外部接口以便于擴(kuò)展和調(diào)試。1.2電子琴設(shè)計(jì)所用設(shè)備及軟件在本設(shè)計(jì)中，我們將使用51單片機(jī)、琴鍵、音頻功放、時(shí)鐘、LED顯示器等設(shè)備，并使用KeilC51編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。1.3總體設(shè)計(jì)方案在總體設(shè)計(jì)方案中，我們將采用按鍵掃描方式實(shí)現(xiàn)琴鍵控制，使用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)音頻輸出，使用外部晶振提供時(shí)鐘信號(hào)，并使用LED顯示器顯示琴鍵狀態(tài)。第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1琴鍵控制電路在琴鍵控制電路中，我們將采用矩陣按鍵掃描方式，通過(guò)51單片機(jī)的IO口進(jìn)行掃描和檢測(cè)。同時(shí)，我們還將使用電容式觸摸開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)琴鍵的觸發(fā)。2.2音頻功放電路在音頻功放電路中，我們將采用TDA7297芯片作為功放，通過(guò)PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)音頻輸出，并通過(guò)濾波電路濾除雜音和諧波。2.3時(shí)鐘-復(fù)位電路在時(shí)鐘-復(fù)位電路中，我們將采用12MHz晶振作為時(shí)鐘源，并使用復(fù)位電路確保系統(tǒng)在上電時(shí)能夠正確運(yùn)行。2.4LED顯示電路在LED顯示電路中，我們將采用MAX7219芯片實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣顯示，并通過(guò)SPI接口與51單片機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí)，我們還將使用CD4511芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管顯示琴鍵狀態(tài)。通過(guò)本課程設(shè)計(jì)，我們可以深入理解單片機(jī)原理的應(yīng)用，掌握電子琴的設(shè)計(jì)和制作技術(shù)，提高自身的實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力。2.5整體電路本章將介紹電子琴的整體電路設(shè)計(jì)。電子琴的整體電路主要包括音源電路、控制電路、顯示電路、電源電路等。3.1系統(tǒng)硬件接口定義在電子琴系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，硬件接口定義是非常重要的。本節(jié)將介紹電子琴系統(tǒng)的硬件接口定義，包括按鍵接口、音源接口、顯示接口等。3.2主函數(shù)主函數(shù)是電子琴系統(tǒng)中最重要的函數(shù)之一。本節(jié)將介紹電子琴系統(tǒng)主函數(shù)的程序結(jié)構(gòu)和功能。3.2.1主函數(shù)程序電子琴系統(tǒng)的主函數(shù)程序主要包括初始化設(shè)置、按鍵掃描、音源控制、LED顯示等功能。在主函數(shù)中，需要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。3.3按鍵掃描及LED顯示函數(shù)按鍵掃描和LED顯示是電子琴系統(tǒng)中的兩個(gè)非常重要的功能。本節(jié)將介紹如何實(shí)現(xiàn)按鍵掃描和LED顯示功能。3.3.1鍵盤去抖及LED顯示子程序在電子琴系統(tǒng)中，按鍵的去抖是非常重要的。本節(jié)將介紹如何實(shí)現(xiàn)按鍵去抖功能，并介紹LED顯示子程序的實(shí)現(xiàn)方法。3.4中斷函數(shù)中斷函數(shù)是電子琴系統(tǒng)中的另一個(gè)重要功能。本節(jié)將介紹如何實(shí)現(xiàn)中斷函數(shù)，并介紹中斷程序的實(shí)現(xiàn)方法。3.4.1中斷程序在電子琴系統(tǒng)中，中斷程序的實(shí)現(xiàn)非常重要。本節(jié)將介紹如何實(shí)現(xiàn)中斷程序，并介紹中斷程序的實(shí)現(xiàn)方法。第4章電子琴和調(diào)試本章將介紹電子琴的制作和調(diào)試過(guò)程。在制作電子琴的過(guò)程中，需要注意一些關(guān)鍵問(wèn)題，如電路設(shè)計(jì)、元器件選型、PCB設(shè)計(jì)等。同時(shí)，在調(diào)試過(guò)程中，需要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。本課程設(shè)計(jì)旨在通過(guò)對(duì)單片機(jī)原理的研究與實(shí)踐，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的電子琴。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們將掌握單片機(jī)的基本原理和應(yīng)用，同時(shí)了解電子琴的基本工作原理和音樂(lè)原理。4.1調(diào)試工具在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們使用了Keiln5作為開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)該工具可以進(jìn)行單片機(jī)程序的編寫、調(diào)試和下載。同時(shí)，我們還使用了示波器和萬(wàn)用表等工具來(lái)進(jìn)行硬件電路的調(diào)試和測(cè)試。4.2調(diào)試結(jié)果經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試和測(cè)試，我們最終成功實(shí)現(xiàn)了電子琴的基本功能，包括音符的發(fā)聲、音量的調(diào)節(jié)和音符的連續(xù)演奏等。同時(shí)，我們還對(duì)電子琴進(jìn)行了優(yōu)化，使其具有更好的音質(zhì)和穩(wěn)定性。4.3電子琴設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決方法在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們遇到了一些問(wèn)題，如音符發(fā)聲不穩(wěn)定、按鍵失靈等。針對(duì)這些問(wèn)題，我們采取了一些解決方法，如優(yōu)化程序代碼、更換按鍵等。通過(guò)不斷的嘗試和調(diào)試，最終解決了這些問(wèn)題，使電子琴的性能得到了提升。第5章電子琴設(shè)計(jì)總結(jié)通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，我們深入了解了單片機(jī)的原理和應(yīng)用，同時(shí)也掌握了電子琴的基本工作原理和音樂(lè)原理。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們遇到了一些問(wèn)題，但通過(guò)不斷的調(diào)試和優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)了電子琴的基本功能和優(yōu)化。這次設(shè)計(jì)不僅提高了我們的實(shí)踐能力，也增強(qiáng)了我們的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和解決問(wèn)題的能力。參考文獻(xiàn)1]《單片機(jī)原理及應(yīng)用》。北京：___，2018.2]《電子琴原理及應(yīng)用》。北京：電子工業(yè)出版社，2017.附錄電子琴程序代碼及電路圖。本設(shè)計(jì)的電子琴共有7個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵代表一個(gè)音符，按鍵按下后會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的音符輸出，并通過(guò)LED管顯示按下的琴鍵所對(duì)應(yīng)的鍵值。為實(shí)現(xiàn)這一功能，本設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)AT89C51作為主控芯片，并配合輸入電路、輸出電路、LED顯示電路、音頻功放電路、時(shí)鐘-復(fù)位電路和電源電路等五部分構(gòu)成電子琴電路。其中，輸入電路通過(guò)8輸入與門芯片CD4068B收集7個(gè)獨(dú)立按鍵的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，并觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷來(lái)處理；輸出電路則通過(guò)單片機(jī)解碼輸出音符，最終在音頻功放電路中發(fā)出有效的聲音。為方便用戶操作，LED顯示電路負(fù)責(zé)顯示按下的琴鍵所對(duì)應(yīng)的鍵值。整個(gè)電路的系統(tǒng)穩(wěn)定性高，功耗小，同時(shí)采用LED管顯示電路也節(jié)省成本，降低了編程難度。為實(shí)現(xiàn)電子琴的功能，本設(shè)計(jì)采用了仿真軟件Proteus和編程軟件Keiln4.Proteus軟件具有原理布圖、PCB自動(dòng)或人工布線、SPICE電路仿真等功能，同時(shí)還具有互動(dòng)的電路仿真、仿真處理器及其外圍電路等革命性特點(diǎn)。而Keiln3IDE的基礎(chǔ)上增加了多顯示器和靈活的窗口管理系統(tǒng)、系統(tǒng)瀏覽器窗口的顯示設(shè)備外設(shè)寄存器信息、調(diào)試還原視圖創(chuàng)建并保存多個(gè)調(diào)試窗口布局、多項(xiàng)目工作區(qū)簡(jiǎn)化等大眾化的功能。通過(guò)這兩款軟件的配合，可以實(shí)現(xiàn)電子琴的編寫與仿真。整個(gè)電子琴電路的原理框圖如圖1-1所示。其中，輸入電路通過(guò)7個(gè)獨(dú)立按鍵將表達(dá)的音符作為電平送給主體電路，中央處理器通過(guò)識(shí)別和解碼輸出音符，在揚(yáng)聲器中發(fā)出有效的聲音。為方便用戶操作，LED顯示電路負(fù)責(zé)顯示按下的琴鍵所對(duì)應(yīng)的鍵值。整個(gè)電路的穩(wěn)定性高，功耗小，同時(shí)采用LED管顯示電路也節(jié)省成本，降低了編程難度。本設(shè)計(jì)采用接觸開(kāi)關(guān)式按鍵，但存在機(jī)械抖動(dòng)，會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此需要進(jìn)行消抖處理。一般抖動(dòng)時(shí)間為5~10ms，手動(dòng)按下鍵時(shí)穩(wěn)定閉合的時(shí)間超過(guò)20ms。因此單片機(jī)在檢測(cè)按鍵是否按下時(shí)需要加上去抖動(dòng)操作?？捎密浖訒r(shí)的方法解決抖動(dòng)問(wèn)題，不必添加多余硬件。本設(shè)計(jì)采用軟件消抖方法編寫一個(gè)消抖程序。當(dāng)按鍵按下去后，首先進(jìn)行連續(xù)兩次取樣，如果兩次都為低電平，則輸出低電平；如果其中有一次高電平，則輸出高電平。本設(shè)計(jì)采用LED顯示，當(dāng)鍵盤得到低電平時(shí)，輸出P1口的LED常亮，表示所指向的鍵盤動(dòng)作。中斷函數(shù)用到了定時(shí)器中斷。定時(shí)中斷的流程框圖如圖3-4所示，定時(shí)器溢出中斷后，進(jìn)行重裝載初值，同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的音頻控制操作。中斷程序如下：voidt0(void)interrupt1TH0=STH0;TL0=STL0;SPEAKER=~SPEAKER;電子琴和調(diào)試的具體實(shí)現(xiàn)在本文中未給出，因此無(wú)法進(jìn)行修改。Chapter5SummaryofElectronicKeyboardDesignInthefieldofelectronicmusic。electronic___。duetothepopularityofelectronicmusic。electronickeyboardhaseanewtypeofelectronicinstrument。Thisdesignisbasedontheelectronickeyboardcircuitofthesingle-chipputerAT89C51.whichiscomposedoffiveparts:keyboardcontrolcircuit。digitaldisplaycircuit。poweramplifiercircuit。clock-resetcircuit。andpowersupplycircuit。ThekeyboardcontrolcircuitadoptstheCD4068B8-inputgatechiptocollecttheswitchstatesignalsof8independentkeysandtriggertheexternalinterruptofthesingle-chipputerforprocessing。TheLEDdisplaycircuit___thekeyvaluecorrespondingtothepressedkey。Atthesametime。the。poweramplifiercircuitwillplaythetonecorrespondingtothepressedkey。Thepowersupplycircuitprovides___.Thedesignoftheelectronickeyboardwasnotsmoothsailing。andmanyproblems___duringthisd。asnedintheuschapterandwillnotbe___.Throughthiscoursedesign。Ihavegainedalot。Firstly。intermsofhardware。Ihaveabasicunderstandingofthedevelopmentprocessofelectronicproductsandtheworktobedone。andIhaveabasicgraspofthemethodof___。Ihaveadeeperunderstandingoftheinterfaceofthe51seriessingle-chipputer。andIamfamiliarwithsomecommonlyusedperipheralcircuitpinsandnmethodsofthesingle-chipputer。suchasLEDdigitaltubesandkeyboards。Intermsofare。throughtheuseofexternalinterrupts。timers/counters。andI/O。myClanguageprogrammingabilityhasalsomadegreatprogress.___:1]WeiHonglei。PrinciplesandnsofEmbeddedSystems(CLanguageProgramming)。TongjiUniversityPress。2015.2]YuanDong。nDevelopmentManualof51Single-Chip___:ElectronicIndustryPress。2011.3]___ofIntelligentSystemsBasedonSingle-Chip___:ElectronicIndustryPress。2005.4]___ofElectronicTechnology。Xi'an:Xi'anUniversityofElectronicScienceandTechnologyPress。2002.5]ZengYi。PengChuwu。PrinciplesandnsofSingle-Chipputer(2ndn)。Changsha:CentralSouthUniversityPress。2009.6]LinLi。PrinciplesandnsofSingle-Chipputer-___:ElectronicIndustryPress。2009.7]PengWei。100ExamplesofSingle-ChipputerCLanguageProgrammingTraining。Beijing:ElectronicIndustryPress。2009.8]GuBin。ZhaoWeijun。___Protel99SE(3rdn)。Beijing:People'___。2013.9]WangWeiqing。ChengGuogang。nDevelopment