基于AT89C51的电子琴设计 论文.doc

1摘要本文的主要内容是用AT89C51单片机为核心控制元件，通过脉冲信号产生出电子音调，设计一个简易电子琴。以单片机作为主控核心，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有16个按键和扬声器。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。关键词：AT89S51、单片机、音色、音阶、频率、电子琴设计2目录摘要.1引言.3第一章绪论.41.1论文特点及研究意义.41.2设计目的.4第二章系统设计.52.1简易电子琴设计方案.52.1.1能够实现基本的琴键功能.52.1.2能够实现调节电子琴音色功能.错误!未定义书签。2.2系统的总框图.52.3系统工作原理.5第三章硬件电路.73.1硬件电路图.73.2电路各部分简要分析.73.2.1按键电路.73.2.2放大电路.83.2.3复位电路.83.2.4时钟电路.93.3元件参数.103.4单片机音符与单片机频率的关系.错误!未定义书签。第四章软件流程.114.1设计思路与流程图.114.1.1程序介绍.12第五章元器件介绍.135.1元器件的种类.135.1.1AT89C51.135.1.2管脚说明.145.1.3LM386介绍.15第六章制作与调试方法.17第七章总结.18致谢.19参考文献.20附录.213引言随着社会的发展进步，音乐逐渐成为我们生活中很重要的一部分，有人曾说喜欢音乐的人不会向恶。我们都会抽空欣赏世界名曲，作为对精神的洗礼。本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。我们对于电子琴如何实现其功能，如音色选择、声音强弱控制、节拍器、自动放音功能等等也很好奇。电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。本文主要对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴统硬件组成。利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。并且本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。4第一章绪论1.1论文特点及研究意义本论文设计的为电子琴，电子琴又称作电子键盘，属于电子乐器(区别于电声乐器)，发音音量可以自由调节。音域较宽，和声丰富，甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。它还可模仿多种音色，甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音（如合唱声，风雨声，宇宙声等）。另外，电子琴在独奏时，还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏，适合于演奏节奏性较强的现代音乐。另外，电子琴还安装有效果器，如混响、回声、延音，震音轮和调制轮等多项功能装置，表达各种情绪时运用自如。本论文设计的电子琴虽是简易电子琴，功能和真正电子琴有不小差距，但本论文设计的是电子琴的基础，对进一步研究电子琴有很大的促进作用。本设计易懂、简练，所用器件常见，上网查询资料方便，电路模块具有通用性，非常适合广大电子爱好者制作。1.2设计目的（1）能够对电子电路、电子元器件、印制电路板等方面的知识有进一步的认识，独立对其进行测试与检查。（2）熟悉89C51单片机的内部结构和功能，合理使用其内部寄存器，能够完成相关软件编程设计工作。（3）为实现预期功能，能够对系统进行快速的调试，并能够对出现的功能故障进行分析，及时修改相关软硬件。（4）对软件编程、排错调试、焊接技术、相关仪器设备的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。5第二章系统设计2.1简易电子琴设计方案2.1.1电子琴设计要求设计一简易电子琴，要求能够发出1、2、3、4、5、6、7等七个音符。使用元件：AT89C51、LM386，扬声器，按键等2.1.2能够实现基本的琴键功能即每按下一个琴键，单片机能够检测到键盘的按键，并根据按键的位置通过程序来控制，使扬声器发著不同频率的声音，声音延迟延迟一段时间，等到按键放开后，声音停止。然后再继续扫描，看是否有键按下，如此循环下去，即实现基本的琴键功能。2.2系统的总框图图2.1总框图2.3系统工作原理一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便。乐音实际上是有固定周期的信号。本文可以用AT89C51的一个定时器（如振荡器分频器电源键盘振荡器单片机扬声器6T1）控制,在P1.0脚上输出方波周期信号,产生乐音。根据不同的按键,调节T1的溢出时间,可输出不同频率的乐音,这样就做出了一台简易电子琴。即算出某一音频的周期，然后将此周期除以2，即为半周期的时间，利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后，就将输出脉冲的I/O反相，然后重复计时，此半周期再对I/O反相，即可在I/O脚上得到此频率的脉冲。因此我们可以利用单片机的定时器，使其工作在计数器模式MODE1下，改变计数值TH0及TL0来产生不同频率的信号，从而产生不同的音符。2.2.1单片机音符与单片机频率的关系本次设计中，单片机晶振为12MHz,那么定时器的技术周期为1MHz，加入选择工作方式1，那T值便为T=216x（x为THX、TLX的初值）。那么根据不同的频率计算出应赋给定时器的计算值，表3.1列出不同音符与单片机计数T0相关的计数值。表3.4音符与单片机频率对应表音符频率简谱码音符频率简谱码低3M33064021中4FA69864820低4FA34964103中5SO78464898低5SO39264260中6LA88064968低6LA44064400中7SI98865030低7SI49464524高1DO104665058中1DO52364580高2RE117565110中2RE58764684高3M131865157中3M65964777高4FA1397651787第三章硬件电路3.1硬件电路图(介绍总共)基于AT89C51芯片的简单电子琴的电路图如图3.1。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U280C52R410kC310uFVCCVCCGNDY112MHzC630pFC730pFGNDIN+3IN-2BYPASS7VOUT5GAIN1GAIN8VS6GND4U1LM386M1(8)R110kR2470GNDGNDGNDC247uFLS1SPEAKERR310C5473GNDVCCC4104C110uFGNDS2SW-PBS5SW-PBS8SW-PBS11SW-PBS3SW-PBS6SW-PBS9SW-PBS12SW-PBS4SW-PBS7SW-PBS10SW-PBS13SW-PBS14SW-PBS15SW-PBS16SW-PBS17SW-PB123J1CON3VCCGND图3.1硬件电路图3.2电路各部分简要分析3.2.1按键电路单片机P2口为输入接口，接有一组按键，共16个。这16个按键S1S16通过排阻，分别按顺序与单片机的P2口P2.1P2.7相接，共同组成整个电路的按键控制部分，为整个电路提供输入信号。如图3.28S2SW-PBS5SW-PBS8SW-PBS11SW-PBS3SW-PBS6SW-PBS9SW-PBS12SW-PBS4SW-PBS7SW-PBS10SW-PBS13SW-PBS14SW-PBS15SW-PBS16SW-PBS17SW-PB图3.2按键电路3.2.2放大电路单片机P1.0为输出端，连接着整个电路的发声放大部分。这部分是整个电路的关键所在，脉冲电压信号通过电解电容（因为本例单片机所产生的信号频率较低，所以选用相对容量较大的电解电容）和反向放大器相连。输入电阻、运算放大器和反馈电阻共同组成反向放大器。电压信号经过输入电阻，流入运算放大器的反向输入端，输出信号经过反馈电阻，反馈到反向输入端，同时接入闭环保护电阻，也可防止共模电压超出极限值。集成运放将放大的信号经过电解电容传给扬声器，以驱动扬声器发声。如图3.3IN+3IN-2BYPASS7VOUT5GAIN1GAIN8VS6GND4U1LM386M1(8)R110kR2470GNDGNDGNDC247uFLS1SPEAKERR310C5473GNDVCCC4104C110uFGND图3.3放大电路3.2.3复位电路当单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。本次设计采用手动复位电路。在单片机启动后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关9导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。如图3.4R410kC310uFVCCGND图3.4复位电路3.2.4时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。震荡有两种方式：外部震荡、内部震荡。在AT89C51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器，如图7所示。电路中的电容一般取30pF左右，而晶体的振荡频率范围通常为1.212MHz。本例采用12MHz的晶振。如图3.5Y112MHzC630pFC730pFGND图3.5时钟电路