某微型电子琴设计方案

乐山师范学院 毕业论文（设计） 1 某微型电子琴设计方案 2 设计要求 本设计的主要内容是用 3为核心控制元件，设计一个微型电子琴。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，实现以下功能： (1) 设计一个（ 4 4）的键盘 4，并将 16个键设计成两个八度的音阶对应的 16个琴键，可以进行弹奏表演； (2) 演奏的同时数码管会以数字显示当前按键对应的音符； (3) 有音乐存储功能，能自动演奏歌曲。演奏时可选择键盘输入乐曲，自己存入的乐曲或随机存储的乐曲。按播放键能播放 5首歌曲，第一首歌曲播放结束， 再按播放键播放下一首歌曲。 (4) 发光二极管会指示当前按键是否按下 。 3 方案论证 制模块选择方案 方案一：用可控硅制作电子琴。将 220再经过 整流 、 滤波 ,获得 +流电压。 将 单向可控硅 电阻、电容 组成驰张振荡器电路。但该设计方案制作成本高且复杂。 方案二： 采用 片机进行控制 ,由于 此且其 方案三：采用 片机进行控制，由于其性价比高，完全满足了本作品智能化的要求，它的内部程序存储空间达到 8K，使软件设计有足够的内部使用空间并且方便日后系统升级，使用方便，抗干扰性能提高 5。 乐山师范学院 毕业论文（设计） 2 鉴于上述对比与分析，本设计采用方案三 键选择方案 传统电子琴可以用键盘上的“ 1”到“ A”键演奏从低 1音。该设计 有 16个按钮矩阵，设计成 16个音 ，可以实现音阶在中音和高音之间的变换。比传统音阶范围大，弹奏效果好。 在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘， 它们各有自己的特点，其中 独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。本设计选择 4*4矩阵键盘。 4 设计原理 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 6，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，我们可以利用单片机的定时 /计数器 样方 波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系正确即可。若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（ 1/频率），再将此周期除以 2，即为半周期的时间。利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将 输出 相，然后重复计时再反相。就可在 利用 内部定时器使其工作计数器模式（ ，改变计数值7，例如，频率为 523周期 T 1/523 1912s ，因此只要令计数器计时 956s/1s 956，每计数 956 次时将I/可得到中音 523 计数脉冲值与频率的关系式是： N=， N 是计数值； 机器频率（晶体振荡器为 12，其频率为 1 其计数初值 乐山师范学院 毕业论文（设计） 3 T K N K ， K 216 =65536； 例如 低音 262低音 294、 中音 523中音 587高音 1046高音 1175计数值 如下： T 65536 N 65536 65536 1000000/2/65536 500000/音 65536 500000/262 63628 低音 65536 500000/294 63835 中音 65536 500000/523 64580 中音 65536 500000/587 64684 高音 65536 500000/1046 65058 高音 65536 500000/1175 65110 了解音乐的一些基本知识后可知，产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐，对于单片机而言，产生不同频率有脉冲非常方便，可以利用它的定时 /计数器来产生这样的方波频率信号，因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系 4。 在本实验中，单片机工作于 12钟频率，使用其定时 /计数器 作模式为 1，改变计数值 以产生不同频率的脉冲信号，在此情况下，根据以上公式， 的对照如下 8 表 4符频率 对照 表 音符 频率（ 简谱码 （ 音符 频率（ 简谱码（ 低 1 62 63628 # 4 740 64860 #1 277 63731 中 5 84 64898 低 2 94 63835 # 5 831 64934 #2 311 63928 中 6 80 64968 低 3 M 330 64021 # 6 932 64994 低 4 49 64103 中 7 88 65030 # 4 370 64185 高 1 046 65058 低 5 92 64260 # 1 1109 65085 乐山师范学院 毕业论文（设计） 4 # 5 415 64331 高 2 175 65110 低 6 40 64400 # 2 1245 65134 # 6 466 64463 高 3 M 1318 65157 低 7 94 64524 高 4 397 65178 中 1 23 64580 # 4 1480 65198 # 1 554 64633 高 5 568 65217 中 2 87 64684 # 5 1661 65235 # 2 622 64732 高 6 760 65252 中 3 M 659 64777 # 6 1865 65268 中 4 98 64820 高 7 967 65283 为音符建立一个 数据 表，单片机通过查表的方式来获得相应的数据 。 低音 0 19之间，中音在 20 39之间，高音在 40 59之间 4021,64103,64260,64400 4524,64580,64684,64777 4820,64898,64968,65030 5058,65110,65157,65178 音乐的音拍，一个节拍为单位（ 如表 4 表 4调值表 曲调值 调值 4/4 125 4/4 62 3/4 187 3/4 94 2/4 250 2/4 125于不同的曲调我们也可 以用单片机的另外一个定时 /计数器来完成。 琴键处理程序，根据检测得到按键值，查询音律表，给计时器赋值，发出相应频率的声音。对音调的控制：根据不同的按键，对定时器 入不同的初值，调节 溢出时间，这样就可以输出不同音调频率的方波。不同音调下各个音阶的定时器 。 在这个程序中用到了两个定时 /计数器来完成的。其中 来产生乐山师范学院 毕业论文（设计） 5 音拍 9。 5 微型电子琴的系统总体原理框图 如图 5计出 微型电子琴的系统总体原理框图 。 图 56 系统主要 硬件电路设计 型电子琴的 体设计电路图 电子琴的 体仿真图见图 6下播放键，发光二极管亮一下，系统自动播放预存在内存中的曲子，再按一次播放下一首歌曲，按下复位键，系统复位，停止播放。按下矩阵键盘中的任意键，扬声器发出相应的音符。 音电路 44矩阵 供电及复位电路 晶振电路 歌曲播放电路 数码管显示电路 乐山师范学院 毕业论文（设计） 6 图 6型电子琴的 体设计电路图 片机主机系统电路 片机简介 性能 位单片机 10，片内含 82器件采用易失性存储技术生产，兼容标准 内配置通用 8 位中央处理器（ 储单元，功能强大的 片机可灵活应用于各种控制领域。 011、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。 图 6一些特殊功能口，如下表所示： 特殊功能 行输入口） 行输出口） 外部中断 0） 外部中断 1） 0（定时器 0外部输入） 1（定时器 1外部输入） R(外部数据存储器写选通 ) D（外部数据存储器读先通） 乐山师范学院 毕业论文（设计） 7 其 主要功能特性： 兼容 8k 可反复擦写 (1000次） 32 个双向 I/O 口 256部 3 个 16位可编程定时 /计数器中断 时钟频率 0 2 个串行中断 可编程 2 个外部中断源 共 6个中断源 2 个读写中断口线 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 钟频率 单片机必须在时钟的驱动下工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路 12，只需要外 接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。外部振荡源电路一般选用石英晶体振荡器，此电路在加电大约延迟10 振荡频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容 用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。 2 的典型值为 30 单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。起大小是时钟信号频率的倒数，常用 时钟频率为 12 2时钟周期为 1/12s。 振电路 根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。本设计中采用内部时钟方式。 乐山师范学院 毕业论文（设计） 8 单片机内部有一个反相放大器 别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式），产生时钟送至单片机内部各元件。时钟频率越高，单片机控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。 一般来说单片机内部有一个带反馈 的线性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振荡器）和电容就可组成振荡器，如图 6电以后延时一段时间（约 10荡器产生时钟，不受软件控制，图中 晶振，震荡产生的时钟频率主要由 电容 作用有两个：一是帮助振荡器起振，二是对振荡器的频率起微调作用，典型值为 30 图 6振电路 键播放电路 图 6盘扫描 在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘，如图 6 6 乐山师范学院 毕业论文（设计） 9 图 6图 6矩阵键盘 它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。 本次课程设计，我采 用矩阵式键盘电路，这样可以大大的节省单片机 I/盘电路见图 6 6键盘电路 乐山师范学院 毕业论文（设计） 10 在按键过程中常产生“毛刺” 现象 13，如图 6消除“毛刺”现象，这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几 我们按键的时间一般远远大于这个时间，所以当单片机检测到有按键动静后，再延时一段时间 (100再判断此电平是否保持原状态，如果是则为有效按键，否则无效。 图 6刺”现象 音电路 电子琴发音电路见图 6 图 6子琴发音电路 电及复位电路 电子琴的供电电路和复位电路 14见图 6 乐山师范学院 毕业论文（设计） 11 图 6子琴供电及复位电路 码管显示电路 本次毕业设计的显示电路采用 是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。 用时必须加限流电阻 15。 有共阴和共阳两种。 常用的七段显示器的结构如图下图所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器 (如图 ,阴极连在一起的称为共阴极显示器 (如图 。 1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管 a）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。 此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来 。 图 6数码管引脚 选用的是 7 系统软件设计 乐山师范学院 毕业论文（设计） 12 统软件总体方案 （ 1）键盘扫描程序： 检测是否有键按下，有键按下则记录按下键的键值，并跳转至功能转移程序；无键按下，则返回键盘扫描程序继续检测 （ 2）功能转移程序： 对检测到得按键值进行判断，是琴键则跳转至琴键处理程序，是功能键则跳转至相应的功能程序，我们设计的功能程序有两种，即音色调节功能和自动播放乐曲功能 （ 3）琴键处理程序： 根据检测到得按键值，查询音律表，给计时器赋值，使发出相应频率的声音 （ 4）自动播放歌曲程序 ： 检测到按键按下的是自动播放歌曲功能键后执行该程序，电子琴会自动播放事先已经存放好的歌曲，歌曲播放完毕之后自动返回至键盘扫描程序，继续等待是否有键按下 统软件简易流程图 乐山师范学院 毕业论文（设计） 13 否 是 是 否 开始 始化并开中断允许 断 始化并开中断允许 断 键盘扫描程序 有键按下否 识别按键功能 播放键 根据按键功能装入相应音符值到 相应的音符码装入 动 动 键释放成功否 按键释 放成功否 停止 作 停止 作 延时去抖动 是否弹奏键 乐山师范学院 毕业论文（设计） 14 按键子程序流程图如下 乐山师范学院 毕业论文（设计） 15 按下 按下 按下 按下 按下 按下 按下 数码管显示 1，并播放 中音 数码管显示 2，并播放 中音 数码管显示 3，并播放 中音 按下 数码管显示 4，并播放 中音 数码管显示 6，并播放 中音 数码管显示 7，并播放 中音 数码管显示 1播放 按下 按下 按下 按下 按下 按下 按下 按下 数码管显示 5，并播放 中音 数码管显示 1 并播放 高音 数码管显示 2 并播放 高音 数码管显示 3 并播放 高音 数码管显示 4 并播放 高音 数码管显示 5 并播放 高音 数码管显示 6 并播放 高音 数码管显示 7 并播放 高音 数码管 1 并播放 高阶高音 乐山师范学院 毕业论文（设计） 16 弹奏程序流程图 弹奏子程序 开中断并允许中断设定定时器工作方式 取键值 根据键值查音律表 给定时器 值 进入中断 出中断 延时 返回键盘扫描程序 开始计时 乐山师范学院 毕业论文（设计） 17 自动播放歌曲程序流程图 Y N Y N 分设计源程序 曲播放子程序 ;= 歌曲播放子程序 = 自动播放音乐程序 休止符 开始计时 进入中断 退出中断 返回键盘扫描 音律表，给定时器赋值 取该音符的节拍码 取简谱码 开中断，设定定时器 作模式 0,歌谱地址 延时 A=0 A=0山师范学院 毕业论文（设计） 18 30H,# ;取简谱码指针 (第 1 首 ) a,30h a,a+ ;至相关页码 ,高 4 位为音符的高低 r2,a ;低 4 位为音符的节拍 ;检查简谱码是否已结束 (有无 00?) a,#0 ;取节拍 (低 4 位 ) r5,a ;存入 拍的时间 a,r2 a a,#0 ;取音频值 (高 4 位 ) ;是否为 0,是 0 则不发音 ;开始，则不发音 d1 a ;因 0 不列入 22h,a ;存入 (22h) a ;乘 2 a,a+ ;至 码 ,取 t 的值 a ;取到的高位字节存入 21h,a ;取到的高位字节存入 (21h) a,22h ;再载入取到的音符码 a ;乘 2 a ;加 1 a,a+ ;至 相对的低位字节计数值 a ;取到的低位字节存入 20h,a ;取到的低位字节存入 (20h) ;启动 30h ;取简谱码指针加 1 停止 a,31h ;载入计次指针 a,#00h ;是否按第 1 次 ? ;不是则跳至 ;按第 2 次 ? ;消除抖动 ;放开否 ? 31h ;计次地址 (31h)加 1 30h,# ;第 2 首歌指针 延时程序 乐山师范学院 毕业论文（设计） 19 6,#10 7,#248 7,$ 6, 音符参数表 ;= 音符参数表 = 6H,56H,67H,06H 6H,56H,67H,06H 8 系统调试与测试结果分析 系统调试 在系统设计中采用模块设计法 ,所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：中心控制模块的调试 ,音乐播放模块的调试 ,按键控制模块的调试等 ,最后将各模块组合后进行整体测试。首先对各模块的功能进行调试 ,主要调试各模块能否实现指定的功能。然后通过 件对编好的程序进行调试 ,检查语法错误。最后将调试好的软件程序导入到硬件模块中 ,调试系统实现的功能。 调试主要方法和技巧：软件调试和硬件调试 统软件调试 通常一个调试程序应该具备至少四种性能 16：跟踪、断点、查看变量、更改数值。整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程，要使主程序和整个程序都能平稳运行，各个模块的子程序的正确与平稳运行必不可少，所以在软件调试的最初阶段就是把各个子程序模块进行分别调试。 统硬件调试 硬件调试主要是针对单片机部分进行调试。 在上电前，先确保电路中不在断路或 短路情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要使用的工具是万用表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。注意焊点之间，确保焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及短路的现象出现。 在确保硬件电路正常，无异常情况 (断路或短路 )方可上电调试，上电调试的目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次设计中，上电调试主要键盘单片机控制部分、数码管点亮部分、和音频转换电路硬件调试。 乐山师范学院 毕业论文（设计） 20 (1)、数码管 通电源，随机按下按钮可以看到数码 管显示数字。 (2)、键盘单片机控制部分调试：上电后，随机按动键盘可以发现各个按键对应的音正确。 (3)、按键播放电路调试 :按下播放按键能弹唱歌曲，唱完一首之后再按一下播放按键弹奏下一首歌曲。 (4)、复位电路调试：按一下复位键能完成复位功能。 硬件实物图 测试结果及心得 试结果 通过各方面努力，本次毕业设计任务完成，系统部分功能已实现。可以随意演奏喜欢的曲子，并可以显示在数码管上，可以随意弹奏 16 个音符，可以播放 5 首歌曲。基本达到预定的效果。 毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的 理论与实践相结合的机会，通过这次比较系统的项目设计提高了我运用所学的专业基础知识来解决面临实际问题的能力，同时也提高了我查阅各种文献资料、设计手册、设计规范以及软件编程的水平。 乐山师范学院 毕业论文（设计） 21 次设计的心得体会 从上一学期开始我们就在准备选题，收集资料，这些都是不能马虎的，要慎重。这一学期来我们就交了开题报告。做完这次毕业设计后我有种如释重负的感觉，收获很多，没做之前想得太过简单，以为只要把资料收集好就万事俱备了，具体操作时才知道自己错了，只有想法犹如纸上谈兵，根本解决不了实际问题。想象和现实相差太远，做事不 能太盲目，要深思熟虑。毕业设计不仅是对所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺，自己要学习的东西还太多。 这次设计从软件方面来讲不是很难，程序相对长一点，但都是书本上所学的知识，主要是中端及其服务程序的编写。在 起到很好的效果，因为元器件都是理想状态的，但做出实物来却不是那么简单。经过多次调试、修改才得以出结果。 在设计过程中，通过查阅大量相关资料，与同学交流经验，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识 :首先在毕业设计刚开始的调 研阶段，我学会了怎么通过各种方式查询相关的资料。通过对这些资料的学习，我大致了解了单片机的发展现状以及未来的发展趋势，认识到目前单片机方面的各种各样的发展。 9 结 束 语 经过 两 个月的查资料、整理材料、做实验，今天终于可以顺利的完成 毕业设计了，自己想想求学期间的点滴历历涌上心头，时光匆匆飞逝， 四 年的努力与付出，随着论文的完成，终于让我在大学的生活，得以划下了完美的句点。论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢我的指导老师 李老师 ，因为论文是在 李 老师的悉心指导下完成的。本论文从选题到完成，每一步都是在 李 老师的指导下完成的，倾注了 李 老师大量的心血。 一开始选题时李老师