基于单片机的简易电子琴课程设计.doc

单片机技术及应用单片机技术及应用 课程设计报告课程设计报告 专专 业：业： 电子信息工程电子信息工程 班班 级：级： 08301 班班 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 二二 0 一一一一 年十一月年十一月 十一日十一日 目目 录录 一、概述一、概述1 1 1.11.1 课程设计的目的及其意义课程设计的目的及其意义 1 1 1.21.2 课程设计的任务和要求课程设计的任务和要求 1 1 二、系统的基本原理二、系统的基本原理2 2 2.12.1 音乐的相关知识音乐的相关知识 2 2 2.22.2 基本原理及其框图基本原理及其框图 3 3 三、系统的硬件结构三、系统的硬件结构5 5 3.13.1 单片机单片机 89c5189c51 的简介的简介 6 6 3.23.2 键盘电路键盘电路 7 7 3.33.3 振荡电路振荡电路 7 7 3.43.4 复位电路复位电路 8 8 3.53.5 音频电路音频电路 9 9 四、系统软件的设计四、系统软件的设计1 10 0 4.14.1 系统软件的主程序系统软件的主程序 1 10 0 4.24.2 系统的软件的调试与仿真系统的软件的调试与仿真 1 12 2 五、心得体会五、心得体会1 13 3 六、指导老师意见六、指导老师意见1 13 3 七、参考书目七、参考书目1 14 4 附录附录 电子琴实物电子琴实物 图图 1414 1 基于单片机简易电子琴基于单片机简易电子琴 一、概一、概 述述 1.1 课题设计目的及其意义 单片机（单片微型计算机）是大规模集成电路技术发展的产物，具有高性能、 高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠等特点。单片机的应用相当广泛，从平常 的家用电器到航空航天系统和国防军事、尖端武器都能找到它的身影。因此，单 片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。 随着社会的发展进步，人们的生活水平也逐步提高，音乐已经成为了我们生 活中很重要的一部分，在工作和学习之余，欣赏音乐不仅使身心得到放松，同时 也提高人们的精神品质和个人素养。当代，爱好音乐的年轻人越来越多，也有不 少人自己练习弹奏乐器，作为业余爱好和一种放松的手段，鉴于一些乐器学习难 度大需花费太多精力，且其价格太过于高昂，使得一部分有这种想法的人不得不 放弃这种想法，而电子琴又是一种新型的键盘乐器，它是现代电子科技与音乐结 合的产物，价格相对便宜，能够满足一般爱好者的需求，因此，在现代音乐中扮 演着重要的角色。 故简易电子琴的研制具有一定的社会意义。 1.2 课题设计的任务与主要内容 本文的主要内容是用 at89c51 单片机为核心控制元件，设计一个简单的电子 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。定时器按设置的定时参数产生中断，由于定 时参数不同，就会发出不同频率的脉冲，不同频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤 波后，就会发出不同音调。 先根据要求设计硬件电路和编写相应的程序，然后进行仿真调试，最后细心 2 焊接硬件电路图，将程序烤入芯片中，最终达到设计目的。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。 具体实现的功能：按下音符键可以发出相应的音符。 二、基本组成和原理二、基本组成和原理 2.1 音乐相关知识 在人类还没有产生语言时，就已经知道利用声音的高低、强弱等来表达自己 的思想和感情。声带、琴弦等物体振动时会发出声波，声波通过空气传播进入人 耳，人们就听到了声音。声音有噪音和乐音之分振动有规律的声音是乐音，音乐 中所用的声音主要是乐音。 乐音听起来有的高、有的低，这就叫做音高。音高是由发声物体振动频率的 高低决定的，频率高声音就高，频率低声音就低。音持续时间的长短即时值，一 般用拍数表示。休止符表示暂停发音。 一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同的频率,这样 就可以利用不同的频率组合，加以拍数对应的延时，构成音乐。如果单片机要自 己播放音乐就必须考虑到节拍的设置。 对于 at80c51 而言要产生一定频率的方波一般是先将某口线输出高电平， 延迟一段时间后再输出低电平。通过改变延迟时间可以改变单片机的输出频率。 单片机的延时主要有两种方式，即软件延时和使用定时/计数器延时。其中软件 延时不是很精确，而电子琴电路由于每个音符的频率值要求比较严格，因此我们 选用定时/计数器延时。 由于本课程设计是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握， 不由程序控制。因此，我们只需弄清楚音乐中的音符和对应的频率，利用单片机 的定时/计数器来产生方波频率信号即可。 要产生相应的音频脉冲，只需要计算出某音频的周期，再除以 2。利用 计数器计时半周期，计满时使 p2.0 反向，然后重复计时再反向。本例中，单 片机工作在 12mhz 时钟，使用定时器/计数器 t0，工作模式为 1，改变计数 初值 th0、tl0 就可产生不同频率的脉冲信号。 3 例如低 3mi 音，频率为 330hz，其周期 t=1/f=1/330=3030us，计数值 n=3030/2=1515,所以每计数 1515 次 p2.0 反向。计数初值 t=65536-n=64021。c 调的各音符频率与计数值 t 的对照表如表 1 所示。 表 1 c 调各音符频率与计数值 t 对照表 音符频率(hz)简谱码(t 值)音符频率(hz)简谱码(t 值) 低 1 do26263628# 4 fa#74064860 # 1 do#27763731中 5 so78464898 低 2 re29463853# 5 so#83164934 # 2 re#31163928中 6 la88064968 低 3 m33064021# 693264994 低 4 fa34964103中 7 si98865030 # 4 fa#37064185高 1 do104665058 低 5 so39264260# 1 do#110965085 # 5 so#41564331高 2 re117565110 低 6 la44064400# 2 re#124565134 # 646664463高 3 m131865157 低 7 si49464524高 4 fa139765178 中 1 do52364580# 4 fa#148065198 # 1 do#55464633高 5 so156865217 中 2 re58764684# 5 so#166165235 # 2 re#62264732高 6 la176065252 中 3 m65964777# 6186565268 中 4 fa69864820高 7 si196765283 2.2 简易电子琴基本原理及其框图 4 1、基本思想： 简易的电子琴系统主要是采用 at89c51 单片机，单片机工作于 12mhz 的 时钟频率，使用其定时/计数器 t0，工作模式为 1，设计 4*4 键盘矩阵，设置成 16 个音，可随意弹奏想要表现的音乐，因为单片机产生的音频脉冲没有足够的 驱动能力，所以用三极管放大电路实现音频的放大，保证扬声器能产生所要实现 的音符声音。 2、硬件框图： 3、软件设计流程图： 本设计采用 at89c51 单片机作为核心处理器件，按下复位键，进入初始化， 调用键盘扫面子程序，获得键值，查询音阶表，获取定时初值，向喇叭输入相应 频率的脉冲驱动，发出相应的音调，若按键没有释放，则一直发声；若按键松开， 则停止发声。当读到结束符时，停止播放音乐。 具体软件流程图如下： 1）中断服务子程序流程图： 5 2）主程序流程图： 三、系统的硬件结构三、系统的硬件结构 6 硬件电路的设计主要包括芯片 89c51,、4*4 键盘电路、振荡电路、复位电路 及音频电路组成。 简易电子琴硬件电路图： 3.1 单片机 89c51 的简介 at89c51 是一个低功耗，高性能 cmos 8 位单片机，片内含 4k bytes isp(in-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 flash 只读程序存储器， 器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 mcs-51 指令 系统及 80c51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 isp flash 存储单 元，功能强大的微型计算机的 at89s51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价 比的解决方案。 at89s51 具有如下特点：40 个引脚，4k bytes flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（ram），32 个外部双向输入/输出（i/o）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行 通信口，看门狗（wdt）电路，片内时钟振荡器。 此外，at89s51 设计和配置了振荡频率可为 0hz 并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下，cpu 暂停工作，而 ram 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工 作，掉电模式冻结振荡器而保存 ram 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活 或硬件复位。同时该芯片还具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三种封装形式，以适应不 同产品的需求。 该系列单片机引脚与封装如下图所示： 7 主要引脚功能： 1、rst（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持 rst 引脚 2 个机器周期的 高电平时间； 2、xtal1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入； 3、xtal2（18）：来自反向振荡器的输出； 4、p1 口（18）：p1 口是从内部提供上拉电阻器的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓 冲器能接收和输出 4 个 ttl 门电流； 5、 /:当保持低电平时，单片机只访问外部程序存储器。为高 _ ea pp v _ ea _ ea 电平时，单片机只访问内部程序存储器。 3.2 键盘电路 键盘是最常用的单片机输入设备，大致可以分为独立连接式键盘和矩阵式。 独立连接式键盘是最简单的键盘电路，每个键独立接入一根数据线。这种键盘结 构简单，使用方便，但是占用的 i/o 口线较多。矩阵式键盘由行线和列线组成， 按键位于行列的交叉点上，行列式键盘可节省 i/o 口，适合按键数较多的场合。 所以本设计的 4*4 键盘采用矩阵式键盘。 8 3.3 振荡电路 单片机的时钟信号用来提供单片机内各种位操作的时间基准，时钟信号通常 有两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。 在引脚 xtal1 和 xtal2 外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就 构成了内部震荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后， 就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用 6mhz、12mhz 或者 24mhz。本设计中采用的是 12mhz。电容器 c1、c2 起稳定振荡频率、快速起 振的作用，电容值一般 530pf。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，电路 中使用较多。振荡方式如下图： 3.4 复位电路 9 复位操作完成单片机内电路的初始化，是单片机从一种确定的状态开始运行。 当单片机的复位引脚ret出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。 如果rst持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。因此要 求单片机复位后能脱离复位状态。 根据应用要求，复位操作通常有2种基本形式：上电复位、开关复位。 上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位要求在电源接通的 条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。 上电后，由于电容要充电，是rst持续一段时间高电平时间。当单片机已经 在运行之中时，按下复位键也能使rst持续一段时间的高电平，从而实现上电且 开关复位的操作。 通常选择c=1030uf，r=101k 常用的复位电路如下图所示： 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。 3.5 音频放大电路 10 使用pnp管来放大，其中发射极接5v电源，集电极接喇叭，电路中的电容是 用来隔离直流电用的。 pnp 管放大原理：当 pnp 管的 vc #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit p20 = p20; /p2.0 外接扬声器 uint ftemp; unsigned int code tab = /定时半周期的初始值 64021,64103,64260,64400, /低音 3 4 5 6 64524,64580,64684,64777, /低音 7,中音 1 2 3 64820,64898,64968,65030, /中音 4 5 6 7 65058,65110,65157,65178; /高音 1 2 3 4 /* * 函数功能 : 用扫描法读 p1 外接 44 键盘 11 */ uchar keyscan(void) uchar i, j, temp, buffer4 = 0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7; for(j = 0; j = 1; /换右边一位 return 16; /没有键按下就返回 16 主函数 */ void main(void) uchar key_value = 16, key_temp1, key_temp2;/读出的键值 tmod = 0x01; /t0 定时方式 1 et0 = 1; /允许 t0 中断 ex0 = 1; /允许 int0 中断 ea = 1;/开总中断 while(1) tr0 = 0; /t0 工作停，暂不发音 key_temp1 = keyscan(); /第一次读入按键 12 if(key_temp1 != 16) /有键按下 key_temp2 = keyscan(); /再读一次 if (key_temp1 = key_temp2) /两次相等 key_value = key_temp1; /就确认下来 ftemp = tabkey_value; /根据键值，取出定时半周期的初始值 tr0 = 1; /启动定时器 t0，发音 while (keyscan() 8; p20 = p20; /发音 4.2 系统的软件的调试仿真 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。 这里我们使用 proteus 软件进行仿真，加载编译好的.hex 即文件到 单片机后， 点击运行按钮即可，仿真电路图如下：（当我们按键时如果成功就会 听到我们想要的音乐） 13 5 5、全文总结全文总结 本次课程设计制作简易电子琴，虽然花费了我们很多精力，但收获颇丰，一 方面，将自己的理论知识与