课程设计（论文）-基于单片机的电子琴设计.doc

基于单片机的电子琴设计 基于单片机的电子琴设计 摘 要电子琴不仅是儿童喜欢的玩具，而且还是开发儿童智能和培养儿童创造力的教具，具有宽广的市场。此次设计研发是基于单片机的有声光效果的简易电子琴，它具有弹奏和播放音乐的基本功能，还具有花样繁多的流水灯功能。该电路由stc89c52rc单片机、扬声器、led灯及一些微动按钮组成。具有低成本、结构简单、功能强大的优越特点，而且再加上软件的帮助，它的市场前景广大。关键词：单片机 电子琴 stc89c52rcabstractkeyboard is not only the children like toys and childrens intelligence, or development and cultivate childrens creative teaching aids, has the broad market. the design and development is based on scm has the effects of sound simple keyboard, it has to play and play music of the basic functions, but also has the great variety of running water lamps function. the circuit by stc89c52rc scm, speaker, led lamp and a slightly move button composition. with low cost, simple structure, powerful superior characteristic, and coupled with the help of software, its market prospect broad.key words：singlechip keyboard stc89c52rc 目 录第一章 前言 51.1 电子琴简介 51.2 课程设计简介5第二章 设计目的及方案 62.1 设计目的62.2 方案对比选择及确定6第三章 系统硬件设计及说明 73.1 系统组成及总体原理框图73.2 元件简介73.2.1 at89c52 73.3 显示电路及发声原理 103.3.1 显示电路 103.3.2 发声电路原理 103.4 各功能模块原理图 103.4.1 at89c52电路 3.4.2 时钟电路3.4.3 键盘电路3.4.4 驱动电路第四章 系统软件设计4.1 音乐相关知识4.2 如何用单片机实现音乐节拍4.3如何用单片机产生音频脉冲4.4 系统总体功能流程图第五章 电路仿真5.1 proteus软件介绍5.2 电路仿真结果第六章 设计心得体会参考文献附录1：元器件清单附录2：音符与频率的转换关系附录3：程序第一章 前言1.1 电子琴简介 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。电子琴是键盘乐器，采用半导体集成电路，对乐音信号进行放大，通过扬声器产生音响。有多种类型。 使用五线谱，多为高低音双行记谱。有时也用中音谱。电子琴是现代电子技术与音乐结合的产物，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，他已经融入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。单片机可以利用软硬件实现电子琴的功能，从而实现电子琴的微型化，可以用做玩具琴、音乐转盘及音乐童车等等。1.2 课程设计简介随着电子科技的飞速发展，电子技术正在逐渐改善人们的学习、生活、工作，因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣。基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就是一个很好的应用方面。单片机技术使我们可以利用软硬件实现电子琴的功能，从而实现电子琴的微型化，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。并且可以进行一定的功能扩展。鉴于传统电子琴可以用键盘上的“k0”到“k16”键演奏从低so到高do等16个音，从而可以用来弹奏喜欢的乐曲。单片机微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。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。本文主要对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并介绍基于单片机电子琴系统硬件组成。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。第二章 设计目的及方案2.1 设计目的1、加强对单片机和c语言的认识，充分掌握和理解设计各部分的工作原理、设计过程、选择芯片器件、模块化编程等多项知识。2、用单片机模拟，使实现具体应用个人设计能够真正使用。3、把理论知识与实践相结合，充分发挥个人能力，并在实践中锻炼自己。4、提高利用已学知识分析和解决问题的能力。5、提高实践动手能力。2.2 方案对比选择及确定按键方案：方案一：八按键方案。八个按键分别对应do、re、mi、fa、so、la、xi、do#八个基本音符。方案二：十六按键方案。十六个按键采用阵列式排列，分别对应十六个音符。经考证，阵列式排列按键在编程方面十分复杂，且涉及单片机的八个i/o口要控制十六个按键，所以采用方案一就可以实现设计目的。第三章 系统硬件设计及说明3.1 系统组成及总体原理框图硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中需要使用的元器件，设计出系统的原理框图和电路原理图。该设计要实现一种由单片机控制的电子琴，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，改变计数值th0和tl0可以产生不同频率的脉冲信号。该设计具有8个音阶，可以在键盘上演奏，并通过扬声器发声。at89c52单片机复 位电 路时钟电 路驱动电 路 显示电 路键盘电 路3.2 元件简介3.2.1 at89c52 at89c52 pdip封装芯片at89c52是一个低电压，高性能cmos8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，at89c52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 pdip封装的at89c52引脚图at89c52为8 位通用微处理器，采用工业标准的c51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主ic 内部寄存器、数据ram及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号ir的接收解码及与主板cpu通信等。主要管脚有：xtal1（19 脚）和xtal2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12mhz 晶振。rst/vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。vcc（40 脚）和vss（20 脚）为供电端口，分别接+5v电源的正负端。p0p3 为可编程通用i/o 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，p0 端口（3239 脚）被定义为n1 功能控制端口，分别与n1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为ir输入端，10 脚和11脚定义为i2c总线控制端口，分别连接n1的sdas（18脚）和scls（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板cpu 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。p0 口p0 口是一组8 位漏极开路型双向i/o 口， 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8 个ttl逻辑门电路，对端口p0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在flash 编程时，p0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。p1 口：p1 是一个带内部上拉电阻的8 位双向i/o 口， p1 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个ttl 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。与at89c51 不同之处是，p1.0 和p1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（p1.0/t2）和输入（p1.1/t2ex），flash 编程和程序校验期间，p1 接收低8 位地址。p2 口：p2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口，p2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个ttl 逻辑门电路。对端口p2 写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行movx dptr 指令）时，p2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行movx ri 指令）时，p2 口输出p2 锁存器的内容。flash 编程或校验时，p2亦接收高位地址和一些控制信号。p3 口：p3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向i/o 口。p3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个ttl 逻辑门电路。对p3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的p3 口将用上拉电阻输出电流（iil）。p3 口除了作为一般的i/o 口线外，更重要的用途是它的第二功能p3 口还接收一些用于flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ale/prog：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。一般情况下，ale 仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale 脉冲。对flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh 单元的d0 位置位，可禁止ale 操作。该位置位后，只有一条movx 和movc指令才能将ale 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale 禁止位无效。psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89c52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次psen信号。ea/vpp：外部访问允许。欲使cpu 仅访问外部程序存储器（地址为0000hffffh），ea 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1 被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu 则执行内部程序存储器中的指令。flash 存储器编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用12v 编程电压vpp。xtal1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。3.3 显示电路及发声原理3.3.1 显示电路 本次设计的显示电路主要是十六个发光二极管流水灯显示，当按下流水灯控制按键时，则调用流水灯程序，将产生的方波信号送至p0与p2口所接的十六个发光二极管，根据不同的高低电平发光，实现流水灯功能。3.3.2 发声电路原理由于一首音乐是许多不同音节组成的，而每个音节对应不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率组合，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t0来产生这样的方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系找到就可以了。本次设计中单片机晶振为12mhz，那么定时器的计数周期为1mhz，假如选择工作方式1，那t值便为t=216-5*105/相应的频率，那么根据不同的频率计算出应该赋给定时器的计数值，列出不同音符与单片机计数t0相关的计数值。3.4 各功能模块原理图3.4.1 at89c52电路3.4.2 时钟电路时钟电路中，我们采用外接时钟源，由两个电容串联之后并联一晶振组成，接入单片机的xtal1和xtal2端。晶振频率12mhz，两电容为20pf，注意电容接地处。3.4.3 键盘电路键盘电路中，八个按键即为八个对应的音符，他们分别连接到p3的八个口上，按键不按下则没有触发信号，按键按下时，为低电平，对应p3口有触发信号，完成相应功能。3.4.4 驱动电路驱动电路中，应用一个达林顿管作为扬声器的驱动电路，将声音信号放大。达林顿管的基极通过一个10k的电阻接在p1.4口。p1.0与p1.1分接两个按键，控制流水灯和内置音乐。第四章 系统软件设计4.1 音乐相关知识乐音听起来有的高，有的低，这就叫音高，音高是由发音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，不同音调的乐音是用c、d、e、f、g、a、b表示的，这7个字母就是乐音的音名，它们一般依次唱成do、re、mi、fa、so、la、si，这是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。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频率的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐4.2 如何用单片机实现音乐节拍除了音符以外，节拍也是音乐的关键组成部分。节拍实际上就是音持续时间的长短，在单片机系统中可以用延时来实现，如果1/4拍的延时是0.4秒，则1拍的延时是1.6秒，只要知道1/4拍的延时时间，其余的节拍延时时间就是它的陪数。如果单片机要自己播放音乐，那么必须在程序设计中考虑到节拍的设置，由于本例实现的音乐发生器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。对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。音乐的音拍，一个节拍为单位（c调）具体如下表：音乐节拍表曲调值delay曲调值delay调4/4125ms调4/462ms调3/4187ms调3/494ms调2/4250ms调2/4125ms4.3如何用单片机产生音频脉冲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。在本实验中，单片机工作于12mhz时钟频率，使用其定时/计数器t0，工作模式为1，改变计数值th0和tl0可以产生不同频率的脉冲信号，在此情况下，c调的各音符频率与计数值t的对照如附录2.t的值决定了th0和tl0的值，其关系为：th0=t/256，tl0=t%256。4.4 系统总体功能流程图 按下按键流水灯亮是否按下按键不同样式流水灯亮播放音乐是否播放音乐按按键弹奏音乐结束第五章 电路仿真5.1 proteus软件介绍proteus isis是英国labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于windows操作系统上，可以仿真、分析(spice)各种模拟器件和集成电路。该软件的特点是：(1)实现了单片机仿真和spice电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、rs232动态仿真、i2c调试器、spi调试器、键盘和lcd系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。(2)支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、avr系列、pic12系列、pic16系列、pic18系列、z80系列、hc11系列以及各种外围芯片。(3)提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如keil c51 uvision2等软件。(4)具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和spice分析于一身的仿真软件，功能极其强大。本章介绍proteus isis软件的工作环境和一些基本操作。5.2 电路仿真结果第六章 设计心得体会心得体会:通过各方面努力，本次课程设计任务完成，系统预设功能已实现，可以随意演奏一首喜欢的曲子，虽然暂无高低音之分，但下次的努力方向上会加以修正。课程设计是大三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排版的水平。我们小组三人在这一次电子琴的设计过程中，受益匪浅。通过对自己在大学三年时间里所学的知识的回顾，并充分发挥对所学知识的理解和对课程设计的思考及书面表达能力，最终完成了这项课设。这次课设为我们今后进一步深化学习，积累了一定的宝贵经验。撰写论文的过程也是专业知识的学习过程，运用已有的专业基础知识，对其进行设计，分析和解决一个理论问题或实际问题，把知识转化为能力的实际训练，并且为即将到来的毕业设计论文做好准备及铺垫。本次课题培养了我们运用所学知识解决实际问题的能力，确实也有所提高。通过这次课程设计发现，只有理论水平提高了，才能够将课本知识与实践相整合，理论知识服务于教学实践，以增强自己的动手能力。这个课设十分有意义，使我们获得很深刻的经验。通过这次课程设计，我们知道了理论和实际的距离，也知道了理论和实际想结合的重要性，也从中得知了很多书本上无法得知的知识。我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。学习就应该采取理论与实践结合的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。这种做法既有助于完成理论知识的巩固，又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。当然，做课设的过程中，难免出现一些问题，硬件软件上的各种问题，但通过我们一起协商努力，最终克服了这些问题。只有经历了错误，才能学会避免下一次的错误，课设需要认真、高度热情，以及小组的团结协作。参考文献1 柴钰.单片机原理及应用.西安：西安电子科技大学出版社.2009.22冯育长等 单片机系统设计与实例分析 西安电子科技大学出版社 20073 雷思孝等 单片机系统设计及工程应用 西安电子科技大学出版社 20054 龚尚福，等.机原理与接口技术. 西安：西安电子科技大学出版社.2008.85 单片机基础 北京航空航天大学出版社20086 c程序设计完全手册 人民邮电出版社 2009附录1：元器件清单元器件型号个数at89c52单片机1电阻470欧16电阻1千欧1电阻10千欧2绿发光二极管16万能电路板130uf电容210uf电解电容1微动按键11扬声器1npn型三极管212mhz晶振1导线若干附录2：音符与频率的转换关系 doremifasolasido#oxfboxfcoxfcoxfcoxfdoxfdoxfdoxfdoxe9ox5coxc1oxefox45ox92oxd0oxe附录3：程序sfr p4=0xe8;/定义p4组i0口#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit speaker=p14;/喇叭接30脚sbit key1=p10;/流水灯按键sbit key2=p11;/播放音乐按键uchar a,b,num1,s1num,n1,n2;char num;/定义num为可以负数uchar code yinfu=0xfb,0xe9, /do 0xfc,0x5c, /re 0xfc,0xc1, /mi 0xfc,0xef, /fa 0xfd,0x45, /so 0xfd,0x92, /la 0xfd,0xd0, /si 0xfd,0xee, /do# 0x00,0x00, /间隔;uchar code shengri_tone= 1,0,1,2,1,4,3,0, /生日快乐音调 1,0,1,2,1,5,4,0, 1,0,1,8,6,4,3,2,0, 7,0,7,6,4,5,4,0 /0代表不发声，即停顿；数字即为音调; uchar code shengri_beat= 24,1,24,48,48,48,72,5,/节拍 24,1,24,48,48,48,72,5, 24,1,24,48,48,48,48,72,5, 24,1,24,48,48,48,72,5 /节拍，即tone表各音调的延时;uchar code ledtable=0x7f,0xbf,0xdf,0xef, /取反0xf7,0xfb,0xfd,0xfe;/p0组口的发光二极管代码uchar code ledtable2=0x7f,0xbf,0xdf,0xef, /取反0xf7,0xfb,0xfd,0xfe;/p2组口发光二极管代码,相反！void check_key();/改为p3组为按键void keyscan();void turn();/顺时针流动void back();void qianhou();void dangshuang();void delay(uint z);/延时函数声明void delay1(void);/声明第二个延时函数void play1(void);/播放生日快乐void main()s1num=0;/流水灯种类标志key1=1;key2=1;tmod=0x01;th0=a;tl0=b;et0=1;/打开定时器，但是未允许中断tr0=1;while(1)check_key();keyscan();void time0() interrupt 1th0=a;tl0=b;speaker=speaker;void check_key()p3=0xff;/先赋给p2组口高电平switch(p3)/按下一个键相应4个灯亮case 0xfe:p0=0xee;p2=0x77;a=0xfb;b=0xe9;ea=1;break;/p0,p2组为发光二极管组case 0xfd:p0=0xdd;p2=0xbb;a=0xfc;b=0x5c;ea=1;break;/注意：ea不能改为tr0case 0xfb:p0=0xbb;p2=0xdd;a=0xfc;b=0xc1;ea=1;break;case 0xf7:p0=0x77;p2=0xee;a=0xfc;b=0xef;ea=1;break;case 0xef:p0=0xee;p