电子琴课程设计-- 基于单片机的电子琴设计.doc

物理与信息工程系课 程 设 计 报 告 课程名称 专 业 综 合 课题名称 基于单片机的电子琴设计 专 业 电子信息科学与技术 年 班 级 09级电科3班 学 号 09417348 姓 名 周志力 指导教师 谢莉 2012年6月1 日 目 录封面1目录2 第一章 设计要求及工作原理 31.1 设计指标31.2 设计要求31.3 设计说明31.4 设计原理简介3第二章 硬件电路设计52.1 单片机最小系统52.2 键盘模块72.3数码管模块72.4 发声模块8第三章 软件设计93.1 软件功能模块93.2 软件程序流程图103.3 软件源程序11第四章 实验焊接及调试134.1 元器件清单134.2电路焊接144.2软件烧写与调试144.2系统联调 14附录1：电子琴成品图14心得体会15第一章 设计要求及工作原理1.1）、设计指标：（1）设计一个（44）的键盘，并将16个键设计成16个音;（2）按下按键显示相应的键值（2）可弹奏想要表达的音乐;（3）该电子琴包含1首示例音乐，接通电源按下按键可播放示例音乐。1.2）、设计要求：（1）按仿真图进行电路设计;（2）制作符合设计指标的硬件电路。1.3）、设计说明： 电子琴是高科技在音乐领域的一个代表，它是古典文化与现代文明的一个浓缩体。它不但可以帮助我们的音乐教师进行传统音乐文化的教育教学工作，而且由于它又具备现代音乐，特别是电子音乐、电脑音乐的基本结构、特征，因而使我们的教师在进行现代音乐、电子音乐、电脑音乐的教学时，更直接、更简便。单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，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。 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。本文的主要内容是用AT89C51单片机为核心控制元件，设计一个电子琴。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15个弹奏按键、1个播放键和扬声器。1.4）、设计简单原理介绍 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，我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。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P1.0反相，然后重复计时再反相。就可在P1.0引脚上得到此频率的脉冲。 利用AT89S51的内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶，例如，频率为523Hz，其周期T1/5231912s，因此只要令计数器计时956s/1s956，每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。 计数脉冲值与频率的关系式(如式3-1所示)是： Nfi2fr 3-1式中，N是计数值；fi是机器频率（晶体振荡器为12MHz时，其频率为1MHz）；fr是想要产生的频率。其计数初值T的求法如下： T65536N65536fi2fr 例如：设K65536，fi1MHz，DO（523Hz）的计数值。 T65536N65536fi2fr6553610000002fr65536500000/f， DO的T65536500000/52364580 单片机12MHZ晶振，高中低音符与计数T0相关的计数值如表4-2所示 表3-2 音符频率表低音音符频率HZ中音音符频率HZ高音音符频率HZ1261.631523.2511045.52293.672587.3321174.663329.633659.4631318.514349.234698.4641396.925391.995738.9951567.986440.006880.0061760.007493.887987.7671975.52 我们要为这个音符建立一个表格，单片机通过查表的方式来获得相应的数据 低音019之间，中音在2039之间，高音在4059之间在这个程序中，弹奏音乐的程序是和播放音乐都用定时/计数器T0来完成的第二章 硬件电路设计2）、硬件总体方案及说明： 51单片机P2口通过连接4*4的矩阵键盘，各键盘的音调在程序中做解释，P1口接通过74LS247译码器连接两个数码管，按下相应的按键产生相应键值，P3.0连接一个蜂鸣器用于产生示例音乐，P3.7接一个扬声器，用于各按键的音调发声，通过执行相应的功能程序使电子琴发出不同音色的声音。2.1）、芯片介绍：在本次电子琴设计中，我们组成员单片机芯片选用了STC89C52芯片，因为发下来的AT89S52我们无法下载程序所以改用了自己买的芯片，但是芯片无太大差异，89C51系列的兼容性比较好。下图为单片机AT89S52的引脚说明及其最小系统。复位电路： 复位电路我们本来在方案选择的时候有两种选择的，上电复位和按扭复位，上电复位是利用电容充电来实现的，而按扭复位是电源对外节电容的充电使RST为高电平，复位松开后，电容通过下拉电阻放电，使RST恢复低电平。为了制作软件的方便我们还是选择用按扭复位，因为它比较直观。时钟电路： 用两个30pf的陶瓷电容与12M的晶振并联产生。其他引脚： 31、40引脚接电源，20引脚接地。P3口特殊功能引脚说明：P3口引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0外部输入）P3.5T1（定时器1外部输入）P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD（外部数据存储器读先通）2.2）、矩阵模块：65433217 7654B.3.2.1（1）利用P2口为按键接入口，形成44组成16个按键矩阵，设计成15个音，下图所示：321 0765 4 11109 815141312所对应的音调为：所对应的键码为: 说明：按下按键显示键值，并发出相应的音调。2.3）、数码管模块一位静态数码管管脚及封装说明74LS247引脚及其封装说明 硬件连接说明：通过按键显示相应的键值，通过74LS247产生相应的二进制代码一次传送给数码管的各个引脚，使其显示相应的键值数，如图protues仿真所示，2.4）、发声模块 通过一个P3.7引脚，连接一个2N3906然后与扬声器使其放大发声， P3.0也通过一个三极管接到蜂鸣器用于示例音乐播放输出。连线说明：具体参照protues仿真电路图（4）protues仿真设计图如下：第三章 软件设计3.1）、软件功能模块（3.1.1）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（3.1.2）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（3.1.3）琴键处理程序： 根据检测到得键值，查询音律表，给计时器赋值，使发出相应频率的声音（3.1.4）数码管显示程序 根据得到的键值，通过74LS247转换得到相应的八位二级制并传送给数码管显示相应的键值。（3.1.5）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3.2）、程序简易流程图开始T0初始化并开中断允许T0中断键盘扫描程序有键按下否 否延时去抖动识别按键功能 是是否弹奏键播放键 否 是跳入播放子程序根据按键功能装入相应音符值到T0启动T0启动T0按键释放成功否播放是否结束停止T0工作停止T1工作返回键盘扫描返回键盘扫描3.3）、设计源程序#include #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit SPK = P37; /P3.7外接扬声器sbit BEEP=P30; /生日快乐歌的音符频率表，不同频率由不同的延时来决定 uchar code SONG_TONE=212,212,190,212,159,169,212,212,190,212,142,159, 212,212,106,126,159,169,190,119,119,126,159,142,159,0; /生日快乐歌节拍表，节拍决定每个音符的演奏长短 uchar code SONG_LONG=9,3,12,12,12,24,9,3,12,12,12,24, 9,3,12,12,12,12,12,9,3,12,12,12,24,0; /延时 void DelayMS(uint x) uchar t; while(x-) for(t=0;t120;t+); /播放函数 void PlayMusic() unsigned int i=0,j,k; while(SONG_LONGi!=0|SONG_TONEi!=0) /播放各个音符，SONG_LONG 为拍子长度 for(j=0;jSONG_LONGi*20;j+) BEEP=BEEP; /SONG_TONE 延时表决定了每个音符的频率 for(k=0;kSONG_TONEi/3;k+); DelayMS(50); i+; uint FreqTemp;unsigned int code Freqtab = /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 uchar Keyscan(void) uchar i, j, temp, Buffer4 = 0xfe, 0xfd, 0xfb, 0xf7; for(j = 0; j 4; j+) /循环四次，扫描四行 P2 = Bufferj; /在低四位分别输出一个低电平 _nop_(); temp = 0x10; /计划先读出P1.7位 for(i = 0; i 4; i+) /循环四次，检查四列 if(!(P2 & temp) /从高四位，截取1位 return (i + j * 4); /返回取得的按键值 temp = 1; /换右边一位 return 16; /没有键按下就返回16 void Display(uchar k) P1=(k/10)4)+(k%10);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X0中断 EA = 1; while(1) TR0 = 0; /暂不发音 Key_Temp1 = Keyscan(); /读入按键 if(Key_Temp1 != 16) /有键按下 Display(Key_Value); /显示键值、延时消抖 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 FreqTemp = FreqtabKey_Value; /根据键值，取出定时半周期的初始值 Display(Key_Value); /显示 /启动定时器，发音 if( FreqTemp = Freqtab15) BEEP=0; SPK=1; PlayMusic(); /播放生日快乐 DelayMS(500); /播放完后暂停一段时间 TR0 = 1; while (Keyscan() 8; SPK =SPK; /发音 /=第四章 实验焊接及调试4.1）、元器件清单主要仪器设备：计算机、万用表、烙铁等设备、5V电源适配器主要元器件： 独立按键 17个单片机AT89S52一片12MHz晶振 1个2N3906三极管 2个不同阻值电阻 数个电源开关 1个喇叭 1个蜂鸣器 1个30pf电容 2个22u电解电容 1个万能板 1块共阳数码管 2个 74ls247译码器 2个 导线 若干4.2）、电路焊接 根据protues仿真图，和万能板的排版，把元器件一一的通过电烙铁焊接，并尽量简洁美观。4.3）、软件调试 通过要实现的功能，编写相应的程序，通过自顶向下的模块化程序设计，编写出各模块的程序，用keil软件进行调试与编译，并到protues仿真验证，最终得出成功的程序。4.4）、系统联调 通过开发板，我们用自己的芯片烧写程序，到单片机中，并把单片机放入我们所焊接的万能板上面，接通电源，通过万用表，能工具不断的调试，终于能够稳定的工作了。附录一：电子琴成品图五、心得体会：这次设计从软件方面来讲不是很难，protues仿真也不是很难，所以比较容易就做好了准备，在焊