音乐演奏器设计课程设计.doc

题目：音乐演奏器设计目录一、 引言二、方案比较以及选择2.1 控制模块选择方案2.2 按键选择方案三、硬件设计及说明3.1系统组成及总体框图3.2元件简介3.3 各功能模块原理图四、软件设计4.1 音乐相关知识4.2用单片机实现音乐的节拍4.3用单片机产生音频脉冲五、系统调试5.1硬件调试5.2 软件调试六、总结七、参考文献附录1：元器件清单附录2：电路原理图音乐演奏器设计摘要：微型电子琴的设计以STC89C52单片机作为系统的核心控制部分，通过制作硬件电路和软件的设计编写，然后进行软硬件的调试运行，最终达到设计电路的乐器演奏、点歌及显示等功能。设计中应用中断系统和定时/计数原理控制演奏器发声，对音乐发生所必须确定的音符和节拍分别用程序语言实现。可以用它来弹奏和播放乐曲。特点是设计思路简单、清晰，成本低。关键字：电子琴 单片机 STC89C521、 引言1.1背景随着电子科技的飞速发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、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。1.2设计的意义该设计具有以下优点：(1)可以随意弹奏想要表达的音乐；(2)制作简单，成本低。(3)传统电子琴功能更完善。1.3设计目标（1）用12 个键盘演奏音乐（建议演奏小星星）。（2）乐曲的音阶限于12 个音阶内，C 调，节拍频率1 Hz，C调音阶频率表见附表1；（3）一次演奏后应可以存储并重放（不少于20 个音符）； （4）音阶准确，随机抽测一点频率，频率误差0.1%； （5）功率放大器满足以下要求： 额定功率大于2W（负载电阻8的条件下）； 在额定功率及带宽范围内用示波器观察无明显失真。（1）实现无线键盘控制功能，距离5m ； （2）功率放大器带宽大于50 Hz5000 Hz（负载电阻8的条件下）； （3）功率放大器失真度5%（1000Hz 时，满功率输出）； 2、 方案比较以及选择2.1 控制模块选择方案方案一： 采用AT89C51单片机进行控制，由于AT89C51不具备ISP功能，因此Atmel公司已经停产在市面上已经不常见，况且其ROM只有4K在系统将来升级方面没有潜力。方案二：采用STC89C52单片机进行控制，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。选择方案：鉴于上述对比与分析，本设计采用方案二 2.2 按键选择方案按键采用市面上普通的轻触按键，该按键的特点是价格便宜，实用性强，按键手感和回弹速度都不错。3、 硬件设计及说明 3.1系统组成及总体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，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、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。用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。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。用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。本电子琴使用国家半导体公司的低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。利用E2PROM的断电保存数据的特性，来对键盘弹奏过程进行录制。选用ATMLU728这款芯片，通过IIC总线和单片机进行连接，实线了电子琴歌曲的弹奏录制和回放功能。ATMLU728单片机STC89C52 按键音频功放电路数码管显示电路 扬声器图3-1 系统结构图3.2元件简介3.2.1 STC89C52STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。3.2.2 LM386 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大 器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。图3-2 LM386的封装形式3.2.3 AT24C02 AT24C02是一个2K位串行CMOS E2PROM， 内部含有256个8位字节，CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗。AT24C02有一个8字节页写缓冲器。该器件通过IIC总线接口进行操作，有一个专门的写保护功能。3.2.4 LED数码管本次课程设计的显示电路采用LED数码管显示，LED（Light-Emitting Diode）是一种外加电压从而流过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。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b所示)，阴极连在一起的称为共阴极显示器(如图c所示)。1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管ag控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和灭，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，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。 （a）外形 （b）共阳极 (C)共阴极图3-6 数码管引脚3.3 各功能模块原理图3.3.1 STC89C52最小系统模块原理图 单片机最小系统有12M晶振电路，复位电路，P0口上拉电路等基本电路组成，并带有4个排针接到了单片机的VCC、GND、P30、P31这个四个脚上，方便了程序的下载和调试。 图3-7 STC89C52模块电路原理图3.3.2键盘扫描模块电路原理图对键盘扫描电路的扫描方式有行扫描法和线反转法，在此次程序编写中，采用线反转法，将列线作为输出线，行线作为输入线。置输出线全部为0，此时行线中呈低电平0的为按键所在行，如果全部都不是0，则没有按键按下。将前面的行列状态反过来，即将行线作为输出线，列线作为输入线。置输出线全部为0，此时列线呈低电平的为按键所在的列。这样，经处理程序，就可以确定了按键的位置（X，Y），并送主程序以实现不同功能。 图3-8 键盘扫描模块电路原理图3.3.3数码管显示模块电路原理图数码管显示模块核心是共阳级数码管，通过来自单片机I/O口的电平高低来点亮和熄灭数码管上的发光二极管，通过单片机送来的数码管显示编码可以在数码管上显示数字和字符，使应用人员可以很容易的理解按键按下所对应的音符。图3-9 数码管显示模块电路原理图3.3.4音频处理模块电路原理图 由于单片机驱动能力不够，在处理音符信号时，需加功率放大装置，因LM386芯片具有低功耗、高增益的特点，这合适单片机低功耗输出，所以加装LM386音频信号放大器对信号进行放大。 图3-10 音频处理模块电路原理图3.3.5 EEPROM存储模块电路原理图 本电子琴加入了EEPROM用来存储录制的歌曲，这里使用的芯片的CATALYST公司的AT24C02，该芯片有2K存储空间，通过IIC总线和单片机进行连接。四、软件设计 本软件设计关键是要实现一种由单片机控制的简单音乐发生器，它由16个音调组成的的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。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，不同音商的乐音是用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用单片机实现音乐的节拍 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倍数。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。4.3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。T的值决定了TH0和TL0的值，其关系为：TH0=T/256，TL0=T%256附表1 C调音阶频率表五、系统调试 电路调试是整个系统功能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分：硬件调试、软件调试和综合调试。5.1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。1、数码管LED电路调试：接通电源，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。5.2 软件调试调试主要方法和技巧： 通常一个调试程序应该具备至少四种性能：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。6、 总结 通过这次的电子设计大赛，我们学到了不少课本上没有的知识，也锻炼了自己的动手能力，将以前学过的零散的知识串到一起，懂得了如何加强了团队合作能力和查询资料的能力。首先在知道比赛题目后的调研阶段，我们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，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，和它们之间的竞争。了解了单片机方面的先进技术，这些都为我的未来的学习指明了方向。这次比赛主要涉及硬件和软件两方面的内容，通过这些我们团队的硬件和软件开发能力都获得了提高。首先硬件方面，基本了解了电子产品的开发流程和所要做的工作。并设计了一个单片机最小系统。通过开发板的设计和硬件搭建的过程，使我们对51系单片机的接口有了更深层次的理解，熟悉了一些单片机常用的外围电路引脚和连接方法，如LED数码管，矩阵键盘等，但是比赛的发挥功能无线键盘我们没有实现这个功能，不过我相信以后有机会的话一定会实现的。在软件方面，通过串行口调试工具的开发，使我们加深了对原件封装的理解，熟悉了51系列单片机内部的寄存器和编程规则，以及如何控制外围电路，加强了C语言的编程能力，真正的做到了学以致用，更好的理解了以前所学到的知识，我相信这次比赛会对我们的每个人的未来都产生积极的影响。七、参考文献【1】郭天祥.新概念 51 单片机 C 语言教程.入门、提高、开发M.北京：电子工业出版社，2009.【2】苏家健、曹柏荣、汪志锋.单片机原理及应用技术M.高等教育出版社【3】高吉祥,唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程（电子仪器仪表设计）M.北京:电子工业出版社,2007.【4】 李朝青. 单片机原理及接口技术M. 北京：北京航天航空大学出版色，2001. 附录1：电路原理图电路原理图Proteus仿真图附录3：程序清单#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned long#define dim(x) (sizeof(x)/sizeof(x0)sbit beep = P37;/ 定义蜂鸣器的输出引脚sbit led1 = P20;/ 定义录音指示灯的输出引脚sbit led2 = P21;/ 定义播歌指示灯的输出引脚sbit led3 = P22;/ 定义弹奏指示灯的输出引脚sbit sda = P26;/ 定义了AT24C02的sda脚sbit scl = P27;/ 定义了AT24C02的scl脚sbit key1 = P34;/ 定义了播放录制的音乐的按键管脚sbit key2 = P33;/ 定义了录制/停止的按键管脚sbit key3 = P32;/ 定义了播放内置歌曲的按键管脚void ChooseMusic(); uchar song=0; / song代表当前播放到第几首歌，取值为1,2,3uchar g_tone;/ g_tone代表当前要播放的音调/* 定时器的初值，TH_0代表TH0的值，TL_0代表TL0的初值，其含义如下所示 */* 低6 低7 中1 中2 中3 中4 中5 中6 中7 高1 高2 高3 高4 高5 高6 高7 */uchar code TH_0= 0xFB,0xFC,0xFC,0xFC,0xFD,0xFD,0xFD,0xFD,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFF ;uchar code TL_0= 0x90,0x0C,0x43,0xAC,0x09,0x34,0x82,0xC8,0x06,0x22,0x56,0x85,0x9A,0xC1,0xE4,0x03 ;/* 数码管的显示值：6. 7. 1 2 3 4 5 6 7 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. */uchar code dig= 0x02,0x78,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78;/* 世上只有妈妈好的乐谱*/ uchar code music1= 14,3, 13,1, 11,2, 13,2, 15,2, 14,1, 13,1, 14,4, 11,2, 13,1, 14,1, 13,2, 11,2, 9,1, 7,1, 13,1, 11,1, 10,4, 10,3, 11,1, 13,2, 13,1, 14,1, 11,2, 10,2, 9,4, 13,3, 11,1, 10,1, 9,1, 7,1, 9,1, 6,4 ;/* 生日快乐的乐谱 */uchar code music2= 6,1, 6,1, 7,2, 6,2, 9,2, 8,4, 6,1, 6,1, 7,2, 6,2, 10,2, 9,4, 6,1, 6,1, 13,2, 11,2, 9,2, 8,2, 7,3, 12,1, 12,1, 11,2, 9,2, 10,2, 9,4 ;/* 茉莉花的乐谱*/ uchar code music3= 5,2, 5,1, 7,1, 8,1, 10,1, 10,1, 8,1, 7,2, 7,1, 8,1, 7,4, 5,2, 5,1, 7,1, 8,1, 10,1, 10,1, 8,1, 7,2, 7,1, 8,1, 7,4, 7,2, 7,2, 7,2, 5,1, 7,1, 8,2, 8,2, 7,4, 5,2, 4,1, 5,1, 7,2, 5,1, 4,1, 3,2, 3,1, 4,1, 3,4, 5,1, 4,1, 3,1, 5,1, 4,3, 5,1, 7,2, 8,1, 10,1, 7,4, 4,2, 5,1, 7,1, 3,1, 4,1, 3,1, 2,1, 1,4, 1,2, 3,2, 4,3, 5,1, 3,1, 4,1, 3,1, 1,1, 7,4 ;/* 延时函数. - t代表毫秒*/void DelayMs(uint t)uint x,y;for(x=t;x0;x-)for(y=110;y0;y-);/*用于简短的延时*/void flash() ; ; /*AT24C02的IIC总线初始化.*/void AT24C02_Init()scl=1; flash(); sda=1; flash();/*AT24C02起始函数. - */void start()sda=1; flash(); scl=1; flash(); sda=0; flash(); scl=0; flash();/*AT24C02终止函数. */void stop()sda=0; flash(); scl=1; flash(); sda=1; flash();/*AT24C02写一个字节.*/void write_byte(uchar dat) uchar i,temp;temp=dat;for(i=0;i8;i+)temp=temp1; scl=0; flash(); sda=CY; flash(); scl=1; flash();scl=0; flash(); sda=1; flash();/*AT24C02读一个字节.*/unsigned char read_byte()uchar i,temp,dat=0;scl=0; flash(); sda=1;flash();for (i=0;i8;i+) scl=1; flash();temp=sda;dat=(dat1)|temp; scl=0; flash(); return(dat);/*AT24C02总线响应.*/void respons() uchar i=0; scl=1; flash(); while(sda=1)&(i255) / 如果sda收到低电平，或者i自加255个数后还没收到低电平，都认为收到了 i+;scl=0; flash();/*AT24C02读出数据.*/uchar AT24C02_Read(uchar addr) uchar dat; EA=0; start(); write_byte(0xa0); respons(); write_byte(addr); respons(); start(); write_byte(0xa1); respons(); dat=read_byte(); stop(); DelayMs(5); EA=1; return dat;/*AT24C02写入数据.*/void AT24C02_Write(uchar addr,uchar dat) EA=0; start(); write_byte(0xa0); respons(); write_byte(addr); respons(); write_byte(dat); respons(); stop(); EA=1; DelayMs(10);/*发出指定音调及其节拍的声音 -tone代表音调beat代表节拍*/ void Play(uchar tone,uchar beat)uchar t1;ulong t2;P0=digtone;/ 数码管显示相应的音调，带“.”表示高音音调TH0=TH_0tone;/ 装入定时器TH0的初值TL0=TL_0tone;/ 装入定时器TL0的初值TR0=1;/ 启动定时器for(t1=0;t1beat;t1+)/ 利用2个for循环进行播放延时功能for(t2=0;t27200;t2+);TR0=0;/ 停止定时器 P0=0xff;/ 关闭数码管/* 矩阵键盘扫描程序.*/char KeyScanf() /键盘扫描 uchar hang=0,lie=0,temp1,temp2;/ hang代表行，lie代表列P1=0x0f;/ 让P1口的高4位为0temp1=P1;/ temp1采集P1口的数据switch(temp1)/ 判断是否某一行有被按下，有的话，给hang变量赋值case 0x0e: hang=1; break;/ 如果P1口的值，即temp1的值为0x0e，则代表第1行有某一个按键被按下了case 0x0d: hang=2; break;/ 如果P1口的值，即temp1的值为0x0d，则代表第2行有某一个按键被按下了case 0x0b: hang=3; break;/ 如果P1口的值，即temp1的值为0x0b，则代表第3行有某一个按键被按下了P1=0xf0;/ 让P1口的低4位为0temp2=P1;/ temp2采集P1口的数据switch(temp2)/ 判断是否某一列有被按下，有的话，给lie变量赋值case 0x70: lie=1; break;/ 如果P1口的值，即temp2的值为0x70，则代表第1列有某一个按键被按下了case 0xb0: lie=2; break;/ 如果P1口的值，即temp2的值为0xb0，则代表第2列有某一个按键被按下了case 0xd0: lie=3; break;/ 如果P1口的值，即temp2的值为0xd0，则代表第3列有某一个按键被按下了case 0xe0: lie=4; break;/ 如果P1口的值，即temp2的值为0xe0，则代表第4列有某一个按键被按下了if(lie!=0)&(hang!=0)/ 当hang变量和lie变量都不为0时，说明有按键被按下了return (hang-1)*4+lie);/ 计算是哪个按键别按下，如第3行第4个，那么(3-1)4+4)=12elsereturn 0; / 如果没有按键被按下，则返回0/* 功能：定时器初始化函数*/void Timer0_Init()TMOD=1;/ 定时器0，工作方式1ET0=1;/ 开启定时器0中断EA=1;/ 开启总中断/* 功能：播放内置的音乐*/void PlayMusic(uchar arr,uchar num)uchar i=0;led3 = 1;/ 弹奏指示灯灭led2 = 0; / 播放指示灯亮while(inum) g_tone=arri;/ 给全局变量g_tone赋值Play(arri,arri+1); / 开始演奏，每调用一次，演奏一个节拍 i+=2;/ 进入下一个节拍，因为没2个数为1组（第1个代表音调，第2个代表节拍），所以每次要加2if(key3=0)/ 判断播放过程，是否按下了下一曲按键，如果是，则切换到下一曲DelayMs(100);while(!key3);DelayMs(100);song+;if(song=4)song=1;ChooseMusic();led3 = 0;/ 弹奏指示灯亮led2 = 1; / 播放指示灯灭/*歌曲选择*/void ChooseMusic()switch(song)case 1 : DelayMs(300); Pla