单片机课程设计,简易电子琴设计.doc

郑州科技学院 单片机课程设计 题 目 简易电子琴设计 学生姓名 XXX 专业班级 电气工程及其自动化X班 学 号 201XXXXX 院 （系） 电气工程学院 指导教师 XXX 完成时间 2015年XX 月 XX 日 目 录摘 要11 课程设计的目的22 课程设计的任务与要求22.1 设计任务22.2 设计要求23 设计的方案34 可控芯片的介绍45 单元电路的设计65.1 时钟电路65.2 复位电路65.3 按键部分设计75.4 发音部分设计86 实验结果86.1 仿真结果86.2 硬件调试97总结9参考文献11附录一：总体电路原理图12附录二：实物图13附录三：元器件清单13附录四：电子琴程序14摘要本文主要设计了一个简易电子琴。该设计以STC89C52单片机为控制核心，以键盘、蜂鸣器等作为外围器件，另外还用到一些简单器件如：晶振和NPN型三极管及电阻等。其利用按键实现音符和音调的输入，用NPN型三极管8550实现低音频功率放大，并且用蜂鸣器实现进行播放音乐功能。其从原理图，芯片，各模块的原理和各个模块的程序调试来阐述。利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，实现高、中、低共8个音符的发音系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比高等，具有一定的使用和参考价值。关键词： 单片机；电子琴；矩阵键盘1 课程设计的目的 （1）通过课程设计，使我们能够深入理解单片机系统的工作原理，接口电路的设计及调试方法，培养我们综合运用所学理论知识分析和解决实际问题的能力； （2）使用STC89C52芯片的串口功能，利用独立式键盘和STC89C52单片机以及蜂鸣器实现乐曲的演奏； （3）用keil软件进行编程与调试，利用Proteus 7 Professional软件进行绘制硬件电路图且进行仿真。 （4）通过课程设计让我们在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。 （5）巩固、深化和扩展理论知识与初步的专业技能，为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。2 课程设计的任务与要求2.1 设计任务 （1）根据要求，设计以单片机为核心的多音阶电子琴系统，可随意弹奏想要表达的音乐； （2）针对要求控制的对象完成程序的编制； （3）硬件软件联调，完成题目所要求的功能。2.2 设计要求用矩阵式键盘的八个按键分别对应相应的音符，当按下某一个按键时，产生一个相应音符，操作者按一定的节奏、规律进行输入时，信号经过单片机处理，然后经音频放大后经蜂鸣器输出音频信号，产生声音。3 设计的方案采用STC89C52单片机作为主控芯片，设置键盘、蜂鸣器等外围器件，另外还用到一些简单器件如：NPN型三极管及电阻等。利用按键实现音符和音调的输入；两位的数码管进行被操作的按键显示；用NPN型三极管8550实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器发音。主控芯片采用STC89C52单片机，它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、应用广泛的特点。避免了由于元器件种类、个数繁多，而过于复杂的硬件电路也容易引起系统的精度不高、体积过大等不利因素。同时具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，由于本设计主要用于人们娱乐方面，因此在设计上尽量使其安全以及简单易操作。具有经济可行性、技术可行性、实物应用性。硬件电路要以单片机作为主控芯片，实现按键输入音符和音调，以及低音频功率放大和蜂鸣器发音。针对本设计的功能和用途，采用STC89C52单片机更好，实现功能完全，性价比较高，更适合本设计。其总体设计思路如下图所示：时钟电路按键电路STC89C52单片机发声器5V电源复位电路图3-1 总体设计方案图4 可控芯片的介绍本次课程设计采用的单片机芯片是STC89C52，对其介绍如下：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（计时器0外部输入）P3.5T1（计时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。5 单元电路的设计5.1 时钟电路单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器。可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择20pF左右的瓷片电容。图5-1 时钟电路5.2 复位电路单片机最小系统常采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。其结构如下图。图5-2 复位电路 5.3 按键部分设计键盘在单片机应用系统中是一个关键的部件，它能实现向计算机输入数据，传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘可以分为2类：独立连接式键盘和矩阵式键盘。本设计采用矩阵式键盘。矩阵式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。矩阵式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，然而，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。单片机系统中，若按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。图5-3 矩阵式键盘电路图5.4 发音部分设计如下图所示，发音电路是由蜂鸣器、三极管构成。由三极管来驱动蜂鸣器发音的，同时加上拉电阻增强驱动电流，提高驱动能力。图5-4 蜂鸣器电路图6 实验结果6.1 仿真结果图6-1 仿真电路图6.2 硬件调试硬件调试主要是针对单片机部分进行的调试。在上电之前，先确保电路中不存在断路或短路情况，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的任务。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且无异常情况(断路或短路)的情况下方可上电调试，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。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。7总结 通过这次课程设计，我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。 首先在课程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，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。 我的课程设计主要涉及硬件和软件两方面的内容，通过这些我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。基本掌握了Protel99SE原理图的方法，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，使我对52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，键盘等。在软件方面，通过串行口调试工具的开发，使我加深了对累封装的理解，熟悉了52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。最后，感谢学校给我们这次课程设计的机会，感谢我的指导老师。老师在我论文的撰写过程中，给我提供了极大的帮助和指导。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。参考文献1谭浩强编著.C程序设计.北京：清华大学出版社，2002.2王东峰等.单片机C语言应用100例M.电子工业出版社，2009.3李平等.单片机入门与开发M.机械工业出版社，2008.4周润景等.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例M.电子工业出版社，200.5冯博琴.微型计算机原理与接口技术.清华大学出版社，2004.6黄鑫,马善农,赵永科.基于CPLD的电子琴研究与设计J.科技广场,2007(5).7赵辉，刘印华.PROTEL99电子线路CAD.北京邮电大学出版社，2008.8求是科技.单片机典型模块设计实例导航.北京：人民邮电出版社，2005.9马忠梅，籍顺心等.单片机的C语言应用程序设计H.北京：北京航空航天大学出版社，2007.附录一：总体电路原理图附录二：实物图附录三：元器件清单序号名称规格型号数量1电阻10K12三极管NPN13按键84电容10uF15电容20pF28单片机STC89C5219蜂鸣器8550110晶振12MHz1附录四：电子琴程序#include sbit SPEAKER = P30;#define KEY P1 unsigned char MUSIC; unsigned char STH0;unsigned char STL0;unsigned int code tab=64021,64103,64260,64400,/低音3开始 64524,64580,64684,64777, 64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178; void main(void) TMOD=0x01; ET0=1; EA=1; KEY = 0xff;while(1) if(KEY != 0xff)switch (KEY)/显示的列位置case 0x01:/MUSIC = 7;break;/case 0x02:/MUSIC = 6;break;/case 0x04:/MUSIC =