「【音乐】基于STC89C52单片机的简易电子琴」

音乐类 课程设计报告课程设计报告 课程名称： 微机原理课程设计 题 目： 简易电子琴 学 院： 环境与化学工程 系：过程装备与测控工程 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测仪 xxx 班 学 号： 学生姓名： 起讫日期： 20 xx-12-2720 xx-1-6 指导教师： 音乐类 摘要摘要 单片机具有体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等的优点，故广泛应用于国民经济 的各个领域目前单片机已用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵 器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域，随着单片机性能的不断提高， 它的应用将会更加广泛。单片机技术发展非常快，所以目前的产品都致力于在功能全面、 技术先进、操作简便、安全可靠、价格合理等方面进行仔细研究，精心设计；及时掌握最 新的单片机技术，在条件允许的情况下，尽可能地利用最新的单片机技术来研制其应用系 统，再利用单片机体积小、价格低、功能强等特点，以保证所设计的产品在未来的一段时 间内仍具生命力。 STC89C52 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,使用经典的 MCS-51 内核。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。单片机又称微控制器，其中最基本的结构是将 CPU 和计算机外围功能单元，如储存器、 I/O 口、定时器/计数器、中断系统等集成在一个芯片上构成的。 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延时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。 本设计采用 STC89C52 芯片组成的最小系统，结合四位共阴数码管，八位独立按键，以 及一位无源蜂鸣器构成的简易电子琴。通过软件设置，使系统达到，按下控制按键，蜂鸣 器发出 Do，Re，Mi，Fa，So，La，Si，Do-H，八个简单的音调，同时数码管显示相应按键 的标号，达到简易电子琴系统功能的实现。 关键词关键词：STC89C51，简易电子琴，共阴数码管，独立按键 音乐类 目目 录录 一、设计任务、要求一、设计任务、要求.- 1 - 1.1、设计任务：、设计任务：.- 1 - 1.21.2、设计要求：、设计要求：.- 1 - 二、方案总体设计二、方案总体设计.- 1 - 2.12.1、显示模块、显示模块.- 1 - 2.22.2、按键模块、按键模块.- 1 - 2.32.3、蜂鸣器音阶产生模块、蜂鸣器音阶产生模块.- 1 - 2.42.4、总体设计：、总体设计：.- 2 - 三、三、 硬件设计硬件设计.- 2 - 3.13.1、最小系统、最小系统.- 2 - 3.1.1、时钟信号的产生.- 2 - 3.1.2、复位电路.- 3 - 3.23.2、数码管显示模块、数码管显示模块.- 3 - 3.2.1、数码管引脚图.- 3 - 3.2.2、数码管连线电路.- 4 - 音乐类 3.33.3、矩阵键盘、矩阵键盘.- 4 - 3.43.4、蜂鸣器电路、蜂鸣器电路.- 5 - 3.53.5、整体电路、整体电路.- 5 - 四、四、 程序流程图程序流程图.- 6 - 五、系统仿真与调试五、系统仿真与调试.- 7 - 5.1、仿真软件简介、仿真软件简介.- 7 - 5.25.2、调试与仿真过程图、调试与仿真过程图.- 7 - 5.35.3、实物图、实物图.- 8 - 5.45.4、使用说明、使用说明.- 10 - 六、总结、心得体会六、总结、心得体会.- 12 - 七、七、 参考文献参考文献.- 13 - 附录 - 14 - 音乐类 一、设计任务、要求一、设计任务、要求 1.1、设计任务：、设计任务： 利用 52 单片机最小系统，共阴数码管，无源蜂鸣器以及独立按键，设计实现可发出八 个基本音阶的简易电子琴系统。 1.21.2、设计要求：、设计要求： 1、蜂鸣器可发出八个简单音阶。 2、八位独立按键分别控制不同的音阶产生。 3、四位数码管依据所按按键，在不同的数码管上显示不同的数字。 4、通过按键实现系统复位。 二、方案总体设计二、方案总体设计 本次设计简易电子琴，通过 STC89C52 芯片最小系统控制电路，以八位独立按键控制， 蜂鸣器产生八个不同的音阶，四位共阴数码管显示不同的数字，独立按键控制复位。系统 编程采用 Keil c 软件，电路图设计以及 PCB 板绘制使用 Altium designer 软件，仿真调试 使用 ISIS 软件实现。将不同模块结合起来，实现简易电子琴的设计。 2.12.1、显示模块、显示模块 本设计采用四位数码管显示，每位数码管分别由八位发光二极管组成。数码管可分为 共阴和共阳两种，通过不同的位选操作驱动不同的数码管显示，再通过不同的段选点亮不 同的发光二极管，达到显示不同数字的功能。 2.22.2、按键模块、按键模块 八位独立按键，通过 P2 口控制音阶的产生和数码管显示，按下响应的键产生设定的声 音点亮对应的数码管。 2.32.3、蜂鸣器音阶产生模块、蜂鸣器音阶产生模块 蜂鸣器可分为两种，分别为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器 注意，这里的“源”不是指电源。而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡 源，所以只要一通电就会叫。而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。 必须用 2K5K 的方波去驱动它有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。 无源蜂鸣器的优点是： 1。便宜 2。声音频率可控，可以做出“多来米发索拉西”的 效果 3。在一些特例中，可以和 LED 复用一个控制口。有源蜂鸣器的优点是：程序控制方 便 音乐类 乐曲中不同的音符，实质就是不同频率的声音。通过单片机产生不同的频率的脉冲信 号，经过放大电路，由蜂鸣器放出，就产生了美妙和谐的乐曲。(1)单片机产生不同频率脉 冲信号的原理： 要产生音频脉冲，只要算出某一音频的脉冲（1/频率） ，然后将此周期除以 2，即为半 周期的时间，利用定时器或延时函数计时这个半周期的时间，每当计时到后就将输出脉冲 的 I/O 反相，然后重复计时此半周期的时间再对 I/O 反相，就可以在 I/O 脚上得到此频率 的脉冲。 例如：要产生 1KHZ 的频率，则半周期为 0.5ms，则 P35 所送出的信号中，0.5ms 为高 电平，0.5ms 为低电平。若 0.5ms 高电平与 0.5ms 为低电平为一组信号（总共 1ms） ，连续 送出 100 组，则可得到 1KHZ 的声音约 0.1s:停止输出 0.1s 之后，在连续送出 100 组高低 电平，则可听到“哔，哔”两声。通过改变频率，控制产生不同的方波，就可以产生不同 的音阶。 使用无源蜂鸣器，通过内部程序延时产生不同频率的方波，使蜂鸣器产生八个基本的 音阶 Do，Re，Mi，Fa，So，La，Si，Do-H。 l 按键与参数的对照表 按键音阶参数 S1 中音 Do 115 S2 中音 Re 102 S3 中音 Mi 91 S4 中音 Fa 86 S5 中音 So 77 S6 中音 La 68 S7 中音 Si 61 S8 高音 Do 57 图 2-1 音阶参数对应图 2.42.4、总体设计、总体设计： 设计总体框架图如图 2-1 所示。 图 2-2 总体框架图 音乐类 3 3、硬件设计硬件设计 3.13.1、最小系统、最小系统 3.1.13.1.1、时钟信号的产生、时钟信号的产生 89C52 芯片内部有一个高增益法相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自己振荡器， 电路如图 3-1 所示。 图图 3-13-1晶振电路晶振电路 3.1.23.1.2、复位电路、复位电路 复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式，本设计采用按键电平复位，结构 如图 3-2 所示。 图图 3-23-2复位电路复位电路 音乐类 3.23.2、数码管显示模块、数码管显示模块 3.2.13.2.1、数码管引脚图、数码管引脚图 图图 3-33-3四位八段共阴极数码管四位八段共阴极数码管 3.2.23.2.2、数码管连线电路、数码管连线电路 本设计中是用 P1 口低四位接 1k 的电阻控制数码管的位选，用 P0 口接 1k 的上拉排阻 控制数码管的段选。连线电路图： 图图 3-43-4数码管连线电路图数码管连线电路图 音乐类 3.33.3、矩阵键盘、矩阵键盘 本设计采用八位独立按键，通过 P2 口控制，按键序号及接线图如下图所示： 图图 3-53-5独立键盘连线电路图独立键盘连线电路图 3.43.4、蜂鸣器电路、蜂鸣器电路 本课程设计使用的蜂鸣器是无源蜂鸣器，通过程序控制产生不同频率的方波送给蜂鸣 器，驱动蜂鸣器蜂鸣器发出相应频率的声音，驱动电路如下图所示： 音乐类 图图 3-63-6蜂鸣器连线电路图蜂鸣器连线电路图 3.53.5、整体电路、整体电路 图 3-7 整体电路图 音乐类 图 3-8 PCB 电路图 4 4、程序流程图程序流程图 程序流程图如 4-1 所示 图 4-1 程序流程图 五、系统仿真与调试五、系统仿真与调试 5.1、仿真软件简介、仿真软件简介 本次设计使用 Proteus ISIS 仿真软件进行调试。P r o t e u s I S I S 是英国 L a b c e n t e r 公司开发的电路设计、分析与仿真软件，功能极其强大。该软件的主要特 点是： 集原理图设计、仿真分析（I S I S) 和印刷电路板设计（A R E S) 于一身。可以 完成从绘制原理图、仿真分析到生成印刷电路板图的整个硬件开发过程。 音乐类 提供几千种电子元件（分立元件和集成电路、模拟和数字电路）的电路符号、仿真 模型和外形封装。 支持大多数单片机系统以及各种外围芯片（R S 2 3 2 动态仿真、I 2 C 调试器、S P I 调试器、键盘和 L C D 系统仿真等）的仿真。 提供各种虚拟仪器，如各种测量仪表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。过去 需要昂贵的电子仪器设备、繁多的电子元件才能完成的电子电路、单片机等实验， 5.25.2、调试与仿真过程图、调试与仿真过程图 XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 C2 30pF C3 30pF X1 C1 10u R1 1k R2 100 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK-8 Q1 PNP R8 10k R9 10k R10 10k LS1 SPEAKER XTAL2 18 XTAL1 19 ALE 30 EA 31 PSEN 29 RST 9 P0.0/AD0 39 P0.1/AD1 38 P0.2/AD2 37 P0.3/AD3 36 P0.4/AD4 35 P0.5/AD5 34 P0.6/AD6 33 P0.7/AD7 32 P1.0 1 P1.1 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 P3.0/RXD 10 P3.1/TXD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.7/RD 17 P3.6/WR 16 P3.5/T1 15 P2.7/A15 28 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 U1 AT89C51 C2 30pF C3 30pF X1 C1 10u R1 1k R2 100 2 3 4 5 6 7 8 9 1 RP1 RESPACK-8 Q1 PNP R8 10k R9 10k R10 10k LS1 SPEAKER 音乐类 图 5-1 仿真调试图 5.35.3、实物图、实物图 图 5-2 实物图 蜂鸣器模块 按键 复位 模块 四位共阴数码管显示模块 按键模块 第第 一一 位位 数数 码码 管管 音乐类 图 5-4 实物调试图 5.45.4、使用说明、使用说明 按键分布图 图 5-5 按键分布 按下 0 号键，蜂鸣器发出 Do 的音阶，第一位数码管显示 0； 按下 1 号键，蜂鸣器发出 Re 的音阶，第二位数码管显示 1； 按下 2 号键，蜂鸣器发出 Mi 的音阶，第三位数码管显示 2； 按下 3 号键，蜂鸣器发出 Fa 的音阶，第四位数码管显示 3； 按下 4 号键，蜂鸣器发出 So 的音阶，第一位数码管显示 4； 音乐类 按按下 5 号键，蜂鸣器发出 La 的音阶，第二位数码管显示 5； 按下 6 号键，蜂鸣器发出 Si 的音阶，第三位数码管显示 6； 按下 7 号键，蜂鸣器发出 Do-H 的音阶，第一位数码管显示 7； 音乐类 六、总结、心得体会六、总结、心得体会 在这次课程设计中，由刚开始时的手足无措不知从何下手，到过程中电路设计，程序 编写，调试模拟，腐蚀电路板，做出实物，实物调试。一步一步收获了很多。 刚开始的几天，面对要把课本上的单片机做出实物，并且实现一定的功能就让动手实 践能力不佳的我很犯难。尤其是在选择课题上，怕选的太难实现不了功能，选的太简单没 有挑战性，但是最终还是选择了简易电子琴这个设计课题。 选定课题后，第一步各种查资料，查音阶的产生原理，数码管的引脚分布，蜂鸣器的 发声原理等等。画电路板找元件到生成 PCB 板，调节各个元件的位置，选择封装形式，处 理飞线等等。最开始 PCB 的图就做了三次，选错封装，飞线太多，一步一步慢慢学着让自 己的板子看起来更合理。收获了很多但是最后还是由于粗心忘记加电源和底线的孔。程序 的编写可能是这次课设中对我来说最具挑战性的环节了，程序的编写不但需要一定的 c 语 言的基础还需要把单片机的各种功能和引脚知识结合起来，程序的编写刚开始是错误加警 告满篇，查资料问同学，一步一步改。先是模仿书上的程序调试，然后是查资料。把课设 的功能分为好几个模块，一个模块一个模块的通过编程实现，然后相互加在一起通过一定 的逻辑实现了最后的功能。当然调试中，也遇到了很多的麻烦，按键不能起到控制作用， 数码管亮度太低，引脚底座被焊坏，用万用表一条条的查线路，查引脚，按键，直到最后 功能的全部实现。 这次课设真的让我收获很多，从硬件到软件，没有经验欠缺很多知识，虽然这个简易 电子琴真的不难，但是从设计构想到实物的功能实现，还是花费了不少心血。做设计不但 要有丰厚的知识做后盾，还要细心耐心，有很好的动手能力，才能取得最后成功。而我在 这些方面还差的很多，这次课设在让我锻炼和收获的同时，也让我明白了自己还有很多的 东西要学要做。最后感谢课设过程中给予我帮助的老师和同学。 音乐类 7 7、参考文献参考文献 【1】李朝青 单片机原理及接口技术 北京航天大学出版社 【2】杨长兴 C+程序设计 中国铁道出版社 【3】张义和 例说 51 单片机 人民邮电出版社 音乐类 附录附录 /*- 简易电子琴 时间：20 xx.12.31 -*/ #include / #define Duanxuan P0 #define Weixuan P1 #define SW_Port P2 sbit buzzer=P35; unsigned char keys; /*声明音阶数组 Do Re Mi Fa So la Si Do_H*/ unsigned char code tone8=115,102,91,86,77,68,61,57; unsigned char code TAB8=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0