基于AT89S51多音阶电子琴设计.doc

编号：参赛题目：基于AT89S51多音阶电子琴设计参赛学生：李 敏李 翠 芹袁 在 忍学 校：山东凯文科技职业学院院 系：信息学院2011年8月6一、方案论证21.1 控制器方案的选择与论正21.2 按键键盘方案的选择与论证21.3发声器件方案的选择与论证3二、系统硬件的理论分析与设计32.1系统组成及总体框图32.2音频功放电路42.3 4x4键盘输入电路5三、系统软件设计63.1 音乐相关知识63.2 如何用单片机实现音乐的节拍63.3如何用单片机产生音频脉冲73.4系统总体功能流程图7四、结论8参考文献8附录1：9附录2：912摘 要微型电子琴的设计以AT89S51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、存储及显示功能。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:单片机；电子琴；AT89S51一、方案论证1.1 控制器方案的选择与论正方案一： 采用AT89C51单片机进行控制,由于AT89S51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AT89S51单片机进行控制，由于具备ISP功能，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4K，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。鉴于上述对比与分析，本设计采用方案二。 1.2 按键键盘方案的选择与论证 方案一：采用独立式键盘，独立式键盘采用的是将开关直接与I/O口相连的形式，电路实现较简单，软件编程容易实现，但每个键都占用了一个口线，因此只是用于键盘数量比较少的情况。 方案二：采用4*4行列式键盘，又称矩阵式键盘或行列式键盘。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些。但当键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常采用矩阵形式即4*4键盘形式。 鉴于上述对比与分析，本设计应用键盘较多，因此采用方案二。1.3发声器件方案的选择与论证方案一：采用扬声器作为发声扬声器是一种把电信号转换成声音信号的电声器件。确切地说，扬声器的工作实际上是把一定范围内的音频电功率信号通过换能方式转变为失真小并具有足够声压级的可听声音。方案二：.蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。相较于蜂鸣器，扬声器在音质、频率响应等方面功能更强。 鉴于上述对比与分析，本设计采用方案一。 二、系统硬件的理论分析与设计2.1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。该设计具有16个曲调值的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器件会根据按键，通过扬声器将曲调播放出来。实现的音乐发生器件是通过按键键盘实现的，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。本例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。总的系统结构图如下： 图3-1 系统结构图2.2音频功放电路在一定频率范围内的振动能够产生乐音，但是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。386功放最大的特点是低功耗，高增益，增益最高可达200。LM386电源电压4-12V，音频功率0.5w。LM386音响功放是由NSC制造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使用到15V，消耗静态电流为4mA，当电源电压为12V时，在8欧姆的负载情况下，可提供几百mW的功率。它的典型输入阻抗为50K。图3-音频功放电路2.3 4x4键盘输入电路在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图1所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。下图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。三、系统软件设计 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个音节组成的键盘，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。 3.1 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。3.2 如何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：曲调值DELAY 曲调值DELAY调4/4125ms 调4/462ms调3/4187ms 调3/494ms调2/4250ms 调2/4125ms 表4-1 音乐节拍表3.3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的对照如下表：音符频率（HZ）计数值（T值）音符频率（HZ）计数值（T值）低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763737中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83194934#2RE#31163928中6LA88064968低3MI33064021#6LA#93264994低4FA34964103中7SI96865030#4FA#37064185低1DO104665058低SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#149065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764633#5SO#166165235#2RE#62264884高6LA176065252中3MI65964732#6LA#186565268中4FA69864820高7SI196765283 表4-2 音符频率与计数值T的对照表T的值决定了TH0和TL0的值，其关系为：TH0=T/256，TL0=T%2563.4系统总体功能流程图该程序设计思路比较清晰既从开始到声明变量与函数再到读取按钮开关，判断是否按下，然后就是一个一个按钮的动作。其主程流程图中断服务程序流程图如下： 图 主程序框图四、结论通过各方面努力，本次设计任务完成，系统部分功能已实现。可以随意演奏一首喜欢的曲子，基本达到预定的效果。通过这次比较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的水平。参考文献【1】谭会生,张昌凡.EDA技术及应用（第二版）M.西安电子科技大学出版社,2001年9月第1版【2】徐志军,王金明,伊廷辉等. EDA技术与PLD设计M.人民邮电出版社, 2006年2月第1版【3】赵鑫,蒋亮,齐兆群等.数字电路设计M.北京机械工业出版社,2005年6月第一版.【4】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【5】美Ashish Wilfred Meeta Gupta Kartik Bhatnagar著,刘永明，贺民译. php专业项目实例开发J. 水利水电出版社，2003【6】于海生. 微型计算机控制技术选编M.清华大学出版社，1999.【8】胡汉才. 单片机【7】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.原理及其接口技术M. 北京：清华大学出版社，2004.附录1：主要电路原理图：附录2：#includeunsigned char key,keycode,a,STH0,STL0; sbit bell=P20;unsigned int TABLE=0,64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,65058