简易电子琴设计毕业设计.doc

主要内容、基本要求、主要参考资料等：主要内容、基本要求、主要参考资料等： 设计一个电子琴，要求具有以下功能：设计一个电子琴，要求具有以下功能： （1）利用查询式键盘，数字键 1、2、3、4、5、6、7、8 作为电子 琴按键，按键按下时发出 1、2、3、4、5、6、7、1 的声音。 （2）利用定时器,可以发出不同频率的脉冲,不同频率的脉冲经喇叭 驱动电路放大滤波后,就会发出不同的音调。 参考资料： 【1】 单片机原理及接口技术-第二版 主编 李全利 高等教育出 版社 【2】 80c51 单片机实践与应用m-第一版 主编 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉 清华大学出版 完完 成成 期期 限：限： 2 20 01 11 1- -1 12 2- -0 07 7 指指导导教教师师签签名名： 课程负责人签名：课程负责人签名： 年年 月月 日日 郑州华信学院 课程设计说明书课程设计说明书 题目：题目： 简易电子琴设计 姓姓 名：名： 尚玉莎 院院 （系）：（系）： 机电工程学院 专业班级：专业班级： 09 电气工程一班 学学 号：号： 0902120110 指导教师：指导教师： 宋东亚 成成 绩：绩： 时间：时间： 年年 月月 日至日至 年年 月月 日日 目 录 摘 要 .4 引 言 .4 一 方案选取 .5 二 原理及结构 .6 2.1 设计简单原理介绍.6 2.2 设计结构图.6 2.3 单片机的外部引脚简要说明.7 三 硬件设计 .9 3.1 键盘控制模块.9 四 软件设计 .10 4.1 软件流程图.10 五五 软、硬件调试过程软、硬件调试过程 .11 5.1 硬件操作步骤.11 5.2 软件操作步骤.12 六六 源程序源程序 .12 6.1 源程序.12 参考文献参考文献 .14 附录附录 .15 总结总结 .16 摘 要 随着现代电子技术的发展，涌现出了很多电子产物，其中电子琴就是其一， 本报告设计一个基于单片机的简易电子琴。电子琴作为科技与音乐的产物，在 信息化与电子化的时代，为音乐的大众化做出了不可磨灭的贡献，现在歌曲的 制作，很多都需要电子琴来完成，因此它在现代音乐扮演着重要的角色。 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 at89s52 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 8 个按键， 和一个复位按键本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，程 序简单易懂，控制系统可靠，性价比较高等，因此具有一定的实用和参考价值。 关键词关键词：电子琴、键盘、频率 引 言 单片机作为微型计算机的一个很重要的分支，自问世以来，以其极高的性价 比，受到人们的重视和关注，因此应用广泛，发展迅速。相对而言，单片机体 积小、重量轻、抗干扰能力强，对环境要求不高，并且价格低廉、可靠性高、 灵活性好，开发较为容易。目前，在我国，单片机已经广泛地用于智能仪表、 机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。 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。 在电子音乐领域，自从 20 世纪末期 midi（乐器数字化接口）推出和逐步 规范化后，各种乐器及众多数码音视频产品中采用 midi 技术已逐渐成为一种潮 流。但是当前各厂商的电子琴产品通常使用自己设计的专用音源，并且软硬件 均不对外公开，阻碍了 midi 技术的交流。作者在开发基于 midi 模块的音乐发 生器的过程中，进行了用单片机控制通用 midi 音源模块的相关功能制作电子琴 的实践，制作出具有 8 个按键的 midi 电子琴，该琴支持单音和复音弹奏，单 片机以标准的 midi 波特率传送信息，通过串口连接蜂鸣器，从而获得优美的乐 音 一 方案选取 通过对单片机系统的学习和认识，我认识到通过 8051 单片机 p1 输入到系 统，可以完成此简易电子琴的任务，使用 80c51 单片机做此电子琴是我们的不 二选择，因为在我们的课程学子中，了解和接触最多的就是 80c51，别的型号 的芯片我们不熟，所以 80c51 是个很好的选择。 乐音实际上是有固定周期的信号，我们可以用 80c51 的一个定时器（如 t0）控制，在 p1.0 脚上输出方波周期信号，产生乐音。根据不同的按键，调节 t0 的溢出时间，可输出不同频率的乐音，单片机因其体积小、功能强、价格低 廉而得到广泛应用。本设计介绍用 8051 单片机设计微型电子琴的方法，仅需 80c51 最小系统，扩展一组小键盘，再加一个音频小功放，输出到扬声器。这 样就做出了一台微型电子琴。 二 原理及结构 2.1 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，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 8051 的内部定时器使其工作计数器模式 1 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下： nfi2fr 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。 表 2.1 频率与音符对照表 音符中 do中 re中 mi中 fa中 so中 la中 si高 do 频率 523587 659 698 784 880 988 1046 初值 64580 64684 64777 64820 64898 64968 65030 65058 2.2 设计结构图 8051 单片机根据不同的琴键产生不同的乐曲音符，并经过信号放大，由喇 叭放出。系统整体方案如图所示： 图 2.1 系统原理框图 2.3 单片机的外部引脚简要说明 此次设计应用的单片机为 80c51，设计中主要应用了它的 p0 口、复位 rst 口、片选口、外接晶振引脚和 p1.0 口，单片机 8051 的外部引脚配置如图 3.2 所示: 图 2.2 51 系列的外部引脚配置 琴键 电路 单片机 p0.0 p0.7 放大 电路 p1.0 vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门流。当 p1 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/地址的第八位。 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。 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。 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。 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。 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 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 p3 口也可作为 8051 的一些特殊功能口，如下表所示： 表2.1 p3口的第二功能 p3口引脚第二功能 p3.0rxd（串行口输入） p3.1txd（串行口输出） p3.2int0（外部中断0输入） p3.3int1（外部中断1输入） p3.4t0（定时器0外部脉冲输入） p3.5t1（定时器1外部脉冲输入） p3.6wr（外部数据存储器写脉冲输出） p3.7rd（外部数据存储器读脉冲输出） 三 硬件设计 本电子琴设计模块主要包括键盘控制模块。 3.1 键盘控制模块 电子琴设有 8 个按键，8 个按键分别代表 8 个音符，从中 do 到高 do，通过 软硬件设计，按某个键触发外部中断，中断使程序跳转，启动电子琴，使喇叭 发出各个音符的声音，此系统琴键输入是通过独立式键盘来完成的。由于 8051 单片机的八位 i/o 口足以能实现控制 c 调各音阶的输出，并且独立式键盘的编 程容易易懂，结构简单，实现起来方便，而且每个按键单独占有一根 i/o 接口 线,每个 i/o 口的工作状态互不影响，所以采用独立式键盘。p0.0p0.7 口分别 对应琴键 17 输入，如下图所示： 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 u? at89c51 program=o.hex r8 10k r7 10k r6 10k r5 10k r4 10k r3 10k r2 10k 10k 10k 图 3.1 键盘电路图 四 软件设计 4.1 软件流程图 本系统中下位机（单片机 80c51）的主要功能就是实现音乐播放功能。其 主程序流程如图 4.1 和图 4.2 所示。 否 图 4.1 主程序框图 否 是 是 是 否 开始 读入键值 用键值查表得到音 频相关数据 启动定时 开始发声 1键值7 按键已松开 检测键输入 按音频数据设 置定时器 关闭定时 停止发声 五五 软、硬件调试过程软、硬件调试过程 5.1 硬件操作步骤 利用实验仪上提供的键盘，使数字键 1、2、3、4、5、6、7、8 作为电子琴 按键，按下即发出相应的音调。用 3.2 口发出音频脉冲,驱动喇叭。 1、单片机最小应用系统 1 的 p1 口接查询式键盘，单片机 int0 口接音频 驱动电路。 2、用串行数据通信线连接计算机与仿真器，把仿真器插到模块的锁紧插 座中，请注意仿真器的方向：缺口朝上。 3、打开 keil uvision2 仿真软件，首先建立本实验的项目文件，接着添 加 电子琴.asm 源程序，进行编译，直到编译无误。 4、进行软件设置，选择硬件仿真，选择串行口，设置波特率为 38400。 5、打开模块电源和总电源，点击开始调试按钮，点击 run 按钮运行程序。 图 4.2 定时中断程序框图 定时中断 停止计时 输出音频脉冲电平(高或低) 音频脉冲电平反转 保护现场 恢复现场 中断返回 按查询式键盘的 18 键，扬声器发出高低不同的声音。 5.2 软件操作步骤 1、使用 professional 软件画出电路图（如附录所示）。 2、打开 keil uvision2 仿真软件，首先建立本实验的项目文件，接着添 加 电子琴.asm 源程序，进行编译，直到编译无误。 3、进行软件设置，添加 asm 源程序，进行编译直至没有出现错误。 4、点击按钮进行程序。 5、按电路图中的 8 个键盘按钮。 六六 源程序源程序 6.1 源程序 pulse equ 10h ；脉冲 pulsecnt equ 50h ；脉冲计数 tonehigh equ 40h ；高音调 tonelow equ 41h ；低音调 tone equ 42h ；音调 keybuf equ 54h speaker bit p3.2 org 0000h ljmp start org 000bh ljmp timer0int org 0030h timer0int: ；定时中断 push psw clr tr0 mov th0, tonehigh mov tl0, tonelow setb tr0 mov c, pulse mov speaker，c cpl pulse pop psw reti tonetable: dw 64578, 64686, 64778, 64821 dw 64898, 64968, 65029, 65069 testkey: mov p1, #0ffh mov a, p1 ；读入键状态 ret keytable: db 0feh，0fdh，0fbh，0f7h ；键值表 db 0efh，0dfh，0bfh，07fh getkey: mov r6,#10 acall delay mov a，p1 cjne a，#0ffh，k01 ；确有键按下 ljmp mloop k01： mov r3， #8 ；8 个键 mov r2，#0 ；键码 mov b，a ；暂存键值 mov dptr， #k0tab k02： mov a，r movc a，a+dptr ；从键值表中取键值 cjne a，b，k04 ；键值比较 mov a，r2 ；得键码 ret k04： inc r2 ；不相等，到继续访问键值表 mov a，#0ffh ；键值不在键值中，即多键同时按 下 ljmp mloop delay: mov r7,#0 ；延时子程序 delayloop: djnz r7,delayloop djnz r6,delay ret start: mov sp, #70h mov tmod,#01 ；timer mov ie, #82h ；ea=1, it0 = 1 mov tone,#0 mloop: call testkey jz mloop call getkey mov b,a jz mloop ；= 0, 7 dec b mov a,b rl a ；a = a*2 mov b,a mov dptr,#tonetable movc a, a+dptr mov tonehigh,a mov th0,a mov a,b inc a movc a,a+dptr mov tonelow, a mov tl0, a setb tr0 mov p1，#offh wait: mov a,p1 cjne a，#offh，wait mov r6，#10 acall delay clr tr0 ljmp mloop end 参考文献参考文献 【1】 单片机原理及接口技术-第二版 主编 李全 利 高等教育出版社 【2】 80c51 单片机实践与应用m-第一版 主编 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉 清华大学出版 附录 电路图 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 u? at89c51 program=o.hex r8 10k r7 10k r6 10k r5 10k r4 10k r3 10k r2 10k 10k 10k ls? sounder 元器件表 1、单片机 at89c51 2、查询式键盘 3、10k 电阻（8 个） 4、扬声器 总结总结 经过两周的单片机课程设计，是我学习到了很多知识，尤其是实践方面的 知识，我设计的是简易电子琴设计，设计这个课题使我把理论课的知识应用到 其中，并且检验了理论知识。通过这次单片机课程设计，我弄懂了不少课本上 的知识，还扩展了一些课本没有的