简易电子琴的设计.doc

电子系统设计简易电子琴设计院 系： 信息工程学院专 业： 电子信息科学与技术学生姓名： 郭涛梅学 号： 030941214指导老师： 谭建军 2011年12月摘要：介绍了一种基于AT89C51单片机的电子琴的电路设计方法。该方法是用AT89C51单片机为核心控制器件，与键盘、蜂鸣器等模块构成控制模块。通过8个不同的按键来取出产生好的单片机内定时器的8种不同频率的方波脉冲来推动喇叭发出旋律，产生电子基音音阶（do,re,mi,fa,so,la,si,高音do），从而实现简易电子琴设计。还有扩展的两个功能，一是先自动顺序播放do,re,mi,fa,so,la,si,高音do,然后倒序播放do,re,mi,fa,so,la,si,高音do；二是播放一首简单的生日歌。该系统运行稳定，硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比高，能够达到预期目的。关键字：AT89C51 单片机 555定时器 脉冲触发 电子琴一、设计任务及要求1、要求有7个音阶，可以用数字芯片构成，也可以用单片机构成2、用EWB仿真或其他软件仿真3、搭建实体电路4、打印出实验报告，并分析实验结果二、系统方案与论证2.1 系统总体方案方案一：采用555定时器构建电路， 采用一个555集成定时器组成简易电子琴。整个电路由主振荡器，颤音振荡器，扬声器和琴键按钮等部分组成。主振荡器由555定时器，电阻，按键及电容组成。系统框图如图2-1所示：图2-1 方案一系统框图典型电路图如图2-2所示： 图2-2 方案一电路图555定时器电路电路较为简单，但得到的效果不怎么好，无法得到标准的频率。而且电阻必须要非常精确，一般无法达到。方案二：采用AT89C51单片机为核心，通过按键控制单片机的P30口产生一定频率的方波，从而驱动扬声器发声。系统方框图如图2-3所示：图2-3 方案二系统框图系统电路图如图2-4所示：图2-4 方案二电路图电路较为简单，而且程序易编写，输出的波形稳定，产生的频率准确，容易控制，能够达到预期效果。综上所述，选择方案二。程序流程图如图2-5所示：图2-5 方案二程序流程图2.2 按键开关控制部分 采用查询加中断的方式， 共8个按键，先对8个按键进行扫描，若有键按下则产生该键值对应的频率的方波，来推动扬声器发音。这8个按键为8个音符即do,re,mi,fa,so,la,si和高音do。2.3 扬声器驱动部分2.3.1 扬声器选择方案一：压电式蜂鸣片：片状发声元件。有普通型（厚度0.4毫米）、薄型（厚度0.2毫米）、超薄型（厚度0.1毫米以下）和偏心、方形、唤醒、双面形、反馈形等各种异型产品。能满足500Hz20kHz不同频率发生的要求，可开发厚度3毫米的卡片式扬声器。方案二：小型扬声器（喇叭）：是动圈式发生器件，其构造有外磁、内磁、塑架、铁架、纸盒、膜片、大磁、薄型等不同类别。音频电能通过电磁、压电或静电效应，使其纸盒或膜片振动周围空气造成音响。按换能机理和结构分动圈式（电动式）、电容式（静电式）、压电式（晶体或陶瓷）、电磁式（压簧式）、电离子式和气动式扬声器等，电动式扬声器具有电声性能好、结构牢固、成本低等优点，应用广泛；按声辐射材料分纸盆式、号筒式、膜片式；按纸盆形状分圆形、椭圆形、双纸盆和橡皮折环；按工作频率分低音、中音、高音，有的还分成录音机专用、电视机专用、普通和高保真扬声器等；按音圈阻抗分低阻抗、高阻抗；按效果分直辐和环境声等。经过综合比较，电子琴用扬声器为保证其优质的重放效果，不仅要满足其较高的技术性能指标，而且更要注重其实际试听效果，选择了动圈式发生器件，0.5W的扬声器，在空旷的房间里一般能够听得到。2.3.2 扬声器驱动选择采用双晶体管串联驱动扬声器，电路简单，无噪声。三、理论分析与计算3.1 按键模块设计中共用到了10个按键，其中八个（K1到K8）与单片机的P2口相连，分别是产生do,re,mi,fa,so,la,si和高音do，另外两个（K9、K10）分别接P3.2和P3.3，其中K10是自动连续播放do,re,mi,fa,so,la,si和高音do，si,la,so,fa,mi,re,do；K9为自动播放生日歌。 他们的另一端都接地，电路图如图3-1所示： 图3-1 按键部分电路3.2 扬声器驱动模块 扬声器接单片机的P10口，通过在P10口产生一定频率的方波，电路图如图3-2所示：图3-2 扬声器驱动电路要想产生方波信号，需要算出某一音频的周期，然后将此周期除以2，即半周期的时间。利用单片机定时器定时这个半周期的时间，每当计时时间到后将输出脉冲的I/O口反相，然后重复计时半周期时间再次反相，这样就可以在I/O口得到此频率的方波。产生的中音频率如下表所示：音调DORIMIFASOLASI频率（Hz）523587659698784880987定时时间64580644846477764820648986496865030 设计中，利用8个按键控制单片机的输出口产生不同频率的方波；利用定时器0使其工作在工作模式1下，改变计数初值TH0和TL0来产生不同频率的方波。初值的计算方法如下：计数脉冲值与时钟的关系为 式中，为机器频率，其中，为想要产生的频率。其计数初值的求法如下： 假设外部晶振为12M，则时钟周期为1us，则上式可以化为： 对于频率为523Hz的方波， 对于频率为587Hz的方波， 对于频率为659Hz的方波， 对于频率为698Hz的方波， 对于频率为784Hz的方波， 对于频率为880Hz的方波， 对于频率为987Hz的方波，接下来就是将T值赋给TH0和TL0，计算公式如下： 四、测试结果分析与总结4.1 测试结果分析 每按下一个键，会听到扬声器发出一定频率的声音，而且7种声音各不相同，频率越小，周期越大，信号宽度越大。用示波器在P30口测每个按键按下后的波形，如下图4-1所示。由于本设计的仿真效果主要靠耳朵来听，所以很难较好的表达成可以看出的现象，在这里用所对应的频率来表示该音阶。图4-1 第一阶do测出波形的频率为523.23Hz图4-2 第二阶re 测出波形的频率为587.47Hz图4-3第三阶mi 测出波形的频率为659.43Hz图4-4 第四阶fa 测出波形的频率为698.32Hz图4-5 第五阶so 测出波形的频率为784.62Hz图4-6第六阶la 测出波形的频率为880.85Hz 图4-7 第七阶si 测出波形的频率为987.54Hz 4.2 实验总结设计中用独立按键设置7种不同的频率，模拟7种音阶，电路简单，达到了实验的预期效果。在设计过程中遇到了一些的问题，例如在写程序的过程中出现多次编译错误，经过了很多次的调试，问了很多同学和参考了很多资料后才调好。虽然程序没有问题了，但是仿真的效果不是很理想，音质没有想象中那么清晰。时间间隔控制的挺慢的。不过总的来说这个设计还是到达并超过了设计要求。参考文献：【1】新概念51单片机C语言程序教程 郭天祥编：哈尔滨工业大学出版社【2】农业装备技术（Agricultural Equipment & Technology）第36卷第5期2010年10月【3】中国高新技术企业2010年第36期（总第171期）【4】单片机开发与应用，刘建超：【用单片机制作简单电子琴】附录： 源程序代码#include #define shumaguan P0 /定义数码管段码输出 sbit LED =P11;sbit SPK =P10; /定义方波输出口unsigned int tone1,tone2;/*标准音符表*/用于使定时器初值变化以产生相应频率的定时unsigned char code yinfu=0xfb,0xe9, /Do 0xfc,0x5c, /Re 0xfc,0xc1, /Mi 0xfc,0xef, /Fa 0xfd,0x45, /So 0xfd,0x92, /La 0xfd,0xd0, /Si 0xfd,0xee, /高音Do 0x00,0x00 ;/音符之间的间隔，只要间隔时间小于65ms时，喇叭不会发出声音，用作拍子之间的短暂停顿 /*生日快乐歌音调表*/unsigned char code shengri_tone=1,0,1,2,1,4,3,0, 1,0,1,2,1,5,4,0, 1,0,1,8,6,4,3,2,0, 7,0,7,6,4,5,4,0 ;/0代表不发声，即停顿；数字即为音调 /*生日快乐歌节拍表*/unsigned char code shengri_beat=24,1,24,48,48,48,72,5, 24,1,24,48,48,48,72,5,24,1,24,48,48,48,48,72,5,24,1,24,48,48,48,72,5 ;/节拍，即tone表各音调的延时 /*自动演示音调表*/unsigned char code yanshi_tone=1,0,2,0,3,0,4,0,5,0,6,0,7,0,8,0,8,0,7,0,6,0,5,0,4,0,3,0,2,0,1,0; /*自动演示节拍表*/Unsigned char code yanshi_beat= 48,1,48,1,48,1,48,1,48,1,48,1,48,1,48,2, 48,1,48,1,48,1,48,1,48,1,48,1,48,1,48,2 ;/*15ms延时子程序，用于节拍*/void delay(void) unsigned char n=15; while(n-) unsigned char i; for(i=0;i=33) return; /数值是shengri相关表中的元素数量 /*演奏子程序2*/void play2(void) unsigned char m=0; unsigned char s; unsigned char a=1; while(1) EA=0; LED=0; a=yanshi_tonem; shumaguan=a; s=yanshi_beatm; tone1=yinfu2*a-2; tone2=yinfu2*a-1; EA=1; while(s-) delay(); LED=1; m+; if(m=32) return; /*按键检测*/void check_key(void) P2=0xff; P3=0xff; /设置为输入状态 switch(P2) /检测按键，输出数码管、载入定时器初值、允许中断 case 0xfe:shumaguan=0x1;tone1=0xfb;tone2=0xe9;EA=1;break; case 0xfd:shumaguan=0x2;tone1=0xfc;tone2=0x5c;EA=1;break; case 0xfb:shumaguan=0x3;tone1=0xfc;tone2=0xc1;EA=1;break; case 0xf7:shumaguan=0x4;tone1=0xfc;tone2=0xef;EA=1;break; case 0xef:shumaguan=0x5;tone1=0xfd;tone2=0x45;EA=1;break; case 0xdf:shumaguan=0x6;tone1=0xfd;tone2=0x92;EA=1;break; case 0xbf:shumaguan=0x7;tone1=0xfd;tone2=0xd0;EA=1;break; case 0x7f:shumagua