电子琴论文-邓锦永,李哲,余汉操.docx

智能控制设计大赛电子琴所在单位: 华南理工大学自动化学院08 3班作 者: 邓锦永 自动化 08余汉操 自动化 08李 哲 自动化 08目录设计任务与要求 3引言 4摘要 5一、 设计原理 611 音乐知识 612 播放原理 613 电路原理 6二、 具体设计及实现 721 系统总框图 722 硬件设计 8221 主芯片AT89S528222 显示屏LCD1602 10223 功放LM386 12224 矩阵键盘 1323 软件设计14231 主程序流程 14232 音乐播放部分 15233 音乐弹奏部分 15234 录音部分 16235 键盘程序流程 16参考文献 17附录一、完整的系统原理图 18附录二、完整的系统源代码 19设计任务与要求 电子琴 一、 设计任务设计制作一个电子琴。二、 设计要求1. 基本要求：1） 可以通过按键控制发音，能够发出1、2、3、4、5、6、7、i等八个音符；2） 可以播放已存储的音乐；3） 能够自动演奏多首（两首以上）乐曲，且演奏方式可选择（如重复播放或者顺序播放等）。2. 扩展要求：1） 可以发出八个以上的音符；2） 进行音调、音量的选择；3） 可以对编奏乐曲进行录音，在按下放音键时能演奏出来；4） 其他。引言 单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。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。 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。它在现代音乐扮演着重要的角色，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16个按键和扬声器。本文主要对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴统硬件组成。利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。并且本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。 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定时/计数器T0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。摘 要 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。它在现代音乐扮演着重要的角色，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AT89S51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16个按键和扬声器。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。关键词：单片机 键盘扬 声器 电子琴Abstract Electronic organ is a modern electronic music technology and the product is a new type of keyboard instruments. It played an important role in modern music. SCM has powerful control functions and flexible programming characteristics. It has converged with modern peoples lives, become an irreplaceable part. The main content is AT89S51 control of the core components, design of a electronic organ. SCM as a host to the core, with the keyboard, speaker and other core modules. In the main control module has 16 keys and a speaker. The system is steady, its simple hardware circuits, software functions, reliability of control system and high cost performance is its advantages. It also has certain practical and reference value.Key words : SCM keyboard speaker electronic organ一、 设计原理1.1、 音乐知识音乐中使用的各个固定基本频率叫音级，常用符号C,D,E,F,G,A,B,c表示，也就是简谱中的1,2,3,4,5,6,7,i ，以C调为准，各音级的频率如下：（单位：赫兹）音级中1DO中2RE中3MI中4FA中5SO中6LA中7SI频率523578659698784880988音级高1DO高2RE高3MI高4FA高5SO高6LA高7SI频率10461175131813971568176019761.2、 播放原理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定时/计数器T0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。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。1.3、 电路原理二、 具体方案1.系统总框图电源输入直流5V单片机AT89S52键盘模块功率放大模块声音输出流水灯显示显示屏输出2.硬件设计（1）芯片 AT89S52AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。AT89S52的主要特性如下：兼容MCS51产品8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP 闪存4.0V到5.5V的工作电源范围全静态工作：0Hz 24MHz3级程序存储器加密256字节内部RAM32条可编程I/O线3个16位定时器/计数器8个中断源UART串行通道低功耗空闲方式和掉电方式通过中断终止掉电方式看门狗定时器双数据指针灵活的在线编程（字节和页模式）AT89S52引脚功能与封装1.多功能I/O口。AT89S52共有四个8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0 P0.7，P1.0 P1.7，P2.0 P2.7，P3.0 P3.7，共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。2.RST 复位输入端。在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。3.ALE/PROG 地址锁存允许信号。在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。4.PSEN 程序存储器允许信号。它用于读外部程序存储器。当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。5.EA/Vpp 外部存取允许信号。为了确保单片机从地址为0000HFFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。当执行内部程序时，EA应接到Vcc。在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。6.XTAL1 振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。7.XTAL2 振荡器的反相放大器输出。AT89S52封装结构图（2）显示屏设计LCD1602液晶显示模块：1)主要功能 A、 40通道点阵LCD 驱动; B、 可选择当作行驱动或列驱动; C、 输入/输出信号:输出,能产生202个LCD驱动波形;输入,接受控制器送出的串行数据和控制信号,偏压(V1V6); D、 通过单片机控制将所测的频率信号读数显示出来 2)技术参数 极限参数表：电参数表：3)时序特性表：4)引脚和指令功能模块引脚功能表：寄存器选择功能表：（注:忙标志为1时,表明正在进行内部操作,此时不能输入指令或数据,要等内部操作结束,即忙标志为0时。） 指令功能 :格式:RS R/W DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0共11种指令:清除,返回,输入方式设置,显示开关,控制,移位,功能设置,CGRAM地址设 置,DDRAM地址设置,读忙标志,写数据到CG/DDRAM,读数据由CG/DDRAM。 5)显示位与DD RAM 地址的对应关系： （3）功放LM386LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。1) LM386内部电路 LM386内部电路原理图如图所示。与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。2) LM386的引脚图LM386的外形和引脚的排列如图3-3所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10F。查LM386的电源电压4-12V或5-18V(LM386N-4)；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200dB；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。（4）4*4矩阵键盘在作品采用了4*4键盘，只占用8个IO口（P1口）就实现了16个按键，操作过程更加简单、方便。3.软件设计(1)主程序流程复位键属于无条件强制控制，无论正在做什么动作，按下复位键都将回到主界面。(2)音乐播放部分：(3)音乐弹奏部分(4)录音部分(5)键盘程序流程图本系统中键盘程序分为键盘扫描子程序和按键功能执行子程序。键盘扫描子程序流程图如下图2-42所示，按键功能子程序流程图如下图2-3-3所示：参考文献1 康年光.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社.2005.072 刘乐喜.微机计算机接口技术及应用.华中科技大学出版社.2005.083 谢嘉奎.电子线路（线性部分）.高等教育出版社.2004.044 潭浩强.C语言程序设计.清华大学出版社.2005.075 李群芳，肖看.单片机原理、接口及应用嵌入式系统技术基础.清华大学出版社.2005.036 冯博琴.微型计算机原理与接口技术.清华大学出版社.20047 长德，李华，李东.MCS51/98系列单片机原理与应用.机械工业出版社.19978 李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机原理与接口技术.电子工业出版社.20029 石东海等.单片机数据通信技术从入门到精通.西安电子科技大学出版社.200210 谢自美等.电子线路设计、实验、测试（第二版）.华中科技大学出版社.200011 R.L.Geiger,P.E.Allen,N.R.Strader.VLSI.DLSI Design Techniques for Analog And Digital Ciruits.McGraw-Hill Inc.199012 N.R.Mallik.Electronic Ciruits-Analysis Simulation and Design.Prentice Hall,1995.附录一、完整的系统原理图附录二、完整的系统源代码/* SOUND PLAY FOR 51MCU COPYRIGHT (c) 2005 BY JJJ. - ALL RIGHTS RESERVED - File Name: SoundPlay.h Author: Jiang Jian Jun Created: 2005/5/16 Modified:NO Revision: 1.0 *说明* 曲谱存贮格式 unsigned char code MusicName音高，音长，音高，音长., 0,0;末尾:0,0 表示结束(Important) 音高由三位数字组成： 个位是表示 17 这七个音符 十位是表示音符所在的音区:1-低音，2-中音，3-高音; 百位表示这个音符是否要升半音: 0-不升，1-升半音。 音长最多由三位数字组成： 个位表示音符的时值，其对应关系是： |数值(n): |0 |1 |2 |3 | 4 | 5 | 6 |几分音符: |1 |2 |4 |8 |16 |32 |64 音符=2n 十位表示音符的演奏效果(0-2): 0-普通，1-连音，2-顿音 百位是符点位: 0-无符点，1-有符点 调用演奏子程序的格式 Play(乐曲名,调号,升降八度,演奏速度);|乐曲名 : 要播放的乐曲指针,结尾以(0,0)结束;|调号(0-11) :是指乐曲升多少个半音演奏;|升降八度(1-3) : 1:降八度, 2:不升不降, 3:升八度;|演奏速度(1-12000):值越大速度越快;*/#ifndef _SOUNDPLAY_H_REVISION_FIRST_#define _SOUNDPLAY_H_REVISION_FIRST_/*#define uint unsigned int #define uchar unsigned charsbit lcdrs = P31; sbit lcdrw = P32;sbit lcden = P33;uchar order=1music;/6uchar order1=2keymusic;/9uchar order2=3record;/7uchar order3=repeat play;/11uchar order4=order play;/10uchar nums;unsigned char temp,num,key;unsigned char i,j;sbit d1=P10;sbit d2=P11;sbit d3=P12;sbit d4=P13;sbit d5=P14;sbit d6=P15;sbit d7=P16;sbit d8=P17;#define SYSTEM_OSC 12000000/定义晶振频率12000000HZ#define SOUND_SPACE 4/5 /定义普通音符演奏的长度分率,/每4分音符间隔sbit BeepIO = P30;/定义输出管脚unsigned int code FreTab12 = 262,277,294,311,330,349,369,392,415,440,466,494 ; /原始频率表unsigned char code SignTab7 = 0,2,4,5,7,9,11 ; /17在频率表中的位置unsigned char code LengthTab7= 1,2,4,8,16,32,64 ;unsigned char Sound_Temp_TH0,Sound_Temp_TL0;/音符定时器初值暂存 unsigned char Sound_Temp_TH1,Sound_Temp_TL1;/音长定时器初值暂存/*void Delay1ms(unsigned int count)unsigned int i,j;for(i=0;icount;i+)for(j=0;j120;j+);void InitialSound(void)BeepIO = 0;Sound_Temp_TH1 = (65535-(1/1200)*SYSTEM_OSC)/256;/ 计算TL1应装入的初值 (10ms的初装值)Sound_Temp_TL1 = (65535-(1/1200)*SYSTEM_OSC)%256;/ 计算TH1应装入的初值 TH1 = Sound_Temp_TH1;TL1 = Sound_Temp_TL1;TMOD = 0x11;ET0 = 1;ET1 = 0;TR0 = 0;TR1 = 0;EA = 1;void BeepTimer0(void) interrupt 1/音符发生中断BeepIO = !BeepIO;TH0 = Sound_Temp_TH0; TL0 = Sound_Temp_TL0;/*void Play(unsigned char *Sound,unsigned char Signature,unsigned Octachord,unsigned int Speed)unsigned int NewFreTab12;/新的频率表unsigned char i,j;unsigned int Point,LDiv,LDiv0,LDiv1,LDiv2,LDiv4,CurrentFre,Temp_T,SoundLength;unsigned char Tone,Length,SL,SH,SM,SLen,XG,FD;for(i=0;i 11)j = j-12;NewFreTabi = FreTabj*2;elseNewFreTabi = FreTabj;if(Octachord = 1)NewFreTabi=2;else if(Octachord = 3)NewFreTabi=2;SoundLength = 0;while(SoundSoundLength != 0x00)/计算歌曲长度SoundLength+=2;Point = 0;Tone = SoundPoint;Length = SoundPoint+1; / 读出第一个音符和它时时值LDiv0 = 12000/Speed;/ 算出1分音符的长度(几个10ms) LDiv4 = LDiv0/4; / 算出4分音符的长度 LDiv4 = LDiv4-LDiv4*SOUND_SPACE; / 普通音最长间隔标准 TR0 = 0;TR1 = 1;while(Point = 2; /低音 if (SM=3) CurrentFre = 2; /高音Temp_T = 65536-(50000/CurrentFre)*10/(12000000/SYSTEM_OSC);/计算计数器初值Sound_Temp_TH0 = Temp_T/256; Sound_Temp_TL0 = Temp_T%256; TH0 = Sound_Temp_TH0; TL0 = Sound_Temp_TL0 + 12; /加12是对中断延时的补偿 SLen=LengthTabLength%10; /算出是几分音符XG=Length/10%10; /算出音符类型(0普通1连音2顿音) FD=Length/100;LDiv=LDiv0/SLen; /算出连音音符演奏的长度(多少个10ms)if (FD=1) LDiv=LDiv+LDiv/2;if(XG!=1)if(XG=0) /算出普通音符的演奏长度 if (SLen0;i-) /发规定长度的音 while(TF1=0)/P2=0x7f;/temp=P2;/temp=temp & 0x0f;/if(temp!=0x0f) LDiv2=0;SoundSoundLength = 0x00;Point = SoundLength+1;break;/P2=0xbf;/temp=P2;/temp=temp & 0x0f;/if(temp!=0x0f) LDiv2=0;SoundSoundLength = 0x00;Point = SoundLength+1;break;P2=0xdf;temp=P2;temp=temp & 0x0f;if(temp!=0x0f) continue;TH1 = Sound_Temp_TH1;TL1 = Sound_Temp_TL1;TF1=0;if(LDiv2!=0)TR0=0; BeepIO=0;for(i=LDiv2;i0;i-) /音符间的间隔while(TF1=0);TH1 = Sound_Temp_TH1;TL1 = Sound_Temp_TL1;TF1=0;Point+=2; Tone=SoundPoint;Length=SoundPoint+1;BeepIO = 0;unsigned int code tab=63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178,65283 ;void write_com(uchar com)lcdrs=0;/uint x,y;for(i=5;i0;i-)for(j=110;j0;j-);P0=com;for(i=5;i0;i-)for(j=110;j0;j-);lcden=1;for(i=5;i0;i-)for(j=110;j0;j-);lcden=0;void write_data(uchar date)lcdrs=1;for(i=5;i0;i-)for(j=110;j0;j-);P0=date;for(i=5;i0;i-)for(j=110;j0;j-);lcden=1;for(i=5;i0;i-)for(j=110;j0;j-);lcden=0;void init()lcdrs=0;lcdrw=0;lcden=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);/write_com(0x01);write_com(0x80);for(nums=0;nums0;i-)for(j=100;j0;j-);write_com(0x80+0x07);for(nums=0;nums0;i-)for(j=100;j0;j-);write_com(0x80+0x40);for(nums=0;nums0;i-)for(j=100;j0;j-);/*#endif#include #include SoundPlay.h#include /*Music*unsigned char code track_1= 0x10,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x02,0x16,0x02, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x15,0x03, 0x11,0x03, 0x10,0x01, 0x1A,0x03, 0x1A,0x03, 0x1A,0x03, 0x1A,0x03, 0x1A,0x02, 0x19,0x02, 0x17,0x03, 0x19,0x03, 0x19,0x03, 0x18,0x03, 0x17,0x01, 0x17,0x03, 0x1A,0x03, 0x1A,0x03, 0x19,0x03, 0x17,0x02, 0x16,0x02, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x15,0x03, 0x11,0x03, 0x10,0x02, 0x0D,0x02, 0x0D,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x11,0x03, 0x10,0x02, 0x17,0x02, 0x16,0x03, 0x15,0x03, 0x11,0x03, 0x0F,0x03, 0x10,0x01, 0x00,0x00 ;unsigned char code track_2= 0x10,0x03, 0x15,0x03, 0x17,0x03, 0x1A,0x03, 0x10,0x02,0x17,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x16,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x01, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x10,0x03, 0x15,0x03, 0x10,0x03, 0x10,0x15, 0x10,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x10,0x03, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x16,0x15, 0x18,0x03, 0x18,0x03, 0x18,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x15, 0x16,0x03, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x15,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x16,0x15, 0x15,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x03, 0x16,0x03, 0x16,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x10,0x03, 0x10,0x02, 0x10,0x02, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x10,0x03, 0x15,0x15, 0x11,0x03, 0x11,0x03, 0x11,0x03, 0x11,0x03, 0x11,0x03, 0x10,0x03, 0x11,0x15, 0x17,0x02, 0x1A,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x02, 0x19,0x03, 0x1A,0x03, 0x1A,0x02, 0x1A,0x02, 0x1A,0x03, 0x1F,0x03, 0x1A,0x03, 0x19,0x03, 0x1A,0x03, 0x19,0x03, 0x17,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x01, 0x10,0x02, 0x17,0x03, 0x16,0x03, 0x16,0x02, 0x17,0x03, 0x1A,0x03, 0x1A,0x03, 0x15,0x03, 0x15,0x02, 0x17,0x03, 0x1A,0x03, 0x1A,0x03, 0x17,0x03, 0x1A,0x03, 0x1B,0x03, 0x1B,0x15, 0x17,0x02, 0x1A,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x02, 0x19,0x03, 0x1A,0x03, 0x1A,0x02, 0x1A,0x02, 0x1A,0x03, 0x1F,0x03, 0x1A,0x03, 0x19,0x03, 0x1A,0x03, 0x19,0x03, 0x17,0x03, 0x16,0x03, 0x17,0x01, 0x10,0x02, 0x17,0x03, 0x16,0x03, 0x16,0x02, 0x17,0x03, 0x17,0x03, 0x17,0x03, 0x10,0x03, 0x10,0x02, 0x11,0x03, 0x11,0x03, 0x11,0x03, 0x16,0x03, 0x15,0x03, 0x11,0x03, 0x10,0x03, 0x10,0x03, 0x10,0x01, 0x00,0x00 ;unsigned char code track_3= 0x1A,0x03, 0x19,0x03, 0x17,0x03, 0x16,0x03, 0x15,0x01, 0x17,0x03, 0x17,0x03, 0x15,0x03, 0x10,0x03, 0x0F,0x01, 0x0F,0x03, 0x10,0x03, 0x0F