数字信号处理课程设计虚拟电子琴.doc

数字信号处理课程设计题目：虚拟电子琴设计、学院：电气工程 班级: 学号： 指导老师： 教师职称： 教授 讲师电气工程学院课程设计任务课程名称： “单片机原理及应用数字信号处理”课程设计 基层教学单位：电气工程学院 指导教师：谢平 杜义昊 学号学生姓名（专业）班级设计题目虚拟电子琴设计设计技术参数(a) 利用Matlab设计基于虚拟琴键的信号发生器。(b) 基于单片机对按键输入操作的识别，通过串口发送请求指令给上位机，启动相应琴键发声。在发出不同琴键声音的同时，同时控制单片机系统的LED显示琴键音节数字及波形参数(如幅度、频率等)。(c) 扩展：也可编制程序自动生成一节旋律，或进行组合和弦声音输出。设计要求要求至少输出7个音符的信号并实现相应信号的频谱分析，对比不同信号的时域波形和频谱特性。其中可调参数包括幅值、相位、频率、采样频率等。设计软件分析界面。工作量软件编程与硬件调试相结合，绘制设计流程图，编制相应软件界面，实现单片机控制与信号处理任务的综合应用参考资料1）微型计算机控制系统 赖寿宏，机械工业出版社（教材）2）单片机及应用李大友，高等教育出版社（教材）3）信号处理原理及应用 谢平 等 机械工业出版社（教材）4)Matlab程序设计及其在信号处理中的应用聂祥飞等 西南交通大学出版社5）自选其他有关资料周次第一周第二周应完成内容熟悉伟福单片机编程环境，调试单片机各基本功能模块；熟悉matlab信号处理工具箱，信号处理系统基本功能模块学习和调试单片机系统与信号处理系统综合进行硬件调试，撰写课程设计报告指导教师签字基层教学单位主任签字 目录第1章 摘要4第2章 系统总体设计方案 5 2.1 参数.5 2.2 正弦信号的实现.6 2.3 设计过程.7 2.4 控制界面设计.7. 2.5 matlab编程.第3章 实际应用 13第7章 课设心得及总结 14参考文献14一摘要 随着社会的发展进步，音乐逐渐成为我们生活中很重要的一部分，有人曾说喜欢音乐的人不会向恶。我们都会抽空欣赏世界名曲，作为对精神的洗礼。本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。我们对于电子琴如何实现其功能，如声音强弱控制、节拍器、自动放音功能等等也很好奇。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MCS51单片机为核心控制元件， 利用Matlab设计基于虚拟琴键的信号发生器设计一个电子琴。以单片机作为主控核心，在主控模块上设有7个按键和扬声器。用matlab设计操作界面，借助串口与单片机模块联系起来，控制单片机蜂鸣器发出七个音，并对音阶各项参数进行分析。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。特别是新型智能手机就可以运用此款功能。二系统总体设计方案2.1 参数均值：对于一个随机变量来说，均值是一个很重要的数值特征。粗略的说，就是来描述一个群体的平均水平。其严格的数学定义非常的简单，就是一个随机变量关于概率测度的积分。这样的积分在测度轮或者实分析里是没有什么直观的解释的。而在概率论里却成为了一个群体的主要指标。在此处，均值表示肌电信号的平均水平。标准差： 标准差（Standard Deviation） ，也称均方差（mean square error），是各数据偏离平均数的距离的平均数，它是离均差平方和平均后的方根，用表示。标准差是方差的算术平方根。标准差能反映一个数据集的离散程度。平均数相同的，标准差未必相同。其求解公式如下：最大值 ：D=max(data);最小值：E=min(data);方差： 方差是各个数据与平均数之差的平方的平均数。在概率论和数理统计中，方差（英文Variance）用来度量随机变量和其数学期望（即均值）之间的偏离程度。在许多实际问题中，研究随机变量和均值之间的偏离程度有着很重要的意义。其求解公式如下： 峰峰值:在定的时间范围内，正向与负向峰值之差。 2.2、正弦信号的实现Matlab程序提供了常用的各种基本信号的生成函数。本设计中主要应用正弦信号，直接调用matlab提供的函数。 正弦信号的数学表达式如下（2.1）所示 （2.1）其中：A为幅值；为频率；为相位。 在matlab中，将时间变量离散化并构成一个一维数组，如下式（2.2）所示 （2.2）其中：为采样频率。相应的正弦波信号的数字信号表达式如下（2.3） 2.3设计过程第一，设计7种不同频率的信号发生器对应七种不同的音调；第二，对这七种不同频率的信号进行时域和频域分析，计算一些参数值进行对比；第三，使用GUI界面，设计虚拟电子琴界面，其中包括时域和频域图形显示模块，频率，幅值等参数显示模块，虚拟琴键模块等。 2.4控制界面设计 主要分成三部分：第一为波形显示区，显示相应音频信号的时域和频域波形；第二为按键区，用于虚拟琴键实际操作；第三为参数显示区，通过调用matlab中函数，计算相应的参数值，进行分析和对比。 虚拟琴键的信号发生器设计界面如下点相应的键，会产生频域时域波形和相应的技术指标2.5matlab编程当GUI界面创建完成之后，点击运行即可自动生成包含各个控件回调函数在内的m文件。Matlab对于编辑文本，按钮等空间的相应都是通过自动调用相应的回调函数来实现的。回调函数即在一定的操作下自动执行的指令代码。1 matlab对串行口编程控制主要分为四个步骤。1） 创建串口设备对象并设置其属性2） 打开串口设备对象3） 读/写串口操作4） 关闭并清除设备对象function =dtmf_series(Key)ss=serial(com1); %创建串口1设备对象ssss.BaudRate=2400;%波特率为2400b/sss.DataBits=8;%通讯数据格式为8位数据位ss.Parity=none;%无奇偶校验位ss.StopBits=1;%1位停止位ss.TimeOut=60;%设置一次读或写操作最大完成时间60sss.DataTerminalReady=off;%数据终端准备ss.RequestToSend=off;%请求发送ss.FlowControl=none;%流量控制ss.InputBufferSize=1000;%输入缓冲区fopen(ss);%打开串口设备对象fwrite(ss,Key);%写串口，发送握手信号key%释放串口设备对象fclose(ss);%关闭串口设备对象delete(ss);%删除内存中串口设备对象clear ss%清除工作空间中串口设备对象 end 2 根据回调函数找到琴键1的主函数位置，在对应下面编写。其他音阶函数和琴键1类似global ss; r=1; dtmf_series(r); t=0:0.0001:0.01; A=3; f=440; p=0; y=A*sin(2*pi*f*t+p); set(gcf,CurrentAxes,handles.axesTime); plot(t,y) axis(0 0.01 -5 5) xlabel(time(s); ylabel(amplitude); title(); grid on; fs=1000; frequency_domain(handles,y,fs);A,B,C,D,E,F=index_calculation(y);% 计算各参数值set(handles.textMean,string,num2str(A);%平均值set(handles.textStd,string,num2str(B);%标准差set(handles.textVar,string,num2str(C);%方差set(handles.textMax,string,num2str(D);%最大值set(handles.textMin,string,num2str(E);%最小值set(handles.textPeak,string,num2str(F);%峰峰值set(handles.text23,string,440); %频率值3 音频信号载入（music）function pushbutton10_Callback(hObject, eventdata, handles)global d;d=load(music.txt);%时域time_domain(handles,d);fs=1000; %采样频率%频域frequency_domain(handles,d,fs);A,B,C,D,E,F=index_calculation(d);set(handles.textMean,string,num2str(A);set(handles.textStd,string,num2str(B);set(handles.textVar,string,num2str(C);set(handles.textMax,string,num2str(D);set(handles.textMin,string,num2str(E);set(handles.textPeak,string,num2str(F);%for循环语句实现音频信号自动每隔0.3s传输一个频率的音节global i; for i=1:42 dtmf_series(d(i,1); pause(0.3);end 三 实际应用 可以将此功能程序写入手机里，设计一款可以在手机弹钢琴的软件。为智能手机设计的钢琴键盘模拟器，是最简单实用的手机电子钢琴。使用真实的钢琴声音，可以使用这个应用程序，准确地学习钢琴。 四 心得体会通过本次数字信号处理的课程设计，使我对声音信号的分析及合成有了初步的了解。这次对声音信号的分析及合成主要是对信号在频域进行分析，所以使我对数字信号处理及傅里叶变换的实际应用有了深刻的理解，尤其加深了我对快速傅里叶变换的理解。在这次课程设计中，我还对hilbert变换的应用有了一定的理解，在提取信号包络时，hilbert变换是非常便捷的。这次课程设计还用到了matlab软件，通过这次课设使我对matlab编程有了一定的理解。刚开始接触matlab，觉得无从下手，但经过这两周时间的学习，我通过查阅有关matlab的介绍文献以及和周围同学的讨论，已经能初步完成一些简单的语言编程，这使我感到非常有成就感，使我体会到了自主学习的乐趣。最后，感谢老师和研究生学长的不倦教导与帮助。在课设过程中，我们遇到很多困难，是学长细心地知道帮助解决了难关。 参考文献1信号处理原理及应用 谢平 林洪彬 王娜编著 机械工业出版社