多功能电子琴设计报告.doc

中国民航飞行学院中国民航飞行学院 综合课程设计综合课程设计 项目名称 项目名称 多功能电子琴设计多功能电子琴设计 指导老师 指导老师 高丽霞高丽霞 姓姓 名 名 刘琛刘琛 潘龙潘龙 刘繁荣刘繁荣 刘宜武刘宜武 陆韬陆韬 专专 业 业 电子信息工程电子信息工程 2010 年 11 月 19 日 中国民用航空飞行学院课程设计 1 目录 1 系统总体设计系统总体设计 2 1 1 系统设计要求 2 1 2 系统总体设计方案 2 1 2 1 系统设计思路 2 1 2 2 系统总体组成框图 3 2 2 系统硬件设计系统硬件设计 4 2 1 主控制模块 4 2 2 琴键控制模块 4 2 3 播放模块 5 2 4 显示模块 6 2 5 电源模块 7 3 3 系统软件设计系统软件设计 7 3 1 主程序流程说明 7 3 2 琴键扫描程序 8 3 3 显示程序流程说明 9 3 4 播放程序 10 3 5 寻音程序 11 4 系统测试系统测试 13 4 1 显示模块测试 13 4 2 播放模块测试 13 4 3 整体测试 13 5 5 总结总结 15 参考文献参考文献 16 附录附录 17 附录一 元件清单 17 附录二 系统使用说明 18 附录三 系统仿真电路 19 附录四 程序清单 20 中国民用航空飞行学院课程设计 2 1 系统总体设计系统总体设计 1 11 1 系统设计要求系统设计要求 本设计利用单片机的控制程序 4 4 的键盘矩阵 LED 数码显示管设计一 台多功能电子琴 其基本功能如下 1 可以播放两个八度的音阶 2 可以弹奏想要的音乐 3 可以播放预先存储在单片机里的音乐 4 可以在 LED 数码管上显示正在播放和弹奏的音阶 1 21 2 系统总体设计方案系统总体设计方案 本系统采用 AT89C52 为电子琴控制中心 系统主要包括主控制模块 琴键 控制模块 播放模块 显示模块和电源模块 下面对这几个模块的设计进行论 证比较 1 2 1 系统设计思路 本设计采用 AT89C52 单片机作为整个系统的控制中心 控制整个系统的运 行 外加琴键控制模块 播放模块 显示模块和电源模块使制作的电子琴可以 完成上述功能 琴键控制模块由 16 个按键组成 使用者可以通过按不同的琴键 弹奏出不同的音阶 一段音乐是由许多不同的音阶组成 而每个音阶对应着不 同的频率 这样我们就可以根据不同的频率组合得到我们想要的音乐 电源模 块向单片机 LED 数码管等需要供电器件提供电源 播放模块负责播放琴键弹 奏的音阶以及播放预先存放在单片机里的音乐 同时显示模块会显示出相应的 音阶 下表是不同的音阶对应的频率 以 12MHz 为例 音阶频率 Hz 音阶频率 Hz 中音 1523高音 11046 中音 2587高音 21174 中音 3659高音 31318 中国民用航空飞行学院课程设计 3 中音 4698高音 41396 中音 5784高音 51567 中音 6880高音 61760 中音 7988高音 71975 表 1 1 各音阶对应频率表 1 2 2 系统总体组成框图 下图即为根据上述描述所绘制的多功能电子琴系统的总体组成框图 图 1 1 系统总体框图 中国民用航空飞行学院课程设计 4 2 2 系统硬件设计系统硬件设计 2 12 1 主控制模块主控制模块 本系统的主控制模块采用 AT89C52 单片机 AT89C52 单片机是美国 ATMEL 公 司生产的低电压 高性能 CMOS 单片机 片内含 8k bytes 的可反复擦除的 flash 只读程序存储器和 256k bytes 的随机存取数字存储器 RAM 与标准的 MSC 51 指令系统及 8052 引脚兼容 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 可以 满足不同控制应用场合的要求 对于本次的多功能电子琴系统 AT89C52 可以 满足其对琴键的控制要求 输出音阶的控制要求 显示输出音阶等各模块的控 制要求 图 2 1 AT89C52 管脚图 2 22 2 琴键控制模块琴键控制模块 电子琴利用 4 4 的键盘矩阵作为电子琴的琴键 共有 16 个琴键 分别弹 奏两个八度的音阶 其中 14 个作为音符输入 一个作为播放键 将键盘矩阵的 中国民用航空飞行学院课程设计 5 接口与 AT89C52 单片机的 P1 口相连接 使键盘矩阵受单片机的控制 这样 当 按下各个音阶所代表的按键时 系统播放该按键代表的音阶 当按下播放键时 可以使系统播放预存在单片机里的音乐 下表为所用 4 4 键盘矩阵每个按键所 代表的音阶或功能 图 2 2 键盘矩阵实物图 代表音阶或功能按键代表音阶或功能按键 中音 1 A 高音 1 中音 2 B 高音 2 2 中音 3 C 高音 3 5 中音 4 D 高音 4 8 中音 5 3 高音 5 0 中音 6 6 高音 6 1 中音 7 9 高音 7 4 播放键 7 表 2 2 4x4 矩阵各按键代表音阶或功能 2 32 3 播放模块播放模块 电子琴的播放模块是由蜂鸣器组成 蜂鸣器与 AT89C52 单片机的 P3 7 口相 连接 使蜂鸣器受单片机的控制 通过软件编程 使蜂鸣器播放音阶的功能受 中国民用航空飞行学院课程设计 6 键盘矩阵的按键控制 这样 当按下某个琴键后 蜂鸣器便会发出的相应的音 若按下的是播放键 蜂鸣器会播放预存在单片机里的音乐 图 2 3 播放模块仿真电路图 2 42 4 显示模块显示模块 电子琴的显示模块由 LED 数码显示管组成 LED 有着显示亮度高 响应 速度快的特点 常用的有七段 LED 显示器 七段 LED 显示器由 7 个条形发光 二极管和一个小圆点发光二极管组成 根据各管的亮暗组成字符 本系统使用 的 LED 数码显示管是共阴极数码显示管 数码显示管与单片机 P0 口相连接 受单片机控制 通过软件编程使数码显示管受键盘矩阵控制 这样 当按下某 个琴键后 LED 数码显示管会显示出所弹奏音符对应的数字 图 2 4 显示模块仿真电路图 中国民用航空飞行学院课程设计 7 2 52 5 电源模块电源模块 电子琴的电源模块有一个手机充电器外加 LM117 5 0 稳压向单片机 LED 数码显示管等元件供电 下图即为 LM1117 5 0 稳压电源模块的原理图 图 2 5 LM117 5 0 电源模块原理图 3 3 系统软件设计系统软件设计 软件是多功能电子琴系统的主要组成部分 在系统的软件部份也采用 了模块化设计 将系统各模块的功能编写成子函数的形式 这样增加了系 统软件的可读性和可移植性 3 13 1 主程序流程说明主程序流程说明 总体思想 本系统软件设计部分分为三个模块 琴键扫描模块 显示模块 播放模块 寻音模块 寻音模块是将显示模块和播放模块集合在一个函数中 再把几个模块的程序结合在一个主程序中 同时实现键盘扫描 LED 数码管显 示音阶 播放音阶功能 下图即为主程序流程图 中国民用航空飞行学院课程设计 8 图 3 1 主程序流程图 3 23 2 琴键扫描程序琴键扫描程序 1 4 4 键盘矩阵的识别处理 每个琴键都有它的行值和列值 行值和列值 的组合就是这个琴键的编码 矩阵的行线和列线分别通过两个并行接口和 CPU 通信 2 琴键处理程序 确定是否有键按下 是哪个键按下 键的功能是什么 还 要消除键按下和断开时的抖动 两个并行口中 一个输出扫描码 使琴键 逐行动态接地 另一个并行口输入按键状态 由行扫描值和回馈信号共同 形成键编码而实现琴键识别 通过软件查表 查出该键的功能 中国民用航空飞行学院课程设计 9 图 3 2 键盘扫描程序流程图 3 33 3 显示程序流程说明显示程序流程说明 利用单片机的 P0 接口连接到共阴极 LED 数码管的 7 个接口上 数码管的公 共端接地 这样数码管就可以根据软件编程中给出的字型显示指令显示相应数 字 下表为 LED 字型显示代码表 中国民用航空飞行学院课程设计 10 显示字符十六进制代码显示字符十六进制代码 106H96FH 25BHA77H 34FHB7CH 466HC39H 56DHD5EH 67DHE79H 707HF71H 87FHH76H 表 3 1 LED 字型显示代码表 下图为显示程序的程序流程图 图 3 3 显示程序流程图 3 43 4 播放程序播放程序 利用单片机的 P3 7 接口连接到蜂鸣器上 根据所按下的琴键 发出相应 中国民用航空飞行学院课程设计 11 的声音 蜂鸣器发出声音是利用单片机的定时 计数器 0 产生不同的频率方波 信号 定时 计数器 0 初值计算方法如下 C 46083 f 10 3 1 其中 f 为对应音阶的频率 TH0 8192 C 32 3 2 TL0 8192 C 32 3 3 利用定时 计数器的定时功能 使 P3 7 口按一定频率输出方波 产生对应 音阶的音频输出 下图为显示模块的程序流程图 图 3 4 播放程序程序流程图 3 53 5 寻音程序寻音程序 寻音程序是将播放程序和显示程序集合在一个程序函数中 使得单片机控 中国民用航空飞行学院课程设计 12 制蜂鸣器播放音阶时 可以同时显示出相同的音阶 下图为寻音程序的程序流 程图 图 3 5 寻音程序流程图 中国民用航空飞行学院课程设计 13 4 系统测试系统测试 4 14 1 显示模块测试显示模块测试 对显示模块的测试 主要是为了验证显示模块是否能在键盘按下某个按键 后显示出相应的数字 测试步骤具体如下 第一步 检查焊接电路板的线路连接是否有错误 是否有虚焊 漏焊的地 方 待确定电路连接 焊接均没有问题后才能进行下一步 第二步 接通系统的电源 此时 LED 数码管应该显示 8 第三步 按下键盘上的任一按键 观察 LED 数码管是否有显示出相应的 数字 若显示出正确的数字 则表明测试成功 若未成功 则应检查在程序中 是否有错误 4 24 2 播放模块测试播放模块测试 对播放模块的测试 主要是为了验证播放模块是否能在键盘按下某个按键 后播放相应的音阶 测试步骤具体如下 第一步 检查焊接电路板的线路连接是否有错误 是否有虚焊 漏焊的地 方 待确定电路连接 焊接均没有问题后才能进行下一步 第二步 接通系统的电源 此时 蜂鸣器应该不发出任何声音 第三步 按下键盘上的任一按键 听蜂鸣器是否有播放出相应的音阶 若 播放出了正确的音阶 则表明测试成功 若未成功 则应检查在程序中是否有 错误 4 34 3 整体测试整体测试 对系统的整体测试 主要是为了验证系统是否能在多模块的组合下完成设 计需要的功能 测试步骤具体如下 第一步 检查焊接电路板的线路连接是否有错误 是否有虚焊 漏焊的地 方 待确定电路连接 焊接均没有问题后才能进行下一步 第二步 接通系统的电源 此时 LED 数码管应该显示 8 蜂鸣器不播 放声音 第三步 根据下表观察测试现象是否正常 按键数码管显示蜂鸣器播放音阶 A1 中音 1 B2 中音 2 C3 中音 3 D4 中音 4 中国民用航空飞行学院课程设计 14 35 中音 5 66 中音 6 97 中音 7 8 高音 1 29 高音 2 5A 高音 3 8B 高音 4 0C 高音 5 1D 高音 6 4E 高音 7 7 显示播放音乐的音阶播放预存音乐 表 4 1 系统测试对照表 中国民用航空飞行学院课程设计 15 5 5 总结总结 本系统以 AT89C52 单片机为核心 结合显示模块 播放模块 琴键控制模 块和电源模块 实现两个八度音阶的弹奏 播放预存音乐 同时显示播放和弹 奏的音阶的功能 本系统的设计和制作是在对设计电路的仿真基础上完成的 通过仿真中发现的问题对系统的电路和程序进行进一步的调试 以达到更好的 效果 再根据仿真的电路制作实际电路 检验仿真的正确性 通过这次课程设计 我们把平时学习到的知识应用到了实际中 加深了对 所学知识的理解 同时 我们从这次课程设计中也意识到自己对所学知识的掌 握不够深入 对单片机系统的了解还不够细致 以及在编程能力上的缺陷 例 如 在对播放模块的编程中 由于仿真中播放模块只能在按键按下松开后才能 放音 这与实际的电子琴的功能有差异 本想通过修改程序使蜂鸣器在按键按 下时放音 松开后立即停止播放 不过经过几次的程序修改和仿真都未能实现 这一功能 从这点上 就可以看出我们在软件编程上的缺陷和不足 在以后的 学习中 应该加强这方面的能力 另外 在本次课程设计的过程中 我们深刻 体会到了团队合作的重要性 只有一个团队齐心协力 每个成员各司其职才可 以把工作做好 最后 感谢在这次课程设计过程中为我们设计能够最后完成提供帮助和协 助的老师和同学们 中国民用航空飞行学院课程设计 16 参考文献参考文献 1 李群芳 张士军 黄建 单片微型计算机与接口技术 第三版 北京 电 子工业出版社 2009 2 刘洁 简易电子琴设计报告 大庆 大庆石油学院 3 杨文蕊 基于单片机的简易电子琴设计报告 内蒙古 内蒙古民族大学 4 中国芯片手册网 5 中国电子网 中国民用航空飞行学院课程设计 17 附录 附录一附录一 元件清单元件清单 序 号名 字数 量备 注 1AT89C52 1 个 2 LED 数码管1 个共阴极数码管 3 4 4 键盘矩阵1 个 4 晶振1 个 12MHz 5 手机充电器1 个作为电源供应 6AMS1117 5 0 1 个将电源稳压至 5V 7 蜂鸣器1 个作为播放模块 导线 电路板 电阻 电容 若干 中国民用航空飞行学院课程设计 18 附录二附录二 系统使用说明系统使用说明 一 接通系统的电源 将电源线的正负极和电路板上正负极相接 此时 LED 数码管会显示 8 蜂鸣器不发出任何声音 二 弹奏和播放功能 上图显示的是按下键盘的 B 键 LED 数码管会显示 2 同时蜂鸣器会播 放出中音 2 如果按下键盘的其他键则会显示和播放出相应的音阶 若按下 7 键 系统会播放预存在系统中的音乐 LED 数码管根据相应的音乐显示相应的 中国民用航空飞行学院课程设计 19 音阶 附录三附录三 系统仿真电路系统仿真电路 附图 1 系统仿真电路图 下图为按下某一按键后的仿真电路图 附图 2 工作时的系统电路图 中国民用航空飞行学院课程设计 20 附录四附录四 程序清单程序清单 include sbit P14 P1 4 将 P14 位定义为 P1 4 引脚 sbit P15 P1 5 将 P15 位定义为 P1 5 引脚 sbit P16 P1 6 将 P16 位定义为 P1 6 引脚 sbit P17 P1 7 将 P17 位定义为 P1 7 引脚 unsigned char keyval 定义变量储存按键值 sbit sound P3 7 将 sound 位定义为 P3 7 unsigned int C 全局变量 储存定时器的定时常数 unsigned int f 全局变量 储存音阶的频率 code char tab 17 0 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 x77 0 x7c 0 x39 0 x5e 0 x79 0 x71 0 x76 code char music 1 2 3 4 5 5 5 4 3 4 4 4 3 2 1 3 5 1 2 3 4 5 5 5 4 3 4 4 4 3 2 1 3 1 int i 以下是 C 调中音的音频宏定义 define dao 523 将 dao 宏定义为中音 1 的频率 523Hz define re 587 将 re 宏定义为中音 2 的频率 587Hz define mi 659 将 mi 宏定义为中音 3 的频率 659Hz define fa 698 将 fa 宏定义为中音 4 的频率 698Hz define sao 784 将 sao 宏定义为中音 5 的频率 784Hz define la 880 将 la 宏定义为中音 6 的频率 880Hz define xi 988 将 xi 宏定义为中音 7 的频率 988Hz 以下是 C 调高音的音频宏定义 define h dao 1046 将 h dao 宏定义为高音 1 的频率 1046Hz define h re 1175 将 h re 宏定义为高音 2 的频率 1174Hz define h mi 1318 将 h mi 宏定义为高音 3 的频率 1318Hz define h fa 1397 将 h fa 宏定义为高音 4 的频率 1396Hz define h sao 1568 将 h sao 宏定义为高音 5 的频率 1567Hz define h la 1760 将 h la 宏定义为高音 6 的频率 1760Hz define h xi 1967 将 h xi 宏定义为高音 7 的频率 1975Hz void display unsigned int m P0 tab m 中国民用航空飞行学院课程设计 21 函数功能 软件延时子程序 void delay20ms void unsigned char i j for i 0 i 100 i for j 0 j 60 j 函数功能 节拍的延时的基本单位 延时 200ms void delay unsigned char i j for i 0 i 250 i for j 0 j 250 j 函数功能 输出音频 入口参数 F void Output Sound void C 46083 f 10 TH0 8192 C 32 TL0 8192 C 32 TR0 1 delay TR0 0 sound 1 keyval 0 xff 函数功能 根据按键播出相应音频 void xunyin keyval switch keyval case 1 f dao Output Sound 中国民用航空飞行学院课程设计 22 display 1 break case 2 f re Output Sound display 2 break case 3 f mi Output Sound display 3 break case 4 f fa Output Sound display 4 break case 5 f sao Output Sound display 5 break case 6 f la Output Sound display 6 break case 7 f xi Output Sound display 7 break case 8 f h dao Output Sound display 8 break case 9 f h re Output Sound display 9 break case 10 f h mi Output Sound display 10 break case 11 f h fa Output Sound display 11 break case 12 f h sao Output Sound 中国民用航空飞行学院课程设计 23 display 12 break case 13 f h la Output Sound display 13 break case 14 f h xi Output Sound display 14 break case 15 for i 0 i 34 i xunyin music i break 函数功能 主函数 void main void EA 1 开总中断 ET0 1