简单音乐发生器.doc

潍 坊 学 院单片机原理与应用课程设计说明书 题 目： 系 部： 信息与控制工程学院 专 业： 班 级： 学生姓名: 学 号: 指导教师: 王文成 2009年12月15日 单片机实现简单音乐发生器目录1 设计任务与要求12设计方案12.1 音乐相关知识12.2如何用单片机产生音频脉冲22.3如何用单片机实现音乐的节拍32.4音频功放43 硬件设计43.1结构框图43.2主要器件533 电路原理图及说明64 软件设计65 小结15主要参考文献1616单片机实现简单音乐发生器1 设计任务与要求本例将实现一种由单片机控制的简单音乐发生器，它具有16个音的键盘，我们可以根据乐谱在键盘上进行演奏，通过扬声器将音乐播放出来。本次课程设计的任务是，设计一种由单片机控制的简单音乐发生器，要求键盘有16个键，能过用51单片机C语言编写程序来实现音乐发生器的发音。要求：1.设计思路切明确；2.对各个芯片的功能要有所了解；3.对设计中的各个电路图能够要有所说明；。4.对设计的、中的源程序要有所注释。5.在按音乐发生器的16个键的同时能够听到不同的音乐。2设计方案 进行本例的设计之前，首先需要了解音乐的一些相关知识。2.1 音乐相关知识在人类还没有产生语言时，就已经知道利用声音的高低、强弱来表达自己的思想和感情。声带、琴眩等物体震动时会发出声波，声波通过空气传播进入人耳，人们就听到了声音。声音有噪音和乐音之分，振动由规律的声音是乐音，如人声带发出的歌声、由琴眩发出的琴音等。音乐中所有的声音主要是乐音。乐音听起来有的高，有的低，这就叫音高。音高是由发音物体震动频率的高低决定的，频率高声音就高，频率低声音就低。比如，女人唱歌时声带频率振动高，男人唱歌时声带振动频率低，所以男生比女生低。音乐中所有音乐的范围从每秒中振动16次的最低到每秒中振动4186次 的最高音，大约97个。现在最大的钢琴可以奏出其中 的88音，是音乐范围最大的乐器，人唱歌时因受生理限制，所能唱出 的乐音仅是乐音范围的一小部分。不同音高的乐音是用C,D,E,F,G,A,G来表示的，这7个字母就是乐音的音名，他们一般唱成DO,RE,MI,FA,SO,LA,SI，即唱成简谱的1,2,3,4,5,6,7，相当于汉字“多来米发梭拉西”的读音，这是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名，把C,D,E,F,G,A,B这一组音的距离分成12个等份，每一个等份叫一个“半音”。两个音之间的距离有两个“半音”的，就叫“全音”。在钢琴等键盘乐器上，C-D,D-E,F-G,G-A,A-B两音之间隔着一个黑键，他们之间的距离就是全音；E-F，B-C两音之间没有黑键相隔，他们之间的距离就叫半音。通俗地说，那些唱成1,2,3,4,5,6,7的音就叫自然音，那些在他们的左上角加上#号（如#4，#1）或者b号（如b7,b3）的叫变化音。#叫升记号，表示把音在原来基础上升高半音；b叫降记号，表示把音在原来基础上降低半音。音持续时间的长短叫时值，一般用拍数表示。休止符表示暂停发音。一首音乐是由许多不同的音符组成的，每个音符对应着不同的频率，这样就可以利用不同的频率的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐。2.2如何用单片机产生音频脉冲了解音乐的一些基本知识后可知，产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐。对于单片机而言，产生不同频率的脉冲非常方便，可以利用他的定时计数器来产生这样方波频率信号。因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系。本例中，单片机工作在12MHz时钟，使用其定时计数器T0，工作模式为1，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号。在此情况下，C调的各音符频率与计数值T的对照表如表所示。T的值决定了TH0和TL0的值，其关系如下。TH0=T/256，TL0=T%256。C调各音符频率T（12MHz单片机，T0工作模式1）对照表音符频率简谱码（T值）音符频率简谱码（T值）低1D026263628#4FA#74064860低#1DO#27763731中5SO784648982RE29463835中#5SO#8314934#2RE#311639286LA88064968低3MI33064021693264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#1DO#110965085音符频率简谱码(T值)音符频率简谱码（T值）#5SO41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#646664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#1480651981DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3MI65964777#6186565268中4FA69864820高7SI1967652832.3如何用单片机实现音乐的节拍除了音符以外，节拍也是音乐的关键组成部分。节拍实际上是音持续时间的长短，在单片机系统中可以用延时来实现。如果1/4拍的延时设为0.4秒，则1拍的延时是0.4秒。只要知道1/4拍的延时时间，其余的节拍延时时间就是它的倍数。表1-2所示的为1/4节拍和1/8节拍的延时时间设定。表1-2各调1/4节拍和1/8节拍的延时时间设定曲调值（1/4节拍）延时DELAY曲调值（1/8节拍）延时DELAY调4/4125ms调4/462ms调3/4187ms调3/494ms调2/4250ms调2/4125ms如果单片机要自己播放音乐，那么必须在程序设计中考虑到节拍的设置。由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制民。2.4音频功放在一定频率范围内，具有固定频率的振动就能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器LM386实现音频功放电路。LM386具有以下功能特性。l 适合于电池工作;l 使用外部元件少；l 供电范围宽：412V或者518V;l 低静态电流消耗：4mA;l 电压增益范围：20200V。LM386的增益可调，它广泛用于各种音频电路中。3 硬件设计本例的硬件电路较为简单，主要由键盘、单片机、音频功在放及扬声器构成。3.1结构框图系统硬件的结构框图如图1-1所示。51单片机44键盘音频功放扬声器本例依然采用44键盘。3.2主要器件显然，本例的核心器件是单片机芯片和音频功放芯片。单片机采用Atmel公司的51单片机芯片AT89C52，完全可以满足本例的功能需求，而且使用方便，价格便宜，易于获取。音频功放芯片选用半导体公司的LM386，其内部电路如图1-2所示。4GND+Vout6VsBYPASS7+IN3-IN2 15k8GAIN 1GAINV7V2R715k1.35k15k15k50k50k图1-2 LM386内部电路图图1-2中,如果1脚,8脚均悬空,则1.35K 电阻设置电路增益为20V.LM386的引脚分布如图1-3所示.LM3868GAIN1GAIN 7BYPASS2-IN6Vs3+IN5Vout4GND图1-3 LM386 引脚分部图 其引脚功能说明如下. GAIN(1脚,8脚):增益控制引脚.如果此两脚悬空,则增益为20V;如果两脚之间接一个大的极性电容,则增益可达到200V;如果在和电容串联一个电阻,增益可设置为20 200V之间. -IN(2脚):负极性输入脚.在单极性输入时,此引脚接地. +IN(3脚):正极性输入脚.在单极性输入时,此引脚接输入信号. GND（4脚）：接地端。 V out（5脚）：电压输出端。此引脚为音频攻放电路的输出。 Vs（6脚）：电源脚。供电范围：412V或者518V。 BYPASS（7脚）：旁路端。此引脚可悬空或者旁接一个大电容到地。33 电路原理图及说明 电路原理图分为两部分：一是由Atmel公司的AT89C52实现的单片机及键盘电路原理图，如图1-4所示：二是由LM386芯片实现的音频攻放电路原理图，如图1-5所示。 图1-4中，单片机工作时钟为12MH z,其P 1口为键盘接口，P2.0为音频脉冲的输出脚。 本例的 4*4键盘，这包含了主要的音符键。键盘电路在上一章中已经作过详细的介绍，此处不在赘述。图1-5为音频功放电路，可参考LM386的芯片资料设计。本例使用+5V供电，LM386的增益脚与旁路脚均悬空，增益设置为20V。4 软件设计 软件设计包括两个部分。（1） 键盘输入识别：（2） 产生不同频率的输出脉冲。由于本例的功能是由用户通过键盘弹奏乐曲，所以对于节拍的控制由用户自己掌握，不在程序设计考虑之内。L1L2L3L4C1C2C3C4+5V876543211234567812131415+5V31C122pFC222pF+5VC3+10uFS118199161729301011C40.1uF20402827262524232221 IN3938373635343332R210KR510KR310KR210KKEYP1.0(T2) P0.0P1.1(T2EX) P0.1P1.2 P0.2P1.3 P0.3P1.4 P0.4P1.5 P0.5P1.6 P0.6P1.7 P0.7 89C52P3.2( INT0) P2.0P3.3(INT1) P2.1 P2.2P3.4(T0) P2.3P3.5(T1) P2.4 P2.5EA/VPP P2.6 P2.7XTAL0 XTAL1 VSS VCCRESET (RXD)P3.0P3.6(WR) (TXD)P3.1P3.7(RD) ALE(PROG) PSEN图1-4 简单音乐发生器单片机及键盘电路原理图GAIN GAIN-IN BYPASS+IN VsGND VoutU21234R610KINR74108765+5VC810uF+C70.1uFC647uF+SPEAKERR810KC50.0047uF图1-5 简单音乐发生器音频功放电路原理图34566712345671234列1列2列3列4行1行4行3行2本例的44键盘布局程序流程图本例的程序流程图较为简单，如下图所示。 开始初始化按键按下？获取键值设置T0并启动按键释放？关闭T0定时器0服务子程序重设定时器P2.0反相， 产生输出脉冲结束程序说明主要程序代码及其说明（见注释语句）如下。/* 音符与计数值对应表 */uint code tab =64021,64103,64260,64400, 64524,64580,64684,64777, 64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178;sbit p20 = p20 ; /此引脚输出脉冲uchar STH0;uchar STL0;/* 键消抖延时函数 */void delay(void) uchar i ; for (i=300;i0;i-);/* 键扫描函数 */ uchar getkey(void) uchar scancode ,tmpcode; if ( (p1&0xf0)= =0xf0) return (0);scancode = 0xfe;while (scancode&0xf10) ! =0) / 逐行扫描 p1 = scancode ; /输出行扫描码 if (p1&0xf0) ! =0xf0) /本行有键按下 tmpcode = (p1&0xf0) | 0x0f ; /* 返回特征字节码，为1的位即对应于行和列 */ return (scancode) +(tmpcode) ; else scancode = (scancode1) | 0x01 ; /行扫描码左移一位 /* 定时器0中断服务子程序 */void time0-int (void) interrupt 1 using 0 /* 设置计数初值 */ TH0 = STH0 ； TL0 = STL0 ； P20=P20 ； / 反相，产生输出脉冲/*主程序 */void main( ) uchar key ,k ; TMOD = 0x01 ; /T0, 工作方式1 ET0=1;EA=1;While(1)P1=0xf0; /发全0行扫描码If (P1&0xf0)!=0xf0) /若有键按下 delay(); /延时去抖动 if (P1&0xf0)!=0xf0) /延时后再判断一次，去除抖动影响 key=getkey(); /调用键盘扫描函数 /根据7获取的按键位置得到K值 switch(key) case 0x11; /1行1列 k=0;break;case 0x21; /1行2列k=1;break;case 0x41; /1行3列k=2;break;case 0x81; /1行4列k=3;break;case 0x12; /2行1列k=4;break;case 0x22; /2行2列k=5;break;cade 0x42; /2行3列k=6;break;case 0x82; /2行4列k=7;break;case 0x14; /3行1列k=8;break;case 0x24; /3行2列k=9;break;case 0x44; /3行3列k=10;break;case 0x84; /3行4列k=11;break;case 0x18; /3行4列k=12;break;case 0x28; /3行4列k=13;break;case 0x48; /3行4列k=14;br