基于51电子琴.doc

摘要：电子琴是现代电子科技与音乐的结合产物，他是一种新型的键盘乐器。而单片机因其强大的控制功能和灵活的编辑特性，已成为电子琴的主要核心部件。本系统是基于微控制器AT89C51为核心设计的简易电子琴，并带有内置音乐播放功能。外围电路由3*4键盘控制琴键按钮和由运放LM386和speaker构成的播放外围电路来完成内置的播放功能。本系统可以近似的模拟音符do re mi fa sol la SI ，并能区分低音、中音、高音，而且也可以完成内置相关音乐音乐的伴奏。关键字： AT89C51 电子琴音阶扬声器1、 设计任务实现简易电子琴发声控制系统。要求系统实现如下功能：1. 设计51单片机最小系统；2. 能发出do re mi fa sol la SI DO; 能播放示范曲；3. 能够调节音符的低音、高音和中音；4.用Proteus实现电子琴仿真设计.二、设计方案实现本次设计的方案有多种，下面比较说明一下最佳方案的选择。方案一、采用单个逻辑器件组合音乐是由不同的音阶组成的，而不同的音阶又是由不同的频率发出的，那么用不同的频率就可以发出各个音符了。计数器8253可以产生任意频率的方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率和计数器的频率对应起来就可以通过计数器产生音乐了。根据本次设计要求，采用8279将扫描得到的键值通过查表得到对应的8253的频率值，将从8253得到相对应的按键弹奏信号经过LM386进行放大，再用speaker输出，就实现了简易电子琴的基本功能。方案二、利用电子设计自动化EDA，超高速硬件描述语言来实现。系统整体基本原理图如下：图一：EDA设计 系统整体原理图利用我们实验室先进的数字电路实验设备，我们可以采用VHDL语言编程来实现。我们可以通过VDHL语言，对实验原理图的各个部分进行设计，通过编译，可以在计算机上下载此实验原理图，利用电路学习机上的芯片。我们很快就可以设计出一个简单的电子琴。并实现其功能。方案三：采用AT89C51单片机作为主控芯片，设置键盘、蜂鸣器等外围器件，另外还用到一些简单器件如：LED发光二极管、NPN型三极管及电阻等。利用按键实现音符和音调的输入；用NPN型三极管8550实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器发音。三种方案的比较：方案一采用单个的逻辑器件组合实现。这样虽然比较直观，逻辑器件分工鲜明，思路也比清晰，一目了然，但是由于元器件种类、个数繁多，而过于复杂的硬件电路也容易引起系统的精度不高、体积过大等不利因素。例如七个不同的音符是由七个不同的频率来控制发出的，所用仪器之多显而易见。方案二采用VHDL语言编程来实现电子琴的各项功能。系统主要由电子琴发声模块、选择控制模块和储存器模块组成。和方案一相比较，方案二就显得比较笼统，虽然我们可以看到用超高速硬件描述语言VHDL的优势，但本质上它只是把整个系统分为了若干个模块，而不牵涉到具体的硬件电路。方案三与前两种方案相比，主控芯片采用AT89C51单片机，它是大规模集成电路技术发展的产物，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。同时具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，由于本设计主要用于人们娱乐方面，因此在设计上尽量使其安全以及简单易操作。而第三种方案具有经济可行性、技术可行性、实物应用性。综上所述，本次课程设计采用第三种方案。3、 51单片机最小系统51单片机加上复位电路和时钟电路，有时还需要存储器，就构成了最小系统。时钟电路：单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构图2 中X1、C1、C2。可以根据情况选择适当频率的石英晶体，补偿电容通常选择30pF左右的瓷片电容。电路如图：复位电路：单片机小系统常采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。其结构如下图。上电自动复位通过电容C3充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻R1与VCC接通来实现。电路如图：4、 原理框图本系统利用51单片机AT89C51来模拟电子琴基本功能和内置音乐播放功能。其中有AT89C51的最小系统，有键盘电路、speaker发声电路和led二极管显示当前是低音、中音、高音还是播放功能。键盘按照从左到右、从上到下依次排列key1key16。 D5或D6亮灭来显示speaker是否正常工作。Key1key4分别来区分低音、中音、高音和音乐播放功能。并且当key1key4分别按下时，D1D4分别点亮；Key5key11来区别音符do re mi fa sol la SI和音乐切换。Key12key16暂时未用。当切换到音乐播放功能时，每当播放一首音乐时，可以利用复位键进行音乐的停止。整体原理图如下：五、键盘设计键盘在单片机应用系统中是一个关键的部件，它能实现向计算机输入数据，传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘可以分为2类：独立连接式键盘和矩阵式键盘。本系统采用4*4矩阵键盘，行列分别接到P3口高4位和低4位。电路如图：六、发音电路：发音电路是由蜂鸣器、三极管、二极管构成。由三极管来驱动扬声器发音。二极管是为了显示当前speaker是否工作正常。电路见总体原理图（见上）。七、软件设计：软件组成：1 键盘扫描程序通过对按键扫描，查看是对电子琴的低音、中音、高音模拟还是进行音乐播放。2 键值处理程序对扫描到的键值，然后进行预先写好的对应的音符的频率转化后的T值赋值给定时器，并打开定时器。3 中断程序打开和关闭speaker，输出声音。发音原理：将各个音阶对应的频率转化成对应的T值，然后放在数组uint code timerinit中。由音阶对应的频率可以计算出其半周期，再由其半周期计算出定时器初值，写入数组timerinit中。音乐播放原理：要想播放音乐，最重要的是乐谱中音阶的“音调”“节拍”。do re mi fa sol 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“音调”；“音调”的确定同上。若要构成音乐，光有音调是不够的，还需要节拍，让音乐具有旋律（固定的律动），而且可以调节各个音的快满度。若1拍实0.5s，则1/4 拍为0.125s。至于1拍多少s，并没有严格规定。可以利用延时程序进行节拍的编写。如果1拍为0.4秒，1/4拍实0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。假设1/4拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY，以此类推。歌曲播放。先将歌曲的简谱进行编码，储存在一个数据类型为unsigned char 的数组中。程序从数组中取出一个数，然后分离出高4位得到音调，接着找出相应的值赋给定时器0，使之定时操作蜂鸣器，得出相应的音调；接着分离出该数的低4位，得到延时时间，接着调用软件延时。八、仿真调试仿真调试时，硬件没有问题，关键是软件出现了一个问题。在编写中断程序中，没有重新给T值赋值，导致可能中断程序不断的执行，不能正常发音。经过改写后，一切正常。九、总结：本次设计的关键之处在于利用单片机产生不同频率的音阶，实现高、中、低音符的发音和显示以及音乐播放时的控制显示，并且能自动播放程序中编排的音乐。通过此次的课程设计，让我更加熟悉了单片机最小系统的设计，特别是时钟电路和复位电路中电容的选取，时钟电路中电容取值一般为5pF30pF,而复位电路中电容的取值一般10uF30uF。也熟悉了键盘程序和中断程序的编写，还有熟悉