电子琴的设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

第1页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。它不仅能实现电子琴的基本功能而且还能实现音乐的播放。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AT89C51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、开关、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有8个按键、4个开关和扬声器。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。关键词电子琴；开关；扬声器；按键；AT89C51第2页目录摘要.3第1章绪论.4第2章硬件介绍.52.1单片机介绍.52.1.1AT89C51单片机.52.2引脚介绍.52.2.1电源引脚.52.2.2外接晶体引脚.62.2.3复位电路.62.2.4输入输出(I/O)引脚.72.2.5其它的控制或复用引脚.82.3按钮.82.3.1按钮简介.8第3章硬件设计.93.1电路组成及工作原理.93.1.1硬件框图.93.2单片机电子琴发音原理.93.2.1产生声音的方法.93.2.2如何产生音乐频率.103.3定时器T0与T1.133.3.1定时器T0.133.3.2定时器T1.143.3.3设计中的困难及解决措施.14第4章系统软件设计.164.1软件设计.164.1.1软件设计框图.16第3页总结.18致谢.19参考文献.20附录1源程序.21附录头文件.28附录3电子琴电路图.30第4页第1章绪论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AT89C51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，与按键、开关、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有8个按键、4个开关和扬声器。本文主要对使用单片机设计电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴系统硬件组成。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。第5页第2章硬件介绍2.1单片机介绍2.1.1AT89C51单片机图2-1AT89C5151系列单片机8031、8051及89c51/89s51均采用40P封装的双列直接DIP结构。上图是它们的引脚配置:40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。2.2引脚介绍2.2.1电源引脚Vcc：40脚；正电源脚，工作电压为5V，另有AT89LV51工作电压则是2.7-6V,引脚功能一样。GND：20脚；接地端。第6页2.2.2外接晶体引脚图2-2时钟电路P19:时钟XTAL1脚，P18:时钟XTAL2脚，XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。晶振的频率可以在1MHz-24MHz内选择。电容取30PF左右。型号同样为AT89C51的芯片，在其后面还有频率编号，有12,16,20,24MHz可选。大家在购买和选用时要注意了。如AT89C5124PC就是最高振荡频率为24MHz,40P6封装的普通商用芯片。2.2.3复位电路在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，51芯片便循环复位。复位后P0P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功能寄存器SFR全部清零。当复位脚由高电平变为低电平时，芯片为ROM的0000H处开始运行程序。复位操作不会对内部RAM有所影响。当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。什么叫复位？复位是单片机重新执行程序代码的意思。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位，而我们在设计电子琴的时候就采用的自动复位。如下图2-4所示：图2-4复位电路第7页2.2.4输入输出(I/O)引脚P39-P32为P0.0-P0.7输入输出脚，称为P0口，是一个8位漏极开路型双向I/O口。内部不带上拉电阻，当外接上拉电阻时，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载电路。通常在使用时外接上拉电阻，用来驱动多个数码管。在访问外部程序和外部数据存储器时，P0口是分时转换的地址(低8位)/数据总线，不需要外接上拉电阻。P1-P8为P1.0-P1.7输入输出脚，称为P1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/0口。P1口能驱动4个LSTTL负载。通常在使用时外不需要外接上拉电阻，就可以直接驱动发光二极管。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。P21-P28为P2.0-P2.7输入输出脚，称为P2口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用。对内部Flash程序存储器编程时，接收高8位地址和控制信息。在访问外部程序和16位外部数据存储器时，P2口送出高8位地址。而在访问8位地址的外部数据存储器时其引脚上的内容在此期间不会改变。P10-P17为P3.0-P3.7输入输出脚，称为P3口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口能驱动4个LSTTL负载，这8个引脚还用于专门的第二功能。端口置1时，内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入用，如下表：P3引脚兼用功能P3.0串行通讯输入（RXD）P3.1串行通讯输出（TXD）P3.2外部中断0（INT0）P3.3外部中断1（INT1）P3.4定时器0输入(T0)P3.5定时器1输入(T1)P3.6外部数据存储器写选通WRP3.7外部数据存储器写选通RD表2-1P3口功能第8页P1P3端口在做输入使用时，因内部有上接电阻，被外部拉低的引脚会输出一定的电流。除此之外P3端口还用于一些专门功能，具体请看下表。2.2.5其它的控制或复用引脚(1)ALE/PROG30访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率输出脉冲信号(此频率是振荡器频率的1/6)。在访问外部数据存储器时，出现一个ALE脉冲。对Flash存储器编程时，这个引脚用于输入编程脉冲PROG(2)PSEN29该引是外部程序存储器的选通信号输出端。当AT89C51由外部程序存储器取指令或常数时，每个机器周期输出2个脉冲即两次有效。但访问外部数据存储器时，将不会有脉冲输出。(3)EA/Vpp31外部访问允许端。当该引脚访问外部程序存储器时，应输入低电平。要使AT89S51只访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）,这时该引脚必须保持低电平。对Flash存储器编程时，用于施加Vpp编程电压。2.3按钮2.3.1按钮简介按钮：是一种常用的控制电器元件，常用来接通或断开控制电路（其中电流很小），从而达到控制电动机或其他电气设备运行目的的一种开关。按钮分为：1、常开按钮开关触点断开的按钮。2、常闭按钮开关触点接通的按钮3、常开常闭按钮开关触点既有接通也有断开的按钮。也称为按键，是一种电闸(或称开关），用来控制机械或程式的某些功能。一般而言，红色按钮是用来使某一功能停止，而绿色按钮，则通可开始某一项功能。按钮的形状通常是圆形或方形。电子产品大都有用到按键这个最基本人机接口工具，随着工业水平的提升与创新，按键外观的也变的越来越多样化及丰富的视觉效果。第9页第3章硬件设计3.1电路组成及工作原理3.1.1硬件框图单片机电子琴电路由AT89C51芯片、复位电路、时钟电路、按键电路和发音电路5个部分组成，各部分有自己独立的功能，电路总框图如3-1所示。以AT89C51单片机作为主控核心，与键盘、开关、扬声器等模块组成核心主控制模块在主控模块上设有扬声器、4个开关和8个按键.根据使用者的操作随意弹奏想要表达的音乐。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。3.2单片机电子琴发音原理3.2.1产生声音的方法由于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，这样图3-1单片机电子琴电路总框图AT89C51复位电路时钟电路目录摘要.1第一章绪论.第二章硬件介绍.22.1单片机介绍.1AT89C51单片机.22.引脚介绍.2.1电源引脚.2外接晶体引脚.32.3复位电路.4输入输出(I/O)引脚.42.5其它的控制或复用引脚.53按钮.621按钮简介.第三章硬件设计.73.1电路组成及工作原理.3.1硬件框图.73.2单片机电子琴发音原理.8.1产生声音的方法.32如何产生音乐频率.8.键盘电路.13.1按键设计.第4章系统软件设计.13.1软件设计.4.1软件设计框图.13总结.4致谢.15参考文献.6附录2源程序.17附录电子琴电路图.20按键电路发音电路第10页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。只要让扬声器通过会产生大小变化的电流（即脉动电流或交流），就能使扬声器发出声音。因此若以程序不断地输出10101就可以令扬声器发出声音。由于MCS-51系列的输出端口输出电流不够大，所以必须加上晶体管把电流放大后再驱动扬声器，如图3-2所示。产生声音的流程如图3-3所示，只要改变半周期t的时间，即可改变输出频率。3.2.2如何产生音乐频率1.要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期的时间。利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后就将输出脉冲的I/O反相，然后重复计时此半周期时间再对I/O反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。2.利用8052的内部定时器使其工作在计数器模式MODE1下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法。3.例如频率为523Hz，其周期T=1/523=1912us，因此只要令计数器计时956us/1us=956,在每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。计数脉冲值与频率的关系公式如下：N=Fi2FrN：计数值；Fi：内部计时一次为1us，故其频率为12MHz；Fr：要产生的频率；4.其计数值的求法如下：T=65536-N=65536-Fi2Fr产生声音的流程图第11页例如：设K=65536，F=1000000=Fi=1MHz，求低音DO（261MHz）、中音DO（523MHz）、音DO（1046MHz）的计数值。T=65536-N=65536-Fi2Fr=65536-10000002Fr=65536-500000/Fr低音DO的T=65536-500000/262=63627中音DO的T=65536-500000/523=64580高音DO的T=65536-500000/1047=650595.C调各音符频率与计数值T的对照表如表41所示：表41C调各音符频率与计数值T的对照表音符频率（Hz）简谱码（T值）音符频率（Hz）简谱码（T值）低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763731中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA88064968低3M33064021#693264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#646664463高3M131865157低7SI49464524高4FA139765178高1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3M65964777#6186565268中4FA69864820高196765283第12页表4-2节拍与节拍码对照节拍码节拍数节拍码节拍数11/4拍11/8拍22/4拍21/4拍33/4拍33/8拍41拍41/2拍51又1/4拍55/8拍61又1/2拍63/4拍82拍81A2又1/2拍A1又1/4拍C3拍C1又1/2拍F3又3/4拍表4-3各调1/4节拍的时间设定各调1/4节拍的时间设定曲调值DELAY曲调值DELAY调1/4125毫秒调4/462毫秒调3/4187毫秒调3/494毫秒调2/4250毫秒调2/4125毫秒1/4拍的延迟时间=187毫秒相关知识：每一音符使用1个字节，字节的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的节拍，节拍与节拍码的对照如表4-2所示。节拍与节拍码的对照。如果1拍为0.4秒，1/4拍是0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。假使1/4拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY，以此类推。所以只要求得1/4拍的DEALY时间，其余的节拍就是它的倍数，如表4-3所示为1/4和1/8节拍的时间设定。简谱发音简谱码T值第13页表44简谱对应的简谱码、T值、节拍数简谱发音简谱码T值5低音SO1642606低音LA2644007低音TI3645241中音DO4645802中音RE5646843中音MI3647774中音FA7648205中音SO8648986中音LA9649687中音TIA650301高音DOB650582高音REC651103高音MID651574高音FAE651785高音SOF65217不发音03.3定时器T0与T1MCS-51的定时器/计数器共用4种工作模式，模式0、模式1、模式2这三种工作模式下两个定时器/计数器工作原理是相同的。只有模式3与前三种模式才有差别。3.3.1定时器T0本次设计是在模式1下工作的，定时器/计数器0是一个由TH0中的8位和TL0中的8位组成的16位加1计数器。特殊功能寄存器TH0用于存放计数器初值的高8位，TL0用于存放计数器初值的低8位。这次设计我们用定时器T0来控制电子琴的八个基本功能的发音，首先、我们要第14页去中断允许寄存器IE中设置EA=1、ET0=1，这样就能允许T0中断。其次、我们还要到定时器/计数器的方式寄存器TMOD中配置T0的工作模式，我们设置GATE=0，由软件启动定时器，当C/T非=0时工作于定时方式，计数脉冲为内部脉冲，其周期是一个机器周期。当C/T非=1时工作于计数方式，计数脉冲由定时器外部输入引脚提供。由于我们用的是工作模式1，所以M1M0=01。最后、我们再设置定时器/计数器的控制寄存器TCON，我们要启动T0工作就必须设置TR0=1。等设置完成后，当中断出现后，定时器T0就可以开始工作了，这时我们把电子琴的八个音所对应的音阶分别存放在TH0，TL0中，这样当启动定时器T0的时候就可播放不同的音阶。3.3.2定时器T1定时器T1跟T0的工作原理是一样的。这次设计我们用定时器T1来控制电子琴播放四首歌曲，首先、我们要去中断允许寄存器IE中设置EA=1、ET1=1，这样就能允许T1中断。其次、我们还要到定时器/计数器的方式寄存器TMOD中配置T0的工作模式，我们设置GATE=0，由软件启动定时器，当C/T非=0时工作于定时方式，计数脉冲为内部脉冲，其周期是一个机器周期。当C/T非=1时工作于计数方式，计数脉冲由定时器外部输入引脚提供。由于我们用的是工作模式1，所以M1M0=01。最后、我们再设置定时器/计数器的控制寄存器TCON，我们要启动T1工作就必须设置TR1=1。等设置完成后，当中断出现后，定时器T1就可以开始工作了，这时我们把四首歌曲存放在单片机内部，当启动定时器T1后就可以把它们的值通过查表得方式置入TH1和TL1播放音乐。3.3.3设计中的困难及解决措施在这次设计中，也遇到了很多的问题，比如，怎样计算音乐的音阶，怎样让电子琴的八个基本功能和四首歌曲综合在一个程序中，原先做这个设计的时候我还以为挺简单的，但越到后面就越觉得自己所掌握的知识是那么的少，只能分别作出电子琴的八个基本功能和播放四首歌曲的程序，根本就不能把他们综合在一起。但在老师的帮助下还是把这两个程序综合在一起了。还有就是在画图的时候，我们也会遇到很多的选择，是用矩阵式键盘呢还是单个式的按键，当然我选择的是单个式的按键，这样程序才好写点，而矩阵式键盘的还要分别去扫描行线和列线才能确定是哪个键被按下了，这样就会消耗很多的时间。在弄原理图的时候，我原先想着电子琴的八个基本功能键和四首歌曲都用按键来实第15页现的，可是到最后根本就弄不出来，没有办法我只好吧播放四首歌曲的按键换成了开关，这样当开关按下的时候，歌曲才能正常的的被播放出来。如果选用按键的话，就只能发出歌曲的一个音阶，而不能实现歌曲的播放。第16页第4章系统软件设计4.1软件设计4.1.1软件设计框图整个程序开始运行，等待按键被按下。我们用P0口来实现电子琴的八个基本功能键，用P24，P25，P26，P27这四个端口来实现四首歌曲的播放。由程序判断是哪一个键被按下，然后设定相对的TH0、TL0的值，令扬声器通电。延时一会儿，令扬声器断电，再延时一会儿，最后复位，等待下一个键被按下，如此循环。（1）八个基本功能键实现的流程图主程序开始定义初始化变量设置T0的工作模式允许T0中断等待按键，是否有键按下？YN依据按键码演奏对应的音阶第17页(2)播放四首歌曲的流程图主程序开始定义初始化变量设置T1的工作模式允许T1中断等待按键，是否有键按下？YN依据按键码演奏对应的歌曲第18页总结经过近两个月的努力，终于顺利完成了毕业设计。刚开始，我们头绪不是很清楚，不知道从哪里入手，但通过老师的耐心指导并和同学认真研究设计课题，跑图书馆查资料、确定基本设计方案、对所用芯片功能进行查找、调试、上机仿真等，经历了一次次的困难，却积累了很多宝贵的经验。在整个设计的过程中遇到的问题主要有以下三点，第一：基础知识掌握的不牢固，主要表现在一些常用的电路的形式和功能不清楚，对书本上的内容理解不够透彻。第二：对一些常用的应用软件缺少应用，体现在画电路图和系统的仿真的时候，对这些软件的操作不熟练，浪费了很多时间。第三：相关知识掌握的不够全面，缺少系统设计的经验。这次设计进一步端了我的学习态度，学会了实事求是，严谨的作风，对自己要严格要求，不能够一知半解，要力求明明白白。我觉得动手之前，头脑里必须清楚该怎么做，这一点是很重要的。就目前来说，我的动手能力虽然差一点，但我想，通过我的不懈努力，在这方面，我总会得到提高。这一点，我坚信。因为别人能做到的，我也一定能做到。在此次的毕业设计中我最大的体会就是进一步认识到了理论联系实践的重要性。一份耕耘，一份收获。通过这段时间的设计，让我明白科学的思维方法和学习方法是多么重要，只有这样才能够有很高的效率，才能够让自己的工作更完美。总而言之，此次毕业设计让我学到了好多平时在课堂上学不到的东西，增加了我的知识运用能力，增强我的实际操作能力。谢谢老师给我们提供这么好的机会，为我们之后走向社会奠定了一个好的基础。本次毕业设计让我学到了很多，也学会到了要怎么样去面对困难，不要对知识一知半截，要有的求实的能力，通过老师的帮助我学到了很多在平时的没有注意到的动东西及知识，更美没有深入的的去理解，通过这次我要更加的明确自己。更要注重自己在各方面的锻炼能力，把握机会。这次的设计非常的感谢老师们。第19页致谢三年的学习生活即将结束，回顾三年的学习生活，感受颇深，收获丰厚。在论文的写作过程中，有很多困难，无论是在理论学习阶段，还是在论文的选题、资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。借此机会我向导师表示衷心的感谢！同时，我要感谢四川信息职业技术学院授课的各位老师，正是由于他们的传道、授业、解惑，让我学到了专业知识，并从他们身上学到了如何求知治学、如何为人处事。同时我也要感谢我的同学给予我的帮助，他们为我撰写论文提供了不少建议和帮助。我要感谢，非常感谢我的导师张万良老师。他为人随和热情，治学严谨细心。在论文的写作和措辞等方面他也总会以“专业标准”严格要求你，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改、润色，张老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。正是张老师的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才能够得以顺利完成，谢谢张老师！还要感谢三年的大学生活，感谢我的家人和那些永远也不能忘记的朋友，他们的支持与情感，是我永远的财富。最后，衷心感谢于百忙之中评阅论文的各位老师专家、教授！第20页参考文献1单片机原理及接口技术，胡汉才主编，清华大学出版社，2006.2单片机原理及应用，张伟主编，机械工业出版社，2004.3单片机原理与接口技术，苏平主编，电子出版社,1999.4单片机原理及应用，朱家建主编，机械工业出版社，1993.5单片机原理与接口技术，梁洁婷等主编，高等教育出版社,2003.6单片机实验教程，彭冬明.韦友春主编，理工大学出版社,1997.第21页附录1源程序#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlong#include#includebaojian.hcharcodedx5163_at_0x003b;ucharth0_f;uchartl0_f;/ucharth1_f;/uchartl1_f;voiddelay(void);voidDelay1ms(unsignedintcount)/延时子程序unsignedinti,j;for(i=0;i4;if(p22!=P2)|(p33&0x0f)!=(P3&0x0f)/如果P2有键按下就退出播放gotoNext;TH1=music2*l;TL1=music2*l+1;TR1=1;if(music2*l=0xff)&(music2*l+1=0xff)TR1=0;第26页for(i=k;i0;-i)delay();TR1=0;j+;Next:;timer0()interrupt1TL0=tl0_f;TH0=th0_f;Speaker=Speaker;timer1()interrupt3TH1=music2*l;TL1=music2*l+1;Speaker=Speaker;voiddelay(void)/延时0.2秒unsignedchari,j,k;for(i=5;i0;i-)for(j=132;j0;j-)for(k=150;k0;k-);第27页第28页附录头文件#includesbitY1=P24;/按键1sbitY2=P25;/按键2sbitY3=P26;/按键3s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