基于单片机的十六音键电子琴设计方案

常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 1 基于单片机的十六音键电子琴设计方案 第 1 章 前言 统开发背景 随着电子科技的飞速发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作，因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣。 基于当前市场上的 玩具市场需求量大 ， 其中电子琴就是一个很好的应用方面。单片机技术使 我们可以利用软 硬 件实现电子琴的功能，从而 实现电子琴的微型化 ，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。 并且可以进行一定的功能扩展。鉴于传统电子琴可以用键盘上的“ “ 演奏从低 高 16 个音，从而可以用来弹奏喜欢的乐 曲。 统开发意义 该设计具有 以下优点： (1)可以随意弹奏想要表达的音乐 ； (2)制作简单，成本低。 计目标 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。其次，在这次设计可行性上进行分析如下： 1、经济可行性： 所谓经济可行性，即在这次设计上需要投入资金的多少，由于毕业设计是没有项目资金，没有开发经费，因此在经济上必须能够承受，比较理想化的项目对于我们毕业设计来说是不可行的。通过分析后，无论是在器件价格或是常见度上均是可行的。 2、技术可行性： 技术可行性主要 是分析技术条件上是否能够顺利开展并完成开发工作，硬件、软件能否满足设计者的需要等。通过分析各种软件环境，硬件仿真环境等均已经具备。 综上所述，本系统设计目标已经明确，在经济与技术上均可行，因此本系统的开发是完全可行的。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 2 第 2 章 方案论证 制模块选择方案 方案一：用可控硅制作电子琴。将 220V 交流电经变压器降压， 再经过 整流 、滤波，获得 +流电压。 将 单向可控硅 电阻、电容 组成驰张振荡器电路 。 但该设计方案制作成本高且复杂。 方案二： 采用 片机进行控制，由于 具备 能， 因此 司已经停产在市面上已经不常见，况且其 有 4K 在系统将来升级方面没有潜力。 方案三：采用 片机进行控制，由于其性价比高，完全满足了本作品智能化的要求，它的内部程序存储空间达到 8K，使软件设计有足够的内部使用空间并且方便日后系统升级，使用方便，抗干扰性能提高。 鉴于上述对比与分析，本设计采用方案三 键选择方案 传统电子琴可以用键盘上的“ 1”到 “ A”键演奏从低 高 11 音。该设计有 16 个按钮矩阵，设计成 16 个音 ，可以实现音阶在低音 4 之间。比传统音阶范围大，弹奏效果好。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 3 第 3 章 系统硬件设计及说明 统组成及总体框图 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。 该设计要实现一种由单片机控制的电子琴，单片机工作于 12钟频率，使用其定时 /计数器 作模式为 1，改变计数值 以产生不同频率的脉冲信号。该设计具有 11 个音节的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。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。用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不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 实现音频功放电路。 图 3 系统结构图 件简介 能特性： 一种低功耗、高性能 微控制器，具有 8K 在系统可编程 储器。使用 司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80品指令和引脚完全兼容。片上 许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在系统可编程 得众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 8k 字节 256 字节 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位定时器 /计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外， 降至 0态逻辑操作，支持2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， 止工作，允许 时器 /计键盘扫描 码管显示 扬声器播放音乐 电源部分 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 4 数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， 容被保存，振荡器被冻结 ，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 主要性能： 与 片机产品兼容、 8K 字节在系统可编程 储器 、1000 次擦写周期 、 全静态操作： 033三级加密程序存储器 、 32 个可编程I/O 口线 、三个 16 位定时器 /计数器八个中断源、全双工 行通道、低功耗空闲和掉电模式 、 掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识 符。 管脚说明： 电电压。 地。 ： 为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8电流。当的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 程时， 作为原码输入口，当 行校验时， 出原码，此时 部必须被拉高。 ： 是一个 内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能接收输出 4电流。 管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 程和校验时， 作为第八位地址接收。 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器可接收，输出 4 个 电流，当 被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， 的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 当用于外部程序存储器或 16 位地址外 部数据存储器进行存取时，输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， 输出其特殊功能寄存器的内容。 在 ： 管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 将输出电流（ 是由于上拉的缘故。 也可作为 一些特殊功能口，如下 表 所示： 管脚备选功 能 : 行输入口） 行输出口） 部中断 0） 部中断 1） 0（记时器 0 外部输入） 1（记时器 1 外部输入） 部数据存储器写选通） 部数据存储器读选通） 同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 两个机器周期的高电平时间。 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存 地址的常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 5 地位字节。在 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 冲。如想禁止 输出可在 址上置 0。此时， 令是 起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 止，置位无效。 /部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两 次 /效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /号将不出现。 / /持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /内部锁定为 ，此间内部程序存储器。在 程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 美国国家半导体公司生产的 音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为 20。但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。输入端以地 为 参考同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在 6V 电源电压下，它的静态功耗仅为24得 别适用于电池供电的场合。 一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中 。 封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 图 3封装形式 特性 ( (1)静态功耗低，约为 4用于电池供电 ； (2)工作电压范围宽， 4 (3)外围元件少 ； (4)电压增益可调， 20 (5)低失真度。 增益 增益 负端输入 正端输入 地 旁路 输出 源 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 6 其典型电路如下图： 图 3大器增益 =20（最少器件） 图 3大器增益 =50 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 7 图 3频提升放大器 码管 本次毕业设计的显示电路采用 码管显示， 一种外加电压从而流过电流并发出可见光的器件。 属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。 单个 八段 分，也有共阴和共阳两种。 常用的七段显示器的结构如图下图所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器 (如图 b 所示 )，阴极连在一起的称为共阴极显示器 (如图 c 所示 )。 1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管 ag 控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控 制简单，使用方便。 此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来。 （ a）外形 （ b）共阳极 (C)共阴极 图 3数码管引脚 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 8 示电路 本次毕业设计的显示电路采用 码管显示，由于 属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。通过单片机查表得出数码管显示编码，传送给数码管显示，以此来实现按键与显示程序的一致性。 功能模块原理图 块电路原理图 单片机主程序模块通过对键盘扫描程序信号的读取，在通过对应的表，取出数码管显示编码和定时器初始值以产生不同的声音信号。在这一过程中，对数码管编码是直接赋值，对声音信号则是通过中断程序进行控制。 图 3块电路原理图 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 9 盘扫描模块电路原理图 对键盘扫描电路的扫描方式有行扫描法和线反转法，在此次程序编写中，采用行扫描法，通过在 循环送出 0 扫描信号， 入按键上的高低电平信息给单片机，经处理程序，判断出是哪个开关按下，并送主 程序以实现不同功能。 图 3盘扫描模块电路原理图 码管显示模块电路原理图 数码管显示模块核心是共阳级数码管，通过来自单片机 I/O 口的电平高低来点亮和熄灭数码管上的发光二极管，通过单片机送来的数码管显示编码可以在数码管上显示数字和字符，使应用人员可以很容易的理解按键按下所对应的音符。 图 3码管显示模块电路原理图 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 10 频处理模块电路原理图 由于单片机驱动能力不够，在处理音符信号时，需加功率放大装置，因 增益的特点，这合适单片机低功耗输出，所 以加装 频信号放大器对信号进行放大。 图 3频处理模块电路原理图 源模块电路原理图 由于本次设计的芯片的工作电压都为 5V，为了排除因为电压不稳定或者不准确影响电路的工作和软件的调试，本次设计单独用 计了一个输出 5V 的电压的电路，如图 3示 ,其中 一变压器插排接口，输出电压在 交流电压，经过整流桥进行整流，电容滤波，再经过 压后，得到本次设计所需的 5V 直流电源。 图 3源模块电路原理图 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 11 第 4 章 系统软件设计 本软件设 计关键是要实现一种由单片机控制的简单音乐发生器，它由 16 个音节组成的的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。 乐相关知识 乐音听起来有的高，有的低，这就叫音高，音高是由发音物体振动频率的高低决定的，频率高声音就高，频率低，声音就低，不同音调的乐音是用 C、 D、 E、F、 G、 A、 B 表示的，这 7 个字母就是乐音的音名，它们一般依次唱成 A、 是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。 音持续时间的长短即时值，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，而每个音符对应着不同的频率，这样就可以利用不同频率的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐。 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。 节拍实际上就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 拍的延时是 ，则 1 拍的延时是 ，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陪数。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。 对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时 /计数器来完成。音乐的音拍，一个节拍为单位（ C 调）具体如下表： 表 4乐节拍表 曲调值 曲调值 4/4 125调 4/4 62 3/4 187调 3/4 94 2/4 250调 2/4 125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，产生不同频率有脉冲非常方便，可以利用它 的定时 /计数器来产生这样的方波频率信号，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。 在本实验中，单片机工作于 12钟频率，使用其定时 /计数器 作模式为 1，改变计数值 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 的对照如下表： 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 12 表 4符频率与计数值 T 的对照表 音符 频率（ 计数值（ T 值） 音符 频率（ 计数值（ 低 162 63628 #4740 64860 #1277 63737 中 584 64898 低 294 63835 #5831 94934 #2311 63928 中 680 64968 低 330 64021 #6932 64994 低 449 64103 中 768 65030 #4370 64185 低 1046 65058 低 92 64260 #11109 65085 #5415 64331 高 2175 65110 低 640 64400 #21245 65134 #6466 64463 高 3318 65157 低 794 64524 高 4397 65178 中 123 64580 #41490 65198 #1554 64633 高 5568 65217 中 287 64633 #51661 65235 #2622 64884 高 6760 65252 中 359 64732 #61865 65268 中 498 64820 高 7967 65283 T 的值决定了 值，其关系为： ， %256 统总体功能流程图 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 13 图 4程序框图 N 定时器初始化数码管显示 0 主程序 开始 循环检测按键 Y 数码管显示 扬声器出声 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 14 按键子程序流程图如下： 按下 按下 按下 按下 按下 按下 按下 数码管显示 3.，并播放 低音 数码管显示 4.，并播放 低音 数码管显示 5.，并播放 低音 按下 数码管显示 6.，并播放 低音 数码管显示 7.，并播放 低音 数码管显示 1，并播放 中音 数码管显示 2，并播放 中音 数码管显示 3，并播放 高阶中音 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 15 图 4盘子程序 按下 按下 按下 按下 按下 按下 按下 数码管显示 4并播放中音 数码管显示 5并播放中音 数码管显示 6，并播放 中音 按下 数码管显示 7，并播放 中音 数码管显示 A，并播放 高音 数码管显示 B，并播放 高音 数码管显示 C，并播放 高音 数码管显示 D，并播放 高阶高音 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 16 第 5 章 电路仿真 件介绍 英国 司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于作系统上，可以仿真、分析 (种模拟器件和集成电路 。 该软件的特点是： (1)实现了单片机仿真和 路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、 态仿真、 试器、试器、键盘和 统仿真的功能；有各种虚拟 仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 (2)支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有： 68000 系列、 8051系列、 列、 列、 列、 列、 列、 列以及各种外围芯片。 (3)提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如 51 软件。 (4)具有强大的原理图绘制功能。总 之，该软件是一款集单片机和 析于一身的仿真软件，功能极其强大。本章介绍 件的工作环境和一些基本操作。 真图介绍 单片机： 对应数码管编码输出端； 做音乐信号输出端； 做键盘扫描部分输入输出端。 键盘扫描：将 16 位开关通过矩阵连接，接出来四端接输入口（ 于键盘情况的输入，另外四端接输出口（ 于给键盘扫描信号。 数码管显示：在使用时一要接上拉电阻（这是有单片机 的物理特 性决定的），二是要加限流电阻以使流进单片机的小于单片机所能承受的电流。 音乐处理： 单片机 送过来的信号进行 20 倍的功率放大并送扬声器进行音乐的播出。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 17 真图 图 真图 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 18 第 6 章 制板制作 制板制作的要求 （ 1）电源线、地线应各设置一条总线； （ 2）线宽尽可能的宽； （ 3）应减少软线跳线的使用； （ 4）元器件排版要均匀，按模块排版，防止各模块信号干扰； （ 5）铜箔线不 可以产生锐角。 制电路板图 图 6控电路 图 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 19 图 6入按键电路 图 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 20 第 7 章 系统调试 电路调试是整个系统功能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分：硬件调试、软件调试和综合调试。 件仿真调试 软件仿真调试主要是针对单片机部分进行调试。 在软件运行前，先确保电路中连线正确，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要通过目测，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情 况等。 在确保软件仿真电路正常，无异常情况 (断路或短路 )方可进行软件运行，在本次设计中，软件运行主要是测试单片机键盘控制部分、数码管点亮部分、和音频功放电路调试。 1、数码管 路调试：软件运行，随机按下按钮可以看到数码管显示数字； 2、单片机键盘控制部分调试：软件运行，随机按动键盘可以发现各个按键对应的音正确。 件调试 调试主要方法和技巧： 通常一个调试程序应该具备至少四种性能：跟踪、断点、查看变量、更改数值。整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程，要使主程序和整个程序都能平稳运行 ，各个模块的子程序的正确与平稳运行必不可少，所以在软件调试的最初阶段就是把各个子程序模块进行分别调试。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 21 第 8 章 调试结论 通过各方面努力，本次毕业设计任务完成，系统部分功能已实现。可以随意演奏一首喜欢的曲子，并可以显示在数码管上。基本达到预定的效果。毕业设计是专科学习阶段一次非常难得的理论与实践相结合的机会，通过这次系统的项目设计提高了我运用所学的专业基础知识来解决面临实际问题的能力，同时也提高了我查阅各种文献资料、设计手册、设计规范以及软件编程排版的水平。 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 22 第 9 章 参考文献 1 赵鑫，蒋亮，齐兆群数字电路设计 M北京机械工业出版社， 2005 年 6 月第一版 2 苏家健，曹柏荣，汪志锋单片机原理及应用技术 M高等教育出版社 3 李朝青 单片机原理及接口技术 M 北京：北京航天航空大学出版色， 2001 4 胡汉才 单片机原理及其接口技术 M 北京：清华大学出版社， 2004 5 张靖武，周灵彬单片机原理、应用与 真， 2008 8 6 百度文库， ：元器件清单 名称 参数 数量 备注 排阻 8*470 2 州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 24 插排 1, 5 键盘 直键开关 16 容 22 13, 14,阻 21 振 声器 驻极体电容式 1 数码管 录 2： 主要电路原理图： 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 25 附录三：程序文件 000H ;初始位置 00H ;跳到主程序 常州信息职业技术学院电子与电气工程学院 毕业设计论文 26 00 ;定时器 0 中断起始单元 ;跳到中断程序 00000001B;设定工作方式为 1 E, #10000010B ;开中断允许 1: ;调用键盘扫描程序 ;关中断总允许 1 ;查询键盘按下标志 ,22H ;将键盘码送单元 A ,A+将查询的数码管显示码送 A ;将数码管显示码送数码管 ,22H ;将键盘码送单元 A ;数据