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基于单片机控制-电子琴毕业论文.txt你妈生你的时候是不是把人给扔了把胎盘养大？别把虾米不当海鲜。别把虾米不当海鲜。 本文由施洲旭贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 毕业设计论文 课 题：电子琴 专 业：机电一体化 班 级：06G2B 设计人员：施洲旭 指导老师：余永纪 宁波第二技师学院 1 目 1 概论 2 硬件设计 2.1 总体设计 2.2 单片机外围电路 2.3 扬声器按钮及控制部分 3 软件设计 3.1 总体流程图 3.2 主程序设计 4 . 安装调试 4.1 接及调试 4.2 焊接调试的注意事项 4.3 整体调试中出现的问题 5. 6. 总结 附录 录 2 第1章 概 1.1 电子琴概念 论 简易电子琴结构组成： 电子乐器的结构较为复杂， 音源是由晶体管产生的 电 振动，并通过音色回路而产生各种音色；同时由周波数调制产生颤音效果，由振 幅调制产生各种乐器的音效。 乐器特色：属于电子乐器，发音音量可以自由调节。音域较宽，和声丰富， 甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。它还可模仿多种音色， 甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音（如人声，风雨声等） 。 另外，电子琴在独奏时，还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏，适合 于演奏节奏性较强的现代音乐。另外，电子琴还安装有混响、回声、延长音、震 音和颤音等多项功能装置，表达各种情绪时运用自如。 简易电子琴是电声乐队的中坚力量，常用于独奏主旋律并伴以丰富的和声。 还常作为独奏乐器出现，具有鲜明时代特色。但电子琴的局限性也十分明显：旋 律与和声缺乏音量变化，过于协和、单一；在模仿各类管、弦乐器时，音色还不 够逼真，模仿提琴类乐器的音色时，失真度更大，还需要不断改进。 1.2 电子琴工作原理 大家都知道当物体振动时，能够发出声音。振动的频率不同，声音的音调就 不同。在简易电子琴里，虽然没有振动的弦、簧、管等物体，却有许多特殊的电 装置， 每个电装置一工作， 就会使喇叭发出一定频率的声音。 当按动某个琴键时， 就会使与它对应的电装置工作，从而使喇叭发出某种音调的声音。 简单的说就是按键触发信号发给处理器， 再由处理器调用音色库音色通过功 放电路输出或者通过数码接口进行数字输出。 控制面板上的按钮来选择处理器对 音色、音量、输出方式、伴奏的控制。 振荡器是根据需要产生一定频率的振荡信号， 振荡信号通过分频器分解成不 同频率的信号输送到放大器，放大器将信号放大，推动扬声器发出声音。键盘实 际上就是一些开关，如果没有键盘，许多种频率的信号一齐进到放大器里，通过 扬声器发出的声音就会乱七八糟，不成音乐。按下键盘的一支键，就等于接通一 只开关，只允许某一种频率的信号通过到放大器里去，扬声器就发出一个音来。 3 这样，按照一定的演奏规律来按键，就能奏出美妙的音乐来。电源的任务是给各 部分供电。 压控振荡器的输出 Uo 接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的 高低由低通滤波器上建立起来的平均电压 Ud 大小决定。施加于相位比较器另一 个输入端的外部输入信号 Ui 与来自压控振荡器的输出信号 Uo 相比较， 比较结果 产生的误差输出电压 U 正比于 Ui 和 Uo 两个信号的相位差， 经过低通滤波器滤 除高频分量后，得到一个平均值电压 Ud。这个平均值电压 Ud 朝着减小 Co 输出 频率和输入频率之差的方向变化，直至 Vco 输出频率和输入信号频率获得一致。 这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。 当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，Vco 可在某一范围内自动 跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相 环能捕捉到输人信号频率， 并强迫 Vco 锁定在这个频率上。 锁相环应用非常灵活， 如果输入信号频率 f1 不等于 Vco 输出信号频率 f2， 而要求两者保持一定的关系， 例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需 要。 过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁 相环，CD4046 是通用的 CMOS 锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为 3V 18V） ，输入阻抗高(约 100M)，动态功耗小，在中心频率 fo 为 10kHz 下功耗 仅为 600W，属微功耗器件。 本设计主要是通过对电子琴主体部分的电路进行模仿设计， 达到电子琴固有 的基本功能，故叫简易电子琴。利用定时器可发出不同频率的脉冲，不同频率的 脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出不同音调。其次，定时器按设置的定 时参数产生中断，这一次中断发出脉冲低电平，下一次反转发出脉冲高电平，由 于定时参数不同，就发出不同频率的脉冲，本设计中按键一次，会发出 50 个脉 冲，松开后随之延时 10 个脉冲，但在延时的 10 个脉冲期间继续检测键盘，若此 时又有键被按下，若被按下的仍为原键则声音不变，否则键盘会译出被按下的另 一个键的音调。 当简易电子琴发声时，除了发出某一频率的声音基音以外，还会发出响 度较小、频率加倍的辅助音谐音。我们听到的乐器的声音是它发出的基音和 谐音混合而成的。不同的乐器发出同一基音时，不仅谐音的数目不同，而且各谐 音的响度也不同。因而使不同的乐器具有不同的音品。在电子琴里，除了有与基 音对应的电装置外，还有与许多谐音对应的电装置，适当地选择不同的谐音电装 4 置，就可以模仿出不同乐器的声音来。 利用定时器可发出不同频率的脉冲， 不同频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤 波后，就会发出不同音调。其次，定时器按设置的定时参数产生中断，这一次中 断发出脉冲低电平，下一次反转发出脉冲高电平，由于定时参数不同，就发出不 同频率的脉冲，本设计中按键一次，会发出 50 个脉冲，松开后随之延时 10 个脉 冲，但在延时的 10 个脉冲期间继续检测键盘，若此时又有键被按下，若被按下 的仍为原键则声音不变，否则键盘会译出被按下的另一个键的音调。 本电路中的硬件比较简单，其功能的实现主要由软件完成。软件的设计思 路通过框图形式说明在正文中会有介绍。 5 第2章 2.1 总体设计 硬件设计 本设计的总体框图如图 2-1 所示，系统主要由单片机，扬声器电路，复位电 路，键盘电路，晶振电路五部分组成，其中单片机是设计的核心，单片机能够检 测到键盘的按键，并根据按键的位置通过程序来控制，使蜂鸣器发出不同频率的 声音，声音延迟延迟一段时间，等到按键放开后，声音停止。然后在继续扫描， 看是否有按键按下，如此循环下去，即实现基本的琴键功能。 复位电路 片 机 单 电源 器 键盘电路 晶振电路 图 2-1 设计总体框图 2.2 单片机外围电路 单片机是随着大规模集成电路的出现极其发展， 将计算机的 CPU， RAM， ROM， 定时/计数器和多种 I/O 接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，因此 单片机早期的含义称为单片微型计算机(single chipmicrocomputer).它拥有优 异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗的显 著优点.主要应用于智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面,并且取得 了显著的成果。 单片机应用系统可以分为:1.最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单 配置的系统。这种系统成本低廉,结构简单，常构成一些简单的控制系统，如开 关状态的输入/输出控制等。片内有 ROM/EPROM 的单片机，其最小应用系统即为 配有晶振，复位电路，电源的单个单片机.片内无 ROM/EPROM 的单片机，其最小 应用系统除了外部配置晶振，复位电路，电源外，还应外接 EPROM 或 EEPROM 作 为程序存储器用.2.最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的功耗最 小.3.典型应用系统是指单片机要完成工业测控功能所必须的硬件结构系统。 6 在本系统中，我们使用的是 Atmel 公司生产的 AT89S52 单片机。AT89S52 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8K Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大 的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方 案。其主要特性如表 3.1： 表 3.1AT89S52 主要特性 兼容 MCS-51 指令系统 32 个双向 I/O 口 3 个 16 位可编程定时/计数器 全双工 UART 串行中断口线 2 个外部中断源 中断唤醒省电模式 看门狗（WDT）电路 灵活的 ISP 字节和分页编程 8k 可反复擦写(1000 次）ISP Flash ROM 4.5-5.5V 工作电压 时钟频率 0-33MHz 256x8bit 内部 RAM 低功耗空闲和省电模式 3 级加密位 软件设置空闲和省电功能 双数据寄存器指针 2.21 晶振电路 设计的晶振电路如图 3.1 所示，AT89S52 系列单片机可以工作于 6MHz、 12MHz 等频率下，这一频率产生于一个石英晶体振荡器，用于驱动 AT89S52 系 列单片机。因此，我们针对 AT89S52 单片机，设计中采用 11.0592MHz 的石英 晶体和两个容值为 22PF 的电容。Y2（晶振）直接跨接在 AT89S52 的 XTAL1、 XTAL2 两端，其中 C21、C22 为起振电容。 图 3.1 晶振电路 7 电路中的电容一般取 22PF 左右，而晶体振荡器的频率范围通常是 1.2MHZ 12MHZ，在本系统中使用的 11.0592MHZ，但我们必须注意的是振荡脉冲经过二分 频才作为系统的时钟信号，在二分频的基础上再三分频产生 ALE 信号，在二分频 的基础上再进行六分频就得到机器周期信号。 因此一个机器周期只有振荡周期的 1/12,我们使用的是 11.0592MHZ 晶振，因此机器周期为 1/(11.0592*12)微秒。 2.22 复位电路 读 RST 引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号为高电平有效，其有效时 间应持续 24 个振荡脉冲周期（即 2 个机器周期）以上，产生复位信号的电路逻 辑如图 3.2 所示。 图 3.2 单片机复位电路 此复位电路为按键电平方式复位，首先具有开机复位的功能，在平时 状态中由于电容阻断直流电压，因此 RST 复位端口一直为低电平；当按键 S1 按 下时经过 R6、R7 分压，RST 端为高电平则会进行复位。 2.3 扬声器 扬声器是一种把电认转变为声信号转变为声信号的换能器件， 扬声器和性能 优劣对音质的高低影响很大。 扬声器的种类： 扬声器的种类很多，按其换能原理可分为电动式（即动圈式）、静电式（即 电容式）、电磁式（即舌簧式）、压电式（即晶体式）等几种，后两种多用于农 村有线广播网中，按频率范围可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器，这 些常在音箱中作为组合扬声器使用。 扬声器的参数： 扬声器的参数是指采用专用的扬声器测试系统所测试出来的扬声器具体的 8 各种性能参数值.其常用的参数主要包括:Z,Fo,0。扬声器的主要参数：额定功 率，额定阻抗，频率特性，失真度，灵敏度，指向性。 扬声器分为内置扬声器和外置扬声器，而外置扬声器即一般所指的音箱。内 置扬声器是指 MP4 播放器具有内置的喇叭， 这样用户不仅可以通过耳机插孔还可 以通过内置扬声器来收听 MP4 播放器发出的声音。 具有内置扬声器的 MP4 播放器， 可以不用外接音箱，也可以避免了长时间配带耳机所带来的不便。 扬声器及外围电路如图 3.3 所示， 5+ W2/1. 22 W5.0 8 486AS2 图 3.3 单片机扬声器电路 2.4 键盘电路 按键电路主要是用来输入数据，从而实现人机交互，实现音律的转换。本设计的键盘 部分我们采用按钮型按键，按键未按下时其输出端为高电平，按键按下时输出端为低电平， 为了增加电平的准确性，我们可以在按键的输出端加上上拉电阻来确保其高低电平的正确， 这样通过单片机来检测 I/O 口的高低电平， 然后执行不同的操作， 这样就实现了按键的控制 功能，其典型接线图如图 2-4 所示 11 个按键分别和 I/O 口 P3.2， P3.1,P3.0,P1.7,P1.6,P1.5,P1.4,P1.3,P1.2,P1.1,P1.0 相连，程序扫描哪一个键被按下，即可确定它的值。为保证键扫描的正确，求得闭合键的键 码，需进行去抖动处理。去抖动有硬件和软件两种方法。硬件方法就是在键盘中附加去抖动 电路，从根本上消除抖动发生的可能性；而软件方法则是采用延迟以躲过抖动（大约延时 2030ms 即可） ，待开关状态稳定之后，再进行状态输入。 按键的扫描时间一般很短， 仅仅几十微妙就够了， 而按键的时间一次至少需要几十毫秒， 所以只要有键按下的话都是可以被扫描到的， 但是按键按下时有一定的时间抖动， 因此要考 9 虑按键的抖动处理。 图 2-4 按键电路 10 第 3 章 软件设计 3.1 总体流程图 本设计的总体流程图如图 3-1 所示，系统在复位后，处于等待状态，当有按 键按下时，首先判断是哪个音阶，然后调用相应的廷时程序，输出相应频率的脉 冲令扬声器通电和断电，演奏出与频率相符的韵律。 开开 判断是哪一个按键判按下 设设相对应的延时设设R6的值 令扬声器通电 延时延周期 令扬声器断电 延时延周期t 图 3-1 单片机电子琴流程图 3.2 主程序设计 音律的音阶是由不同的频率构成，各音阶的频率表如下表 3-1 所示，例如 D0 的音律：D0 的频率为 262HZ，所以其 周期 T=1/f=1/262s=3816us 半周期 t=T/2=1908us 半周期 t=T/2=1908us 此时，单片机输出的波形如图 3-2 所示。 11 表 3-1 电子琴 C 调各音阶的频率表 音阶 DO RE MI FA SO LA SI 高音 音符 1 2 3 4 5 6 7 频率/Hz 522 587 659 700 784 880 988 中音 音符 1 2 3 4 5 6 7 频率/Hz 262 294 330 349 392 440 494 低音 音符 1 2 3 4 5 6 7 频率/Hz 131 147 165 175 196 220 247 t T t 图 3-2 输出相应频率波形图 根据单片输出频率发声原理，若以程序 Mov ACALL R6,#data DELAY ;1 周 共需耗时 3 个机器周期，即耗时 ;2 周 1us*3=3us ;2周 共需耗时 2 个机器周期，即耗时 DELAY :MOV B,R6 1us*2=2us Mov R7,#06 R7,$ ; 1 周 此循环部分，每执行一次共需耗时 ; 2 周 15 个机器周期，即耗时 ; 2 周 1us*15=15us ; 2 周 共需耗时 4 个机器周期，即耗时 12 DL: DJNZ DJNZ Mov R6,DL R6,B RET ; 2 周 1us*4=4us 来达成延时 T 目的，则原因 t=1908us,且 Mov R6,#data ACALL DELAY MOV MOV RET 这 5 个指令共耗时 9us,所以在 DELAY 子程序中，循环的部分只能是 1908us-9us=1899us 循环的部分每次执行依次耗时 15us,所以要延时 1899us 需重复执行 1899 15 次=126 次，即 R6=126 就可以产生所需的 D0 音调。 B,R6 R6,B 13 第4章 4.1 焊接及调试 焊接调试的大体步骤如下： 安装调试 1. 利用 PROTEL 制作的电路图（图 3-1），将相关的模块、元件依次安插到 面包板上。测试各部分元件是否正常工作，用面包板调试，若各部分元件正常， 则开始焊接。 不正常则用万用表测试， 直到找出错误和不良元件， 更换后再调试。 2.开始焊接，首先焊动和型开关，焊接完毕，用万用表测试各个开关闭合电 阻是否为 0，正常后进行下一步。 3.焊接显示电路，将发光二极管及保护电路串联焊接，分别测试其是否正常 工作。 4. 焊接频率调节部分，主要是可调电位器。 5. 焊多谐振荡电路，主要是 AT89S52 集成块及周边辅助电路，包含扬声器， 完毕后通电测试电路是否工作。 4.2 焊接调试的注意事项 对于模块连接就是依照电路图将所用元件连接到电路板上，连接模块是要注 意元器件要按照电路图所示逐个的进行连接，要分类进行。连接电阻时分清电阻 的阻值和类别。集成块的安装要对应好了方可安装。三极管的安装要分清它的集 电极、基极、发射极。电位器的安装要分清开关的位置。焊接时要看好元器件， 不能错装，而且焊接时要注意焊接时间不要过长，防止焊坏电路板。 装配时注意不要扭动固定爪、拆卸；不要随意修改 PCB 板、装配孔、电路； 不要修改导电胶条；不要压、碰、摔、折、扭动模块。 在安装前，我们对电路图之中的电路进行了相对仔细的观察，弄懂了电路中 各个元器件的功能、作用和连接方法。电路连接中，我们先对电路中的路线进行 了简单的铺设，由于我们使用面包板进行安装，所以一些路线一般都是由面包板 的内置电板进行连接，我们的连接主要是对各个元器件之间的线路进行连接。 在面包板中，我们最注意的就是各个元件的安插方向。由于面包板的安插方 向不都是一个方向，有的是横排连接，有的是竖排连接，这给我们的连接器件造 成了一定的困难。在面包板中，我们还是严格的遵照电路图中的连接方法，主要 14 是将四个基本电路分开连接，然后将这四个基本控制电路再连接到一起，组成一 个完整的回路。 4.3 整体调试中出现的问题 1.在焊接完成后，由于焊接过程中对电路图没有充分掌握，芯片部分引脚焊 错位置，导致电路整体出现较大问题，在检查过程中及时发现错误并重新改正。 2.在仿真过程中，出现仿真过程不顺利，效果时好时坏。重新检查程序并一 一矫正后程序正常运行并成功烧录进芯片。 3.电路整体调试过程中，经通电后电子琴蜂鸣器一直处于鸣叫状态，而正常按键 则毫无反应。对此现象一直迷惑不解，随经过电路的焊接、程序的调试、电路中 各重点元器件的电压进行逐一测试， 一切处于正常状态却毫无结果。 此后经过* 老师和其他老师的帮助，才进一步找到问题的原因，一切恢复正常，电子琴也顺 利弹出音符，效果明显。 15 第5章 总结 通过本次设计，我懂得了如何解决电路中出现的问题，从而能够使自己更好 的学习和掌握一些电路常识。在本次设计中，我又相当把以前学过的知识再复习 一遍，对以前学过的知识加以巩固。 我又对一些电子元件有了进一步的了解，如：电阻、电容、二极管和三极管 等元件，还对一些常用的集成块有了一些了解，如：AT89C51。 在用 Protel DXP 绘制电路板时用到许多知识，也发现许多问题，还有以前 上课没有学到的知识。通过小组成员及指导老师的指导解决问题。这次设计后对 用 Protel DXP 绘制电路板的知识更加巩固。 由于对以前学过的知识掌握不牢，所以在本次设计中遇到了许多问题，如： 在调试阶段的时候，根据电路图把电路连接好以后，扬声器没有任何的反应；在 调试的最后阶段的种种问题，经过指导老师的指导及同学的共同探讨，最后根据 大家掌握的知识和通过查阅资料，把简易电子琴顺利完成设计。 总之，通过这次设计我确实感到自己还有许多不足之处，在以后的工作中还要更 好的学习，从而充实自己，并且在本次设计中使我学到了不少的东西，有的是我 以前没有接触的东西，也有的是以前没有掌握牢固的知识。我会在日后的开发中 深入学习， 加深研究， 我会争取把本系统应用到实际工作中， 使之产生商业价值。 电子技术发展日新月异，我会在以后的研发中加入新技术，使之更趋完善，总之 本次毕业设计是我的电子研发之路的良好开端。我会以此为契机，在以后的电子 开发工作中取得更好的成绩。 16 附录 (1)简易电子琴的电路原理图 +5 22 .1/2W 31 40 9 RESET P3.7 17 2SA684 10k EA 40 10uF 8 0.5W 87C51 30pF 19 1 XTAL1 P3.2 P3.1 P3.0 P1.7 P1.6 12 11 10 8 7 6 5 4 3 2 1 SOL LAL SIL DO RE MI FA SO LA SI