基于单片机的电子琴

1、电子琴的设it U AT89C52单片机为核心控制元件,与建盘、扬声器等模決组成核心 主控制模挟,通过胃作硬件电路和软件的设il编写，然后进行软哽件的调试运行,最终 达到设廿电路的乐器演奏、点敢、存恫员显示功能。设廿中应用中斷系貌和定时/计数原 理控翎演奏器发声，对音乐发生所必须晞定的音符和节拍分别用程序培言实现。特点是 设廿思路简单、清晰，成本低。关建词：电子琴；演奏；单片机目录摘要I1绪论12设廿任务22.1课程设廿的目的及意艾22.2课程设it任务与要求22.3实验器林22.4课程设计技术指标錯娱!未定义书签。3系统硬件33.1壬控制器AT89C5133.2运算放大器LM32453.3时

2、抑电路和复位电路63.3.1时押电路63.3.2夏位电路63.4显示电路73.5低通滤波器原理83.6硕件电路设廿93.6.1电路设计介给93.6.2总电路图103.6.3元件清单104系统软件114.1数据处理过8114.2 i程序流程框图124.3中断程序流程框图124.3程序代跆35实验结果175.1仿真结果175.2实物箱果185.3结果分析186总结19致谢20参考文献21总结资料1绪论电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新里的權盘乐器。电子琴是高科 技在音乐领據的一f代表，它是古腆文化与现代文明的一个浓缩体。它不但可以帮助我 们的音乐教师进行传境音乐文化的教育教学工作,而且

3、由干它2具备现代音乐，特别是 电子音乐、电师音乐的基本第构、特征，因而使我们的教I帅在进行现代音乐、电子音乐、 电晦音乐的教学时，更直接、更简便。它在现代音乐拎演着重要的角色，单片机具有強 大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经落人现代人们的生活中，成为不可替代的 一部分。基于当前市场上的忧具市场需求量大，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杵实现电子琴的功能，从而实现电子琴的ia里化，可以用作 忧具琴、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。单片做里廿算机是大规模集成电路技术发展的产物，扬第四代电子廿算机，它具有 高性能、高速度、体枳小、价恪低廉、

4、稳定可靠、应用广泛的特自。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枝和工程领域 的一项重大课題。本文主要对使用单片机设Hia塑电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴统硬 杵组成。利用单片机产生不同蹶率来获借我们要求的音阶，最终可随恿强奏想要表这的 音乐。并且本文分别从原理图，主要茹片，各模块原理及各模块的程序的调试来洋细阐 述。2设ii任务2.1课程设廿的目的及意义基于单片机的电子琴发声系统设廿。认真分析和领会课程设计题目含意，查阅和运 用相关技术资料，提倡独立思考，SS炼动手能力；仔细观察实验现象，认真做好实验记 录，要准确、规X、独立地完成实验

5、内容,自觉培养严谨XX的科学作风；2.2课程设廿任务与要求(1) 设it-f (4x4)的键盘,并将16个權设廿成两个八度的音阶对应的16个琴St,可以进行弹奏表演；(2) 演奏的同时数儕管会以数字显示当前按建对应的音符；(3) 有音乐存闊功能，能自动演奏飯曲。演奏时可选择谜盘输人乐曲，自己存人的乐 曲或师机存储的乐曲。按播故罐能播故5首欧曲，第一首歌曲播赦结東，再按播KH豐播 放下一首歌曲。(4) 发光二股管会指示当前按建是否按下。2.3实验器林单片机AT89C52、键盘、扬声器、实騎电路极。3系统硬件3.1主控制器AT89C52tPioVoc402PilPoo/ADq393Pl2P01/A

6、D1384Pl3PoAD2375Pl 4Pas/ADs366Pl.5IWAD4357Pl 6Pos/ADs348Pl7PoADe339R£TP07/AD73210RXD/P/EA3111TXD/F-3.IALE3012瓯MP32PM2913mr】Pn/Ais2214WP94EWg2715Ti/Ps5PMA1326162517RD/Ps.?P23<A1124183TAL222102319XTAL)刃.】伽2220Vss21图3.1 AT89C51引脚图AT89C52各管脚功能:VCC：哄电电压。 GND：接地。P0 口： P0 口为一个8位漏级开路毁向I/O 口，每脚可吸收8TT

7、L门电流。当P1 口的管脚第一次写1时，被定义为高皿输Ao P0能密用于 外部程序数稠存储器,它可以被定义为数据/地址的第Afio在FIASH编程时，P0 口作为 原码输入口,当FIASH进行校验时，P0输出原侶，此时P0外部必须被拉高。 P1D： P1 口是一个内部提供上拉电址的8位双向I/O 口, P1 口缓冲器能接收输岀4丁孔门电流。P1 口管脚写入1后，被内郡上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输岀 电滝,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1 口作为第八位地址接 收。 P2 口: P2 口为一个内部上垃电阻的8位双向I/O 口, P2 口缓冲器可接收

8、,输出4 fTTL门电流，当P2 口被写“1”时，其管挪被内部上应电阻拉高,且作为输入。并因此作 为输入W, P2 口的管脚被外部也低，将输岀电So &是由于内部上拉的缘故。P2 口当用 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,P2 口输岀地址的高Afio在 给出地址“1"时,它利用内册上拉优势，当对外88AS地址数据存储器进行读写时,P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控 制信号。 P3 口： P3 口管脚是8个带内册上拉电阻的双向I/O 口,可接收输岀4个TTL 门电流。当P3 口写人“1”后，它I被内部上

9、拉为高电平，并用作输入。作为输入,由于 外册下拉为低电平,P3口将输出电流（ILL） g是由于上拉的缘故。 P3口也可作为 AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD （串行输人口） P3.1 TXD（串行输岀口 ）P3.2/INT0（外部中 BJjO）P3.3/INT1 （外部中斷1 ）P3.4 TO （记时器0外部输人）P3.5 T1 （记时器1外部输入） P3.6/WR （外部数据存储器写选通）P3.7/RD （外部数弼存KI器读选通）RST：复位输人。肖振蒲器复位器件时，要保特RST脚两个机器周期的高电平 时间務使单片机IUooALE/PROG：当Ri冋外部存储器时，

10、地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地 位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输人编程脉冲，用以锁存地址的（K8 E字 节。一般悄况下，ALE常以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振葫器颛率 的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注恵的是：每当 用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH 地址上置0。此时，ALE只有在执fi MOVX, MOVC 令是ALE才起作用。另外， 该引脚祓略攒也高。如果I8处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由AT89C51执行外部程序存储器取指期间, 毎

11、个机器周期两次/PSEN有效。但在诉冋外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号務不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时,I在此期同外部程序存储器（OOOOH-FFPFH ）, 必须同GND相连接。需要主要的是，不管是否有内部程序存齢器。注恿加密方式1 BL/EA將内册锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，复位时EA端会自动内册锁存。当执行内部编程指令时，应该接到VCC端。在PLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP )oXTAL1:反向振葫故大器的输人及内部时押工作电路的输入。XTAL2:来自反向振蒲器的输出。特&： uhB灵活，嵌人性好，控制功能强,成

12、本低;2. 可靠性好,iSHX围宽；3. 扩展性好;4. 低电压，低功耗;5. 易于多机和分布式控制。3.2运算放大器LM324运算放大器(简称“运放”)是具有很高朋大倍数的电胳单元。在实师电路中，通常 结合反馈啊络共同组成某种功能模块。由于早期应用干模算HI中，用以实观数学运 算，故得名“运算放大器”。运笊是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器 杵实现，也可以实现在半导体芯片当中。I®着半导It技术的发展，大部分的运笊是以单 芯片的形武存在。运朋的种类繁多，广泛应用干电子行业。LM324运算放大器如图3.2所示。管脚连接图输入输出2叵vcc E输入2舟输出1 F卫输出4

13、曽输入4 卫Vee，Gnd 齐输入3 习输出3图3.2 LM3241S算朋大器管脚图课设中运用的LM324运算故大器组成的放大整形电路如下图所示:3.3时钟电路和复位电路3.3.1时钟电路单片机的时押一朋需要多相时押，所以时押电路由振蒲器和分頫器组成。AT89C51内部有一个用于构成振蒲器的可控高增益反向朋大器。两个引WXTAL1和XTAL2 分别是该笊大器的输入端和输出端。在片外聘接一晶振和两个匹配电容C1、C2如图2.4 所示，就构成一彳、自激振葫器。振蒲额率根据实际要求的工作速®, U几百干赫至24MHz 可适当选取某一頫率。匹配电容C1、C2要根摇石英晶体振蒲器的要求选取。当

14、晶振頫率为12MHzH,Ck C2-般选30pF左右。上述电路是靠AT89C51单片机内部 电路产生振蒲的。也可以由外册振蒲器或时押直接驱动AT89C51。本设计采用内SI电路 产生振蒲。3.3.2 M E 电路RST引哪是SliiS,高电平有效。在该引脚输人至少连续两个机器周期以上的高电 平，单片机复位。RST引脚内部有一个斯密特STM!发器以对输入信号整形，保证内册复 位电路的可靠，所以外部输入信号不一定要求是数字波形。使用时，一般在此引脚与VSS 引脚之间接一个&2kG的下拉电皿，与VCC引脚之同接一个约10站的电解电容，即可保证上电自动复位。上电或手98E1求电源接通后，单片机

15、自动复位，并目在单片HI运行期间，用开 关操作也能使单片机Ifio上电后,由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一 段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下夏位览K后松开，也能使RST为一段时 间的高电平，从而实现上电或手动夏位的操作。氛）上电复位旦路0）按锂复也刖图3.41E电路图3.4显爪电路我们測量的频率最终要显示出来八段LED数码管显示器由4个发光二股管组成。基中 7个长条形的发光管排列成“日”字形，另一个同自形的发光管在数侶管显示器的右下角 作为显示小数点用，它能显示各种数字及部份英文字SoLED数码管显示器有两种形式: 一种是8个发光二股管的皿股都连在一起的，称之为共皿

16、ISLED数码管显示器；另一种是 8个发光二极管的明股部连在一起的，称之为共阴板LED数码管显示器。如下图所示。共 阴和共CD绪构的LED数码管显示器各笔划段名和安排位置是相同的。当二股管导通时， 对应的笔划目发亮，由发亮的笔则段组合而显示的各种字符。8个笔则段h、g、f、e、d、 c、b、a对应于一个字节（8fi ）的D7、D6、D5、D4、D3、D2、Dk DO,于是用8fiZjj 制码就能表示侬显示字符的字形代侶。在单片机应用系统中，数儕管显示器显示常用两种亦法：静态显示和动态甘 描显示。所谓静态显示，就是每一彳、数儕管显示器都要占用单独的具有锁存功能 的I/O接口用于笔则段字形代侶。这

17、样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路,-戈玄盘兰mm妞盏盏就不用管它了，直到要显爪新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种亦法单片 机中CPU的开術小,能供给单独锁存的I/O接口电路很多。在单片机系境中动态扫描显示 接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的8个 笔»J S a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极是各自奴立地受I/O线腔制°CPU 向字段输岀口送出字形有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮, 囲取决干端，而迪一端是由I/O腔制的，所以我们就能自行决定何时显示哪一位了。而 所谓动态扫描就是指我H采用分时

18、的办法,轮流控制各个显示器的端，使各个显示器轮 流点亮。在轮流点亮扫描il程中，每位显示器的戊亮时间是18为短暂的（约1ms），但 由干人的視觉暂冒现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时自 亮，但只要甘描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数弼，不会有闪炼感。其原理图3.5 ftOT：图2.5数玛管显示电路原理图3.5低通滤波器原理在RCIK通电路的后面加一个集成运故，即可组成一阶低通有联液器，如图2.6所爪O图2.6-阶低通滤波器电路由干引人了深度负反織，此次电路中的集成运加工作在线性区。根据“虚短”和“虚Bi”的特点,可求得电路的电压朋大倍数为AUpAlUm(2.1

19、)其中人讶1+(越论(2.2)fZW?0(2.3) A/f°分别称为通带电压赦大倍数和通带截止频率。根据式2.1可画出一阶低通滤波电胳 的对数幅頫特性如图2.8所示。通过与无源低通滤波器对比可以知到，一阶低通有源滤波 器的通带截止頫率f。与无源低通滤波器相同，均与RC的乘枳成反比，但引人集成运放以 后，通带电压故大倍数和带负教能力得了到提高。由图2.8可见，一阶低通滤波器的帕频特性与理想低通滤波特性相比，差呃很大。在 理想悄况下，希3f>foW，电压皿夫倍数立即降为零，但一阶低通滤波器的对数幅頫特 性只是U-20Db/十倍頫的缰慢的速度下降。3.6硬件电路设计3.6.1电路设廿

20、介绍首先输入一个幅值为24mV的正孩波信号,经11LM324M级放大电路得到一个幅值放 大的正弦波信号，再经过整形后得到一个方波信号。方波信号经il反相器，綸出一个相 位相反的方波信号。将输出的方波信号输入到单片机的外册中8#和定时器/廿数器接口。 然后由数码管显示鴻量的頫率值:0240Hz,且显示精度为小数点诫。3.6.2总电路图图2.9总电路图3.6.3元件清单表3.1元件器清单里号数量也号单片AT89C51U4与非门74LS00U3:A集成运笊LM324U1:A电容CAPC1=10uFR3=200k R5=200k电皿RES200k两，1k三R1=1kR2=1kR6=1k二板管4007D

21、1导找若干4系统软件4.1数据处理过程在频率廿开始工作，或者完成一次頫率測量，系筑软ftuaii测量初始化。测量初始化 模块设置唯栈荷it(SP)、工作寄存器、中斷腔制和定时/廿数器的工作方式。定时/ it 数器的工作首先被设置为it数器方武,HI1用来测量信号频率。在对定时/ it数器的廿数寄 存器渭0后,置运行控制位TR为1，启动对侍测信号的计数。计数闸门由狀件延时程序 实现，从廿数闸门的最小值开始,也就是从測量頫率的高量程开始。廿数闸门结東时TR清 0，停止计数。廿数寄存器中的値通11 16进制数到10进制数转换程序转换为10进制 数。对0进制数的最高位进行判别，若该位不为0，满足测量数

22、据有效位数的要求，测量 值和量程信息一起送到显示模挟;若该位为0，将计数闸门的宽厦扩大10倍，重新对侍测 信号的计数,直到满足测量数据有效位数的要求。当上述测量WBiil程直到itUffl门宽度 达到1 s,这时对应的频率测量X围为100HZ-999HZ,如果测量结果仍不具有3位有效数 字，颐率廿则使用定时方法测量侍测信号的周期。定时/廿数器的工作这时被设置为定时 器方式，在对定时/ it数器的廿数寄存器清0后，判斷侍测信号的上粽沿是否到来。侍测 信号的上跳沿對来后，置运斤控制R TR为1，以单片机工作周期为单位，启动对侍测信号 的周期K量。於后列断待测信号的下跳沿是否到来，持測信号的下跳沿到

23、来后，运行腔斟 位TR清0,停止if Ho 16位定时/廿数器的最高廿数值为65535卫样在侍测信号的频 率较低时，定时/廿数器将发生謚岀。当产生定时/廿数器将隘岀，程序进人定时器中斷服 务程序，中斷服务程序对沿岀次数进行廿数。待测信号的周期由3 f字节组成:定时/ if 数器隘出次数、定H/ it数器的高8 EWK 8位。信号的闌率f与信号的周期7之间 的关系为f=/T完成信号的周期测量后，需要做一次倒数运算才能获得信号的頫率。为提高运算精度, 这里釆用浮点数算术运算。浮点数用3 f字节组成，第一字节最高位为数符,其余7位为 阶侶;第二字节为尾数的高字节;第三字节为尾数的低字节。特測信号周期

24、的3个字节定 贞数首先通过裁取高16位、设置数符和廿算阶侶转换为上述格式的浮点数。然后浮点 数算术运算对其iSfiit理,获得用浮点数恪式表这的信号频率值。浮点数到BCD码转换 模块把用浮自数怡式表这的信号频率值变换成本额率廿的显示怡武，送到显示模块显示 侍测信号的頫率值。无论从哪一种方武进人显示模块，完成显示后，颐率廿都开始下一次信号的頫率測量。4.2主程序流程框图图4.1主程序浹程图4.3中断程序潼程框图T1中断渝桿图如图所示：图4.2 T中断潦程图TO中断流程图如图所示:图4.3T0中断流程图中断程序实现定时与计数的功能。T1 aff定时，定时时间为1S° TO进行廿数，TO中

25、B#遒出TOcount JlD1o当定时这到1S时，停止TO, T1。最后计算相应的颐率值。4.3程序代码TO VAL EQU -10000ORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPCOUNT；下降沿it数中BiORGOOOBHAJMPTIME；计数时间中BiORG0030HMAIN: MOVR7/100MOVR3,#10MOVR2,#15MOVTHO#HIGH TO_VALMOVTLO/LOW TO_VALMOVDPTR/TAB；设定DPTR起始位置MOVR4,#99MOVR5/0FFHMOVR6,#5MOVTMOD/01H；设定TO工作在方武2SETBPTOMOVSP/5FH

26、SETBITO；设定外部中斷0位下降沿触发MOVIE,#10000011B；开中断SETBTROVIEW:CLRAMOVA,RO謂外部中BrOit数的高位给累加器AMOVB,#10DIVAB;得到第一位数码菅的数据MOVCA.A+DPTRMOVP1,AMOVP2/08HMOVP2/0HMOVACC.BMOVCA.A+DPTRMOVP2/04HMOVP1,AMOVP2/0HDJNZR2,$MOVR2/15MOVA,R1MOVB,#10DIVABMOVCA.A+DPTRDECAMOVP1,AMOVP2/02HMOVP2,#0HDJNZR2,$MOVR2,#15MOVACC.BMOVCA.A+DPT

27、RMOVP1,AMOVP2#01HMOVP2,#0HDJNZR2,$MOVR2,#15LJMPVIEWTAB:DB3H,9FH,25H,0DH,99H,49H,41 H,1 FH,O1 H,9HCOUNT:PUSHPSWDJNZR4 ,GAOMOVR4,#99INC30HMOV31H/0SJMPNEXTGAO:INC31HNEXT:POPPSWRETITIME:DJNZR7,AGAINMOVR7/100DJNZR3.AGAINMOVR3,#10MOVR4,#99MOVR0.30HMOVMOVMOVSJMPR1,31H30H,#031H,#0HUIAGAIN:MOVTHO,#HIGHTO_VAL

28、MOVTLO,#LOW TO_VALHUI:RETIEND5实验结果5.1仿真结果本次设廿使用朋大整形电路和单片机系貌对一彳、帽值为24mV的正弦低頫弱信号进 行測量。通过软件和硬件的仿真调试，得到所需要的方波信号，并在数码管中显示相应 頫率。其測量X围在0240HZo图5.1仿真渋形发生器输人图5.2仿真示波器输岀338ABCDEFG DP123*图5.3仿真电路数码管示数5.2实物结果图5.4单片机与电協连接图图5.5总效果图5.3结果分析输人信号经11整形电路示波器显示输岀波形良好，但是可能由于单片机中的程序冋 題，单片HI计算和数码管显示模块无法正常工作。经过一系列的讨论与实验也未能在规 定时间内调试正常。6总结在单片机系貌设it时，必须先确定系貌的助能模決，这是系貌设计的依据和出发自, 整f设itil程部必须18绕这个功能模块来工作。在设it时遵循从整It到局部也即自上而 下的原HL f