某微型电子琴设计方案

1、某微型电子琴设计方案2 设计要求本设计的主要内容是用 AT89C52单片机为核心控制元件，设计一个微型电子 琴。以单片机作为主控核心，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，实现以 下功能：(1) 设计一个(4X 4)的键盘4，并将16个键设计成两个八度的音阶对应的16 个琴键，可以进行弹奏表演；(2) 演奏的同时数码管会以数字显示当前按键对应的音符；(3) 有音乐存储功能，能自动演奏歌曲。演奏时可选择键盘输入乐曲，自己存入 的乐曲或随机存储的乐曲。按播放键能播放 5首歌曲，第一首歌曲播放结束，再按 播放键播放下一首歌曲。(4) 发光二极管会指示当前按键是否按下。3 方案论证3.1 控制模块选

2、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+13.5V直流电压。将单向可控硅 SCR和电阻、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AT89C51单片机进行控制，由于AT89C51不具备ISP功能，因此 Atmel公司已经停产在市面上已经不常见， 况且其ROMR有4K在系统将来升级方面 没有潜力。方案三：采用AT89C52单片机进行控制，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

3、用方案三3.2 按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SO到高DO等 11音。该 设计有 1 6个按钮矩阵，设计成 1 6个音，可以实现音阶在中音和高音之间的变换。 比传统音阶范围大，弹奏效果好。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘 及矩阵键盘，它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计 上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有 很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要 烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。本设计选 择 4*4 矩阵键盘。4 设计原理6 一

4、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 6 ，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TO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正确即可。若要 产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（ 1/频率），再将此周期除以 2，即为半周 期的时间。利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将输出 P3.O 反相，然 后重复计时再反相。就可在 P3.O 脚上得到此频率的脉冲。利用AT89C52勺内部定时器使其工作计数器模式（MODE1下，改变计数值 TH0及TLO

5、以产生不同频率的方法产生不同音阶 ，例如，频率为523Hz其周期T =1/523 = 1912卩s,因此只要令计数器计时 956卩s/1卩s= 956,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式是：N=fi/2/fr式中，N是计数值；fi是机器频率（晶体振荡器为12MHZ寸，其频率为1MHZ; fr 是想要产生的频率。其计数初值T的求法如下：T= K N= K fi/2/fr式中K是单片机的16位定时器最大计数值，K= 216 =65536; fi是机器频率，fi = 1MHz 例如低音 D（262Hz）、低音 RE（294Hz）、中音 D（

6、 523Hz）、中音 RE（587Hz）、高音D0（ 1046Hz）、高音RE（ 1175Hz）的计数值如下：T= 65536 N= 65536 fi/2/fr= 65536- 1000000/2/fr = 65536- 500000/fr低音 DO的 T= 65536- 500000/262 = 63628低音 RE的 T= 65536- 500000/294 = 63835中音 DO的 T= 65536- 500000/523 = 64580中音 RE的 T= 65536- 500000/587 = 64684高音 DO的 T= 65536- 500000/1046 = 65058高音 R

7、E的 T= 65536- 500000/1175 = 65110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4 O在本实验中，单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时/计数器T0, 工作模 式为1,改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号，在此情况下，根据 以上公式，C调的各音符频率与计数值T的对照如下表4-1音符频率对照表音符频率（HZ）简谱码（T值）音符频率（HZ）简谱码（T值）低1 DO262

8、63628# 4 FA#74064860#1 DO#27763731中5 SO78464898低2 RE29463835# 5 SO#83164934#2 RE#31163928中6 LA88064968低3 M33064021# 693264994低4 FA34964103中7 SI98865030# 4 FA#37064185高1 DO104665058低5 SO39264260# 1 DO#110965085# 5 SO#41564331高2 RE117565110低6 LA44064400# 2 RE#124565134# 646664463咼3 M131865157低7 SI4946

9、4524高4 FA139765178中1 DO52364580# 4 FA#148065198# 1 DO#55464633高5 SO156865217中2 RE58764684# 5 SO#166165235# 2 RE#62264732高6 LA176065252中3 M65964777# 6186565268中4 FA69864820高7 SI196765283为音符建立一个数据表，单片机通过查表的方式来获得相应的数据。低音0 19之间，中音在20-39之间，高音在40- 59之间TABLE1: DW 64021,64103,64260,64400DW 64524,64580,64684

10、,64777DW 64820,64898,64968,65030DW 65058,65110,65157,65178音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表4-2所示）表4-2曲调值表曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125ms调4/462ms调3/4187ms调3/494ms调2/4250ms调2/4125ms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。琴键处理程序，根据检测得到按键值，查询音律表，给计时器赋值，发出相应频率的声音。 对音调的控制：根据不同的按键，对定时器 T1送入不同的初值，调节T1的溢出时 间，这样就可以输出不同音调频率的方波。不同音调下各个音阶的

11、定时器。在这个 程序中用到了两个定时/计数器来完成的。其中T0用来产生音符频率，T1用来产生音拍9。5微型电子琴的系统总体原理框图如图5-1所示，设计出微型电子琴的系统总体原理框图图5-1微型电子琴系统原理框图6系统主要硬件电路设计6.1微型电子琴的Proteus总体设计电路图电子琴的proteus总体仿真图见图6-1。按下播放键，发光二极管亮一下, 系统自动播放预存在内存中的曲子，再按一次播放下一首歌曲，按下复位键，系统 复位，停止播放。按下矩阵键盘中的任意键，扬声器发出相应的音符。aliea 尸“TrHTZB Z.-AI-3.H| VHL*.*ri 珅心(*»FEHiEV皿 F5

12、. V/® p2«a-ei FZ3/AI4ALEFZ.WAE：TW Hnp 1 nmF2T.T (nV k j ur nx*p 1 -i iAN iTTv-Ii* i j .- irmm » 1.-1ifi-J -TTimr 1 riaFJ-fiTI Flilflirw h jur/m-I.IUs图6-1微型电子琴的 Proteus总体设计电路图6.2单片机主机系统电路6.2.1 AT89C52单片机简介10AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能 CMOS位单片机，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM，器件采用

13、Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产， 兼容标准MCS-51旨令系统，片内配 置通用8位中央处理器（CPU和Flash存储单元，功能强大的 AT89C52单片机可 灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel 公司的80C52在引脚排列11、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。AT89C52 引脚图见图6-2.T2/P1.0 匚13 VccT23I/P1.1 匚£355 PC. 0 /ADCPl . 2 匸ae1 PC. 1/1D1Fl. $ c*37 P0. 2/AD2Pl.4 C53t PC. 3/iDiPl. 5 匚GS

14、5=1 PC. 4/JID4Pl .6 EF343 PC. S/AD5Fl. 7 L甘35 FQ. 6/IKH5T L P0. T/ADTEUII/P3 0 1：1031 EA/VPTTJtDJFS. 1 匚11303 AtE? PUflC-LNT0/F3. 2 :23 PE5HINT1ZP9. 3 匸12羽 P2 7/A15ro/ps.4 匚14£7J P2. 6/A14ri/F3- 5 匚1526q P2. 5/A13WPS. 6 匚1&25 P2. 4/A12M/F3. 7 匸17?4 Pi 5/111KTA12 L銘 FZ 2U19KTA11 匚1?22J ?2. 1

15、 倔FDIF如11 c20213 PS. 0/13图6-2AT89C52引脚图P3 口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下表所示:P3 口引脚特殊功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0 （定时器0外部输入）P3.5T1 （定时器1外部输入）P3.6WR外部数据存储器写选通）P3.7RD （外部数据存储器读先通）P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。其主要功能特性：兼容MCS51W令系统 8k可反复擦写（1000次）Flash ROM 32个双向I/O 口 256x8bit 内部 RAM 3个16位

16、可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHZ 2个串行中断可编程UART串行通道 2个外部中断源共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能时钟频率12单片机必须在时钟的驱动下工作。在单片机内部有一个时钟振荡电路 ，只需 要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片 机的工作速度。外部振荡源电路一般选用石英晶体振荡器，此电路在加电大约延迟10mS后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡 频率主要由石英晶振的频率确定。电路中两个电容 C1, C2,作用有两个：一是帮助 振荡器起振；二是对振荡器的频

17、率进行微调。 C1,C2的典型值为30PF。单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。起大小是时钟信号频率的倒数，常用fosc表示。如时钟频率为12MHz即fosc=12MHz则时钟周期为1/12卩s。623晶振电路AT89C52单片机的定时控制功能是用时钟电路和振荡器完成的，而根据硬件电路的不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。本设计中采用内部时钟方式。单片机内部有一个反相放大器XTAL1 XTAL2分别为反相放大器的输入端和输出端，外接定时反馈元件组成振荡器（内部时钟方式），产生时钟送至单片机内部各 元件。时钟频率越高，单片机

18、控制器的控制节拍就越快，运算速度也就越快。一般来说单片机内部有一个带反馈的线性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振 荡器）和电容就可组成振荡器，如图 6-2所示。加电以后延时一段时间（约 10m® 振荡器产生时钟，不受软件控制，图中 X1为晶振，震荡产生的时钟频率主要由 丫1 确定。电容C1, C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振，二是对振荡器的频率起微调作 用，典型值为30pF。图6-3晶振电路按键播放电路P2.Q/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2 4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A1521 :22_ I28 :J D1LED-GREEN图6-

19、4按键播放电路625键盘扫描在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘，如图6-5 ,图6-6所示。 .Kb-YIr t I t »_o - o1 -KL72 KE-Yi - :kevl图6-5独立键盘图6-6 矩阵键盘它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它 在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。本次课程设计，我采用矩阵式键盘电路，这样可以大大的节省单片机I/O的开销。键盘电路见图6-

20、7LI-4j图6-7 键盘电路13在按键过程中常产生“毛刺”现象，如图6-8所示，要消除“毛刺”现象,这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：因为“毛刺”脉冲 一般持续时间短，约为几ms,而我们按键的时间一般远远大于这个时间，所以当单 片机检测到有按键动静后，再延时一段时间（10ms20ms后再判断此电平是否保持 原状态，如果是则为有效按键，否则无效。图6-8 “毛刺”现象发音电路电子琴发音电路见图6-9。PSJIRXB FJ.inxiF33fTiTT PljlTTia PJjgTI图6-9电子琴发音电路供电及复位电路14电子琴的供电电路和复位电路见图6-10Ir图6-10电子

21、琴供电及复位电路cFO OMDDPO.1/AD1 P03心HJ4MD4Pt 5/AD5PQ 7/AO7川他£DCTrCS-lF*£NALEUKP2.WA6P2.WP2 2JA10 P2 3JA11P2.4/A12 P25M1S 吃恥14 P2 7/A15U1数码管显示电路本次毕业设计的显示电路采用 LED数码管显示，LED （Light-Emitting Diode ） 是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻15。LEDt单个LED和八段LED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

22、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 。（b）共阳极（a）外形9）共阴极Q图6-11数码管引脚LJ选用的是P0口作为输出口时要接上拉电阻7系统软件设计7.1系统软件总体方案（1）键盘扫描程序：检测是否有键按下，有键按下则记录

23、按下键的键值，并跳转至功能转移程序；无键 按下，则返回键盘扫描程序继续检测（2）功能转移程序：对检测到得按键值进行判断，是琴键则跳转至琴键处理程序，是功能键则跳转至相 应的功能程序，我们设计的功能程序有两种，即音色调节功能和自动播放乐曲功能（3）琴键处理程序：根据检测到得按键值，查询音律表，给计时器赋值，使发出相应频率的声音（4）自动播放歌曲程序：检测到按键按下的是自动播放歌曲功能键后执行该程序，电子琴会自动播放事先已 经存放好的歌曲，歌曲播放完毕之后自动返回至键盘扫描程序，继续等待是否有键 按下7.2系统软件简易流程图按键子程序流程图如下数码管显示1,并播放Do的中音数码管显示2,并播放Re

24、的中音数码管显示3,并播放Mi的中音数码管显示4,并播放Fa的中音数码管显示5,并播放So的中音数码管显示6,并播放La的中音数码管显示7,并播放Si的中音数码管显示1播放Do的高阶中音数码管显示1并播放Do的高音数码管显示2并播放Re的高音数码管显示3并播放Mi的高音数码管显示4并播放Fa的高音数码管显示5并播放So的高音数码管显示6并播放La的高音数码管显示7并播放Si的高音数码管1并播放Do的高阶高音KEY1键按下弹奏程序流程图自动播放歌曲程序流程图7.3部分设计源程序歌曲播放子程序；= 歌曲播放子程序=START0:mov30H,# SONG0 ;取简谱码指针 （第 1首）next:m

25、ov a,30hmovdptr,#tab1movca,a+dptr ;至相关页码 ,高 4位为音符的高低movr2,a ;低 4 位为音符的节拍jzend0 ;检查简谱码是否已结束 （ 有无 00?）anla,#0fh ;取节拍 （ 低 4 位 ）movr5,a ;存入 r5, 节拍的时间mova,r2swapaanla,#0fh ;取音频值（高 4位）jnzsing ;是否为 0, 是 0 则不发音clr TR1 ;开始，则不发音jmpd1sing:deca ;因 0 不列入mov22h,a ;存入(22h)rla ;乘2movdptr,#tab1movca,a+dptr ;至 tab1 取

26、码,取 t 的值movth1,a ;取到的高位字节存入 th1mov21h,a ;取到的高位字节存入 （21h）mova,22h ;再载入取到的音符码rla ;乘2inca ;加1movca,a+dptr ;至 table 取相对的低位字节计数值movtl1,a ;取到的低位字节存入 tl0mov20h,a ;取到的低位字节存入 （20h）setb TR1 ;启动 TIMER0d1:calldelayinc30h ;取简谱码指针加 1jmpnextend0:clrTR1 ; 停止 TIMER0mova,31h ;载入计次指针xrla,#00h ;是否按第 1 次?jnzend1 ;不是则跳至

27、end1jbKEY,$ ;按第 2 次?calldelay1 ;消除抖动jnbKEY,$ ;放开否?inc31h ;计次地址 （31h） 加 1MOV30h,# song1 ;第 2 首歌指针jmpnext延时程序DELY10MS:MOV R6,#10D10:MOV R7,#248DJNZ R7,$DJNZ R6,D10RET音符参数表;=音符参数表=TABLE:DB 06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,06HDB 06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,06H8系统调试与测试结果分析8.1 系统调试在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐

28、级测试：中 心控制模块的调试，音乐播放模块的调试，按键控制模块的调试等，最后将各模块组 合后进行整体测试。首先对各模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定 的功能。然后通过 WAVE600软件对编好的程序进行调试,检查语法错误。最后将调 试好的软件程序导入到硬件模块中，调试系统实现的功能。调试主要方法和技巧：软件调试和硬件调试系统软件调试通常一个调试程序应该具备至少四种性能西：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

29、调试。系统硬件调试硬件调试主要是针对单片机部分进行调试。在上电前，先确保电路中不在断路或短路情况，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使用的工具是万用表，用来 完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。注意焊点之间，确保焊点没有短接 在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及短路的现象出现。在确保硬件电路正常，无异常情况（断路或短路）方可上电调试，上电调试的目 的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次设计中，上电调试主 要键盘单片机控制部分、数码管点亮部分、和音频转换电路硬件调试。(1) 、数码管LED电路调试：接通电源，随机按下按钮可以

30、看到数码管显示数字(2) 、键盘单片机控制部分调试：上电后，随机按动键盘可以发现各个按键对 应的音正确。(3) 、按键播放电路调试：按下播放按键能弹唱歌曲，唱完一首之后再按一下播 放按键弹奏下一首歌曲。(4) 、复位电路调试：按一下复位键能完成复位功能。硬件实物图8.2 测试结果及心得测试结果通过各方面努力，本次毕业设计任务完成，系统部分功能已实现。可以随意演 奏喜欢的曲子，并可以显示在数码管上，可以随意弹奏16个音符，可以播放5首歌曲。基本达到预定的效果。毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实践 相结合的机会，通过这次比较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

31、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 范以及软件编程的水平。8.2.2 本次设计的心得体会从上一学期开始我们就在准备选题， 收集资料，这些都是不能马虎的， 要慎重。 这一学期来我们就交了开题报告。做完这次毕业设计后我有种如释重负的感觉，收 获很多，没做之前想得太过简单，以为只要把资料收集好就万事俱备了，具体操作 时才知道自己错了，只有想法犹如纸上谈兵，根本解决不了实际问题。想象和现实 相差太远，做事不能太盲目， 要深思熟虑。 毕业设计不仅是对所学知识的一种检验， 而且也是对自己能力的一种提高。 通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比 较欠缺，自己要学习的东西还太多。这次

32、设计从软件方面来讲不是很难，程序相对 长一点，但都是书本上所学的知识，主要是中端及其服务程序的编写。在 protues 上仿真，则起到很好的效果，因为元器件都是理想状态的，但做出实物来却不是那 么简单。经过多次调试、修改才得以出结果。在设计过程中，通过查阅大量相关资料，与同学交流经验，并向老师请教等方 式，使自己学到了不少知识 : 首先在毕业设计刚开始的调研阶段，我学会了怎么通 过各种方式查询相关的资料。通过对这些资料的学习，我大致了解了单片机的发展 现状以及未来的发展趋势，认识到目前单片机方面的各种各样的发展。9 结 束 语 经过两个月的查资料、整理材料、做实验，今天终于可以顺利的完成毕业设

33、计 了，自己想想求学期间的点滴历历涌上心头，时光匆匆飞逝，四年的努力与付出， 随着论文的完成， 终于让我在大学的生活， 得以划下了完美的句点。 论文得以完成， 要感谢的人实在太多了，首先要感谢我的指导老师李老师，因为论文是在李老师的 悉心指导下完成的。本论文从选题到完成，每一步都是在李老师的指导下完成的， 倾注了李老师大量的心血。一开始选题时李老师就给了我们很多建议，并让我们提 早为这次毕业设计做准备。在提交开题报告时李老师认真负责的给我们审查，在做 软件和硬件时也时时刻刻了解我们的进展情况。在此，谨向李老师表示崇高的敬意 和衷心的感谢！谢谢李老师在我整个毕业设计过程中给与我的极大地帮助。论文

34、的 顺利完成，离不开其它各位老师、同学和朋友的关心和帮助。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。 感谢所有给我帮助的老师和同学，谢谢你们！参考文献1 赵鑫,蒋亮，齐兆群等数字电路设计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 美Ashish Wilfred Meeta Gupta Kartik Bhatnagar著,刘永明，贺民译.php 专业项目实例开发J. 水利水电出版社，20034 于海生.微型计算机控制技术选编M.清华大学出版社，1999.5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.胡汉才.单片机原理及其接口技术M.北京：清华大学出版社，2004.7 黄鑫,马善农，赵永科.基于C