毕业设计答辩-梁创耀

1、研究课题：基于单片机的简易研究课题：基于单片机的简易电子琴设计电子琴设计 姓名：梁创耀 学号：1300820315 学院：电子工程与自动化学院 专业：光电信息科学与工程 指导老师：聂琨2017年5月30日 世界上第一台电子琴是20世纪初美国发明家奥地斯发明的“铁列琴”，重200吨，体积庞大。电子琴从诞生到今天的通过不断改良和完善，最终成为家喻户晓的键盘乐器。从技术角度看，国外产品还是处于领先地位，YAMAHA是当今电子琴市场的第一品牌。老式电子琴都是依靠FM合成声音，使用振荡器来产生各种不同频率的震荡信号，再经过分频器分解成不同的频率信号，然后送往放大器，经过扬声器发出声音。现代电子琴是使用P

2、CM或AWM采样音源的方式进行模仿传统乐器的音色，一般讲声音数字化好存在ROM中，然后通过键盘利用CPU来回放该音，并通过振荡器和滤波器制造和编辑各种音色，实现电子琴的功能。 电子琴经过几十年的发展，优化了电子琴的控制方法，是电子琴向着小型化、低成本的方向发展。而单片机的出现为电子琴的发展提供了支持，基于单片机的电子琴是高科技技术在音乐领域实现的一个典型代表。单片机的优点有很多，诸如体积小、低功耗、功能强、可靠性和稳定性高，适用于自动控制行业。特别是随着大规模集成电路的发展，单片机设计正在深入到各个行业。随着各种各样的乐器层出不穷，基于单片机的电子琴拥有丰富的音色、宽阔的音域、演奏灵活和虚拟的

3、演奏，逐渐受到人们的热捧。 1、国内外电子琴研究与发展背景 在中国，北邮在1958年研制了第一台电子管单音电子琴，由于各种因素，中国到1977年后才起步生产电子琴，国产的“华星”、“美得理”、“吟飞”等电子琴品牌相继问世。在中国市场上最初使用的电子琴技术是基于FM（调频）音频技术，主要是通过对音色的频率进行分析和运算。这种设计方法产生的音色比较纯净，有效避免机械噪声。 国内对电子琴的设计研究很多，设计思路和方式也多种多样，可以利用单片机、EDA技术、PLC技术等进行设计。本次利用单片机设计电子琴，设计原则是多功能、低成本、扩展性能强，尽量采用成熟技术，保证系统的稳定性和安全性。基于以上方法，本

4、次设计的主要原则是低成本、多功能、系统稳定和安全，并且尽量采用成熟技术，利用单片机设计更为理想。 本次毕设主要以单片机为主控芯片，外加复位电路、LCD1602液晶显示模块、音频处理模块、4*4矩阵模块、复位电路等外围电路，设计并实现基于单片机的简易电子琴。由单片机控制定时器产生不同频率的输出脉冲，从而得到不同的音色，通过扬声器发声，得到不同的音阶。主要内容包括：（1）掌握电子琴以及通过单片机控制发声的基本原理。（2）掌握单片机实现微控外围电路的基本原理。（3）方案论证，得出系统的最终硬件设计，包括控制电路、 电源电路、音频处理电路、键盘扫描模块等。（4）系统软件设计，主要是对应于硬件的软件设计

5、与编写。（5）系统实现与调试，实现设计电路的音乐演奏、存储、回放、显示等功能，并进行可靠性分析。2、本课题研究内容、重点及难点通过51单片机控制蜂鸣器，实现以下几个功能： （1）实现基本琴键功能； （2）实现调节电子琴音色功能； （3）通过按键自动播放歌曲的功能。3.1 3.1 系统系统总体规划总体规划3、电子琴系统设计 如上图所示，电子琴系统由51单片机、4*4矩阵键盘、复位电路、音频处理电路、显示电路等部分组成，并以51单片机作为主要控制芯片。键盘电路利用4*4矩阵产生两个八度的音阶，0-7表示低八度do-xi，8-F表示高八度的do-xi。发声电路采用LM386音频集成功放，以减少谐波失

6、真对音质的影响。一首音乐由不同的音阶组成，而每个音阶对应着不同的频率，因此可以利用不同的频率的组合，利用单片机的定时器和计数器得到不同方波频率信号，产生不同的音色。通过不同的按键选择不同的音色。电子琴系统电路原理图：3.2 3.2 单片机控制音频信号产生机理单片机控制音频信号产生机理频率频率f初值初值T周期（周期（S）33064021303034964103286539264260255144064400227249464524202452364580191258764684170465964777151769864820143378464898127688064968113698865030

7、1012104665058956117565110851131865157759139765178716依次类推，可以计算得到频率与计数初值对应表如下： 特殊功能寄存器TMOD用于选择定时器/计数器T0、T1的工作模式和工作方式。定时器工作模式T0也是通过计时器的计数来实现的，此时计数脉冲是对单片机的时钟信号经12分频后的脉冲计数（每12个时钟周期为一个机器周期）。TMOD格式如下：M1、M0工作方式选择：3.3 3.3 电源电路电源电路 如上图所示，C2是滤波电容，它的值越大，电路带负载的能力俞强，滤波效果俞好，这里只使用了1000uF的值。D5、D6都是用来保护芯片的，能够保护电路安全工作

8、。在电路中，D6为了防止LM317反偏而设计的，D5为了防止电位器R3阻值为0时1引脚和2引脚发生短路。一般在调节管脚和正极输出端之间接一个小电阻，通常不超过200欧。另一方面，在1引脚和地之间接一个电位器，调节它的值得大小，就可以在输出端得到不同值得电压。输出电压大小主要有电阻R2和R3决定的，输出电压与R2、R3阻值的计算公式为直流稳压电源方框图变压器桥式整流滤波稳压市电220V50HZ直流输出电源电路的仿真如下:3.3 3.3 4 4* *4 4矩阵键盘矩阵键盘 在电子琴系统中，键盘是人机交互的界面，而键盘一般有两种类型：独立式键盘和矩阵式键盘。用4*4行列式矩阵的16个按键产生低8度和

9、高8度共16种音色。行列式按键是指采用行线和列线组成，通过扫描原理来确定是否有按键按下，比起独立式键盘具有能够节省I/O口线的特点。uchar temp,num;void keyone() /扫描第一行 P1=0 xfe; /1111 11110 temp=P1; if(temp!=0 xfe) /如果有按键按下 delay(5); /延时消抖，如果是抖动，则temp=0 xfe，此时没有键值读出 switch(temp) /扫描列 case 0 xee:Key_Value=0;break; /1110 1110，得键值0 case 0 xde:Key_Value=1;break; /1101

10、 1110，得键值1 case 0 xbe:Key_Value=2;break; /1011 1110，得键值2 case 0 x7e:Key_Value=3;break; /0111 1110，得键值3 /同理扫描其他三行得到剩下的键值void saomiao()keyone(); /扫描第一行keytwo(); /扫描第二行keythree(); /扫描第三行keyfour(); /扫描第四行开始结束行扫描确认按键按下延时消抖是否有按键按下？列扫描读取键值送液晶显示显示音阶送发声模块发出琴声YNYN LM386是一种由三级晶体放大电路组成的低频低功耗的音频集成功放。LM386芯片与一般的集

11、成运放电路有点类似，但是它还具有一般放大电路所没有的优势，这也是采用它作为发声模块主要芯片的主要原因。与一般放大电路相比，LM386音频功放具有下面几个突出特点：1、外围元件少；2、电压增益可调，在1和8脚之间增加一只外接电容和电阻，就可以方便地把电压增益调到20-200之间；3、工作电压范围宽，4-12V或5-18V；4、失真度小，有利于得到准确的音频输出；5、静态功耗低，约为4mA24mW，可用于电池供电。3.4 3.4 音频处理电路音频处理电路 使用LCD1602的目的是发声时同时显示出对应的音阶值，其外围电路比较简单，这里直接采用典型电路的电路结构。这里使用P0口作为与LCD1602的

12、数据传输接口，P2.5P2.7作为控制引脚的传输接口，VL接4.7K欧的电位器调节显示器的明暗程度。由于P1口没有内置上拉电阻，因此这里用了一个4.7K欧的上拉电阻，本次课题研究设计的显示电路如下：3.5 LCD16023.5 LCD1602液晶显示模块液晶显示模块 在使用LCD1602是，使能端E一定要置于高电平，使液晶显示器处于工作状态。另外，数据引脚D7的电压情况直接影响读写过程的允许和禁止，当其处于高电平时禁止读写，低电平时允许读写，因此在对液晶显示器读写之前都要对其进行读忙，即读写检测。在对1602编程时，操作时序尤其重要，是液晶显示器正常运行的关键。操作时序如下表所示：ERSR/W

13、功能功能100指令码由D0D7写入101从D0D7读出状态字110从D0D7写入数据111从D0D7读出数据开始1602初始化是否有按键按下？YN显示00键值转ACSII码显示116音阶结束基本指令：指令指令说明说明指令指令说明说明0X38设置为16x2的显示模式0X01清除屏幕0X0F开启显示，光标显示并闪烁0X08只开启显示0X0e开启显示，光标显示但不闪烁0X06光标右移0X0c开启显示，但光标不显示0X02设置地址为0X80（第一行第一个位置），AC=00X18显示左移，光标也左移0X800X8F设置显示位置在第一行第116个位置0XC00XCF设置显示位置在第二行第116个位置 16

14、02液晶显示屏初始化之后就可以显示我们想要显示的字符了，显示模式为16x2时，我们可以选择显示的在某个具体位置。数字显示一般经过两步： （1）写指令 （2）写ASCII码。 比如，我们想要在第二行的第四个位置显示数字“2”，则程序过程为 E=1，RS=0，R/W=0，D0D7=0XC3； E=1，RS=1，R/W=0，D0D7=0X32。 要使电子琴发出不同音色的声音，就要有不同频率的音频信号产生。一个节拍为一个曲调，不同节拍组合成一首完整的歌曲，节拍的产生是由单片机内的定时器和计数器来完成的，主要利用延时来实现。音乐节拍时间表如下：3. 6 3. 6 自动播放音乐自动播放音乐节拍节拍曲调曲调

15、延时延时（ms ）节拍节拍曲调曲调（ms）延时延时1/42/42501/82/41253/41873/4944/41254/462开始结束K2键按下，进入播放状态，直至复位停止音阶表K3键按下？播放下一首YN节拍表播放第一首歌开定时器关定时器 当按下按键时，发出相应的音调声音，同时液晶显示器显示出对应的音阶数字。这里设计一个数组，把历史按下过的键值存储起来，再设计一个功能按键K1，当按下K1时。把存储好的键值取出送到音频处理模块和液晶显示模块，达到自动播放之前播放过的音乐的功能。 51单片机的数据存储器大小为128B，只能存储不超过这个容量的音频数据。当我们要檫除历史数据时，直接按下复位按键即可。有一点需要注意的是，复位后P2口为高电平，而控制按键设计为高电平触发方式，故要先置低电平。3. 73. 7 音频数据存储及回放音频数据存储及回放开始是否有键按按下？读取键值键值存储于数组K1按下？YNYN读取数组，回放结束 单片机是微型计算机集成化发展的重要结果，它把多功能模块集成在一个很小的体积内，利用程序化设计就可以 完成各种智能化操作，是一款比较热门的控制类芯片。本次课题使用51单片机，并加上4*4矩阵键盘、复位电路、液晶显示电路、按键选