简易电子琴设计与实现

..简易电子琴设计与实现一、概述1.1课题设计目的及其意义单片机〔单片微型计算机〕是大规模集成电路技术开展的产物，具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠等特点。单片机的应用相当广泛，从平常的家用电器到航空航天系统和国防军事、尖端武器都能找到它的身影。因此，单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。随着社会的开展进步，人们的生活水平也逐步提高，音乐已经成为了我们生活中很重要的一局部，在工作和学习之余，欣赏音乐不仅使身心得到放松，同时也提高人们的精神品质和个人素养。当代，爱好音乐的年轻人越来越多，也有不少人自己练习弹奏乐器，作为业余爱好和一种放松的手段，鉴于一些乐器学习难度大需花费太多精力，且其价格太过于高昂，使得一局部有这种想法的人不得不放弃这种想法，而电子琴又是一种新型的键盘乐器，它是现代电子科技与音乐结合的产物，价格相对廉价，能够满足一般爱好者的需求，因此，在现代音乐中扮演着重要的角色。故简易电子琴的研制具有一定的社会意义。1.2课题设计的任务与主要容本文的主要容是用AT89C51单片机为核心控制元件，设计一个简单的电子琴。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，在主控模块上设有16个按键和扬声器。定时器按设置的定时参数产生中断，由于定时参数不同，就会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。先根据要求设计硬件电路和编写相应的程序，然后进展仿真调试，最后细心焊接硬件电路图，将程序烤入芯片中，最终到达设计目的。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比拟高等，具有一定的实用和参考价值。具体实现的功能：按下音符键可以发出相应的音符。二、根本组成和原理2.1音乐相关知识在人类还没有产生语言时，就已经知道利用声音的上下、强弱等来表达自己的思想和感情。声带、琴弦等物体振动时会发出声波，声波通过空气传播进入人耳，人们就听到了声音。声音有噪音和乐音之分振动有规律的声音是乐音，音乐中所用的声音主要是乐音。乐音听起来有的高、有的低，这就叫做音高。音高是由发声物体振动频率的上下决定的，频率高声音就高，频率低声音就低。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的频率组合，加以拍数对应的延时，构成音乐。如果单片机要自己播放音乐就必须考虑到节拍的设置。对于AT80C51而言要产生一定频率的方波一般是先将某口线输出高电平，延迟一段时间后再输出低电平。通过改变延迟时间可以改变单片机的输出频率。单片机的延时主要有两种方式，即软件延时和使用定时/计数器延时。其中软件延时不是很准确，而电子琴电路由于每个音符的频率值要求比拟严格，因此我们选用定时/计数器延时。由于本课程设计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。因此，我们只需弄清楚音乐中的音符和对应的频率，利用单片机的定时/计数器来产生方波频率信号即可。要产生相应的音频脉冲，只需要计算出某音频的周期，再除以2。利用计数器计时半周期，计满时使P2.0反向，然后重复计时再反向。本例中，单片机工作在12MHz时钟，使用定时器/计数器T0，工作模式为1，改变计数初值TH0、TL0就可产生不同频率的脉冲信号。例如低3MI音，频率为330Hz，其周期T=1/f=1/330=3030us，计数值N=3030/2=1515,所以每计数1515次P2.0反向。计数初值T=65536-N=64021。C调的各音符频率与计数值T的对照表如表1所示。表1C调各音符频率与计数值T对照表音符频率(HZ)简谱码(T值)音符频率(HZ)简谱码(T值)低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763731中5SO78464898低2RE29463853#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA88064968低3M33064021#693264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#646664463高3M131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3M65964777#6186565268中4FA69864820高7SI1967652832.2简易电子琴根本原理及其框图根本思想：简易的电子琴系统主要是采用AT89C51单片机，单片机工作于12MHZ的时钟频率，使用其定时/计数器T0，工作模式为1，设计4*4键盘矩阵，设置成16个音，可随意弹奏想要表现的音乐，因为单片机产生的音频脉冲没有足够的驱动能力，所以用三极管放大电路实现音频的放大，保证扬声器能产生所要实现的音符声音。2、硬件框图：软件设计流程图：本设计采用AT89C51单片机作为核心处理器件，按下复位键，进入初始化，调用键盘扫面子程序，获得键值，查询音阶表，获取定时初值，向喇叭输入相应频率的脉冲驱动，发出相应的音调，假设按键没有释放，那么一直发声；假设按键松开，那么停顿发声。当读到完毕符时，停顿播放音乐。具体软件流程图如下：1〕中断效劳子程序流程图：2〕主程序流程图：三、系统的硬件构造硬件电路的设计主要包括芯片89C51,、4*4键盘电路、振荡电路、复位电路及音频电路组成。简易电子琴硬件电路图：3.1单片机89C51的简介AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片含4kBytesISP(In-systemprogrammable)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引脚构造，芯片集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器〔RAM〕，32个外部双向输入/输出〔I/O〕口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗〔WDT〕电路，片时钟振荡器。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停顿芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。该系列单片机引脚与封装如下列图所示：主要引脚功能：RST〔9〕：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间；XTAL1〔19〕：反向振荡器放大器的输入及部时钟工作电路的输入；XTAL2〔18〕：来自反向振荡器的输出；P1口〔1－8〕：P1口是从部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流；/:当保持低电平时，单片机只访问外部程序存储器。为高电平时，单片机只访问部程序存储器。3.2键盘电路键盘是最常用的单片机输入设备，大致可以分为独立连接式键盘和矩阵式。独立连接式键盘是最简单的键盘电路，每个键独立接入一根数据线。这种键盘构造简单，使用方便，但是占用的I/O口线较多。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行列的穿插点上，行列式键盘可节省I/O口，适合按键数较多的场合。所以本设计的4*4键盘采用矩阵式键盘。3.3振荡电路单片机的时钟信号用来提供单片机各种位操作的时间基准，时钟信号通常有两种电路形式得到：部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器〔简称晶振〕或瓷谐振器，就构成了部震荡方式。由于单片机部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHz、12MHz或者24MHz。本设计中采用的是12MHz。电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般5~30pF。部振荡方式所得的时钟信号比拟稳定，电路中使用较多。振荡方式如下列图：3.4复位电路复位操作完成单片机电路的初始化，是单片机从一种确定的状态开场运行。当单片机的复位引脚RET出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。因此要求单片机复位后能脱离复位状态。根据应用要求，复位操作通常有2种根本形式：上电复位、开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。上电后，由于电容要充电，是RST持续一段时间高电平时间。当单片机已经在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。通常选择C=10~30uF，R=10~1kᾨ常用的复位电路如下列图所示：在单片机启动后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开场释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。3.5音频放大电路使用PNP管来放大，其中发射极接5V电源，集电极接喇叭，电路中的电容是用来隔离直流电用的。PNP管放大原理：当PNP管的VC<VB<VE时，使得集电结反偏，发射结正偏时，管子的发射极电流流入管子，基极电流和集电极电流流出管子，且集电极电流跟基极电流之间成β关系，三极电流满足IE=IB+IC=IB(1+β·IB)。即，基极电流可以控制集电极电流，这种控制作用就称为管子的放大作用。本课程设计的音频放大电路图〔三极管型号为9015〕：四、系统软件的设计4.1系统的软件主程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitP20=P2^0;//P2.0外接扬声器uintFTemp;unsignedintcodetab[]={//定时半周期的初始值64021,64103,64260,64400,//低音345664524,64580,64684,64777,//低音7,中音12364820,64898,64968,65030,//中音456765058,65110,65157,65178};//高音1234/**************************************************************函数功能:用扫描法读P1外接4×4键盘**************************************************************/ucharKeyscan(void){uchari,j,temp,Buffer[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};for(j=0;j<4;j++)//循环四次，扫描四行{P1=Buffer[j];//在低四位分别输出一个低电平_nop_();temp=0x80;//方案先读出P1.7位for(i=0;i<4;i++)//循环四次，检查四列{if(!(P1&temp))//从高四位，截取1位{return(i+j*4);//返回取得的按键值}temp>>=1;//换右边一位}}return16;//没有键按下就返回16}主函数***************************************************************/voidMain(void){ucharKey_Value=16,Key_Temp1,Key_Temp2;//读出的键值TMOD=0x01;//T0定时方式1ET0=1;//允许T0中断EX0=1;//允许INT0中断EA=1;//开总中断while(1){TR0=0;//T0工作停，暂不发音Key_Temp1=Keyscan();//第一次读入按键if(Key_Temp1!=16){//有键按下Key_Temp2=Keyscan();//再读一次if(Key_Temp1==Key_Temp2)//两次相等{Key_Value=Key_Temp1;//就确认下来FTemp=tab[Key_Value];//根据键值，取出定时半周期的初始值TR0=1;//启动定时器T0，发音while(Keyscan()<16);//等待释放P20=1;//停顿发音}}}}//==============================================================voidT0_INT(void)interrupt1{TL0=FTemp;//载入定时半周期的初始值TH0=FTemp>>8;P20=~P20;//发音}4.2系统的软件的调试仿真硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。这里我们使用Proteus软件进