基于单片机的简易电子琴电路设计

PAGE单片机课程设计任务书题目:基于单片机的简易电子琴电路设计初始条件：简易电子琴一般具有弹奏一个自然大调7声音阶的功能。本课程设计，要求用AT89C51等系列芯片实现控制功能，利用按键实现音符和音调的输入；两位的数码管进行被操作的按键显示；用LM386放大电路实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器进行播放“送别”。要求完成的主要任务:1.设计任务

根据已知条件，设计并制作一个简易电子琴。

2.设计要求

（1）基本要求：

①具备7个按键，能够分别较准确地弹奏出1～7八个音符。

②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。用EWB或MULTISIM软件完成仿真，之后制作出相应实物，并按规定格式写出课程设计报告书。（2）扩展要求：（在完成基本要求的前提下，学有余力的同学可完成）

①

能够弹奏出至少21个音符（三个音阶）。

②

能够较便捷地完成音阶的升降。（用另外三个按键开关实现正常、升8度和降8度的切换）。时间安排：序号阶段内容所需时间（周）1方案选择及电路设计假期进行2制作、编程、调试13撰写课程设计报告及答辩1合计2指导教师签名：年月日

基于单片机的简易电子琴控制系统设计摘要目的：本设计主要研究基于AT89C52单片机的简易电子琴设计。方法：它是以单片机作为主控核心，设置键盘、蜂鸣器等外围器件；另外还用到一些简单器件如：两位数码管，和NPN型三极管及电阻等。利用按键实现音符和音调的输入；两位的数码管进行被操作的按键显示；用NPN型三极管8550实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器进行播放“送别”。结果：本设计硬件部分主要由最小系统，按键系统模块、数码管显示模块和蜂鸣器模块组成。其软件部分主要有主程序模块、定时中断程序、定时计数程序、显示程序。（1）最小系统：它是单片机应用系统的设计基础。它包括单片机的选择、时钟系统设计、复位电路设计、简单的I/O口扩展、掉电保护等。（2）按键系统模块：本设计采用10个按键，其中7个按键用来显示7个音调，其它3个按键可以进行高低中音的切换，并自动播放已存歌曲。（3）数码管显示模块：SM420562段选端接在单片机的P0口，两个位选端分别接在P2^0和P2^1。（4）蜂鸣器模块：此电子琴发音电路是通过三极管驱动蜂鸣器发音，经过上拉电阻提高驱动能力。结论：本次设计首先对单片机设计简易电子琴仔细分析，接着制作硬件电路和编写软件的程序，最后进行软硬件的调试运行。并且从原理图，主要芯片，各模块的原理和各个模块的程序调试来阐述。利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，实现高、中、低共21个音符的发音和显示和音乐播放时的控制显示，并且能自动播放程序中编排的音乐。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，性价比高等，具有一定的使用和参考价值。关键词：单片机定时中断蜂鸣器数码管c语言编程3软件程序设计3.1系统分析（1）系统软件的组成①键盘扫描程序：检测是否有按键按下，有按键按下则记录按下键的键值，并跳转至功能转移程序；无按键按下，则返回键盘扫描程序继续检测。②功能转移程序：对检测到的按键值进行判断，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的功能。③琴键处理程序：根据检测到的按键值，查询音调表，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，继续等待是否有按键按。3.2参数计算（1）发音原理若要产生音频脉冲，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P1.0反相，然后重复计时再反相。就可在P1.0引脚上得到此频率的脉冲。利用AT89C51的内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶。（2）计算举例例如，频率为523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令计数器计时956μs/1μs＝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时，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＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr例如：设K＝65536，fi＝1MHz，求中音DO（261Hz）。T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr，中音DO的T＝65536－500000/523＝64580。（3）计算结果（1）单片机12MHZ晶振，中音符与计数T0相关的计数值如表所示：音符频率（HZ）计数值（T值）音符频率（HZ）计数值（T值）低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763737中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83194934#2RE#31163928中6LA88064968低3MI33064021#6LA#93264994低4FA34964103中7SI96865030#4FA#37064185低1DO104665058低SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#149065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764633#5SO#166165235#2RE#62264884高6LA176065252中3MI65964732#6LA#186565268中4FA69864820高7SI196765283采用查表程序进行查表时，可以为这个音符建立一个表格，有助于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。用单片机播放音乐，或者弹奏电子琴，实际上是按照特定的频率，输出一连串的方波。为了输出合适的方波，首先应该知道音符与频率的关系。（2）音调数据表

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上表中的频率数值，有些过多，去掉不常用的黑键频率，只是把白键对应的数据存放在单片机中，即可满足绝大部分的应用需求。

定义音调数据表的程序如下：DW63628,63835,64021,64103,64260,64400,6452464580,低音区:1234567

DW64580,64671,64777,64820,64898,64968,6503065058中音区:1234567

DW65058,65110,65157,65178,65217,65252,6528365312高音区:1234567把这个数据表，放在程序中，需要播音的时候，就从表中取出一个数据送到定时器，当定时器溢出中断的时候，再对输出引脚取反，那么，在扬声器中，即可听到上表中频率的声音。3.3程序设计（1）判断音阶（高中低音）子程序在软件设计中采用yinjie代表音阶，如下所示音阶Yinjie值高2中1低0初始化状态为中音（yinjie=1），电路中设计高、低两个音阶键。上电后，若无按键按下，则为中音模式。若音阶键被按下，则如下流程图所示，初始化后进行按键扫描，在高音键按下，若初始yinjie不为2，则另yinjie=2,进入高音工作模式，若初始yinjie为2，则对yinjie进行初始化，即另yinjie=1,重新进入进入中音工作模式，这样即实现了高音键切换高、中音方式的转换。同理，用低音键实现中、低音的切换。图3-1判断音阶（高中低音）子程序（2）播放子程序（包括自动播放存储音乐和按键发音）本设计共两种播放模式，包括自动播放存储音乐和按键发音。上电后，首先开中断并设定定时器0为工作方式1，当自动播放键按下时，进入中断，根据乐谱在定义的音频数组中查找相应音律，然后给定时器赋初值，即开始播放音乐。当DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七种音符键按下时，根据音阶值（如3.3.1中高中低对应）和音符值在定义的音频数组中查找相应音律，然后给定时器赋初值，即按键发音。图3-2播放子程序（3）由此可得系统总体功能流程图图3-3系统总功能流程图4系统仿真与调试4.1硬件调试硬件调试主要是针对单片机部分进行的调试。在上电之前，先确保电路中不存在断路或短路情况，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的任务。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且无异常情况(断路或短路)的情况下方可上电调试，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，上电调试主要是检测单片机控制部分、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。4.2软件调试调试主要方法和技巧：通常一个调试程序应该具备至少四种性能：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调试。4.3仿真结果（任举一例）图4-1低音音符DO仿真图4.4结果分析根据仿真结果可知，本次课程设计能够准确并彻底的完成设计要求。左侧数码管可以显示a、b、c三种结果，分别代表低音、中音和高音。右侧数码管可以显示1、2、3、4、5、6、7七个数字，分别代表DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七种音符。下面以4.3为例具体进行分析：当系统上电后，若按下低音键（如图P3.6）,，则选定工作方式为低音模式，图中a即代表低音。P0口连接数码管段选端，右侧数码管显示的1即代表DO。两位数码管即代表低音DO。5总结与展望总体来说，此次单片机课程设计使我们收获良多，虽然课程设计的过程中遇到了很多困难与问题，但我们最终还是完成了设计的任务及要求。具体来说可以分为以下几点：第一，不够细心，不够严谨（如因为粗心大意而焊错线）；第二，因对课本理论的掌握度不够导致编程出现错误；第三，硬件方面，刚开始有的程序模块不能实现预期的效果，对于有的硬件，在实物制作过程中焊了比较多的排线，同时对于整体各元器件的布局都有很高的要求。不过在向同学请教，各方面都有了不同程度的改善；第四，在做人方面，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力和决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。这次课程设计中，经过我们的努力，在仿真软件和实物上都实现了高、中、低21个音符的发声和音乐的自动播放，使我们有了一定的成就感，也使我们进一步熟悉和掌握了单片机的内部结构和工作原理，了解了单片机应用系统设计的基本方法和步骤,掌握了单片机仿真软件Proteus的使用方法和键盘、显示器在的单片机控制系统中的应用，同时也掌握了撰写课程设计报告的方法。总之，通过这次课程设计，我们都清楚明白了自己的能力有多深，想提高还得归于多锻炼，多动手，多向别人学习。6参考文献【1】余发山、王福忠.单片机原理及应用技术.中国矿业大学出版社.2008年6月第1版【2】杨凌霄.微型计算机原理与应用，中国矿业大学出版社.2008年8月第一版【3】康华光.电子技术基础（数字部分），高等教育出版社.第五版【4】徐志军,伊廷辉等.EDA技术与PLD设计人民邮电出版社,2006年2月第1版【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.【6】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.附件1：源程序代码#include<reg52.h>#definekeyportP1#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintucharhigh,low; //定时器预装值的高8位和低8位sbitspeak=P3^0;sbitgao=P3^5;sbitdi=P3^6;sbitzdbf=P3^7;ucharyinjie=1;uchartime;ucharn=0;ucharbo=0;ucharcodefre[][2]={ 0x8c,0xf8, 0x5b,0xf9, 0x15,0xfa, 0x67,0xfa, 0x90,0xfb, 0xae,0xfb, 0x0c,0xfc,//低音 0x44,0xfc, 0xac,0xfc, 0x09,0xfd, 0x34,0xfd, 0x82,0xfd, 0xc2,0xfd, 0x06,0xfe,//中音 0x22,0xfe, 0x56,0xfe, 0x85,0xfe, 0x9a,0xfe, 0xc1,0xfe, 0xe4,0xfe, 0x03,0xff, //高音 };voiddelay(uint);voidITimer0(void);//定时器初始化voidkey(void);voiddtxs(int,int);voidsong(){TH0=high;TL0=low;TR0=1;delay(time*240);}voidyinyue(){ucharcodehls[]={5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,4,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,1,2,1,2,2,1,3,2,2,2,2,1, 1,2,1,2,2,6,5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,3,7,2,1,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,1,1,2,6,6,2,2,1,3,2,1,3,4,7,2,2,6,2,1,7,2,1,1,3,4,6,2,1, 7,2,1,1,3,1,6,2,1,6,2,1,5,2,1,3,2,1,1,2,1,2,2,6,5,2,2,3,2,1, 1,2,1,1,3,3,7,2,1,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,1,1,2,6 }; ucharm; n=0;while(n<174) { m=hls[n]+7*(hls[n+1]-1)-1; high=fre[m][1]; low=fre[m][0]; time=hls[n+2]; n=n+3; song(); }} voidmain(void){ ucharnum; ITimer0(); speak=0; while(1) { key(); switch(keyport) { case0xfe:num=1;break; case0xfd:num=2;break; case0xfb:num=3;break;case0xf7:num=4;break;case0xef:num=5;break;case0xdf:num=6;break;case0xbf:num=7;break;case0x7f:num=8;break;default:num=0;break; } if(num==0) { TR0=0; speak=0; } else { high=fre[7*yinjie+num-1][1]; low=fre[7*yinjie+num-1][0]; TR0=1; } dtxs(yinjie,num); }}voidITimer0(void){TMOD|=0x01;//使用模式1，16位定时器，使用"|"符号可以在使用多个定时器时不受影响EA=1;//总中断打开ET0=1;//定时器中断打开TR0=1;//定时器开关打开}voidTimer0_isr(void)interrupt1{TH0=high;TL0=low;speak=!speak;if(zdbf==0){ delay(100); if