完整版基于单片机控制电子琴最新5毕业论文.docx
《完整版基于单片机控制电子琴最新5毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版基于单片机控制电子琴最新5毕业论文.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整版基于单片机控制电子琴最新5毕业论文
本文由施洲旭贡献
doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。
建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。
毕业设计论文
课题：
电子琴专业：
机电一体化班级：
06G2B设计人员：
施洲旭指导老师：
余永纪
宁波第二技师学院
1
目
1．概论2．硬件设计2.1总体设计2.2单片机外围电路2.3扬声器按钮及控制部分3．软件设计3.1总体流程图3.2主程序设计4.安装调试4.1接及调试4.2焊接调试的注意事项4.3整体调试中出现的问题5.6.总结附录
录
2
第1章概
1.1电子琴概念
论
简易电子琴结构组成：
电子乐器的结构较为复杂，音源是由晶体管产生的电振动，并通过音色回路而产生各种音色；同时由周波数调制产生颤音效果，由振幅调制产生各种乐器的音效。
乐器特色：
属于电子乐器，发音音量可以自由调节。
音域较宽，和声丰富，甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。
它还可模仿多种音色，甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音（如人声，风雨声等）。
另外，电子琴在独奏时，还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏，适合于演奏节奏性较强的现代音乐。
另外，电子琴还安装有混响、回声、延长音、震音和颤音等多项功能装置，表达各种情绪时运用自如。
简易电子琴是电声乐队的中坚力量，常用于独奏主旋律并伴以丰富的和声。
还常作为独奏乐器出现，具有鲜明时代特色。
但电子琴的局限性也十分明显：
旋律与和声缺乏音量变化，过于协和、单一；在模仿各类管、弦乐器时，音色还不够逼真，模仿提琴类乐器的音色时，失真度更大，还需要不断改进。
1.2电子琴工作原理
大家都知道当物体振动时，能够发出声音。
振动的频率不同，声音的音调就不同。
在简易电子琴里，虽然没有振动的弦、簧、管等物体，却有许多特殊的电装置，每个电装置一工作，就会使喇叭发出一定频率的声音。
当按动某个琴键时，就会使与它对应的电装置工作，从而使喇叭发出某种音调的声音。
简单的说就是按键触发信号发给处理器，再由处理器调用音色库音色通过功放电路输出或者通过数码接口进行数字输出。
控制面板上的按钮来选择处理器对音色、音量、输出方式、伴奏的控制。
振荡器是根据需要产生一定频率的振荡信号，振荡信号通过分频器分解成不同频率的信号输送到放大器，放大器将信号放大，推动扬声器发出声音。
键盘实际上就是一些开关，如果没有键盘，许多种频率的信号一齐进到放大器里，通过扬声器发出的声音就会乱七八糟，不成音乐。
按下键盘的一支键，就等于接通一只开关，只允许某一种频率的信号通过到放大器里去，扬声器就发出一个音来。
3
这样，按照一定的演奏规律来按键，就能奏出美妙的音乐来。
电源的任务是给各部分供电。
压控振荡器的输出Uo接至相位比较器的一个输入端，其输出频率的高低由低通滤波器上建立起来的平均电压Ud大小决定。
施加于相位比较器另一个输入端的外部输入信号Ui与来自压控振荡器的输出信号Uo相比较，比较结果产生的误差输出电压UΨ正比于Ui和Uo两个信号的相位差，经过低通滤波器滤除高频分量后，得到一个平均值电压Ud。
这个平均值电压Ud朝着减小Co输出频率和输入频率之差的方向变化，直至Vco输出频率和输入信号频率获得一致。
这时两个信号的频率相同，两相位差保持恒定（即同步）称作相位锁定。
当锁相环入锁时，它还具有“捕捉”信号的能力，Vco可在某一范围内自动跟踪输入信号的变化，如果输入信号频率在锁相环的捕捉范围内发生变化，锁相环能捕捉到输人信号频率，并强迫Vco锁定在这个频率上。
锁相环应用非常灵活，如果输入信号频率f1不等于Vco输出信号频率f2，而要求两者保持一定的关系，例如比例关系或差值关系，则可以在外部加入一个运算器，以满足不同工作的需要。
过去的锁相环多采用分立元件和模拟电路构成，现在常使用集成电路的锁相环，CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高（约100MΩ），动态功耗小，在中心频率fo为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。
本设计主要是通过对电子琴主体部分的电路进行模仿设计，达到电子琴固有的基本功能，故叫简易电子琴。
利用定时器可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。
其次，定时器按设置的定时参数产生中断，这一次中断发出脉冲低电平，下一次反转发出脉冲高电平，由于定时参数不同，就发出不同频率的脉冲，本设计中按键一次，会发出50个脉冲，松开后随之延时10个脉冲，但在延时的10个脉冲期间继续检测键盘，若此时又有键被按下，若被按下的仍为原键则声音不变，否则键盘会译出被按下的另一个键的音调。
当简易电子琴发声时，除了发出某一频率的声音──基音以外，还会发出响度较小、频率加倍的辅助音──谐音。
我们听到的乐器的声音是它发出的基音和谐音混合而成的。
不同的乐器发出同一基音时，不仅谐音的数目不同，而且各谐音的响度也不同。
因而使不同的乐器具有不同的音品。
在电子琴里，除了有与基音对应的电装置外，还有与许多谐音对应的电装置，适当地选择不同的谐音电装
4
置，就可以模仿出不同乐器的声音来。
利用定时器可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。
其次，定时器按设置的定时参数产生中断，这一次中断发出脉冲低电平，下一次反转发出脉冲高电平，由于定时参数不同，就发出不同频率的脉冲，本设计中按键一次，会发出50个脉冲，松开后随之延时10个脉冲，但在延时的10个脉冲期间继续检测键盘，若此时又有键被按下，若被按下的仍为原键则声音不变，否则键盘会译出被按下的另一个键的音调。
本电路中的硬件比较简单，其功能的实现主要由软件完成。
软件的设计思路通过框图形式说明在正文中会有介绍。
5
第2章
2.1总体设计
硬件设计
本设计的总体框图如图2-1所示，系统主要由单片机，扬声器电路，复位电路，键盘电路，晶振电路五部分组成，其中单片机是设计的核心，单片机能够检测到键盘的按键，并根据按键的位置通过程序来控制，使蜂鸣器发出不同频率的声音，声音延迟延迟一段时间，等到按键放开后，声音停止。
然后在继续扫描，看是否有按键按下，如此循环下去，即实现基本的琴键功能。
复位电路
片机
单
电源
器
键盘电路
晶振电路
图2-1设计总体框图
2.2单片机外围电路
单片机是随着大规模集成电路的出现极其发展，将计算机的CPU，RAM，ROM，定时计数器和多种IO接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机（singlechipmicrocomputer）.它拥有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗的显著优点.主要应用于智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面,并且取得了显著的成果。
单片机应用系统可以分为:
1.最小应用系统是指能维持单片机运行的最简单配置的系统。
这种系统成本低廉,结构简单，常构成一些简单的控制系统，如开关状态的输入输出控制等。
片内有ROMEPROM的单片机，其最小应用系统即为配有晶振，复位电路，电源的单个单片机.片内无ROMEPROM的单片机，其最小应用系统除了外部配置晶振，复位电路，电源外，还应外接EPROM或EEPROM作为程序存储器用.2.最小功耗应用系统是指为了保证正常运行，系统的功耗最小.3.典型应用系统是指单片机要完成工业测控功能所必须的硬件结构系统。
6
在本系统中，我们使用的是Atmel公司生产的AT89S52单片机。
AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBytesISP（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引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
其主要特性如表3.1：
表3.1AT89S52主要特性兼容MCS-51指令系统32个双向IO口3个16位可编程定时计数器全双工UART串行中断口线2个外部中断源中断唤醒省电模式看门狗（WDT）电路灵活的ISP字节和分页编程8k可反复擦写（>1000次）ISPFlashROM4.5-5.5V工作电压时钟频率0-33MHz256x8bit内部RAM低功耗空闲和省电模式3级加密位软件设置空闲和省电功能双数据寄存器指针
2.21晶振电路
设计的晶振电路如图3.1所示，AT89S52系列单片机可以工作于6MHz、12MHz等频率下，这一频率产生于一个石英晶体振荡器，用于驱动AT89S52系列单片机。
因此，我们针对AT89S52单片机，设计中采用11.0592MHz的石英晶体和两个容值为22PF的电容。
Y2（晶振）直接跨接在AT89S52的XTAL1、XTAL2两端，其中C21、C22为起振电容。
图3.1晶振电路
7
电路中的电容一般取22PF左右，而晶体振荡器的频率范围通常是1.2MHZ～12MHZ，在本系统中使用的11.0592MHZ，但我们必须注意的是振荡脉冲经过二分频才作为系统的时钟信号，在二分频的基础上再三分频产生ALE信号，在二分频的基础上再进行六分频就得到机器周期信号。
因此一个机器周期只有振荡周期的112,我们使用的是11.0592MHZ晶振，因此机器周期为1（11.0592*12）微秒。
2.22复位电路
读RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号为高电平有效，其有效时
间应持续24个振荡脉冲周期（即2个机器周期）以上，产生复位信号的电路逻辑如图3.2所示。
图3.2单片机复位电路
此复位电路为按键电平方式复位，首先具有开机复位的功能，在平时状态中由于电容阻断直流电压，因此RST复位端口一直为低电平；当按键S1按下时经过R6、R7分压，RST端为高电平则会进行复位。
2.3扬声器
扬声器是一种把电认转变为声信号转变为声信号的换能器件，扬声器和性能优劣对音质的高低影响很大。
扬声器的种类：
扬声器的种类很多，按其换能原理可分为电动式（即动圈式）、静电式（即电容式）、电磁式（即舌簧式）、压电式（即晶体式）等几种，后两种多用于农村有线广播网中，按频率范围可分为低音扬声器、中音扬声器、高音扬声器，这些常在音箱中作为组合扬声器使用。
扬声器的参数：
扬声器的参数是指采用专用的扬声器测试系统所测试出来的扬声器具体的
8
各种性能参数值.其常用的参数主要包括:
Z,Fo,η0。
扬声器的主要参数：
额定功率，额定阻抗，频率特性，失真度，灵敏度，指向性。
扬声器分为内置扬声器和外置扬声器，而外置扬声器即一般所指的音箱。
内置扬声器是指MP4播放器具有内置的喇叭，这样用户不仅可以通过耳机插孔还可以通过内置扬声器来收听MP4播放器发出的声音。
具有内置扬声器的MP4播放器，可以不用外接音箱，也可以避免了长时间配带耳机所带来的不便。
扬声器及外围电路如图3.3所示，
5+W21.22
W5.08
486AS2
图3.3单片机扬声器电路
2.4键盘电路
按键电路主要是用来输入数据，从而实现人机交互，实现音律的转换。
本设计的键盘部分我们采用按钮型按键，按键未按下时其输出端为高电平，按键按下时输出端为低电平，为了增加电平的准确性，我们可以在按键的输出端加上上拉电阻来确保其高低电平的正确，这样通过单片机来检测IO口的高低电平，然后执行不同的操作，这样就实现了按键的控制功能，其典型接线图如图2-4所示11个按键分别和IO口P3.2，P3.1,P3.0,P1.7,P1.6,P1.5,P1.4,P1.3,P1.2,P1.1,P1.0相连，程序扫描哪一个键被按下，即可确定它的值。
为保证键扫描的正确，求得闭合键的键码，需进行去抖动处理。
去抖动有硬件和软件两种方法。
硬件方法就是在键盘中附加去抖动电路，从根本上消除抖动发生的可能性；而软件方法则是采用延迟以躲过抖动（大约延时20~30ms即可），待开关状态稳定之后，再进行状态输入。
按键的扫描时间一般很短，仅仅几十微妙就够了，而按键的时间一次至少需要几十毫秒，所以只要有键按下的话都是可以被扫描到的，但是按键按下时有一定的时间抖动，因此要考
9
虑按键的抖动处理。
图2-4按键电路
10
第3章软件设计
3.1总体流程图
本设计的总体流程图如图3-1所示，系统在复位后，处于等待状态，当有按键按下时，首先判断是哪个音阶，然后调用相应的廷时程序，输出相应频率的脉冲令扬声器通电和断电，演奏出与频率相符的韵律。
开开判断是哪一个按键判按下设设相对应的延时设设R6的值令扬声器通电延时延周期令扬声器断电延时延周期t
图3-1单片机电子琴流程图
3.2主程序设计
音律的音阶是由不同的频率构成，各音阶的频率表如下表3-1所示，例如D0的音律：
D0的频率为262HZ，所以其周期T=1f=1262s=3816us半周期t=T2=1908us半周期t=T2=1908us此时，单片机输出的波形如图3-2所示。
11
表3-1电子琴C调各音阶的频率表
音阶
DO
RE
MI
FA
SO
LA
SI
高音
音符
1
2
3
4
5
6
7
频率Hz
522
587
659
700
784
880
988
中音
音符
1
2
3
4
5
6
7
频率Hz
262
294
330
349
392
440
494
低音
音符
1
2
3
4
5
6
7
频率Hz
131
147
165
175
196
220
247
tT
t
图3-2输出相应频率波形图
根据单片输出频率发声原理，若以程序MovACALLR6,#dataDELAY;1周共需耗时3个机器周期，即耗时;2周1us*3=3us;2周→共需耗时2个机器周期，即耗时
DELAY:
MOVB,R6
1us*2=2usMovR7,#06R7,$;1周此循环部分，每执行一次共需耗时;2周15个机器周期，即耗时;2周1us*15=15us;2周共需耗时4个机器周期，即耗时
12
DL:
DJNZDJNZMov
R6,DLR6,B
RET
;2周1us*4=4us
来达成延时T目的，则原因t=1908us,且MovR6,#data
ACALLDELAYMOVMOVRET这5个指令共耗时9us,所以在DELAY子程序中，循环的部分只能是1908us-9us=1899us循环的部分每次执行依次耗时15us,所以要延时1899us需重复执行1899÷15次=126次，即R6=126就可以产生所需的D0音调。
B,R6R6,B
13
第4章
4.1焊接及调试
焊接调试的大体步骤如下：
安装调试
1.利用PROTEL制作的电路图（图3-1），将相关的模块、元件依次安插到面包板上。
测试各部分元件是否正常工作，用面包板调试，若各部分元件正常，则开始焊接。
不正常则用万用表测试，直到找出错误和不良元件，更换后再调试。
2.开始焊接，首先焊动和型开关，焊接完毕，用万用表测试各个开关闭合电阻是否为0，正常后进行下一步。
3.焊接显示电路，将发光二极管及保护电路串联焊接，分别测试其是否正常工作。
4.焊接频率调节部分，主要是可调电位器。
5.焊多谐振荡电路，主要是AT89S52集成块及周边辅助电路，包含扬声器，完毕后通电测试电路是否工作。
4.2焊接调试的注意事项
对于模块连接就是依照电路图将所用元件连接到电路板上，连接模块是要注意元器件要按照电路图所示逐个的进行连接，要分类进行。
连接电阻时分清电阻的阻值和类别。
集成块的安装要对应好了方可安装。
三极管的安装要分清它的集电极、基极、发射极。
电位器的安装要分清开关的位置。
焊接时要看好元器件，不能错装，而且焊接时要注意焊接时间不要过长，防止焊坏电路板。
装配时注意不要扭动固定爪、拆卸；不要随意修改PCB板、装配孔、电路；不要修改导电胶条；不要压、碰、摔、折、扭动模块。
在安装前，我们对电路图之中的电路进行了相对仔细的观察，弄懂了电路中各个元器件的功能、作用和连接方法。
电路连接中，我们先对电路中的路线进行了简单的铺设，由于我们使用面包板进行安装，所以一些路线一般都是由面包板的内置电板进行连接，我们的连接主要是对各个元器件之间的线路进行连接。
在面包板中，我们最注意的就是各个元件的安插方向。
由于面包板的安插方向不都是一个方向，有的是横排连接，有的是竖排连接，这给我们的连接器件造成了一定的困难。
在面包板中，我们还是严格的遵照电路图中的连接方法，主要
14
是将四个基本电路分开连接，然后将这四个基本控制电路再连接到一起，组成一个完整的回路。
4.3整体调试中出现的问题
1.在焊接完成后，由于焊接过程中对电路图没有充分掌握，芯片部分引脚焊错位置，导致电路整体出现较大问题，在检查过程中及时发现错误并重新改正。
2.在仿真过程中，出现仿真过程不顺利，效果时好时坏。
重新检查程序并一一矫正后程序正常运行并成功烧录进芯片。
3.电路整体调试过程中，经通电后电子琴蜂鸣器一直处于鸣叫状态，而正常按键则毫无反应。
对此现象一直迷惑不解，随经过电路的焊接、程序的调试、电路中各重点元器件的电压进行逐一测试，一切处于正常状态却毫无结果。
此后经过***老师和其他老师的帮助，才进一步找到问题的原因，一切恢复正常，电子琴也顺利弹出音符，效果明显。
15
第5章
总结
通过本次设计，我懂得了如何解决电路中出现的问题，从而能够使自己更好的学习和掌握一些电路常识。
在本次设计中，我又相当把以前学过的知识再复习一遍，对以前学过的知识加以巩固。
我又对一些电子元件有了进一步的了解，如：
电阻、电容、二极管和三极管等元件，还对一些常用的集成块有了一些了解，如：
AT89C51。
在用ProtelDXP绘制电路板时用到许多知识，也发现许多问题，还有以前上课没有学到的知识。
通过小组成员及指导老师的指导解决问题。
这次设计后对用ProtelDXP绘制电路板的知识更加巩固。
由于对以前学过的知识掌握不牢，所以在本次设计中遇到了许多问题，如：
在调试阶段的时候，根据电路图把电路连接好以后，扬声器没有任何的反应；在调试的最后阶段的种种问题，经过指导老师的指导及同学的共同探讨，最后根据大家掌握的知识和通过查阅资料，把简易电子琴顺利完成设计。
总之，通过这次设计我确实感到自己还有许多不足之处，在以后的工作中还要更好的学习，从而充实自己，并且在本次设计中使我学到了不少的东西，有的是我以前没有接触的东西，也有的是以前没有掌握牢固的知识。
我会在日后的开发中深入学习，加深研究，我会争取把本系统应用到实际工作中，使之产生商业价值。
电子技术发展日新月异，我会在以后的研发中加入新技术，使之更趋完善，总之本次毕业设计是我的电子研发之路的良好开端。
我会以此为契机，在以后的电子开发工作中取得更好的成绩。
16
附录
（1）简易电子琴的电路原理图
+522.12W3140
9
RESETP3.7172SA684
10k
EA
40
10uF
80.5W
87C5130pF191XTAL1
P3.2P3.1P3.0P1.7P1.6
12111087654321
SOLLALSILDOREMIFASOLASIDOH
12MHz218XTAL2
P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1Vss20P1.0
30pF
17
（2）PCB主电路成板图片
212112123
40
39
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
2
2
1
2
12
1
2
1
1GND
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
0
1
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
1
3
2
3
0
2
0
2
0
2
0
2
0
2
0
2
0
2
0
2
0
2
0
2
（3）系统的程序
ORGORLORL0000HP1,#BP3,#BP3.2,SOL
TEST:
JNBJNBJNBJNBJNBJNBJNBJNBJNBJNBJNB
P3.1,LALP3.0,SILP1.7,DOP1.6,REP1.5,MIP1.4,FAP1.3,SOP1.2,LAP1.1,SIP1.0,DOH
AJLMTESTSOL:
MOVAJMPR6,#170
OUTPUT
18
LAL:
MOVAJMP
R6,#150
OUTPUTR6,#134
STL:
MOVAJMP
OUTPUTR6,#126
DO:
MOVAJMP
OUTPUTR6,#113
RE:
MOVAJMP
OUTPUTR6,#100
MI:
MOVAJMP
OUTPUTR6,#95
FA:
MOVAJMP
OUTPUTR6,#85
SO:
MOVAJMP
OUTPUTR6,#75
LA:
MOVAJMP
OUTPUTR6,#67
SI:
MOVAJMP
OUTPUTR6,#63P3.7
DOH:
MOV
OUTPUT:
CLRACALLDELAYSETBP3.7ACALLDELAYAJMPTEST
DELAY:
MOVB,R6MOVR7
升级会员 