带录音功能的电子琴研究与实施.docx

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带录音功能的电子琴研究与实施

铁道大学四方学院毕业设计

带录音功能的电子琴研究与实施

ElectronicPianowithRecordingResearchandPractice

2011届电气工程系

专业电子信息工程

学号20076063

学生晓栋

指导教师

完成日期2011年5月25日

毕业设计成绩单

学生

晓栋

学号

20076063

班级

方0709-1

专业

电子信息工程

毕业设计题目

带录音功能的电子琴研究与实施

指导教师

指导教师职称

评定成绩

指导教师

得分

评阅人

得分

答辩小组组长

得分

成绩：

院长（主任）签字：

年月日

毕业设计任务书

题目

带录音功能的电子琴研究与实施

学生

晓栋

学号

20076063

班级

方0709-1

专业

电子信息工程

承担指导任务单位

电气工程系

导师

尚燕

导师

职称

讲师

一、主要容

通过录音模块ISD4003芯片或者BMP5008类似功能芯片与单片机stc89系列实现数字录音的功能。

建立自己的音色库，实现电子琴的演奏功能。

二、基本要求

1、单片机完成与语音模块。

建立音色库，完成电子琴的设计；

2、驱动键盘，可选驱动力度键盘；

3、使用KeilC编程。

实现相关逻辑控制；

4、电路原理图设计，protel印刷电路图设计；

5、提出系统设计框图，提出相应的解决方案；

6、需单片机和芯片，开发电路板以相关传感器，价格<200元。

三、主要技术指标

1、完成主要功能；

2、电路原理图；

3、使用说明书撰写；

4、论文正文不少于1.5万字，查阅文献资料不少于15篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。

四、应收集的资料及参考文献

C语言开发；

关于STC89系列相关单片机开发文档；

相关传感和显示器件使用手册和接口电路。

五、进度计划

第1周—第2周开题报告和任务分配

第3周—第7周需求分析，概要设计

第8周—第12周详细设计，中期考核

第13周—第14周写论文

第15周—第16周上交论文，答辩

教研室主任签字

时　间

年月日

毕业设计开题报告

题　目

带录音功能的电子琴研究与实施

学生

晓栋

学号

20076063

班级

方0709-1

专业

电子信息工程

一、研究背景

电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器，在现代音乐中扮演着重要的角色，成为无数热爱艺术孩童的必备品，是古典文化与现代文明的一个浓缩体。

而单片机因其强大的控制功能和灵活的编程特性，已经成为电子琴的主要核心部件。

电子琴因其体积小，易于携带，经济适用，是一般家庭能够承受的了的经济投入，且电子琴键盘操作直观容易掌握，对于初学者来说很容易弹奏，因而成为人们生活中不可替代的一部分。

带录音功能的电子琴的硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高，具有一定的实用价值，因此具有开发的价值。

二、预期达到的目标

经过对任务书的分析，本次毕业设计以STC89C52单片机为主控核心，与16个按键的矩阵键盘，ISD4004语音芯片等构成核心主控制模块，设计一个带录音功能的电子琴。

通过录音模块ISD4004芯片与单片机STC89C52之间的数据通信，实现数字录音功能，以及电子琴的演奏功能。

设计电子琴要求由键盘来输入某种乐器的音节，将输入的音节数据存储到存储器当中，而后通过音频功放芯片去驱动喇叭发音，从而实现可存储式音乐演奏功能，并有可控录音、放音、播放音乐的功能。

用单片机来实现数字录音功能，将录入的音节和音乐建立自己的音色库，实现按键弹奏，且能播放一段音乐。

按键输入要求：

当按下录音键时，录入一个音节，按下暂停键停止当前录入，再按下录音键，录入下一个音节，这样依次录入7个音节，当第8次按下时录入一段音乐，并将这8次录入存储到芯片当中。

我们为这8次输入分别设置了8个按键，当按下某一个按键时，即调出录入的相应的音节或音乐，并能从喇叭清晰准确的发出声音，而且能延迟一段时间。

若是此时按下另一按键，当前音节发音停止，从喇叭发出刚才按下的音节。

当按下放歌按键的时候，喇叭即可演奏单片机录入的音乐。

按下录音按钮后再播放音乐或某一音节，会对当前播放的容进行存储，并能放奏出来。

按下暂停按钮，一切音乐立刻停止，这样便实现了电子琴的弹奏功能以及录音放音功能。

数码管和LED灯显示要求：

当按下某一音节按键时，显示对应的阿拉伯数字；当按下播放音乐的按键是显示8；按下录音按键是显示0；按下暂停按键是显示A；按下放音按键是显示9。

当按下第一行任意按键时，最后一LED灯闪亮一下，松开后熄灭；当按下第二行任意按键时，倒数第二个LED灯闪亮一下，松开后熄灭；当按下任意音节或音乐按键（分别依次对应前八个LED灯），相应的LED灯状态取反，再次按下同一按键，状态再次取反；当按下录音键时，前八个LED灯状态同时取反。

三、研究方案

1、通过STC89C52芯片实现对按键的读取并将所对应的音节或音乐送至喇叭，将所对应的按键在数码管上显示，LED灯做相应的变化；

2、语音芯片ISD4004完成语音模块，实现电子琴的弹奏，播放音乐以及录音放音功能；

3、采用矩阵式4*4键盘，可选驱动力度键盘；

4、采用8位共阴极的数码管和10个LED灯，以显示按键相应的值；

5、使用KeilC软件编程，用软件实现相关逻辑控制；

6、电路原理图设计，protel印刷电路图设计，电气功能测试；

7、提出系统设计框图，提出相应的解决方案。

四、主要技术指标：

1、完成题目要求的主要功能；

2、软件方面完成程序流程图；

3、硬件方面完成电路原理图；

4、使用说明书撰写；

5、论文正文不少于1万字，查阅文献资料不少于10篇，其中外文文献2篇以上，翻译与课题有关的外文资料不少于3000汉字。

五、进度计划：

第1周—第2周开题报告和任务的合理分配

第3周—第4周需求分析，整体框架的设计

第5周—第7周指导老师针对性指导

第8周—第12周详细设计，中期考核

第13周—第14周写论文

第15周—第16周上交论文，答辩

六、系统模块设计：

此次的毕业设计主要由4个大的模块构成，分别是主控模块、语音芯片模块、LED灯及数码管显示模块、键盘控制模块，其中主控模块是此次毕业设计的核心模块，主要是指STC89C52芯片，它控制整个系统的运行，利用其各个口分别控制其他模块，使其他模块能够成为一个整体，实现功能的需要；语音模块主要指ISD4004芯片和LM386芯片，用ISD4004来实现录音功能，LM386是实现功率放大；而LED灯及数码显示模块是整个系统的辅助模块，用来显示音节以及表示录音开始及结束；按键控制模块则是用按键来控制实现的是哪个功能，对应录音、放音、暂停。

指导教师签字

时间

年月日

摘　要

电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器，它在现代音乐扮演着重要的角色，已经融入到现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。

随着科技的日益发展，电子琴的录音放音功能已越来越受到人们的喜欢。

本设计介绍了基于单片机和语音芯片的带录音功能的电子琴的设计,对系统软件设计和硬件实现进行了详细的描述，主要容是用STC89C52单片机为核心控制元件，ISD4004语音芯片为录音模块，以流水灯和数码管为显示模块，以4*4矩阵键盘为输入设备，扬声器为语音输出设备，设计一个带录音和放音功能的电子琴。

单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，以单片机作为主控核心，与ISD4004语音模块、4*4矩阵键盘组成核心主控制模块，流水灯、数码管模块组成扩展控制模块。

在主控模块上设有16个按键，一个可以重复实现录音放音功能的语音模块，在扩展模块中设有流水灯和数码显示管。

主控模块利用了STC89C52单片机的P3的I/0输出口，以实现键盘对录音和放音的控制功能；以P2口的端口与语音芯片相连，实现了两个芯片之间数据的传输。

扩展模块分别利用了STC89C52单片机的P0和P1的I/0输出口，以实现数码管和LED灯的显示功能。

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，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。

关键词：

单片机　语音芯片　录音放音功能　流水灯　喇叭

Abstract

Electronicpianoisthecombinationproductofmodernelectronictechnologyandmusic,itplaysanimportantroleinmodernmusicasanewtypeofkeyboardmusicalinstruments,ithasbeenintegratedintothelifeofmodernpeopleandhasbecomeanirreplaceablepart.Withtheincreasingdevelopmentoftechnology,theplaybackandrecordingfunctionofthekeyboardhasbeenmoreandmorelikedbypeople.

Thispaperintroducethedesignofelectronicpianowithrecordingfunction,whichisbasedonMCUandvoicechip,thesystemsoftwaredesignandhardwareimplementationaredescribedindetail.MaincontentofthedesignisSTC89C52microcontrollerasthecorecontrolelements,ISD4004voicechipforrecordingmodule,runninglightsanddigitaltubefordisplaymodule,with4*4matrixkeyboardasinputdevicesandspeakersforvoiceoutputdevice,designaelectronicpianowiththeplaybackandrecordingfunction.MCUhasastrongcontrolfunctionandflexibleprogrammingfeatures,MCU,whichisthemastercore,withISD4004voicemoduleand4*4matrixkeyboardcomposethemaincorecontrolmodule,waterlampanddigitaltubecontrolmoduleisastheexpansionmodules.Inthemaincontrolmodule,thereare16buttonsandavoicemodulewithplaybackandrecordingrepeatedfunctions.Theexpansionmodulehaverunningwaterlightsanddigitaldisplaytube.MaincontrolmoduleusesSTC89C52microcontrollerP3I/Ooutputporttoachievecontrolfunctionofthekeyboardforrecordingandplaybackfunction;theportP2isconnectedwiththevoicechiptoachievethetransmissionofdatabetweentwochips.ExtensionmoduleusesSTC89C52MCUP0I/Ooutputporttoachievethedigitaltubedisplay;useSTC89C52P1I/Ooutputporttoachievethewaterlightsdisplay.Thesystemisstable,theadvantagesofitaresimplehardwarecircuit,softwarefunctions,thecontrolsystemisreliable,highcostperformance,andhasapracticalandreferencevalue.

Keywords:

　Microcontroller　Voicechip　4*4matrixkeyboard　Speaker

目　录

第1章　绪　论

1.1　课题研究的背景

随着电子科技的飞速发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作,电子科技与音乐的结合也越来越不断加深，电子琴就是现代电子与音乐结合产物，是一种新型的键盘乐器。

它在现代音乐中扮演着重要的角色，是古典文化与现代文明的一个浓缩体。

因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣。

1.2　课题研究的意义

电子琴因其体积小，易于携带，经济适用，是一般家庭能够承受的了的经济投入，且电子琴键盘操作直观容易掌握，对于初学者来说很容易弹奏，而成为人们生活中不可替代的一部分。

硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高，具有一定的实用价值，因此具有开发的价值。

基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就是一个很好的应用方面。

单片机技术使我们可以利用软硬件实现电子琴的功能，从而实现电子琴的微型化，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。

1.3　课题研究的主要容

本论文主要是对C语言和单片机的一些基本知识、概念的应用学习和研究，以及STC89C52芯片模块和ISD4004语音模块的开发设计，该设计的目的是设计一实现带录音功能的电子琴，可播放系统部录入的音符和音乐，也可以实现录音和放音功能（如录入人的声音）。

为了使按键时分析方便，我们加以数码管和流水灯，当按下某一按键时数码管显示相应的按键值，同时对应的流水灯点亮。

本设计的主要工作有以下几个方面：

（1）整体方案的设计

方案的选择要符合芯片功能的要求，既要保证操作简单符合人们平时的操作习惯，又要体现出本产品的特点，本文研究设计的带录音功能的电子琴是采用STC89C52单片机和ISD4004语音芯片，用来实现已存入芯片的音符和音乐的播放以及录音和放音功能。

（2）程序流程图及软件设计

一个程序要想实现其功能，不能没有次序而盲目下手，必须对其有一个全面的了解后画出流程框图，然后逐个模块的实现其功能，最终把模块之间合理的连接起来，构成完整程序。

本设计的软件设计主要包括系统的初始化设计、延时子程序的设计、键盘扫描模块的设计、录音子模块的设计、放音子模块的设计、两个芯片之间通信的设计、流水灯的点亮和数码管的显示设计、中断程序设计、以及把各个子模块组合成一个完整程序的设计等。

整个系统程序采用模块化结构设计程序相对比较优化易修改和调试系统软件的开发是用C语言设计的。

（3）系统原理图及硬件调试实验

本设计在进行硬件原理分析后，需要连接实物进行实际操作，检验自己的设计是否可以行得通。

需要在protel99SE环境下画出硬件原理图并进行电气测试，检测无异议后进行硬件系统的调试实验，为了保证系统的可靠性分析查找，硬件的调试整个系统进行了模拟试验。

1.4　课题研究的工作原理

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，就会使扬声器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，从而使扬声器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。

按下键盘的某一按键，就等于接通相应的开关，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。

这样，按照一定的演奏规律来按键，就能奏出美妙的音乐来。

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，达到电子琴固有的播放音符和音乐的基本功能，并且加以语音模块，使其实现录音放音功能，故称为带录音功能的电子琴。

该设计较以往设计有所不同，它所建的音色库不是通过对某一音节设置固定的频率来实现，而是通过某一乐器的放音，利用语音模块的录音将1、2、3、4、5、6、7和一段音乐录入到电子琴中，从而建立音色库，当某一按键被按下时，通过键盘扫描识别出该按键，并从音色库中调出与此按键相对应的音调，发出声音。

处理器会在发音期间继续检测键盘，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。

当按下录音按键时，可以录入一段声音，如人声等，还可以在录音时让电子琴发声或音乐，并将其录入，通过发音键将刚才录入的一段声音播放出来。

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。

它可模仿多种音色，甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音（如人声）。

电子琴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。

第2章　系统总体方案设计

2.1　功能要求

1、通过STC89C52芯片实现对按键的读取并将所对应的音节或音乐送至扬声器；将所对应的按键在数码管上显示，LED灯做相应的变化；

2、语音芯片ISD4004完成语音模块，实现电子琴的弹奏，播放音乐以及录音放音功能；

3、采用8位共阴极的数码管，显示按键的值；

4、采用10个LED灯显示，显示相对应的按键；

2.2　设计思路

电路总体上分为芯片控制部分和语音芯片部分。

以STC89C52单片机最小系统作为核心控制电路，控制4*4的矩阵键盘对播放音乐和录音放音的选择，以及控制LED点亮和数码管的显示，具体显示容及方式由软件来完成。

语音部分由ISD4004芯片来实现，它是一个多功能的语音芯片，可以多次重复录放，本设计正是运用此特点，完成录音和放音功能的。

具体步骤是：

先录入7个音符和一段音乐，存储到芯片部，建立自己的音色库，并且具体锁定到键盘的某一按键上，通过按下不同的按键发出不同的声音。

再对录音和放音功能设置具体的按

键，通过按键实现其功能。

2.3　方案选择

2.3.1　控制模块选择方案

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ROM只有4K在系统将来升级方面没有潜力。

方案三：

采用STC89C52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，它的部程序存储空间达到8K，使软件设计有足够的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，本设计采用方案三

2.3.2　按键选择方案

方案一：

采用STC89C52的独立键盘，但其独立键盘只有4个按键，按键数量不够，无法满足本课题的要求，产生不出7个音阶及录放音功能。

方案二：

采用STC89C52的矩阵键盘，其矩阵键盘具有16个按键，数量够用，能够满足课题的要求。

故采用4*4矩阵键盘。

通常在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，将按键排列成矩阵形式，在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。

这样，一个端口（本模块用到的是P3口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键。

由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。

2.3.3　芯片选择方案

方案一：

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS型8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。

其片的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。

写入单片机的程序还可以进行加密，这又很好地保护我们的劳动成果。

再者，AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。

只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供给用户。

可用5V电压编程，而且擦写时间仅需lOms。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

PO口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

方案二：

STC89C51系列单片机的指令系统和AT89C51系列的完全兼容，但实际操作起来却存在很多问题：

（1）AT89C51不带ISP下载，要用下载器才行，STC89C52可以用你的USB转串口下载，下载软件可以到STC厂家网上去下。

（2）STC单片机执行指令的速度很快，大约是AT的3-30倍，尽管快是好事，但这样一来，你在AT上好使的程序在STC上不一定好用，最典型的例子就是那些对时序有严格要求的模块，用STC时注意得加长延时，大约是AT的10—30倍就差不多，这一点自己调试就知道了。

（3）STC单片机对工作环境的要求比较低，电压低于5伏时仍然正常工作，甚至3伏到4伏之间都还可以工作，然而这样的环境下AT肯定不行了，所以当一个系统用STC单片机好用，但用AT的单片机不工作时，直接查最小系统，看单片机的供电是否正常。

比较这两种方案，由于在学校期间学过数字电路、单片机原理、C语言程序设计，综合考虑单片机的各部分资源和作为学生能够获得的资源，经过对比此次设计要求，我选择用STC系列芯片完成。

而且学校也提供了相应的硬件操作平台，实际操作起来比较方便，故STC为更合理的选择。

2.4总体设计框图

按照系统功能的具体要求，在保证实现其功能的然础上，尽可能降低系统成本。

总体设计方案围绕上述思想，初步确定