完整版基于单片机的微型电子琴设计毕业设计.docx
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完整版基于单片机的微型电子琴设计毕业设计
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本科生毕业论文（设计）系（院）物理与电子信息科学系专业电子信息工程
论文题目基于单片机的微型电子琴设计
学生姓名
指导教师
班级07级电信2班
学号
完成日期：
2010年11月
基于单片机的微型电子琴设计XXX
物理与电子信息工程学院电子信息工程
[摘要]电子琴的设计以AT89C52单片机为核心控制元件，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，通过制作硬件电路和软件的设计编写，然后进行软硬件的调试运行，最终达到设计电路的乐器演奏、点歌、存储及显示功能。
设计中应用中断系统和定时计数原理控制演奏器发声，对音乐发生所必须确定的音符和节拍分别用程序语言实现。
特点是设计思路简单、清晰,成本低。
[关键字]AT89C52单片机电子琴演奏
1引言
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[1]。
电子琴是高科技在音乐领域的一个代表，它是古典文化与现代文明的一个浓缩体。
它不但可以帮助我们的音乐教师进行传统音乐文化的教育教学工作，而且由于它又具备现代音乐，特别是电子音乐、电脑音乐的基本结构、特征，因而使我们的教师在进行现代音乐、电子音乐、电脑音乐的教学时，更直接、更简便。
它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。
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。
并且可以进行一定的功能扩展。
单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。
它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。
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。
本文主要对使用单片机设计微型电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴统硬件[2]组成。
利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。
并且本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。
2设计要求
本设计的主要内容是用AT89C52单片机[3]为核心控制元件，设计一个微型电子琴。
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，实现以下功能：
（1）设计一个（4×4）的键盘[4]，并将16个键设计成两个八度的音阶对应的16个琴键，可以进行弹奏表演；
（2）演奏的同时数码管会以数字显示当前按键对应的音符；
（3）有音乐存储功能，能自动演奏歌曲。
演奏时可选择键盘输入乐曲，自己存入的乐曲或随机存储的乐曲。
按播放键能播放5首歌曲，第一首歌曲播放结束，再按播放键播放下一首歌曲。
（4）发光二极管会指示当前按键是否按下。
3方案论证
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、电容组成驰张振荡器电路。
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AT89C52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，它的内部程序存储空间达到8K，使软件设计有足够的内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[5]。
鉴于上述对比与分析，本设计采用方案三
3.2按键选择方案
传统电子琴可以用键盘上的“1”到“A”键演奏从低SO到高DO等11音。
该设计有16个按钮矩阵，设计成16个音，可以实现音阶在中音和高音之间的变换。
比传统音阶范围大，弹奏效果好。
在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘，它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。
本设计选择4*4矩阵键盘。
4设计原理
一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率[6]，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时计数器T0来产生这
样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系正确即可。
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输出P3.0反相，然后重复计时再反相。
就可在P3.0脚上得到此频率的脉冲。
利用AT89C52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[7]，例如，频率为523Hz，其周期T＝1523＝1912μs，因此只要令计数器计时956μs1μs＝956，每计数956次时将IO反相，就可得到中音DO（523Hz）。
计数脉冲值与频率的关系式是：
N=fi2fr
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＝K－N＝K－fi2fr
式中K是单片机的16位定时器最大计数值，K＝216=65536；fi是机器频率，fi＝1MHz，例如低音DO（262Hz）、低音RE（294Hz）、中音DO（523Hz）、中音RE（587Hz）、高音DO（1046Hz）、高音RE（1175Hz）的计数值如下：
T＝65536－N＝65536－fi2fr＝65536－fr＝65536－500000fr
低音DO的T＝65536－＝63628
低音RE的T＝65536－＝63835
中音DO的T＝65536－＝64580
中音RE的T＝65536－＝64684
高音DO的T＝65536－＝65058
高音RE的T＝65536－＝65110
了解音乐的一些基本知识后可知，产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐，对于单片机而言，产生不同频率有脉冲非常方便，可以利用它的定时计数器来产生这样的方波频率信号，因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系[4]。
在本实验中，单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时计数器T0，工作模式为1，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号，在此情况下，根据以上公式，C调的各音符频率与计数值T的对照如下[8]
表4-1音符频率对照表
音符
频率（HZ）
简谱码（T值）
音符
频率（HZ）
简谱码（T值）
低1 DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#1 DO#
277
63731
中5SO
784
64898
低2 RE
294
63835
#5SO#
831
64934
#2RE#
311
63928
中6LA
880
64968
低3M
330
64021
#6
932
64994
低4FA
349
64103
中7SI
988
65030
#4FA#
370
64185
高1DO
1046
65058
低5SO
392
64260
#1DO#
1109
65085
#5SO#
415
64331
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64400
#2RE#
1245
65134
#6
466
64463
高3M
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64580
#4FA#
1480
65198
#1DO#
554
64633
高5SO
1568
65217
中2RE
587
64684
#5SO#
1661
65235
#2RE#
622
64732
高6LA
1760
65252
中3M
659
64777
#6
1865
65268
中4FA
698
64820
高7SI
1967
65283
为音符建立一个数据表，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
TABLE1:
DW
DW
DW
DW
音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表4-2所示）
表4-2曲调值表
曲调值
DELAY
曲调值
DELAY
调44
125ms
调44
62ms
调34
187ms
调34
94ms
调24
250ms
调24
125ms
对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时计数器来完成。
琴键处理程序，根据检测得到按键值，查询音律表，给计时器赋值，发出相应频率的声音。
对音调的控制：
根据不同的按键，对定时器T1送入不同的初值，调节T1的溢出时间，这样就可以输出不同音调频率的方波。
不同音调下各个音阶的定时器。
在这个程序中用到了两个定时计数器来完成的。
其中T0用来产生音符频率，T1用来产生音拍[9]。
5微型电子琴的系统总体原理框图
如图5-1所示，设计出微型电子琴的系统总体原理框图。
图5-1微型电子琴系统原理框图
6系统主要硬件电路设计
6.1微型电子琴的Proteus总体设计电路图
电子琴的proteus总体仿真图见图6-1。
按下播放键，发光二极管亮一下，系统自动播放预存在内存中的曲子，再按一次播放下一首歌曲，按下复位键，系统复位，停止播放。
按下矩阵键盘中的任意键，扬声器发出相应的音符。
图6-1微型电子琴的Proteus总体设计电路图
6.2单片机主机系统电路
6.2.1AT89C52单片机简介
AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机[10]，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），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，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型，与Intel公司的80C52在引脚排列[11]、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。
AT89C52引脚图见图6-2.
图6-2AT89C52引脚图
P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口引脚
特殊功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
（外部中断1）
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读先通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
其主要功能特性：
·兼容MCS51指令系统
·8k可反复擦写
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