计算机硬件课程设计 电子琴.docx

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计算机硬件技术基础课程设计

电子琴

小组成员及分工：

XXXXXXXX

指导老师：

唐丹

班 级：

自动化03班

重庆大学自动化学院

重庆大学计算机硬件技术基础课程设计

目录

目录 2

摘要 2

1.设计目的与意义 3

1.1设计目的 3

1.2设计意义 3

2.课程设计的任务和思路 4

2.1设计任务 4

2.2设计思路 4

3.硬件工作原理 7

3.18255工作原理 7

3.28254工作原理 8

3.3扬声器模块工作原理 9

3.4三色LED数显 10

3.54X4非编码键盘 11

4.功能说明 12

4.1总体功能说明 12

4.1.1主程序说明 12

4.2弹奏功能说明 13

4.2.1音符选择 14

4.2.2音阶选择 14

4.2.3弹奏实现 14

4.2.4流程图 14

4.3回放功能 15

4.4歌曲播放功能 17

4.5显示功能 18

5.组员心得体会 19

心得体会1：

19

心得体会2：

21

心得体会3：

23

心得体会4：

25

6.操作说明书 27

6.1连线要求 27

6.2使用电子琴弹奏乐曲以及使用各个子功能的方法 28

7.整体程序清单 29

Ⅰ

摘要

通过大三上学期对《计算机硬件技术》课程的学习，我们初步掌握了一些计算机硬件工作的基本原理、汇编语言程序设计方法，建立了微型计算机系统的整体概念，初步形成微机系统软硬件开发的能力。

为了更好的理解和掌握学习到的知识，也为了更深入的了解熟悉可编程定时器8254和8255，我们试图通过编程使8255识别输入键值，通过8254识别发声，达到通过按键控制扬声器发声频率的目的，从而模拟电子琴的工作原理。

由于本电子琴设计简单，方便改装用于其他实用领域，如报警器、门铃、儿童玩具等，具有一定的实用价值。

要完成一个简易的电子琴，要求我们利用相关已经学过的芯片连接成一个电子电路，并且通过自己用汇编语言编程，控制设计的电子电路实现电子琴的一些功能，比如通过高中低音键和音调键分别控制发出高低音的1、2、3、4、5、6、7音调，比如播放预先存储的歌曲，比如回放上一个弹奏的歌曲等。

本文首先介绍了设计目的、意义、任务及思路，接着简单介绍了各个元器件的工作原理，然后以流程图的形式展现了各程序的基本思路，再介绍了一些具体功能是如何实现的，在附录中还附带了完整的程序，最后描述了组员的心得体会。

1.设计目的与意义

1.1设计目的

计算机硬件技术课程设计是对所学课程内容的全面、系统的总结、巩固和提高的一项课程实践活动。

课程设计要求同学们熟悉汇编语

言的编程、连接、调试、运行等步骤，以及设计中所设计的相关软硬知识。

通过课程设计，一方面提高运用汇编语言变成解决实际问题的能力，另一方面使同学们更深入的了解计算机系统内部的有关知识，为以后的学习和系统开发奠定良好的基础。

1.2设计意义

通过课程设计要进一步锻炼在微型计算机应用方面的实际工作能力。

计算机科学是一门应用型学科，学习时必须紧密联系实际，要强调实际问题的能力。

通过设计学会面对一个实际问题时如何分析问题、收集资料并且如何将理论知识运用于实际生活中，解决实际问题。

2.课程设计的任务和思路

2.1设计任务

设计一个电子琴，以扬声器作为发声装置，以4X4小键盘作为输入装置，模拟电子琴的琴键和功能按键，嗲子清具有低、中、高三个音阶，能弹奏曲目在计算机硬件试验系统基础上，完成扬声器模块的设计，完成基本功能，并在此基础上完善并优化系统功能。

（1）按“1—7”中的任一数字键，则发出对应的中音；

（2）若按下“高音键”和“1—7”中的任一数字键，则发出对应的高音；

（3）若按下“低音键”和“1—7”中的任一数字键，则发出对应的低音；

（4）弹奏时要求能够区分节拍、音调、音阶和休止符。

2.2设计思路

电子琴的设计实际上就是要设计一个程序，通过识别按键，控制扬声器模块的振动频率，从而发出不同的音调。

扬声器模块是通过并行接口芯片8255和定时芯片8254来控制发音的，其电路连接方式如下图所示。

频率

OUT2

GATE2

CLK2 8254

PC8

1

8255A

扬声器模块

&

图1扬声器控制电路

扬声器是由8254通道2产生的方波信号驱动发声的。

要想让扬声器发声，除了电源和接地外，，还需要一个引脚给予振动频率才能正常工作。

同时当8255的PC7置1，，使得8254的GATE为高时。

OUT2引脚上才能产生一定频率的方波信号驱动扬声器，使扬声器发声。

因此,可以通过对8255的PC7的设置来控制扬声器的开通和关断,而其发音频率可以通过改变8254通道2的计数初值来控制。

因此设计程序的任务就是要通过识别按键来设置8255的PC7输出电平的高低,以及设置8254通道2计数初值。

在实际的课程设计中，因为计数初值的设置、8254的CLK频率的选择等原因，我们给予8254用于参与计算高低中音的程序频率和实际OUT2口输出的驱动频率有

点不同，以下两表分别为OUT2口输出频率和程序中用于计算的频率：

音符

1

2

3

4

5

6

7

频率（低）

131

147

165

175

196

220

247

频率（中）

262

294

330

349

392

440

494

频率（高）

524

588

660

698

784

880

988

表一：

OUT2口输出的驱动频率

音符

1

2

3

4

5

6

7

频率（低）

101

112

125

134

151

167

186

频率（中）

202

224

250

268

302

334

372

频率（高）

402

448

500

536

604

668

744

表二：

程序中参与计算8254计数初值的频率

3.硬件工作原理

3.18255工作原理

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8

位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片

（40引脚）。

其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

8255作为主机与外设的连接芯片，必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据线、地址线、控制线接口。

8255的内部结构图如图2所示,它有3个数据端口,分为两组，

A组由A口和C口高四位组成，B组由B口和C口低四位组成。

其方式控制字如图3所示。

图28255内部结构图

图38255控制字

3.28254工作原理

8254 芯片是一款使用十分广泛的可编程定时，计数芯片，其主要功能是定时和计数的功能。

人们所使用的微机内的动态存储器刷新电路、系统日时钟的技术以及发声系统的声源都是由8254芯片来参与完成工作的。

每个8254芯片有3个独立的16位计数器通道，每个计数器有6中工作方式，都可以按二进制或十进制（BCD码）计数。

8254芯片主要由数据总线、缓冲器、读写逻辑控制字、寄存器、计数器四部分组成。

其中当计数器工作在方式3时,输出信号为方波信号。

图48253内部结构图

图58253控制字格式

8254的通道0,通道1,通道2，控制口的端口地址分别为：

300H,304H,308H,30CH。

因为扬声器是由通道2来控制的，故应选择通道2，工作方式选为方式3，输出的信号则为方波信号。

3.3扬声器模块工作原理

扬声器模块式有8254以方式3产生的方波信号驱动发声的。

该发声驱动系统由8255的PC7口经控制8254的GATE电平高低控制定时计数开始与结束的。

3.4三色LED数显

8255A并行模块中共有4片8255A芯片，每个8255A芯片的输出控制了两个共阳极8段LED，通过PCI总线接口与其相连，下面为电路图和端口地址，字型码和LED显示颜色选择表格

3.54X4非编码键盘

在拓展的实验板上有4行4列非编码键盘，按键的行、列信号用过插孔引出，行信号通过插孔P0-P3引出，列信号用过插孔Q0-Q3引出，4X4非编码键盘电路图如下图所示。

4.功能说明

4.1总体功能说明

8254的A口与B口分别连接4X4键盘的行与列，从中读取键值，确定音符，1—7按键分别对应1—7音符。

C口连接两个开关，读取选择的音阶，若K1K2=01则为高音，若K1K2=01则为低音，否则为中音。

8255根据选择的音符与音阶根据音符频率表确定需要的发声频率Hz送给8254。

8254的CLK频率为3MHz，由N=3MHz /Hz确定

8254计数初值N。

8254工作在方式3，通过OUT 口以方波形式将发声频率传给发声模块。

发声模块通过不同的频率选择不同的音符与音阶发声。

当不需要发声时，使8254的GATE为低电平。

4.1.1主程序说明

程序开始运行后，首先读取开关状态，若没有键按下，则进入弹琴子程序，否则判断是回放还是放音键。

若为回放键，则进入回放子程序，否则进入播放子程序。

进入子程序后，判断是否结束或中断。

若不是则重复运行子程序，否则重新读取开关。

主程序的流程图如下图所示：

4.2弹奏功能说明

图6主程序流程图

开始

读取开关

回放

是否有键按下

是

是播放还是回放

否

播放

进入弹琴子程序

进入播放子程序

进入回放子程序

是否结束或中断

否

是否结束或中断

否

是否结束或中断

否

是

是

是

首先根据音符音阶表建立音阶表LOW、MID、HIGH。

根据K1K2选择高中低音，由LEA指向相应表。

再根据8255读取按键值，若没有按键按下，则重新开始选择音阶读取键值，若有键按下则根据键值选择偏移地址放入SI中，从而准确判断选择发音频率，送往扬声器。

再令GATE为高电平，开启扬声器发声。

发声时不断扫描键盘和功能键，若有键盘键按下则重新根据相应的音符发声，若有功能键

按下则关闭扬声器。

4.2.1音符选择

扬声器发音的频率是由8254产生方波的频率决定的，而方波频率又是由通道的计数初值来决定的，因此可以通过改变通道的计数初值来实现变调功能。

计数初值N=时钟频率/音阶频率，时钟频率为3MHZ，可以将相应音调对应的时钟频率存入内存单元，当选择相应的音调时，计算计数初值时，采用对应的时钟频率值，

4.2.2音阶选择

高中低音阶主要是三组频率不同的音