基于单片机的电子琴课程设计报告.docx
《基于单片机的电子琴课程设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的电子琴课程设计报告.docx（37页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的电子琴课程设计报告
基于单片机的电子琴课程设计报告
课程设计报告
课程名称单片机原理及应用
设计题目电子琴的设计
专业班级自动化1041
姓名赵伟
学号1004421112
指导教师蔡长青
起止时间2013.6.24-2011.7.12
成绩评定
考核
内容
设计
表现
设计
报告
答辩
综合
评定
成绩
电气与信息学院
12/13学年第二学期
《单片机控制系统设计与调试》课程设计任务书
指导教师：
蔡长青班级：
自动化1041、2班
地点：
机房、单片机实验室（实训中心415）
课程设计题目：
基于51单片机原理的电子琴的设计
一、课程设计目的
1.灵活运用单片机的基础知识，依据课程设计内容，能够完成从硬件电路图设计，到PCB制版，再到软件编程及系统调试实现系统功能，完成课程设计，加深对单片机基础知识的理解，并灵活运用，将各门知识综合应用。
2.能够上网查询器件资料，培养对新知识新技术的独立的学习能力和应用能力。
3.独立完成一个小的系统设计，从硬件设计到软件设计，增强分析问题、解决问题的能力，为日后的毕业设计及科研工作奠定良好的基础。
二、课程设计内容（包括技术指标）
本设计主要任务是设计一简易电子琴，利用所给键盘的1，2，3，4，5，6，7七个键，能够发出1，2，3，4，5，6，7等7个音符，具有一般演奏功能，同时利用第八个键具有自动播放已存曲目功能。
1.电子琴及串口原理图的设计、PCB板的制作、焊接。
特别在焊接过程中认真、仔细，避免缺焊、漏焊。
2.频率初值的计算。
会计算脉冲值与频率的关系。
正确计算出各音阶所对应的频率的初值。
3.电子琴的工作过程分析。
（1）初始化过程
启动时，首先是对定时器T0进行初始化，设定它的工作状态，对于本系统将T0设定为工作方式1；
（2）按键检测过程
初始化完成后，是判断是否有键按下，如果没有按键按下，则继续判断，如果有按键按下，延时一段时间在判断是否有键按下，若无按键按下返回继续判断，若确实有键按下则判断是哪个键按下；
（3）声音播放过程
根据按键的功能将计数初值装入定时器T0、T1中中并启动T0、T1，当T0定时完毕后，重新装入计数初值继续定时并将P3．3取反，再次定时完毕后再一次的装入计数初值继续定时并将P3．3取反，一直循环此操作直到按键释放为止，按键释放后停止T0工作并再次判断是否又有按键按下，并继续执行以前的过程。
单片机定时器启动时，发出一定频率的脉冲（各音调对应的频率脉冲），该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就回发出相应的音调。
（4）流水灯工作过程
单片机上电后执行事先设定好的流水灯程序，有按键按下时则亮对应音调的灯。
三、课程设计原则
1.尽可能使音色、音律更准确；
2.在满足控制的前提下，力求使控制系统简单、经济；
3.保证控制系统安全可靠。
四、课程设计步骤
1.对控制系统任务和要求作深入的调查研究，明确控制任务。
2.根据原理画出电子琴原理图及串口原理图。
3.选择合适的芯片。
4.依据原理图，把所选用的板子焊接好。
5.确定系统整体设计方案，进行软件编程。
6.控制系统的硬件设计。
（1）电子琴原理图及PCB图；
（2）串口原理图及PCB图。
7.控制系统的软件设计。
（1）设计七个基本高低音调；
（2）设计歌曲；
（3）设计流水灯程序。
8.联机调试。
9.撰写设计说明书。
五、时间安排
时间
内容
备注
第17周周一
集中讲解课程设计要求，分配设计题目，明确任务和具体安排
三教203
周二
画硬件电路图、PCB图
一教八楼
周三
画硬件电路图、PCB图
一教八楼
周四
验收硬件电路图、PCB图
一教八楼
周五
根据原理图焊接板子
工训417
第18周周一
软件调试
工训415
周二
软件调试
工训415
周三
软件调试
工训415
周四
软件调试
工训415
周五
软件调试
工训415
第19周周一
软件调试
工训415
周二
软件调试、烧录程序
工训415
周三
软件调试、烧录程序
工训415
周四
完成报告
工训415
周五
答辩
工训415
六、基本要求
（一）课程设计报告
1.电子琴原理图及PCB图一份（电子版）。
2.串口原理图及PCB图一份（电子版）。
3.设计说明书一份，包括以下内容。
（1）写出设计计划和基本步骤。
（2）画出软件流程图。
（3）写出软件程序，并加以注释。
（4）写出调试过程和结果。
（5）写课程设计小结。
（二）成绩评定标准
对学生进行全面考核，重点考核设计图纸、说明书质量；独立思考、独立工作能力，综合运用知识的能力；平时的工作态度及表现；答辩情况。
最后按平时表现、报告质量、答辩成绩，其权重分别为0.2、0.4、0.4综合评定成绩，分优、良、中、及、不及格五个等级。
组长:
张娜
组员:
龚寿涛、赵伟
任务分配:
组员任务分配表
资料准备
全组
硬件原理图绘制与PCB板制作
张娜、龚寿涛
硬件实物的焊接
张娜、龚寿涛
软件设计与实现
赵伟
上机调试
全组
报告撰写
全组
摘要
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。
本设计的主要内容是用AT89C51单片机为核心控制元件并与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有8个按键和扬声器。
通过编写程序让其中七个按键分别对应音乐的七个音符，可以通过这七个按键任意弹奏我们想要的音乐节奏，最终实现电子琴的模拟设计，宁外一个按键用来控制歌曲的连续播放，将一首歌曲翻译成单片机定时器能识别的频率初值通过按下第八个按键就能播放设计好的歌曲，同时还增加了流水灯的动感效果，用流水灯反应音乐的音阶，流水灯将随音乐节奏的跳动而不停的切换。
关键词
单片机按键音阶扬声器
Abstract:
Thisdesignmainlythroughtomimickeyboardmainbodypartofthecircuitdesign,toachieveelectronicorganinherentbasicfunction,socalledsimpleelectronicorgan.ThemaincontentofthisdesignistouseAT89C51asthecorecontrolcomponentwiththekeyboard,speakersandothercoremodulesofmaincontrolmodule,onthemaincontrolmodulehaseightkeysandspeakers.Bywritingprogramforoneofthesevenkeyscorrespondingtomusicsevennotes,canthroughthesevenkeyanywewanttoplaymusicrhythm,finallyrealizethekeyboardsimulationdesign,betteroutsideabuttonisusedtocontrolthesongsplayed,Translateasongintosingle-chipmicrocomputertimercanidentifythefrequencyoftheinitialvaluebypressingthefirsteightkeyscandesigngoodsongs,butalsoincreasedthelamptotheactionofwater,Reactionofmusicscaleswithflowingwaterlights,waterlightswillkeptswitchingaccordingtothebeatofthemusicrhythm.
Keywords:
SinglechipmicrocomputerThekeysScaleThespeaker
绪论
本设计主要对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴总体硬件组成。
利用单片机定时器产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可通过按键随意弹奏想要表达的音乐节奏。
本次设计分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述设计过程。
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。
本文的主要内容是用AT89S51单片机为核心控制元件，设计一个电子琴。
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，在主控模块上设有8个按键和扬声器。
通过编程使按键能对应相应的音调或者连续播放音乐，并能通过流水灯的亮灭来显示音乐的节奏，功能简单而其实用，在生活中得到了广泛的应用。
每首歌曲是由许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，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，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。
1系统方案设计
1.1系统方案的选择
实现本次设计的方案有多种，下面比较说明一下最佳方案的选择。
方案一：
采用单个的逻辑器件组合
音乐是有由不同的音阶组成的，而不同的音阶又是由不同的频率发出的，那么利用不同的频率，就可以发出不同的音乐了。
我们知道计数器8253可以产生任意频率的方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率与计数器的频率对应起来就可通过计数器产生音乐了。
根据本实验要求，采用8279将键扫得到的键值通过查表得到相应的8253的频率值，将从8253得到相对应的按键弹奏信号经过LM386进行放大，再用喇叭输出，就实现了简易电子琴的基本功能，也就完成了实验的要求。
方案二：
采用AT89S52单片机作为主控芯片，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PNP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PNP型三极管9012实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器发音。
两种方案的比较：
方案一采用单个的逻辑器件组合实现。
这样虽然比较直观，逻辑器件分工鲜明，思路也比清晰，一目了然，但是由于元器件种类、个数繁多，而过于复杂的硬件电路也容易引起系统的精度不高、体积过大等不利因素。
例如七个不同的音符是由七个不同的频率来控制发出的，所用仪器之多显而易见。
方案二与前一种方案相比，主控芯片采用AT89S52单片机，它是大规模集成电路技术发展的产物，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。
同时具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，由于本设计主要用于人们娱乐方面，因此在设计上尽量使其安全以及简单易操作。
而第二种方案具有经济可行性、技术可行性、实物应用性。
综上所述，本次课程设计采用第二种方案。
1.2系统硬件组成框图
图1.2系统硬件组成框图
实验中每按下一个琴键，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，使喇叭发出不同频率（音调）的声音，声音延迟一段时间，等到按键放开之后，声音停止。
然后再继续扫描,看是否有键按下。
如此循环，即可实现基本的琴键功能。
2STC89C52最小系统设计
硬件电路要以单片机作为主控芯片，实现按键输入音符和音调，两位数码管的显示以及低音频功率放大和蜂鸣器发音。
针对本设计的功能和用途，采用AT89C52单片机更好，实现功能完全，性价比较高，更适合本设计。
2.1单片机芯片选择
此次设计采用的是STC89C52单片机芯片，其特点及管脚封装介绍如下：
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程FlashSTC89C52
其中P3口亦作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位在89系列中，在器件引脚的封装上，MCS-51系列机通常有两种封装：
一种是双列直插式，常为HMOS型器件所用；另一种是方形封装，大多数在CHMOS型器件中使用。
89C52单片机DIP40封装如2.1所示
图2.189C52直插式封装
2.2复位电路设计
图2.2复位电路
单片机最小系统常采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。
其结构如下图。
上电自动复位通过电容C4充电来实现。
手动按键复位是通过按键将电阻R2与VCC接通来实现。
2.3时钟电路设计
图2.3时钟电路
单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构图中Y1、C1、C2。
可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择30pF左右的瓷片电容。
3电子琴硬件设计
3.1键盘电路设计
常用的按键有三种：
机械触点式按键、导电橡胶式和柔性按键（又称触摸式键盘）。
机械触点式按键是利用机械弹性使键复位，手感明显，连线清晰，工艺简单，适合单件制造。
但是触点处易侵入灰尘而导致接触不良，体积相对较大。
导电橡胶按键是利用橡胶的弹性来复位，通过压制的方法把面板上所有的按键制成一块，体积小，装配方便，适合批量生产。
但是时间长了，橡胶老化而使弹力下降，同时易侵入灰尘。
柔性按键是近年来迅速发展的一种新型按键，可以分为凸球型和平面型两种。
柔性按键最大特点是防尘、防潮、耐蚀，外形美观，装嵌方便。
而且外形和面板的布局、色彩、键距可按照整机的要求来设计。
但是由于客观条件与经济能力有限，本系统采用机械触点式按键。
当测试表明有键被按下之后，紧接着就进行去抖动处理。
因为键是机械开关结构，由于机械触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。
为保证键识别的准确，在电压信号抖动的情况下不能进行行状态输入。
为此需进行去抖动处理。
去抖动有硬件和软件两种方法。
硬件方法就是加去抖动电路，从根本上避免抖动的产生。
软件消抖，在第一次检测到有键按下时，执行一段延时程序之后，再检测此按键，如果第二次检测结果仍为按下状态，CPU便确认此按键己按下，消除了抖动。
图3.1键盘电路
利用所给键盘的1，2，3，4，5，6，7，8八个键，能够发出7个不同的音调，而且有一个按键可以自动播放歌曲，要求按键按下时发声，松开延时一小段时间，中间再按别的键则发另外一音调的声音，当系统扫描到键盘按下，则快速检测出是哪一个按键被按下，然后单片机的定时器启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出相应的音调。
如果在前一个按下的键发声的同时有另一个按键被按下，则启动中断系统。
前面的发音停止，转到后按的键的发音程序。
发出后按的键的音调。
3.2显示电路设计
图3.2流水灯显示电路
本设计利用8个灯对应8个按键的功能显示，当按下1-7按键时对应7个音调同时对应的小灯闪烁，当按下第8个按键时播放歌曲同时小灯轮闪，闪亮的时间等于音调的长短，小灯之间的切换时间为节拍时间，这样就实现了小灯随音乐而跳动闪烁的景象。
使小灯随音乐跳动起来，这就是小灯显示的优点。
3.3串口电路设计
本设计采用MAX232串口转换芯片其性能特点如下：
1、符合所有的RS-232C技术指标；
2、只需要单一+5V电源供电；
3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-；
4、功耗低，典型供电电流5mA；
5、内部集成2个RS-232C驱动器；
6、内部集成两个RS-232C接收器；
7、高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。
内部基本上可以分为三部分：
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。
第三部分是供电。
15脚GND、16脚VCC（+5v）。
下图所示为MAX232管脚封装图。
图3.3MAX232封装引脚图
图3.4串口电路
电容器应选择1μF的电解电容。
由于RS232电平较高，在接通时产生的瞬时电涌非常高，很有可能击毁MAX232，所以在使用中应尽量避免热插拔。
如图3.4所示为通信下载电路图。
3.4发音电路设计
图3.4扬声器发声电路
本设计采用9012PNP型三极管，三极管9012是一种常用的小功率PNP型硅管，
在图中，三极管主要是做驱动用的，因为单片机的IO口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音，所以我们通过三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音，当P3.3口输出高电平三极管导通，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音，当输出低电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，所以就不会发出声音，从而实现单片机控制发声。
4电子琴软件设计
4.1电子琴发声原理
一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波
频率，也就是说不能象电子琴那样能奏出多种音色的声音。
因此单片机奏乐只需
弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和“节拍”。
音调表示一个音符唱多高的
频率，节拍表示一个音符唱多长的时间。
在音乐中所谓“音调”，其实就是我们
常说的“音高”。
在音乐中常把中央C上方的A音定为标准音高，其频率f=440Hz。
当两个声音信号的频率相差一倍时，也即f2=2*f1时，则称f2比f1高一个倍频程,
在音乐中1（do）与.1，2（re）与.2……正好相差一个倍频程，在音乐学中称它
相差一个八度音。
在一个八度音内，有12个半音。
以1—i八音区为例，12个
半音是：
1—＃1、＃1—2、2—＃2、＃2—3、3—4、4—＃4，＃4—5、5一＃5、
＃5—6、6—＃6、＃6—7、7—i。
这12个音阶的分度基本上是以对数关系来划
分的。
如果我们只要知道了这十二个音符的音高，也就是其基本音调的频率，我
们就可根据倍频程的关系得到其他音符基本音调的频率。
知道了一个音符的频率后，我们就可以采用通过单片机的定时器定时中断
的方法，将单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反，或者说来回清零，置位，从
而让蜂鸣器发出声音，为了让单片机发出不同频率的声音，我们只需将定时器予
置不同的定时值就可实现。
我们就以本次设计中标准音高A为例进行演示。
A的频
率f=440Hz,其对应的周期为：
T=1/f=1/440=2272μs
图4.1.1脉冲产生原理图
由图4.1.1可知,单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反的时间应为：
t=T/2=2272/2=1136μs
这个时间t也就是单片机上定时器应有的中断触发时间。
一般情况下，单片机奏乐时，其定时器为工作方式1，它以振荡器的十二分
频信号为计数脉冲。
设振荡器频率为f0，则定时器的予置初值由下式来确定：
t=12*（TALL–THL）/f0
式中TALL=216=65536,THL为定时器待确定的计数初值。
因此定时器的高低计数器的初值为：
TH=THL/256=（TALL–t*f0/12）/256
TL=THL%256=（TALL–t*f0/12）%256
将t=1136μs代入上面两式（注意：
计算时应将时间和频率的单位换算一致），
即可求出标准音高A在单片机晶振频率f0=12Mhz，定时器在工作方式1下的定时
器高低计数器的予置初值为：
TH440Hz=（65536–1136*12/12）/256=0XFB
TL440Hz=（65536–1136*12/12）%256=0X90
根据上面的求解方法，我们就可求出其他音调相应的计数器的予置初值。
音符的节拍我们也可以举例来说明。
在一张乐谱中，我们经常会看到这样的
表达式，如1=C、1=G……等等，这里1=C,1=G表示乐谱的曲调，和我们前面所谈
的音调有很大的关联，、就是用来表示节拍的。
以为例加以说明，它表示乐谱中
以四分音符为节拍，每一小结有三拍。
比如：
图4.1.2部分乐谱图
在图4.1.2中1、2为一拍，3、4、5为一拍，6为一拍共三拍。
1、2的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，3、4的时长为八分音符的一半，即为十六分音符长，5的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，6的时长为四分音符长。
一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为400—500ms。
我们以一
拍的时长为400ms为例，则当以四分音符为节拍时，四分音符的时长就为400ms，
八分音符的时长就为200ms，十六分音符的时长就为100ms。
可见，在单片机上控
升级会员 