单片机简易电子琴设计方案报告.docx

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单片机简易电子琴设计方案报告

它是以单片机作为主控核心，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NPN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NPN型三极管8550实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器进行播放“送别”。

本设计硬件部分主要由最小系统，按键系统模块、数码管显示模块和蜂鸣器模块组成。

其软件部分主要有主程序模块、定时中断程序、定时计数程序、显示程序。

（1）最小系统：

它是单片机应用系统的设计基础。

它包括单片机的选择、时钟系统设计、复位电路设计、简单的I/O口扩展、掉电保护等。

（2）按键系统模块：

本设计采用10个按键，其中7个按键用来显示7个音调，其它3个按键可以进行高低中音的切换，并自动播放已存歌曲。

（3）数码管显示模块：

SM420562段选端接在单片机的P0口，两个位选端分别接在P2^0和P2^1。

（4）蜂鸣器模块：

此电子琴发音电路是通过三极管驱动蜂鸣器发音，经过上拉电阻提高驱动能力。

本次设计首先对单片机设计简易电子琴仔细分析，接着制作硬件电路和编写软件的程序，最后进行软硬件的调试运行。

并且从原理图，主要芯片，各模块的原理和各个模块的程序调试来阐述。

利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，实现高、中、低共21个音符的发音和显示和音乐播放时的控制显示，并且能自动播放程序中编排的音乐。

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，性价比高等，具有一定的使用和参考价值。

1.概述4

1.1设计背景4

1.2设计意义4

1.3设计任务4

2.系统总体方案及硬件设计5

2.1总体设计5

2.2单片机选型6

2.3单片机的最小工作系统6

2.3.1时钟电路6

2.3.2复位电路7

2.4原理框图7

2.5显示部分设计8

2.5.1数码显示方式8

2.5.2八位数码管的结构8

2.6按键部分设计9

2.6.1操作键设计9

2.6.2键盘设计9

2.6.3去抖动10

2.7发音部分设计11

3.系统软件设计12

3.1系统分析12

3.1.1系统软件的组成12

3.1.2系统总体功能流程图13

3.2参数计算14

3.2.1发音原理14

3.2.2计算举例14

3.2.3计算结果14

3.3程序设计16

3.3.1判断音阶（高中低音）子程序16

3.3.2播放子程序（包括自动播放存储音乐和按键发音）17

4.Proteus软件仿真19

4.1硬件调试19

4.2软件调试19

4.3仿真结果（任举一例）20

4.4结果分析20

5.课程设计体会21

参考文献22

附1源程序代码23

附2系统原理图32

1.概述

1.1设计背景

随着电子科学技术的飞速发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作,因此开发本系统希望能够给人们带来更多的生活乐趣。

基于当前市场上的玩具需求量增大，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来实现电子琴的功能，从而可以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。

鉴于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个音，从而也可以通过单片机实现对十个按键的扩展，实现七个音符键的高、中、低21个音调的显示播放和任意音乐的自动播放。

该设计将十个音键制作成独立键盘，其中七个为音符键，三个为控制键，并用数码管进行显示，使电子琴的功能更加完美。

不但可以实现对按键的显示，而且可以实现对音乐的自动存储和播放，使该设计功能更加完善。

1.2设计意义

该设计具有以下优点：

①可以方便得知播放的音符和音调；

②比传统电子琴功能更完善；

③制作简单，成本低；

1.3设计任务

实现电子琴发声控制系统；要求电路实现如下功能：

利用蜂鸣器作为发声部件，两个数码管作为显示部件，设置10个按键，实现高音、中音、低音的1、2、3、4、5、6、7的发音。

并在存储一首歌曲的内容，可以实现自动播放。

用PROTEUS实现的电子琴仿真设计

说明：

单片机的工作时钟频率为11.0592MHz。

2.系统总体方案及硬件设计

2.1总体设计

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：

用VHDL语言编程来实现

系统整体基本原理图如下：

图1、系统整体基本原理图

利用我们实验室先进的数字电路实验设备，我们可以采用VHDL语言编程来实现。

我们可以通过VDHL语言，对实验原理图的各个部分进行设计，通过编译，可以在计算机上下载此实验原理图，利用电路学习机上的芯片。

我们很快就可以设计出一个简单的电子琴。

并实现其功能。

方案三：

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NPN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NPN型三极管8550实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器发音。

三种方案的比较：

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。

方案二采用VHDL语言编程来实现电子琴的各项功能。

系统主要由电子琴发声模块、选择控制模块和储存器模块组成。

和方案一相比较，方案二就显得比较笼统，虽然我们可以看到用超高速硬件描述语言VHDL的优势，但本质上它只是把整个系统分为了若干个模块，而不牵涉到具体的硬件电路。

方案三与前两种方案相比，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。

而第三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三种方案。

2.2单片机选型

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AT89S51单片机更好，实现功能完全，性价比较高，更适合本设计。

2.3单片机的最小工作系统

单片机加上适当的外围器件和应用程序，构成的应用系统称为最小系统。

2.3.1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2中X1、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。

图2、时钟电路

2.3.2复位电路

单片机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C3充电来实现。

手动按键复位是通过按键将电阻R1与VCC接通来实现。

图3、复位电路

2.4原理框图

本系统有主控芯片89S52、发音单元、显示模块、按键模块组成。

图4、原理框图

2.5显示部分设计

2.5.1数码显示方式

数码显示有静态显示方式与动态显示方式两种。

工作在静态显示方式时，数码管的位线与电源一直相连，数码管中的二极管均处于通电状态，即在静态工作方式下，显示电路中数码管的位选线是同时选通，而数码管的段选线是独立输入。

工作在动态显示方式时，数码管的位线在扫描控制电路的控制下按设定顺序导通，即电路中的数码管是逐个接通电源，数码管的段选线以并联方式与译码电路联接，即在动态工作方式下，数码管不是同时导通显示而是按照设定顺序分时导通显示。

2.5.2八位数码管的结构

本次课程设计的显示电路采用两位数码管进行显示，由于此设计采用的是共阴极的，使用时不加限流电阻。

为了显示字符，要为LED显示器段码，除了组成8字形的字符的7段，另加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的显示段码为1个字节。

图5、数码管电路

2.6按键部分设计

2.6.1操作键设计

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。

2.6.2键盘设计

键盘在单片机应用系统中是一个关键的部件，它能实现向计算机输入数据，传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。

键盘可以分为2类：

独立连接式键盘和矩阵式键盘。

（1）矩阵式键盘

单片机系统中，若按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。

矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。

显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。

矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上．当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。

这是识别按键是否按下的关键。

（2）独立连接式键盘

独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，然而，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。

独立式按键软件常采用查询式结构。

先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。

由于本程序较为简单，为了使用方便及节省资源，选择独立式键盘。

下图为独立式键盘电路图：

图6、独立式键盘电路图

2.6.3去抖动

键盘编程中主要考虑去抖动的问题。

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，