基于单片机的16键电子琴的设计.docx
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基于单片机的16键电子琴的设计
单片机原理及系统课程设计
评语:
考勤10分
守纪10分
过程30分
设计报告30分
答辩20分
总成绩(100)
专业:
自动化
班级:
姓名:
学号:
指导教师:
xx交通大学自动化与电气工程学院
2015年12月30日
基于单片机的16键电子琴
一、电子琴设计的目的、要求与设计方法
1.1设计目的
现代乐器中,电子琴是高新科技在音乐领域的一个代表,体现了人类电子技术和艺术的完美结合。
电子琴自动伴奏的稳定性、准确性,以及鲜明的强弱规律、随人设置的速度要求,都更便于人们由易到难、深入浅出的准确掌握歌曲节奏和乐曲风格,对其节奏的稳定性和准确性训练能起到非常大的作用。
1.2设计要求
本设计主要是用AT89C52单片机为核心控制元件,设计一个微缩版的电子琴。
单片机与按键构成主控制模块,在主控制模块上设置有9个按键,分别达成不同目标。
本系统主要为了完成电子琴的三大功能:
电子琴弹奏和音乐播放及录音。
1.3电子琴设计方法
1.3.1设计工具
表1软件简介
软件名称
设计作用
KeiluVision4
编写程序与编译
PROTEUS
绘制硬件电路图、数字仿真
MicrosoftVisio
绘制程序流图与框图
1.3.2设计思路
(1)功能按键触发外部中断,以完成不同曲目的的切换。
(2)设置定时器产生不同频率的方波,I/O口输出,经功放后扬声器发声。
(3)采用4×4矩阵键盘弹奏16个音(低XI到高DO)。
二、电子琴的设计方案及原理
2.1设计总体方案
本系统采用AT89C52为主控芯片。
输入电路有16个琴键按键,通过按键随意按下所要表达的音符,作为电平送给主体电路,中央处理器通过识别,解码输出音符,在扬声器中发出有效的声音。
1个音乐按键用于播放音乐和切换歌曲,通过按键触发中断,重置定时器初值,于另一个扬声器中发出有效音响。
总设计框图如下图1所示。
图1基于单片机的电子琴电路原理框图
2.2发声原理
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,例如,频率为523Hz,其周期T=1/523=1912μs,因此只要令计数器计时956μs/1μs=956,每计数956次时将I/O反相,就可得到中音DO(523Hz)。
计数脉冲值与频率的关系式是:
N=fi÷2÷fr。
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。
三、电子琴的硬件设计
基于单片机AT89C51的电子琴电路由琴键控制电路、数码管显示电路、音频播放电路、时钟-复位电路、音乐切换电路和电源电路六部分所构成。
3.1琴键控制电路
琴键控制电路作为人机联系的输入部分,也是间接控制数码显示和音频功放的重要组成部分。
键盘按照连接方式可以分为独立式和矩阵式键盘两类。
3.1.1矩阵式键盘
如图2所示为4X4矩阵式键盘电路,由一个4X4的行、列结构可以构成一个16个按键键盘。
矩阵中无按键按下时,行线为高电平;当有按键按下时,行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。
列线的电平如果为低,则行线电平为低;列线的电平如果为高,则行线的电平也为高,这是识别按键是否按下的关键所在。
图2矩阵式键盘
3.1.2独立式键盘
独立式键盘的特点是一键一线,各键相互独立,每个键各接一条I/O口线,通过检测I/O输入线的电平状态,可判断出被按下的按键。
3.1.3 方案比较
表2键盘类型比较
键盘类型
优点
缺点
独立式
电路简单,编程简单
占用I/O口线多
矩阵式
占用I/O口线较少
编程比较复杂
由于此次设计的琴键控制电路需要16个按键,故单纯从I/O口线的占用的角度比较,独立式需要占用16条I/O口线,而矩阵式却只需8条。
故选择矩阵式键盘电路比较合理。
3.2数码管显示电路
LED(Light Emitting Diode)发光二极管缩写。
LED数码管是由发光二极管构成的。
常见的LED数码管为“8”字型的,共计8段。
一般来说分共阳极和共阴极两种接法。
3.2.1LED数码管静态显示
静态显示方式即无论多少位LED数码管,同时处于显示状态。
如果送往各个LED数码管所显示字符的段码一经确定,则相应I/O口锁存器锁存的段码输出将维持不变,直到送入另一个字符的段码为止。
3.2.2LED数码管动态显示
静态显示方式就是无论在任何时刻只有一个LED数码管处于显示状态,即单片机采用“扫描”方式控制各个数码管轮流显示。
3.3.3方案比较
对于以上两种数码管驱动电路的的优缺点比较如表3所示。
由于静态驱动方式的显示无闪烁,亮度较高,编程简单,加上本次设计的数码管显示电路只需要2个数码管,且分别接两部分管脚,故选择静态驱动方式来显示数码管更为合理。
如图3所示为数码管显示电路,采用静态驱动方式和共阳极接法。
表3数码管显示方式比较
驱动方式
优点
缺点
静态显示
显示无闪烁,亮度较高,
编程简单
数码管越多,所需的电流越大,电源的要求越高
动态显示
电路简单,数码管越多,
优势越明显
不如静态显示的亮度高, 可能出现闪烁现象
图3数码管静态显示电路
3.3音乐切换电路
通过按键拉低电平,触发中断0。
3.4音频播放电路
使用两个扬声器,一个作为琴键输出,一个作为乐曲输出。
3.5时钟复位电路
3.5.1时钟电路
时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式,一种是内部时钟方式,另一种是外部时钟方式。
本设计采用内部时钟方式做时钟电路。
3.5.2复位电路
在单片机的实用系统中,一般有两种复位操作形式:
上电复位和手动复位。
上电复位在单片机系统每次通电时执行。
手动复位在系统出现操作错误或程序运行出错时使用。
由于本设计的需要,同时采用这两种复位方式。
整体电路图如下图4所示。
图4整体硬件设计
四、电子琴的软件设计
系统功能的实现一般包括硬件部分和软件部分,一旦硬件确定下来,软件要实现的功能也随之确定。
而为使编程思路清晰,应先绘制程序流程图。
4.1 系统硬件接口定义
表4系统硬件接口定义
引脚名
接口说明
备注
P0.0~P0.7
琴键数码管与单片机通信
数码管显示电路
P2.0~P2.7
曲目数码管与单片机通信
数码管显示电路
P3.2(INT0)
外部中断源输入端
音乐切换电路
P1.0~P1.7
矩阵键盘接口
琴键控制电路
P3.0,P3.7
控制扬声器
音频播放电路
4.2主函数
主函数流程图如图5所示。
利用模块化的思想,主函数只执行初始化函数、键盘扫码函数、音频处理函数和数码管显示函数。
图5主函数流程图
4.3初始化函数
初始化的流程框图如图6所示。
该函数对所需的I/O口、外部中断0、定时器0、定时器T1以及数码管进行初始化配置。
TMOD=0x11;//T0方式1,T1方式1
IP=0x01;//INT0中断优先级最高
EA=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;//允许中断
TR0=0;//关定时器0
P1=0xbf;//键盘初始化
flag=0;//标志位置0
图6初始化流程图
4.4数码管显示及音频处理函数
根据键值扫描函数读取的键码,扬声器发声并结合数码管显示出来。
图7数码管显示流程图
4.5中断函数
中断函数用到了外部中断和定时器中断。
外部中断的流程框图如图8所示,当按键按下时,外部信号触发外部中断,执行键值扫描函数,读取对应的键值。
定时中断的流程框图如图9所示,定时器溢出中断后,进行重装载初值,同时执行相应的音频控制操作。
4.6键值扫描函数
将输入端置为高电平,输出端置为低电平。
这样,当按键没有按下时,所有的输入端无变化,代表无键按下。
一旦有键按下,则输入线就受输出线的影响被拉低,这样,通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
流程图如图10所示。
图8外部键盘中断流程图图9定时器中断流程图
图10键值扫描流程图
五、电子琴的系统仿真
5.1部分仿真结果
表5仿真结果
按键编号
发声音调
数码管显示
备注
0
低XI
0,-
1
中DO
1,-
2
中RI
2,-
无
播放曲目及停止
1,2,或-
重复按切换音乐
图11音乐显示为“-”或不显示的时候,琴键按下DO有效
图12按音乐键,播放音乐1,琴键弹奏无效
5.2调试中出现的问题及解决
电子琴的设计并非一帆风顺,在这期间遇到了很多问题,下面谈几个关键的问题。
首先是数码管显示乱码的问题,原本以为是数码管字形码表的代码有错,检查几遍发现代码基没错,后来结合硬件图一看,才知道硬件图中数码管是共阳极接法,软件中的数码管字形码表是共阴极的。
其二是按键引入中断检测时遇到的问题,按音乐键后琴键无法发声和显示,浪费了很多时间,最终发现是程序的判断条件有问题。
其三是扬声器发出的音调不对,甚至没有声音,这个问题后来还是不能解决,最后放弃了LM386的功放电路,直接接扬声器,但是导致了部分琴键发声带杂音。
六、总结
在本次设计八路多功能抢答器的课设过程中,我利用AT89C52单片机及外围接口实现电子琴,利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理实现对弹奏和播放的功能,利用Proteus和Keil软件设计出实验电路,完成了课设的任务。
在本次课设中,我意识到将理论知识与实践相结合的重要性,对于单片机这样的课程,仅仅通过了解课本上的知识是远远不够的,我通过查资料和搜集有关文献,培养了自学能力,通过利用软件仿真和焊接电路,在很大程度上提高了我的动手能力。
我们在课设的过程中,遇到了很多问题,比如我在仿真的过程中错把共阴极数码管字模当作共阳极使用,使得数码管无法正常显示,通过查资料我明白了共阴极数码管是高电平驱动,公共端是负极,共阳极数码管是低电平驱动,公共端是正极,类似的问题出现了很多,我们通过一一排查,终于完成了课设任务,结果表明,有付出必有收获,把握重点、攻克难关,活学活用对于牢固的掌握知识,是非常有用的。
在此次课设中,我学到了很多,也通过不断纠正自己的错误,意识到自身的不足,我对知识的掌握还没有实现深层次的理解记忆,我相信这些教训都为我以后的学习奠定了良好的基础,时刻牢记团队合作、坚持与努力的重要性。
参考文献
[1]王思明,张金敏,苟军年.单片机原理及应用系统设计[M].北京:
人民邮电出版社,2008.
[2]冯育长,邹小兵.单片机系统设计与实例指导[M].西安:
西安电子科技大学出社,2004.
[3]彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京:
电子工业出版社,2009.
[4]单丹,马淑云.基于AT89C51单片机电子琴的设计[J].中国高新技术企业,2002.
附录
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
//共阳极数码管
UcharcodeLED[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf};
sbitbeep=P3^0;
ucharkey;//键号
sbitbuzzer=P3^7;
uchardis_buf;
ucharflag;
//音符延时表
uintcodeTone_Delay_Table[]=
{64524,64580,64684,64777,64820,64896,64966,65030,65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283,65316};
//音调与节拍
ucharcodeSong1_Tone[]=
{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,0xff};
ucharcodeTime1_Tone[]=
{1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0xff};
ucharcodeSong2_Tone[]=
{3,5,5,3,2,1,2,3,5,3,2,3,5,5,3,2,1,2,3,2,1,1,0xff};
ucharcodeTime2_Tone[]=
{2,1,1,2,1,1,1,2,1,1,1,2,1,1,2,1,1,1,2,1,1,1,0xff};
ucharcodeSong3_Tone[]={1,1,5,5,6,6,5,4,4,3,3,2,2,1,0xff};
ucharcodeTime3_Tone[]={1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0xff};
//定义按键序号
ucharkeyno;
//音乐片段索引,音符索引
ucharsong_index=0;
uchartone_index=0;
//音符指针,延时指针
uchar*tone_pointer,*delay_pointer;
//从当前数组中取出音符的位置
uchari=0;
//毫秒延时
voiddelayms(uintms)
{
uchart;
while(ms--)for(t=0;t<120;t++);
}
//按键产生外部中断
voidKey_Press()interrupt0
{
TR0=0;
//切换歌曲
song_index=(song_index+1)%3;
switch(song_index)
{
case2:
tone_pointer=Song1_Tone;
delay_pointer=Time1_Tone;
break;
case1:
tone_pointer=Song2_Tone;
delay_pointer=Time2_Tone;
break;
case0:
tone_pointer=0;
delay_pointer=0;
break;
}
//重新开始
i=0;
TR0=1;
flag=1;
}
//T0中断播放
voidplay_music()interrupt1
{if(song_index!
=0){
TH0=Tone_Delay_Table[tone_index]/256;
TL0=Tone_Delay_Table[tone_index]%256;
buzzer=~buzzer;}
else{buzzer=0;}
}
/*voidkey_scan()
{
uchartemp,k;
//高四位置0,放入四行
P1=0x0f;
delayms
(2);
//按键后00001111变成0000xxxx,x中1个为0,3个仍为1
//以下亦或操作把3个1变成0,唯一0变成1
temp=P1^0x0f;
//判断按键发生于0-3列的哪一列
switch(temp)
{
case1:
k=0;break;
case2:
k=1;break;
case4:
k=2;break;
case8:
k=3;break;
default:
return;
}
//底四位置0,放入四列
P1=0xf0;
delayms
(2);
//按键后11110000变成xxxx0000,x为1个0,三个仍为1
//高四位移动至底四位,唯一0变1,其余为0
temp=(P1>>4)^0x0f;
//对0~3行分别赋起始值0,4,8,12
switch(temp)
{
case1:
k+=0;break;
case2:
k+=4;break;
case4:
k+=8;break;
case8:
k+=12;break;
default:
return;
}
keyno=k;
}*/
//矩阵键盘扫描子程序
voidkey_scan(void)
{uchartemp;
P1=0x0F;//低四位输入
delayms
(2);//稍稍延时
temp=P1;//读P1口
temp=temp&0x0F;//取低四位
temp=~(temp|0xF0);
if(temp==1)//检测按下的键所在的列号,在第一列
key=0;
elseif(temp==2)//在第二列
key=1;
elseif(temp==4)//在第三列
key=2;
elseif(temp==8)//在第四列
key=3;
else
key=16;//否则显示-
P1=0xF0;//高四位输入
delayms
(2);
temp=P1;//读P1口
temp=temp&0xF0;
temp=~((temp>>4)|0xF0);
if(temp==1)//检测按下的键所在的行号,在第一行
key=key+0;
elseif(temp==2)//在第二行
key=key+4;
elseif(temp==4)//在第三行
key=key+8;
elseif(temp==8)//在第四行
key=key+12;
else
key=16;//否则显示-
/*根据行号和列号得到按下的键号*/
dis_buf=LED[key];//查表得键值
}
//T1中断,发声DORIMI。
。
。
。
voidplay()interrupt3
{
TH1=Tone_Delay_Table[key]/256;
TL1=Tone_Delay_Table[key]%256;
beep=~beep;
}
//主程序
voidmain()
{
TMOD=0x11;//T0方式1,T1方式1
IP=0x01;//INT0中断优先级最高
EA=1;
ET0=1;
ET1=1;
EX0=1;//允许中断
TR0=0;
P1=0xbf;
flag=0;
while
(1)
{//if(flag==0){
P1=0xf0;//发送扫描码
if(P1!
=0xf0)//有键按下
{
if(song_index!
=2&&song_index!
=1)
{
key_scan();
P0=dis_buf;//键值赋给P0口,显示
TR1=1;
}
}
else
{
TR1=0;//停止播放
}//}
if(flag==1&&song_index!
=0)
{
delayms
(2);
tone_index=tone_pointer[i];
if(tone_index==0xff)
{
i=0;
delayms(2000);
continue;
}
TR0=1;
delayms(delay_pointer[tone_index]*240);
TR0=0;
i++;
switch(song_index)
{
case2:
P2=LED[2];
break;
case1:
P2=LED[1];
break;
case0:
P2=0xbf;
break;
}
}
}
}