基于单片机的简易电子琴电路设计.docx
《基于单片机的简易电子琴电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的简易电子琴电路设计.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的简易电子琴电路设计
单片机课程设计任务书
题目:
基于单片机的简易电子琴电路设计
初始条件：
简易电子琴一般具有弹奏一个自然大调7声音阶的功能。
本课程设计，要求用AT89C51等系列芯片实现控制功能，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LM386放大电路实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器进行播放“送别”。
要求完成的主要任务:
1.设计任务
根据已知条件，设计并制作一个简易电子琴。
2.设计要求
（1）基本要求：
①具备7个按键，能够分别较准确地弹奏出1～7八个音符。
②选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。
计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
用EWB或MULTISIM软件完成仿真，之后制作出相应实物，并按规定格式写出课程设计报告书。
（2）扩展要求：
（在完成基本要求的前提下，学有余力的同学可完成）
① 能够弹奏出至少21个音符（三个音阶）。
② 能够较便捷地完成音阶的升降。
（用另外三个按键开关实现正常、升8度和降8度的切换）。
时间安排：
序号
阶段容
所需时间（周）
1
方案选择及电路设计
假期进行
2
制作、编程、调试
1
3
撰写课程设计报告及答辩
1
合计
2
指导教师签名：
年月日
基于单片机的简易电子琴控制系统设计
摘要
目的：
本设计主要研究基于AT89C52单片机的简易电子琴设计。
方法：
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”。
结果：
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。
结论：
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。
关键词：
单片机定时中断蜂鸣器数码管c语言编程
1系统设计
本项目所制作的电子琴控制系统是以51单片机为核心的系统，它主要包括模拟信号
主控芯片89C52、发音单元、显示模块、按键模块组成。
具体方案如图1-1所示：
图1-1系统模块
采用AT89C52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。
2硬件电路设计
2.1显示部分设计
（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）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2-1数码管电路
2.2按键部分设计
（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）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。
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。
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2-2独立式键盘电路图
（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，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。
2.3发音部分设计
如下图所示，发音电路是由蜂鸣器、三极管、上拉电阻构成。
由三极管来驱动扬声器发音的，同时加上拉电阻增强驱动电流，提高驱动能力。
图2-3独立式键盘电路图
3软件程序设计
3.1系统分析
（1）系统软件的组成
①键盘扫描程序：
检测是否有按键按下，有按键按下则记录按下键的键值，并跳转至功能转移程序；无按键按下，则返回键盘扫描程序继续检测。
②功能转移程序：
对检测到的按键值进行判断，是琴键则跳转至琴键处理程序，是功能键则跳转至相应的功能程序，我们设计的功能程序有两种，即音色调节功能和自动播放乐曲的功能。
③琴键处理程序：
根据检测到的按键值，查询音调表，给计时器赋值，使发出相应频率的声音。
④自动播放歌曲程序：
检测到按键按下的是自动播放歌曲功能键后执行该程序，电子琴会自动播放事先已经存放的歌曲，歌曲播放完毕之后自动返回至键盘扫描程序，继续等待是否有按键按。
3.2参数计算
（1）发音原理
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P1.0反相，然后重复计时再反相。
就可在P1.0引脚上得到此频率的脉冲。
利用AT89C51的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。
（2）计算举例
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。
其计数初值T的求法如下：
T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr
例如：
设K＝65536，fi＝1MHz，求中音DO（261Hz）。
T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr，中音DO的T＝65536－500000/523＝64580。
（3）计算结果
（1）单片机12MHZ晶振，中音符与计数T0相关的计数值如表所示：
音符
频率（HZ）
计数值（T值）
音符
频率（HZ）
计数值（T值）
低1DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#1DO#
277
63737
中5SO
784
64898
低2RE
294
63835
#5SO#
831
94934
#2RE#
311
63928
中6LA
880
64968
低3MI
330
64021
#6LA#
932
64994
低4FA
349
64103
中7SI
968
65030
#4FA#
370
64185
低1DO
1046
65058
低SO
392
64260
#1DO#
1109
65085
#5SO#
415
64331
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64400
#2RE#
1245
65134
#6LA#
466
64463
高3MI
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64580
#4FA#
1490
65198
#1DO#
554
64633
高5SO
1568
65217
中2RE
587
64633
#5SO#
1661
65235
#2RE#
622
64884
高6LA
1760
65252
中3MI
659
64732
#6LA#
1865
65268
中4FA
698
64820
高7SI
1967
65283
采用查表程序进行查表时，可以为这个音符建立一个表格，有助于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。
用单片机播放音乐，或者弹奏电子琴，实际上是按照特定的频率，输出一连串的方波。
为了输出合适的方波，首先应该知道音符与频率的关系。
（2）音调数据表
曲调值
DELAY
曲调值
DELAY
调4/4
125ms
调4/4
62ms
调3/4
187ms
调3/4
94ms
调2/4
250ms
调2/4
125ms
上表中的频率数值，有些过多，去掉不常用的黑键频率，只是把白键对应的数据存放在单片机中，即可满足绝大部分的应用需求。
定义音调数据表的程序如下：
DW63628,63835,64021,64103,64260,64400,6452464580,低音区:
1234567
DW64580,64671,64777,64820,64898,64968,6503065058中音区:
1234567
DW65058,65110,65157,65178,65217,65252,6528365312高音区:
1234567
把这个数据表，放在程序中，需要播音的时候，就从表中取出一个数据送到定时器，当定时器溢出中断的时候，再对输出引脚取反，那么，在扬声器中，即可听到上表中频率的声音。
3.3程序设计
（1）判断音阶（高中低音）子程序
在软件设计中采用yinjie代表音阶，如下所示
音阶
Yinjie值
高
2
中
1
低
0
初始化状态为中音（yinjie=1），电路中设计高、低两个音阶键。
上电后，若无按键按下，则为中音模式。
若音阶键被按下，则如下流程图所示，初始化后进行按键扫描，在高音键按下，若初始yinjie不为2，则另yinjie=2,进入高音工作模式，若初始yinjie为2，则对yinjie进行初始化，即另yinjie=1,重新进入进入中音工作模式，这样即实现了高音键切换高、中音方式的转换。
同理，用低音键实现中、低音的切换。
图3-1判断音阶（高中低音）子程序
（2）播放子程序（包括自动播放存储音乐和按键发音）
本设计共两种播放模式，包括自动播放存储音乐和按键发音。
上电后，首先开中断并设定定时器0为工作方式1，当自动播放键按下时，进入中断，根据乐谱在定义的音频数组中查找相应音律，然后给定时器赋初值，即开始播放音乐。
当DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七种音符键按下时，根据音阶值（如3.3.1中高中低对应）和音符值在定义的音频数组中查找相应音律，然后给定时器赋初值，即按键发音。
图3-2播放子程序
（3）由此可得系统总体功能流程图
图3-3系统总功能流程图
4系统仿真与调试
4.1硬件调试
硬件调试主要是针对单片机部分进行的调试。
在上电之前，先确保电路中不存在断路或短路情况，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。
在这部分调试中主要使用的工具是万用表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况的任务。
注意焊点之间，确保焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及短路的现象出现。
在确保硬件电路正常且无异常情况（断路或短路）的情况下方可上电调试，上电调试的目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次设计中，上电调试主要是检测单片机控制部分、数码管点亮部分、和音频转换电路硬件调试。
（1）、数码管LED电路调试：
接通电源，随机按下按钮可以看到数码管显示数字。
（2）、键盘单片机控制部分调试：
上电后，随机按动键盘可以发现各个按键对应的音正确。
4.2软件调试
调试主要方法和技巧：
通常一个调试程序应该具备至少四种性能：
跟踪、断点、查看变量、更改数值。
整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程，要使主程序和整个程序都能平稳运行，各个模块的子程序的正确与平稳运行必不可少，所以在软件调试的最初阶段就是把各个子程序模块进行分别调试。
4.3仿真结果（任举一例）
图4-1低音音符DO仿真图
4.4结果分析
根据仿真结果可知，本次课程设计能够准确并彻底的完成设计要求。
左侧数码管可以显示a、b、c三种结果，分别代表低音、中音和高音。
右侧数码管可以显示1、2、3、4、5、6、7七个数字，分别代表DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七种音符。
下面以4.3为例具体进行分析：
当系统上电后，若按下低音键（如图P3.6）,，则选定工作方式为低音模式，图中a即代表低音。
P0口连接数码管段选端，右侧数码管显示的1即代表DO。
两位数码管即代表低音DO。
5总结与展望
总体来说，此次单片机课程设计使我们收获良多，虽然课程设计的过程中遇到了很多困难与问题，但我们最终还是完成了设计的任务及要求。
具体来说可以分为以下几点：
第一，不够细心，不够严谨（如因为粗心大意而焊错线）；第二，因对课本理论的掌握度不够导致编程出现错误；第三，硬件方面，刚开始有的程序模块不能实现预期的效果，对于有的硬件，在实物制作过程中焊了比较多的排线，同时对于整体各元器件的布局都有很高的要求。
不过在向同学请教，各方面都有了不同程度的改善；第四，在做人方面，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力和决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。
这次课程设计中，经过我们的努力，在仿真软件和实物上都实现了高、中、低21个音符的发声和音乐的自动播放，使我们有了一定的成就感，也使我们进一步熟悉和掌握了单片机的部结构和工作原理，了解了单片机应用系统设计的基本方法和步骤,掌握了单片机仿真软件Proteus的使用方法和键盘、显示器在的单片机控制系统中的应用，同时也掌握了撰写课程设计报告的方法。
总之，通过这次课程设计，我们都清楚明白了自己的能力有多深，想提高还得归于多锻炼，多动手，多向别人学习。
6参考文献
【1】余发山、王福忠.单片机原理及应用技术.中国矿业大学.2008年6月第1版
【2】凌霄.微型计算机原理与应用，中国矿业大学.2008年8月第一版
【3】康华光.电子技术基础（数字部分），高等教育.第五版
【4】徐志军,伊廷辉等.EDA技术与PLD设计人民邮电,2006年2月第1版
【5】朝青.单片机原理及接口技术[M].：
航天航空大学出版色，2001.
【6】胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].：
清华大学，2004.
附件1：
源程序代码
#include
#definekeyportP1
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharhigh,low;//定时器预装值的高8位和低8位
sbitspeak=P3^0;
sbitgao=P3^5;
sbitdi=P3^6;
sbitzdbf=P3^7;
ucharyinjie=1;
uchartime;
ucharn=0;
ucharbo=0;
ucharcodefre[][2]={
0x8c,0xf8,
0x5b,0xf9,
0x15,0xfa,
0x67,0xfa,
0x90,0xfb,
0xae,0xfb,
0x0c,0xfc,//低音
0x44,0xfc,
0xac,0xfc,
0x09,0xfd,
0x34,0xfd,
0x82,0xfd,
0xc2,0xfd,
0x06,0xfe,//中音
0x22,0xfe,
0x56,0xfe,
0x85,0xfe,
0x9a,0xfe,
0xc1,0xfe,
0xe4,0xfe,
0x03,0xff,//高音
};
voiddelay（uint）;
voidITimer0（void）;//定时器初始化
voidkey（void）;
voiddtxs（int,int）;
voidsong（）
{
TH0=high;
TL0=low;
TR0=1;
delay（time*240）;
}
voidyinyue（）
{
ucharcodehls[]={5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,4,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,1,2,1,2,2,1,3,2,2,2,2,1,
1,2,1,2,2,6,5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,3,7,2,1,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,
2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,1,1,2,6,6,2,2,1,3,2,1,3,4,7,2,2,6,2,1,7,2,1,1,3,4,6,2,1,
7,2,1,1,3,1,6,2,1,6,2,1,5,2,1,3,2,1,1,2,1,2,2,6,5,2,2,3,2,1,
1,2,1,1,3,3,7,2,1,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,1,1,2,6
};
ucharm;
n=0;
while（n<174）
{
m=hls[n]+7*（hls[n+1]-1）-1;
high=fre[m][1];
low=fre[m][0];
time=hls[n+2];
n=n+3;
song（）;
}
}
voidmain（void）
{
ucharnum;
ITimer0（）;
speak=0;
while
（1）
{
key（）;
switch（keyport）
{
case0xfe:
num=1;break;
case0xfd:
num=2;break;
case0xfb:
num=3;break;
case0xf7:
num=4;break;
case0xef:
num=5;break;
case0xdf:
num=6;break;
case0xbf:
num=7;break;
case0x7f:
num=8;break;
default:
num=0;break;
}
if（num==0）
{
TR0=0;
speak=0;
}
else
{
high=fre[7*yinjie+num-1][1];
low=fre[7*yinjie+num-1][0];
TR0=1;
}
dtxs（yinjie,num）;
}
}
voidITimer0（void）
{
TMOD|=0x01;//使用模式1，16位定时器，使用"|"符号可以在使用多个定时器时不受影响
EA=1;//总中断打开
ET0=1;//定时器中断打开
TR0=1;//定时器开关打开
}
voidTimer0_isr（void）interrupt1
{
TH0=high;
TL0=low;
speak=!
speak;
if（zdbf==0）
{
delay（100）;
if（zdbf==0）
{
bo++;
if（bo/2==1）
{delay（100）;
if（n<174）n=500;//n赋值大于174，跳出while，停止音乐
else
升级会员 