单片机设计与制作 简易电子琴的设计.docx
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单片机设计与制作简易电子琴的设计
中国矿业大学徐海学院
单片机设计与制作技术报告
姓名：
学号：
班级：
电气09-1班
题目：
基于单片机的简易电子琴
任课教师：
胡明
2011年9月
单片机设计与制作任务书
班级电气09-1班学号
学生姓名
任务下达日期：
2011年9月20日
设计日期：
2011年12月14日至2011年12月22日
设计题目：
基于单片机的简易电子琴
设计主要内容和完成功能：
设计一个基于AT89C51单片机的简易电子琴。
设计一个4*4的键盘，并将16个键设计成16个音。
可弹奏想要表达的音乐。
教师签字：
摘要
键盘乐器，采用半导体集成电路，对乐音信号进行放大，通过扬声器产生音响。
发音音量可以自由调节。
音域较宽，和声丰富，甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。
它还可模仿多种音色，甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音（如人声，风雨声等）。
另外，电子琴在独奏时，还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏，适合于演奏节奏性较强的现代音乐。
另外，电子琴还安装有混响、回声、延长音、震音和颤音等多项功能装置，表达各种情绪时运用自如。
电子琴是电声乐队的中坚力量，常用于独奏主旋律并伴以丰富的和声。
还常作为独奏乐器出现，具有鲜明时代特色。
但电子琴的局限性也十分明显：
旋律与和声缺乏音量变化，过于协和、单一；在模仿各类管、弦乐器时，音色还不够逼真，模仿提琴类乐器的音色时，失真度更大，还需要不断改进。
电子琴的演奏有较大一部分是通过自动和弦伴奏来配合完成的，在音乐中和弦的连接推动了旋律地进行，不同的和声连接，形成了不同的音乐色彩。
本次设计提出了用AT89C51单片机为核心控制元件,设计一个简易的电子琴.本方案以AT89C51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16个按键和扬声器.根据使用者的操作随意弹奏想要表达的音乐。
一首音乐是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了，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、系统概述
1.1播放模块
1.2按键控制模块
1.3总体硬件组成框图
2、硬件设计
2.1硬件原理图
2.2系统板硬件连线
2.3主要硬件的介绍
2.3.1AT89S51简介
2.3.2LM386介绍
2.4播放模块的硬件设计
2.54×4矩阵键盘识别处理
3、软件设计
4、系统调试
5、结束语
6、参考文献
7、附录
1.系统概述
本系统采用单片机AT89C51为电子琴的控制核心，系统主要包括播放模块、按键控制模块。
下面对各模块的设计逐一进行论证比较。
1.1播放模块
播放模块是喇叭构成。
它几乎不存在噪声，音响效果较好。
而且由于所需驱动功率较小，且价格低廉，所以，被广泛应用。
1.2按键控制模块
电子琴设有16个按键，其中7个作为音符输入，另外1个作为模式转换按键，实现用户自弹作曲。
7个按键分别代表7个音符，包括中音段的全部音符。
通过软硬件设计，模式转换按键触发外部中断，中断使程序跳转，实现模式转换，启动电子琴。
然后通过查询电子琴所按下的按键，读取电子琴输入状态，跳转到对应的程序人口，实现自编歌曲。
当需要取消电子琴编曲功能时，再次按下模式转换按键引起外部中断．即可退出电子琴功能而返回原来按键播放处。
1.3总体硬件组成框图
图1-1总体硬件组成框图
2.硬件设计
2.1硬件原理图
2.2．系统板硬件连线
（1．把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到“音频放大模块”区域中的SPKIN端口上；
（2．把“单片机系统“区域中的P3.0－P3.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中的C1－C4 R1－R4端口上；
2.3主要硬件的介绍
2.3.1AT89S51简介
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。
图2-1单片机管脚图
引脚功能
VCC（40）：
＋5V；
GND（20）：
接地；
P0口（39－32）：
P0口为8位漏极开路双向I/O口，每引脚可吸收8个TTL门电流；
P1口（1－8）：
P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流；
P2口（21－28）：
P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流；
P3口（10－17）：
P3口是8个带内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口；
RST（9）：
复位输入。
当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间；
ALE/PROG（30）：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲；
PSEN（29）：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现；
EA/VPP（31）：
当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。
FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）；
XTAL1（19）：
反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；
XTAL2（18）：
来自反向振荡器的输出；
2.3.2LM386介绍
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中.
LM386内部电路及特性
图2-2 LM386内部电路原理图
LM386内部电路原理图如图2-2所示。
与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。
第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。
使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。
第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。
第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。
二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。
引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。
电路由单电源供电，故为OTL电路。
输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。
电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。
图2-3 LM386的外形和引脚的排列
LM386的外形和引脚的排列如图3-3所示。
引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。
查LM386的电源电压4-12V或5-18V（LM386N-4）；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200dB；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。
尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。
要注意以下几点:
1、通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20dB。
因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处--噪音减少，何乐而不为？
2、PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386；地线尽可能粗一些；输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。
这是死理，不用多说了吧。
3、选好调节音量的电位器。
质量太差的不要，否则受害的是耳朵；阻值不要太大，10K最合适，太大也会影响音质。
4、尽可能采用双音频输入/输出。
好处是：
“＋”、“－”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。
5、第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！
实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。
工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。
增大这个电容的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。
在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，这个电容可千万别省啊！
6、减少输出耦合电容。
此电容的作用有二：
隔直+耦合。
隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。
它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。
减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；太低还会使截止频率（fc＝1/（2π*RL*Cout））提高。
分别测试，发现10uF/4.7uF最为合适，这是我的经验值。
7、
电源的处理，也很关键。
如果系统中有多组电源，由于电压不同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。
非常可行的方法：
将上电、掉电时间短的电源放到+12V处，选择上升相对较慢的电源作为LM386的Vs，但不要低于4V，效果确实不错！
图2-4音频放大电路
2.4播放模块的硬件设计
音乐产生的方法
一首音乐是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了，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，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。
C调各音符频率与计数值T的对照如表1所示
表1C调各音符频率与计数值T的对照表
音符
频率（HZ）
简谱码（T值）
音符
频率（HZ）
简谱码（T值）
低1DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#1DO#
277
63731
中5SO
784
64898
低2RE
29
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