基于单片机的简易电子琴设计毕业论文.docx

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基于单片机的简易电子琴设计毕业论文

学号：

1108421035

课程设计报告

基于STC12C5A60S2单片机步进电机

控制系统设计

院系电子信息工程学院

专业电子信息工程

班级1

姓名任杰

摘要：

随着社会的发展进步，音乐逐渐成为我们生活中很重要的一部分，有人曾说喜欢音乐的人不会向恶。

我们都会抽空欣赏世界名曲，作为对精神的洗礼。

本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。

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。

它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。

本文的主要内容是用AT89S52单片机为核心控制元件，设计一个电子琴。

本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。

关键词：

单片机电子琴AT89S52

1.1课题研究背景与意义

电子琴是高科技在音乐领域的一个代表，它是古典文化与现代文明的一个浓缩体。

它不但可以帮助我们的音乐教师进行传统音乐文化的教育教学工作，而且由于它又具备现代音乐，特别是电子音乐、电脑音乐的基本结构、特征，因而使我们的教师在进行现代音乐、电子音乐、电脑音乐的教学时，更直接、更简便。

课题研究背景

单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。

它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。

因此，单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。

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。

它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经融入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。

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16个按键和扬声器。

课题研究意义

本文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的电子琴硬件组成。

利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。

并且本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。

本系统是简易电子琴的设计，按下键盘矩阵中的按键会使数码管显示当前按键，扬声器播放器对应的音符。

通过设计本系统可了解单片机的基本功能。

对单片机的了解有一个小的飞跃。

2硬件设计

2.1系统硬件设计及说明

系统组成及总体框图

硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。

该设计要实现一种由单片机控制的电子琴，单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时/计数器T0，工作模式为1，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号。

该设计具有11个音节的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。

由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。

用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。

本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。

键盘扫描

AT89S52

LED灯光显示

扬声器播放音乐

电源部分

系统结构图

显示电路

本次毕业设计的显示电路采用LED数码管显示，由于LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。

通过单片机查表得出数码管显示编码，传送给数码管显示，以此来实现按键与显示程序的一致性。

3系统软件设计

音乐相关知识

乐音听起来有的高，有的低，这就叫音高，音高是由发音物体振动频率的高低决定的，频率高声音就高，频率低，声音就低，不同音调的乐音是用C、D、E、F、G、A、B表示的，这7个字母就是乐音的音名，它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，这是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。

音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示，休止符表示暂停发音。

一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同的频率，这样就可以利用不同频率的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐。

如何用单片机实现音乐的节拍

除了音符以外，节拍也是音乐的关键组成部分。

节拍实际上就是音持续时间的长短，在单片机系统中可以用延时来实现，如果1/4拍的延时是0.4秒，则1拍的延时是1.6秒，只要知道1/4拍的延时时间，其余的节拍延时时间就是它的陪数。

如果单片机要自己播放音乐，那么必须在程序设计中考虑到节拍的设置，由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。

对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时/计数器来完成。

音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）具体如下表：

表2-1音乐节拍表

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

如何用单片机产生音频脉冲

了解音乐的一些基本知识后可知，产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐，对于单片机而言，产生不同频率有脉冲非常方便，可以利用它的定时/计数器来产生这样的方波频率信号，因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系。

在本实验中，单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时/计数器T0，工作模式为1，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号，在此情况下，C调的各音符频率与计数值T的对照如下表：

表2-2音符频率与计数值T的对照表

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

T的值决定了TH0和TL0的值，其关系为：

TH0=T/256，TL0=T%256

系统总体功能流程图

N

定时器初始化数码管显示0

主程序

开始

循环检测按键

Y

数码管显示

扬声器出声

　　　　　　　　　　　　图2-1主程序框图

按键子程序流程图如下：

K1键按下

K2键按下

K3键按下

K4键按下

K5键按下

K6键按下

K7键按下

数码管显示3.，并播放mi的低音

数码管显示4.，并播放fa的低音

数码管显示5.，并播放so的低音

K8键按下

数码管显示6.，并播放la的低音

数码管显示7.，并播放si的低音

数码管显示1，并播放do的中音

数码管显示2，并播放re的中音

数码管显示3，并播放mi的高阶中音

K9键按下

K10键按下

K11键按下

K12键按下

K13键按下

K14键按下

K15键按下

数码管显示4并播放fa的中音

数码管显示5并播放so的中音

数码管显示6，并播放la的中音

K16键按下

数码管显示7，并播放si的中音

数码管显示A，并播放do的高音

数码管显示B，并播放re的高音

数码管显示C，并播放mi的高音

数码管显示D，并播放fa的高阶高音

图2-2键盘子程序

电路仿真

仿真图介绍

单片机：

P0口对应数码管编码输出端；

P1.0口做音乐信号输出端；

P2口做键盘扫描部分输入输出端。

键盘扫描：

将16位开关通过矩阵连接，接出来四端接输入口（P0.4~P0.7）用于键盘情况的输入，另外四端接输出口（P0.0~P0.3）用于给键盘扫描信号。

数码管显示：

在使用时一要接上拉电阻（这是有单片机P0口的物理特性决定的），二是要加限流电阻以使流进单片机的小于单片机所能承受的电流。

音乐处理：

LM386将单片机P1.0口送过来的信号进行20倍的功率放大并送扬声器进行音乐的播出。

仿真图

图3.1仿真图

PCB印制板制作

印制板制作的要求

（1）电源线、地线应各设置一条总线；

（2）线宽尽可能的宽；

（3）应减少软线跳线的使用；

（4）元器件排版要均匀，按模块排版，防止各模块信号干扰；

（5）铜箔线不可以产生锐角。

印制电路板图

图4-1主控电路PCB板图

图4-2输入按键电路PCB板图

4系统调试

电路调试是整个系统功能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分：

硬件调试、软件调试和综合调试。

5.1软件仿真调试

软件仿真调试主要是针对单片机部分进行调试。

在软件运行前，先确保电路中连线正确，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通过目测，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。

在确保软件仿真电路正常，无异常情况（断路或短路）方可进行软件运行，在本次设计中，软件运行主要是测试单片机键盘控制部分、数码管点亮部分、和音频功放电路调试。

1、数码管LED电路调试：

软件运行，随机按下按钮可以看到数码管显示数字；

2、单片机键盘控制部分调试：

软件运行，随机按动键盘可以发现各个按键对应的音正确。

5.2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。

5总结

通过各方面努力，本次毕业论文任务完成，系统部分功能已实现。

可以随意演奏一首喜欢的曲子，并可以显示在数码管上。

基本达到预定的效果。

毕业论文是专科学习阶段一次非常难得的理论与实践相结合的机会，通过这次系统的项目设计提高了我运用所学的专业基础知识来解决面临实际问题的能力，同时也提高了我查阅各种文献资料、设计手册、设计规范以及软件编程排版的水平。

6参考文献

[1]赵鑫，蒋亮，齐兆群．数字电路设计[M]．北京机械工业出版社，2005年6月第一版

[2]苏家健，曹柏荣，汪志锋．单片机原理及应用技术[M]．高等教育出版社

[3]李朝青．单片机原理及接口技术[M]．北京：

北京航天航空大学出版色，2001[4]胡汉才．单片机原理及其接口技术[M]．北京：

清华大学出版社，2004

[5]张靖武，周灵彬．单片机原理、应用与PROTEUS仿真，2008．8