毕业设计简易电子琴设计报告.docx

毕业设计简易电子琴设计报告.docx

《毕业设计简易电子琴设计报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计简易电子琴设计报告.docx（38页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计简易电子琴设计报告

桂林电子科技大学

简易电子琴设计

设

计

报

告

指导老师：

学生：

学号：

机电工程学院

年月

简易电子琴设计报告目录

一、设计题目………………………………………………………3

二、设计内容与要求………………………………………………3

三、设计的目的与意义……………………………………………3

四、设计方案与选择

4.1设计方案…………………………………………………3

4.2方案选择…………………………………………………5

五、系统硬件与电路图

5.1电路原理总图……………………………………………12

5.2复位电路…………………………………………………13

5.3起振电路…………………………………………………13

5.4放大电路…………………………………………………14

5.5PCB图……………………………………………………15

5.6其他………………………………………………………16

六、程序流程图与源程序

6.1程序流程图………………………………………………16

6.2源程序……………………………………………………17

七、系统设计与说明

7.1AT89S51单片机…………………………………………23

7.2DAC0832…………………………………………………29

7.3焊接过程…………………………………………………35

7.4系统调试…………………………………………………36

八、设计体会………………………………………………………37

九、参考文献……………………………………………………39

一、设计题目

简易电子琴的设计

二、设计内容与要求

用8031单片机控制电子琴发出1、2、3、4、5、6、7七个音符的声音，音调可控。

三、设计的目的与意义

1.进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理，加深对单片机理论知识的理解。

2.掌握单片机内部功能模块的应用。

3.掌握单片机的接口及相关外围芯片特性、使用与控制方法。

4.掌握单片机编程方法、调试方法。

5.掌握单片机应用系统的构建和使用，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好的基础。

4、设计方案及方案选择

4.1设计方案

4.1.1设计思路

声音是由物体振动产生，正在发声的物体叫声源。

声音以波的形式传播。

声音是声波通过任何物质传播形成的运动。

声波振动内耳的听小骨，这些振动被转化为微小的电子脑波，它就是我们觉察到的声音。

内耳采用的原理与麦克风捕获声波或扬声器的发音一样，它是移动的机械部分与气压波之间的关系。

声音按音调可分为：

高音、中音、低音。

音高是由发声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。

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。

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的频率组合，加以拍数对应的延时，构成音乐。

如果单片机要自己播放音乐就必须考虑到节拍的设置。

对于AT80C51而言要产生一定频率的方波一般是先将某口线输出高电平，延迟一段时间后再输出低电平。

通过改变延迟时间可以改变单片机的输出频率。

单片机的延时主要有两种方式，即软件延时和使用定时/计数器延时。

其中软件延时不是很精确，而电子琴电路由于每个音符的频率值要求比较严格，因此我们选用定时/计数器延时。

简易的电子琴系统主要是采用AT89C51单片机，单片机工作于12MHZ的时钟频率，使用其定时/计数器T0，工作模式为1，设计2*4键盘矩阵，设置成8个音，可随意弹奏想要表现的音乐，因为单片机产生的音频脉冲没有足够的驱动能力，所以用三极管放大电路实现音频的放大，保证扬声器能产生所要实现的音符声音。

4.1.2设计方法

方案一：

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9个按键和扬声器。

定时器按设置的定时参数产生中断，由于定时参数不同，就会发出不同频率的脉冲，不同频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出不同音调。

方案二：

 程序可分如下：

初始化模块、判断按键模块、键值处理模块、音乐处理模块、中断模块、0处理模块、表单模块。

初始化模块：

对8279键盘的部分进行初始化和中断初始化。

键值处理模块：

用8279的状态字来判断它是否按键（FIFORAM不能清除已处理的数据，但8279的状态字会发生相应改变）。

输入的键值与1-8的物理值01H-08H进行比较，如果与其中某个数相等，则跳到1-8的键值处理模块；如果是9或者A，则跳到音乐处理模块。

如果输入是0，则跳到0处理模块。

结尾跳到初始化模块 。

音乐处理模块：

专门处理音乐中的1-8的发音。

它们发音不同是因为波的频率不同，所以要发出不同的音，只要实现发出的波的频率不同即可。

于是，可通过定时的方法来中断产生不同的方波。

可把1-8的定时初值放在一个表单内。

 中断模块：

T0中断是为键值处理模块服务；T1中断是为音乐处理模块服务。

 0处理模块：

在音乐处理过程中，按下0则音乐暂停，此时可如其他按键（包括音乐按键）。

当再按下0键时，则最近继续的音乐中断。

表单模块：

TAB音符表单存放1-8的ASCII码值；FREQUENCY音符初值表单存放1-8音符的中断初值；DAT、DAT1分别存放两首歌曲相应的中断初值和节拍等信息。

方案三：

用可控硅制作电子琴。

将220V交流电经变压器降压，再经过整流、滤波，获得+13.5V直流电压。

将单向可控硅SCR和电阻、电容组成驰张振荡器电路。

但该设计方案制作成本高且复杂。

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。

通过讨论，与同学交流，上网查资料得出方案一较优，故选方案一做！

4.2方案选择

4.2.1单片机的选择

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，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

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。

4.2.2扬声器的选择

扬声器是一种把电平转变为声信号的换能器件，扬声器和性能对音质的高低音响很大。

扬声器的主要性能指标有：

灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真度等参数。

1、额定功率

扬声器的功率有标称功率和最大功率之分。

标称功率称额定功率、不失真功率。

它是指扬声器在额定不失真范围内容许的最大输入功率，在扬声器的商标、技术说明书上标注的功率即为该功率值。

最大功率是指扬声器在某一瞬间所能承受的峰值功率。

为保证扬声器工作的可靠性，要求扬声器的最大功率为标称功率的2~3倍。

2、额定阻抗

扬声器的阻抗一般和频率有关。

额定阻抗是指音频为400Hz时，从扬声器输入端测得的阻抗。

它一般是音圈直流电阻的1.2~1.5倍。

一般动圈式扬声器常见的阻抗有4Ω、8Ω、16Ω、32Ω等。

3、频率响应

给一只扬声器加上相同电压而不同频率的音频信号时，其产生的声压将会产生变化。

一般中音频时产生的声压较大，而低音频和高音频时产生的声压较小。

当声压下降为中音频的某一数值时的高、低音频率范围，叫该扬声器的频率响应特性。

理想的扬声器频率特性应为20~20KHz，这样就能把全部音频均匀地重放出来，然而这是做不到的。

每一只扬声器只能较好地重放音频的某一部分。

4、失真

扬声器不能把原来的声音逼真地重放出来的现象叫失真。

失真有两种：

频率失真和非线性失真。

频率失真是由于对某些频率的信号放音较强，而对另一些频率的信号放音较弱造成的，失真破坏了原来高低音响度的比例，改变了原声音色。

而非线性失真是由于扬声器振动系统的振动和信号的波动不够完全一致造成的，在输出的声波中增加一新的频率成分。

5、指向特性

用来表征扬声器在空间各方向辐射的声压分布特性，频率越高指向性越狭，纸盆越大指向性越强。

扬声器的种类很多，按其换能原理可分为电动式、静电式、电磁式、压电式等几种，后两种多用于农村有线广播网中，按频率范围可分为低音扬声器、中音扬声器，这些常在音箱中作为组合扬声器使用。

在本次试验作品中使用电磁式扬声器。

4.2.3电解电容

电解电容是电容的一种，金属箔为正极（铝或钽），与正极紧贴金属的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成，因电解质是阴极的主要部分，电解电容因此而得名。

同时电解电容正负不可接错。

电解电容器通常是由金属箔（铝/钽）作为正电极，金属箔的绝缘氧化层（氧化铝/钽五氧化物）作为电介质，电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。

铝电解电容器的负电极由浸过电解质液（液态电解质）的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成；钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。

由于均以电解质作为负电极（注意和电介质区分），电解电容器因而得名。

电解电容器特点一：

单位体积的电容量非常大，比其它种类的电容大几十到数百倍。

电解电容器特点二：

额定的容量可以做到非常大，可以轻易做到几万μf甚至几f（但不能和双电层电容比）。

电解电容器特点三：

价格比其它种类具有压倒性优势，因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等。

制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，成本相对比较低。

常见的日系电解电容以NipponChemi-con（黑金刚）、Nichicon（尼吉康）、Rubycon（红宝石）、Matsushita（松下电器，从2005年改为Panasonic）、Hitachi（日立）、ELNA（埃尔纳，俗称依娜）为代表，台系电容则以LELON（立隆）、SUSCON（冠坤）、TEAPO（智宝）、CAPXON（丰宾）为代表，港系:

SAMXON（万裕）,国内以TH（华裕）、Yadacon（雅达康）、Beryl（绿宝石）、Acon（中元）、Chang（华威）、Xunda（讯达）等为代表，欧美以ELEBASIC、ITEDCON、KENDEIL、CDE、BHC，EVERALPHA为代表。

　有极性电解电容器通常在电源电路或中频、低频电路中起电源滤波、退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。

一般不能用于交流电源电路，在直流电源电路中作滤波电容使用时，其阳极（正极）应与电源电压的正极端相连接，阴极（负极）与电源电压的负极端相连接，不能接反，否则会损坏电容器。

　　无极性电解电容器通常用于音箱分频器电路、电视机S校正电路及单相电动机的起动电路。

　　电解电容器广泛应用于家用电器和各种电子产品中，其容量范围较大，一般为1~1000μF，额定工作电压范围为6.3~450V。

其缺点是介质损耗、容量误差较大（最大允许偏差为100%、-20%），耐高温性较差，存放时间长容易失效。

　　电解电容的极性，注意观察在电解电容的侧面有“—”，是负极，如果电解电容上没有标明正负极，也可以根据它的引脚的长短来判断，长脚为正极，短脚为负极。

4.2.4电容

电容指的是在给定电位差下的电荷储藏量；记

为C，国际单位是法拉（F）。

一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上；造成电荷的累积储存，最常见的例子就是两片平行金属板。

也是电容器的俗称。

在电路学里，给定电势差，电容器储存电荷的能力，称为电容（capacitance），标记为C。

采用国际单位制，电容的单位是法拉（farad），标记为F。

电容（Capacitance）亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉（F）。

一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。

因电容是电子设备中大量使用的电子元件之一，所以广泛应用于隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制电路等方面。

电容器的基本作用就是充电与放电，但由这种基本充放电作用所延伸出来的许多电路现象，使得电容器有着种种不同的用途，例如：

在电动马达中，用它来产生相移；在照相闪光灯中，用它来产生高能量的瞬间放电等等。

而在电子电路中，电容器不同性质的用途尤多，这许多不同的用途，虽然也有截然不同之处，但因其作用均来自充电与放电。

下面是一些电容的作用列表：

耦合电容：

用在耦合电路中的电容称为耦合电容，在阻容耦合放大器和其他电容耦合电路中大量使用这种电容电路，起隔直流通交流作用。

滤波电容：

用在滤波电路中的电容器称为滤波电容，在电源滤波和各种滤波器电路中使用这种电容电路，滤波电容将一定频段内的信号从总信号中去除。

退耦电容，用在退耦电路中的电容器称为退耦电容，在多级放大器的直流电压供给电路中使用这种电容电路，退耦电容消除每级放大器之间的有害低频交连。

高频消振电容：

用在高频消振电路中的电容称为高频消振电容，在音频负反馈放大器中，为了消振可能出现的高频自激，采用这种电容电路，以消除放大器可能出现的高频啸叫。

谐振电容：

用在LC谐振电路中的电容器称为谐振电容，LC并联和串联谐振电路中都需这种电容电路。

旁路电容：

用在旁路电路中的电容器称为旁路电容，电路中如果需要从信号中去掉某一频段的信号，可以使用旁路电容电路，根据所去掉信号频率不同，有全频域（所有交流信号）旁路电容电路和高频旁路电容电路。

中和电容：

用在中和电路中的电容器称为中和电容。

在收音机高频和中频放大器，电视机高频放大器中，采用这种中和电容电路，以消除自激。

定时电容：

用在定时电路中的电容器称为定时电容。

在需要通过电容充电、放电进行时间控制的电路中使用定时电容电路，电容起控制时间常数大小的作用。

积分电容：

用在积分电路中的电容器称为积分电容。

在电势场扫描的同步分离电路中，采用这种积分电容电路，可以从场复合同步信号中取出场同步信号。

微分电容：

用在微分电路中的电容器称为微分电容。

在触发器电路中为了得到尖顶触发信号，采用这种微分电容电路，以从各类（主要是矩形脉冲）信号中得到尖顶脉冲触发信号。

补偿电容：

用在补偿电路中的电容器称为补偿电容，在卡座的低音补偿电路中，使用这种低频补偿电容电路，以提升放音信号中的低频信号，此外，还有高频补偿电容电路。

自举电容：

用在自举电路中的电容器称为自举电容，常用的OTL功率放大器输出级电路采用这种自举电容电路，以通过正反馈的方式少量提升信号的正半周幅度。

分频电容：

在分频电路中的电容器称为分频电容，在音箱的扬声器分频电路中，使用分频电容电路，以使高频扬声器工作在高频段，中频扬声器工作在中频段，低频扬声器工作在低频段。

负载电容：

是指与石英晶体谐振器一起决定负载谐振频率的有效外界电容。

负载电容常用的标准值有16pF、20pF、30pF、50pF和100pF。

负载电容可以根据具体情况作适当的调整，通过调整一般可以将谐振器的工作频率调到标称值。

调谐电容：

连接在谐振电路的振荡线圈两端，起到选择振荡频率的作用。

衬垫电容：

与谐振电路主电容串联的辅助性电容，调整它可使振荡信号频率范围变小，并能显著地提高低频端的振荡频率。

中和电容：

并接在三极管放大器的基极与发射极之间，构成负反馈网络，以抑制三极管极间电容造成的自激振荡。

稳频电容：

在振荡电路中，起稳定振荡频率的作用。

定时电容：

在RC时间常数电路中与电阻R串联，共同决定充放电时间长短的电容。

加速电容：

接在振荡器反馈电路中，使正反馈过程加速，提高振荡信号的幅度。

缩短电容：

在UHF高频头电路中，为了缩短振荡电感器长度而串联的电容。

克拉波电容：

在电容三点式振荡电路中，与电感振荡线圈串联的电容，起到消除晶体管结电容对频率稳定性影响的作用。

锡拉电容：

在电容三点式振荡电路中，与电感振荡线圈两端并联的电容，起到消除晶体管结电容的影响，使振荡器在高频端容易起振。

稳幅电容：

在鉴频器中，用于稳定输出信号的幅度。

预加重电容：

为了避免音频调制信号在处理过程中造成对分频量衰减和丢失，而设置的RC高频分量提升网络电容。

去加重电容：

为了恢复原伴音信号，要求对音频信号中经预加重所提升的高频分量和噪声一起衰减掉，设置RC在网络中的电容。

移相电容：

用于改变交流信号相位的电容。

反馈电容：

跨接于放大器的输入与输出端之间，使输出信号回输到输入端的电容。

降压限流电容：

串联在交流回路中，利用电容对交流电的容抗特性，对交流电进行限流，从而构成分压电路。

逆程电容：

用于行扫描输出电路，并接在行输出管的集电极与发射极之间，以产生高压行扫描锯齿波逆程脉冲，其耐压一般在1500伏以上。

S校正电容：

串接在偏转线圈回路中，用于校正显像管边缘的延伸线性失真。

自举升压电容：

利用电容器的充、放电储能特性提升电路某点的电位，使该点电位达到供电端电压值的2倍。

消亮点电容：

设置在视放电路中，用于关机时消除显像管上残余亮点的电容。

软启动电容：

一般接在开关电源的开关管基极上，防止在开启电源时，过大的浪涌电流或过高的峰值电压加到开关管基极上，导致开关管损坏。

启动电容：

串接在单相电动机的副绕组上，为电动机提供启动移相交流电压，在电动机正常运转后与副绕组断开。

运转电容：

与单相电动机的副绕组串联，为电动机副绕组提供移相交流电流。

在电动机正常运行时，与副绕组保持串接。

4.2.5电阻

电阻的英文名称为resistance，通常缩写为R，它是导体的一种基本性质，与导体的尺寸、材料、温度有关。

欧姆定律指出电压、电流和电阻三者之间的关系为I=U/R，亦即R=U/I。

电阻的基本单位是欧姆，用希腊字母“Ω”来表示。

通常“电阻”有两重含义，一种是物理学上的“电阻”这个物理量，另一个指的是电阻这种电子元件。

电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1℃时电阻值发生变化的百分数。

电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能

电阻测量

用万用表测量大值电阻：

31/2位和41/2位数字万用表电阻档的最大量程一般是20MΩ。

对于31/2位数字万用表而言，使用不同的电阻量程也只能测量0.1Ω～19.99MΩ范围内的电阻；而对于41/2位数字万用表，则只能测量0.01Ω～19.999MΩ范围内的电阻。

当被测电阻Rx≥20MΩ时，仪表将显示溢出符号“1”。

实验证明，采用下述的“并联电阻法”，可将31/2位或41/2位数字万用表20MΩ电阻档的量程扩展到100MΩ。

1、测量方法

预先准备一只十几兆欧的电阻R1，将数字万用表拨至20MΩ档后测出电阻值R1。

然后把被测电阻Rx并联在R1两端，再测出并联总电阻R。

根据电阻并联的计算公式很容易推导出。

测量举例：

被测电阻为一只标记不明的高阻值电阻Rx，R1选用标称阻值为10MΩ的电阻。

使用DT830型数字万用表的20MΩ电阻档，实测R1的阻值为10.05MΩ。

将Rx与R1并联后，再用DT830进行测量，测得总阻值R=7.70MΩ。

由此判定，被测电阻的标称值应为33MΩ。

2、测量注意事项

1）当被测量电阻Rx的阻值超过100MΩ时，并联后的总阻值R与选用的标准电阻R1的阻值非常接近，加之数字万用表本身存在±1个字的误差，会使测量误差增大。

因而，本法不适合用来测量阻值大于100MΩ的电阻。

　2）测量操作时，应将被测电阻Rx与标准电阻R1并联接触牢靠，必要时可用鳄鱼夹将两者固定。

电阻在电路中通常起分压、分流的作用。

对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。

4.2.6声音频率

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9个按键和扬声器。

定时器按设置的定时参数产生中断，由于定时参数不同，就会发出不同频率的脉冲，不同频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出不同音调。

音符频率域计数器T的对照表

T的值决定了TH0和TL0的值，其关系为：

TH0=T/256，TL0=T%256 

五、系统硬件电路图

5.1电路原理总图

5.2复位电路

当MCS-51单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

复位的基本功能是：

系统上电时提供复位信号。

直至系统电源稳定后，撤消复位信号。

为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。

由于本设计只采用内部存储器，不会执行外部程序，因此EA端一般为高电平。

单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。

单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值。

与其它计算机一样，MCS-51单片机系统常常有上电复位和操作复位两种方法。

操作复位指用户按下“复位”按钮使计算机进入复位状态。

上电复位电路是—种简单的复位电路，只要在RST复位引脚接一个电容到VCC，接一个电阻到地就可以了。

上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到RST复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着VCC对电容的充电过程而回落，所以RST引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统安全可靠的复位，RST引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。

MCS-51单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。

5.3起振电路

晶振一般叫做晶体谐振器，是一种机电器件，是用电损耗很小的石英晶体经精密切割磨削并镀上电极焊上引线做成。

这种晶体有一个很重要的特性，如果给它通电，它就会产生机

械振荡，反之，如果给它机械力，它又会产生电，这种特性叫机电效应。

它们有一个很重要的特点，其振荡频率与它们的形状，材料，切割方向等密切相关。

由于石英晶体化学性能非常稳定，热膨胀系数非常小，其振荡频率也非常稳定，由于控制几何尺寸可以