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CAD课程设计模板
课程设计说明书
题目简易电子琴的设计
姓名曹美丽
学号0910404035
专业年级2009级通信工程4班
指导教师张涛
2011年12月12日
摘要
本论文要设计的为基于单片机的简易电子琴，基本要求为能够发出1、2、3、4、5、6、7等七个音符即可。
众所周知，由于一首音乐是由许多不同的音阶组合而成的，而每个音阶则对应着不同的频率，因此我们可以利用不同的频率来进行音阶的组合，即可产生美妙的音乐了。
对于单片机来说，产生不同的频率非常方便，只要算出某一音频的周期，然后将此周期除以2，即为半周期的时间，利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后，就将输出脉冲的I/O反相，然后重复计时，此半周期再对I/O反相，即可在I/O脚上得到此频率的脉冲。
因此我们可以利用单片机的定时器，使其工作在计数器模式MODE1下，改变计数值TH0及TL0来产生不同频率的信号。
从而产生不同的音符[1]。
关键词：
音阶，频率，电子琴，单片机
Abstract
Thisthesisdesignedforsimplekeyboard,thebasicrequirementistosend1,2,3,4,5,6,7sevennotes.
Well-known,themusicismadeupbymanydifferentscales,andeachscalecorrespondstodifferentfrequency,sowecanusedifferentfrequencytomakecombinationofscales,andthenproducewonderfulmusic.
Asforsingle-chipmicrocomputer,itisveryconvenienttoproducedifferentfrequency,wejustcalculateanaudiocycle,thenthiscycledividedby2,namelyhalfcycletime,usingtimertotimethehalfcycletime.
Whenevertiming,itwilloutputpulseI/Oreversephase,andrepeatthetiming,thehalfcycleagaintotheI/Oreversed-phase,thencangetthisfrequencypulsefromtheI/Ofeet.Sowecanusemicrocontrollertimertomakeitworkinthecountermodeandgeneratedifferentfrequencysignal.Thusproducedifferentnotes.
Keywords:
scales,frequency,thesis,single-chipmicrocomputer
1绪论
1.1论文特点及研究意义
本论文设计的为电子琴，电子琴又称作电子键盘，属于电子乐器（区别于电声乐器），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（如合唱声，风雨声，宇宙声等）。
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，电子琴还安装有效果器，如混响、回声、延音，震音轮和调制轮等多项功能装置，表达各种情绪时运用自如。
本论文设计的电子琴虽是简易电子琴，功能和真正电子琴有不小差距，但本论文设计的电子琴是很多高档电子琴的基础，对进一步研究电子琴有很大的促进作用。
本设计易懂、简练，所用器件常见，上网查询资料方便，电路模块具有通用性，非常适合广大电子爱好者制作。
1.2系统简介
本系统主要由硬件电路和软件流程组成。
硬件电路主要包括芯片AT89C51、和CM38、喇叭和按键等以及由它们组成的电路图，软件流程主要包括主程序流程图和相关程序。
本论文还对本设计用到的芯片AT89C51和CM38等做了一些介绍。
2元器件介绍
2.1元器件的种类
本设计要用到的元器件有芯片AT89C51、CM38、喇叭和按键、电阻、电容等。
2.2AT89C51
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图2.1所示
图2.1AT89C51外形管脚图
主要特性：
与MCS-51兼容4K字节可编程FLASH存储器寿命：
1000写/擦循环数据保留时间：
10年全静态工作：
0Hz-24MHz
AT89C51管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通） P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
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地位字节。
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。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
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，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.3四运放集成电路LM386
LM386是四运放集成电路，采用8脚双列直插塑料封装，外形如图2.2所示。
图2.2LM386外形管脚图
它的内部包含运算放大器，运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vs”为输出端。
两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vs的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vs的信号与该输入端的相位相同。
由于LM386运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。
正是因为如此，本论文才选用它。
3硬件电路
3.1硬件电路图
基于AT89C51芯片的简单电子琴的电路图[4],如图3.1。
图3.1硬件电路图
3.2电路各部分简要分析
单片机P1口为输入接口，接有一组按键，共8个。
这8个按键S1~S8分别按顺序与单片机的P2口P1.0~P1.7相接。
单片机P3.6口与芯片LM386第3各管脚通过电阻R1相连。
3.3元件参数
本论文根据实际要求所选定的元件参数如下：
电阻R1为10k欧，输入电阻R2为470欧，C1、C3分别为10uf和104。
LM386的第五个管脚接一个电解电容C7（47uf）和电阻R3（10欧）、电容C4（473）并联驱动喇叭发声。
单片机P3.6接入一个按键和一个分压电阻，组成放歌按键，来控制整个电路运行扩展功能（播放一段音乐）。
C6、C5接一个晶振，作为控制反向震荡放大器的输入和输出，并且确定内部时钟的工作频率。
单片机RESET端口接入一个复位电路，此部分由电解电容C2（此电容为去耦电容，防止其他信号引起的错位复位）和控制电阻R4共同组成，主要功能是当按下按键时给予芯片RESET端口一个高电平复位信号。
3.4单片机音符与单片机频率的关系
本次设计中，单片机晶振为12MHz,那么定时器的技术周期为1MHz，加入选择工作方式1，那T值便为T=216－x（x为THX、TLX的初值）。
那么根据不同的频率计算出应赋给定时器的计算值，表3.1列出不同音符与单片机计数T0相关的计数值。
表3.1音符与单片机频率对应表
4软件流程
4.1设计思路与流程图
本电子琴的设计我们采用的是设计7个音符，与键盘的7个按键一一对应，并且计算出每个音符对应的频率值。
音符通过定时器T0产生，然后通过键盘不断的扫描，根据按键功能，将不同按键对应的频率信号发送到集成运放中放大，最后送给喇叭发出对应的音符以发出相应的声音。
图4.1为流程示意图[6]
图4.1流程示意图
在主程序流程图中，T0初始化以后，首先要通过扫描键盘，判断是否有按键按下。
若没有按键按下，则要继续扫描，不断重复循环过程，直到发现按键按下，程序才能根据按键的功能，将相对应的音符T值装入到T0以后，T0开始启动。
程序随后继续扫描按键，若按键保持按下状态，则T0继续保持工作状态，直到按键松开，T0停止工作，返回初始状态，等待下一次的扫描按键结果。
图4.2为T0中断子程序图。
图4.2T0中断子程序图
当程序中断时，程序保存现场，并重装TH0、TL0的初值，然后将P1、0按位取反，重新送入P1、0，最后中断返回。
4.2程序设计
#include
sbitsp=P1^0;
charth,tl,key;
unsignedintcodetab[]=//音频编码表
{
63628,63836,64020,64103,64260,64400,64524,
64580,64694,64777,64820,64898,64968,65030,
65058,65110,65164,65178,65217,65252,65283,
};
unsignedcharcodesrg[]=//生日快乐音谱
{
5,5,6,5,8,7,0,
5,5,6,5,9,8,0,
5,5,12,10,8,7,6,0,
4,4,3,1,2,1,0
};
unsignedcharcodelzlf[]=//两只老虎音谱
{
1,2,3,1,0,1,2,3,1,0,3,4,5,0,
3,4,5,0,5,6,5,4,3,1,0,5,6,5,4,3,1,0,
2,5,1,0,2,5,1
};
dealy（unsignedintz）//延时
{
while（z--）;
}
voidmain（void）//主函数
{
unsignedchari,go;
TMOD=0x01;
ET0=1;
EA=1;//定时器初使化
for（i=0;i<28;i++）//播放生日快乐
{
key=srg[i]-1;
if（srg[i]!
=0）
{
TR0=1;
dealy（65530）;
}
elsedealy（10000）;
TR0=0;
dealy（30）;
}
dealy（65530）;dealy（65530）;//停顿
for（i=0;i<39;i++）//播放两只老虎
{
key=lzlf[i]-1;
if（lzlf[i]!
=0）
{
TR0=1;
dealy（65530）;
}
elsedealy（10000）;
TR0=0;
dealy（30）;
}
while
（1）//键盘检测和产生音频
{
P3=0xfe;
switch（P3）//检测第一排
{
case0xee:
{dealy（20）;if（P3==0xee）{key=go+0;TR0=1;while（P3==0xee）;TR0=0;}};break;
case0xde:
{dealy（20）;if（P3==0xde）{key=go+1;TR0=1;while（P3==0xde）;TR0=0;}};break;
case0xbe:
{dealy（20）;if（P3==0xbe）{key=go+2;TR0=1;while（P3==0xbe）;TR0=0;}};break;
case0x7e:
{dealy（20）;if（P3==0x7e）{key=go+3;TR0=1;while（P3==0x7e）;TR0=0;}};break;
}
P3=0xfd;
switch（P3）//检测第二排
{
case0xed:
{dealy（20）;if（P3==0xed）{key=go+4;TR0=1;while（P3==0xed）;TR0=0;}};break;
case0xdd:
{dealy（20）;if（P3==0xdd）{key=go+5;TR0=1;while（P3==0xdd）;TR0=0;}};break;
case0xbd:
{dealy（20）;if（P3==0xbd）{key=go+6;TR0=1;while（P3==0xbd）;TR0=0;}};break;
case0x7d:
{dealy（20）;if（P3==0x7d）{go=7;while（P3==0x7d）;}};break;
}
P3=0xfb;
switch（P3）//检测第三排
{
case0xeb:
{dealy（20）;if（P3==0xeb）{key=go+7;TR0=1;while（P3==0xeb）;TR0=0;}};break;
case0xdb:
{dealy（20）;if（P3==0xdb）{key=go+8;TR0=1;while（P3==0xdb）;TR0=0;}};break;
case0xbb:
{dealy（20）;if（P3==0xbb）{key=go+9;TR0=1;while（P3==0xbb）;TR0=0;}};break;
case0x7b:
{dealy（20）;if（P3==0x7b）{key=go+10;TR0=1;while（P3==0x7b）;TR0=0;}};break;
}
P3=0xf7;
switch（P3）//检测第四排
{
case0xe7:
{dealy（20）;if（P3==0xe7）{key=go+11;TR0=1;while（P3==0xe7）;TR0=0;}};break;
case0xd7:
{dealy（20）;if（P3==0xd7）{key=go+12;TR0=1;while（P3==0xd7）;TR0=0;}};break;
case0xb7:
{dealy（20）;if（P3==0xb7）{key=go+13;TR0=1;while（P3==0xb7）;TR0=0;}};break;
case0x77:
{dealy（20）;if（P3==0x77）{go=0;while（P3==0x77）;}};break;
}
}
}
voidt0（void）interrupt1//定时器中断函数
{
TH0=tab[key]/256;
TL0=tab[key]%256;
sp=~sp;
}
5制作与调试方法
本电子琴的制作比较简单，大的方面主要分为两步，第一步是绘制PCB板并制成电路，第二步是写程序，驱动程序发声。
调试也很简单，共有八个按键，按下不同按键便会产生相对应的声音。
具体步骤如下：
1.由设计要求选择合适元器件设计并绘制出电路图；
实验原理图如图（3.1）所示，在protel99里根据原理图放置元器件
并相应的连好线，此部分比较简单。
首先新建一个设计并保存到自己的目录下，然后再新建一个.sch和.pcb的文件。
然后再打开.sch文件，根据原理图，摆放好元器件并连好线。
2.绘制元器件的元件符号库、封装库；
对于protel99里没有的元件，自己根据相应的要求绘制出来，首先新建一个sch.library文件并在其中绘制好原理图，例如CM38。
然后再添加到.sch文件的原件库中。
对于protel99里没有的封装，自己也要根据相应的要求绘制出来，首先新建一个pcb.library的文件并在其中按要求绘制好相应的封装。
然后一样的添加到.pcb文件的原件库中。
当所有的线都原理图连接好了后，对原理图使用“电气规则检查”，如果电路图没有绘制错误，就可以对各元件添加封装了。
封装添加好后，点击设计—》创建网络表，再在Pcb文件中添加网络表，生成pcb图。
3.PCB设计时的走线、布局技巧；
生成pcb图后就是走线了，首先要摆放好器件，尽量使pcb图摆放紧凑，美观以及跳线尽量少，摆放过程中可以结合原理图及元器件的原理来放置，这样走线是就没那么复杂。
最后我们在底层布线，电源线和接地线一定要粗，其他线路也是越粗越好，但一般连线的宽度是0.8mm，线太细在腐蚀的时候就会断线。
同时在跳线处要放置焊盘。
PCB电路如下：
4．使用热转印方式制作印制电路板；
PCB走线、布局好后，把pcb电路图打印出来，并用热转印方式把pcb图转印到板子上。
使用FeCl3或类似溶液腐蚀电路板；
电路图转印好后，把板子放到FeCl3溶液中对其进行腐蚀。
使用高速对印制电路板打；
板子腐蚀好后，用电钻对焊盘打孔，电钻使用0.8mm或1.0mm的针孔，针孔应大些，不然焊元件的时候针脚会插不进去。
元器件的焊接；
板子只好后就是焊接元器件了，把元器件插在板子上相应的地方，注意有些元器件的正负极不要插反，芯片不要插反，不然上电后会把板子给烧掉。
在焊接的时候要注意技巧，不要有虚焊、漏焊的地方。
使用酒精松香溶液保护电路板防止氧化；
6总结
通过本次论文设计，使我加深了对单片机的认识，并且熟悉了单片机系统的设计流程，收获丰硕。
功能上达标，硬件设施基本合乎要求，软件设计可以配合硬件实现其功能，达到设计预期。
此次PCB板的制作给了我难忘的回忆，虽然以前也自己制作过一些板子，但本次却是我第一次从头到尾完成最认真的一次。
在制作过程中出现了很多问题同时也掌握了一些技巧。
以下是我在此次制作过中得到的一些技巧和方法：
1．在绘制原理图是，元器件一定要选对，有些原理图看似和要求的原理图很像，但稍微一个管脚不同制出来的板子就会出错。
同时在连线的时候有很多同学由于不熟练，使得其中有很多的交叉线，出现一些节点，但他们就只是单单的把节点删掉，在元器件检查的时候出现了很多的错，甚至都找不出原因，不得不重新再绘制。
2．在绘制PCB图时首先要摆放好器件，尽量使pcb图摆放紧凑，美观以及跳线尽量少，摆放过程中可以结合原理图及元器件的原理来放置，这样走线是就没那么复杂。
对于本设计，在PCB走线时可以相应的对按键和89C51的连线顺序做一些该变，这样PCB连线看着没那么复杂同时连线时可以少掉很多不必要的跳线，看起来更清晰、明了。
由于89C51的那些管脚都是输入管脚，功能是一样的，所以对其改变对实验结果不会有什么影响。
在布线时，一定要选择好板层，此次我们制作的是单层板，应选择底层布线。
很多同学对于密密麻麻的线不知从何下手，可以把原理图分成几个小部分，然后先把每个小部分连接好，再放到一起来连接，这样不仅更容易连接、用时也更少。
同时电源线和接地线一定要粗，其他线路也是越粗越好，但一般连线的宽度是0.8mm，线太细在腐蚀的时候就会断线，热转印时也会很难转印到板子上，难度更大。
在跳线处要放置焊盘。
每个元器件的焊盘应该也要重新改过，一般x为2.5mm，y为2.0mm，不然在打孔的时候会将焊盘全部打坏，不利于焊接。
3．在热转印时，一定要仔细，最好一次就全部转印上，否则印上去的线会不清晰甚至断线、移位。
当然如果不熟练可以使用热转印机自动转印。
这样用FeCl3腐蚀后的板子会更加漂亮、清晰，同时也不容易出错。
4．在打孔的时候，要是电钻的针对准孔，打齐，特别是对芯片的焊盘打孔时尤其要注意，如果孔没打齐在插芯片时会插不进甚至会把管脚弄断。
同时，最重要的时注意安全，在打孔时很容易把针弄断伤到自己，所以一定要注意安全不要把眼睛对着针。
5．在焊接元器件时，首先，要把元器件插好，对别是二极管，正负极一
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