基于單片機(jī)的簡易電子琴課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　《單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用》</p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)報告</b></p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　班 級： 08301班 </p><p>　　姓 名： &

2、lt;/p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　二0一一 年十一月 十一日</p><p>　　目 錄</p><p><b>　　一、概述1</b></p><p>　　1.1 課程設(shè)計(jì)的目的及其意義1</p>&l

3、t;p>　　1.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求1</p><p>　　二、系統(tǒng)的基本原理2</p><p>　　2.1 音樂的相關(guān)知識2</p><p>　　2.2 基本原理及其框圖3</p><p>　　三、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)5</p><p>　　3.1 單片機(jī)89C51的簡介6</p>

4、<p>　　3.2 鍵盤電路7</p><p>　　3.3 振蕩電路7</p><p>　　3.4 復(fù)位電路8</p><p>　　3.5 音頻電路9</p><p>　　四、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件的主程序10</p><p>

5、;　　4.2 系統(tǒng)的軟件的調(diào)試與仿真12</p><p><b>　　五、心得體會13</b></p><p>　　六、指導(dǎo)老師意見13</p><p><b>　　七、參考書目14</b></p><p>　　附錄 電子琴實(shí)物圖····

6、3;····································&#

7、183;···14</p><p>　　基于單片機(jī)簡易電子琴</p><p><b>　　一、概 述</b></p><p>　　1.1 課題設(shè)計(jì)目的及其意義</p><p>　　單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)）是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，具有高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。單

8、片機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，從平常的家用電器到航空航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器都能找到它的身影。因此，單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重大課題。</p><p>　　隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，人們的生活水平也逐步提高，音樂已經(jīng)成為了我們生活中很重要的一部分，在工作和學(xué)習(xí)之余，欣賞音樂不僅使身心得到放松，同時也提高人們的精神品質(zhì)和個人素養(yǎng)。當(dāng)代，愛好音樂的年輕人越來越多，也有不少人自己練習(xí)彈奏樂器，作為業(yè)余愛好和一種

9、放松的手段，鑒于一些樂器學(xué)習(xí)難度大需花費(fèi)太多精力，且其價格太過于高昂，使得一部分有這種想法的人不得不放棄這種想法，而電子琴又是一種新型的鍵盤樂器，它是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，價格相對便宜，能夠滿足一般愛好者的需求，因此，在現(xiàn)代音樂中扮演著重要的角色。 故簡易電子琴的研制具有一定的社會意義。</p><p>　　1.2 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)與主要內(nèi)容</p><p>　　本文的主要內(nèi)容是用A

10、T89C51單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個簡單的電子琴。以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤、揚(yáng)聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有16個按鍵和揚(yáng)聲器。定時器按設(shè)置的定時參數(shù)產(chǎn)生中斷，由于定時參數(shù)不同，就會發(fā)出不同頻率的脈沖，不同頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動電路放大濾波后，就會發(fā)出不同音調(diào)。</p><p>　　先根據(jù)要求設(shè)計(jì)硬件電路和編寫相應(yīng)的程序，然后進(jìn)行仿真調(diào)試，最后細(xì)心焊接硬件電路圖，將程序烤入芯片中，最終達(dá)到

11、設(shè)計(jì)目的。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等，具有一定的實(shí)用和參考價值。</p><p>　　具體實(shí)現(xiàn)的功能：按下音符鍵可以發(fā)出相應(yīng)的音符。</p><p>　　二、基本組成和原理 </p><p>　　2.1 音樂相關(guān)知識</p><p>　　在人類還沒有產(chǎn)生語言時，就已經(jīng)知道利用聲音的高低、強(qiáng)

12、弱等來表達(dá)自己的思想和感情。聲帶、琴弦等物體振動時會發(fā)出聲波，聲波通過空氣傳播進(jìn)入人耳，人們就聽到了聲音。聲音有噪音和樂音之分振動有規(guī)律的聲音是樂音，音樂中所用的聲音主要是樂音。</p><p>　　樂音聽起來有的高、有的低，這就叫做音高。音高是由發(fā)聲物體振動頻率的高低決定的，頻率高聲音就高，頻率低聲音就低。音持續(xù)時間的長短即時值，一般用拍數(shù)表示。休止符表示暫停發(fā)音。</p><p>　　

13、一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應(yīng)著不同的頻率,這樣就可以利用不同的頻率組合，加以拍數(shù)對應(yīng)的延時，構(gòu)成音樂。如果單片機(jī)要自己播放音樂就必須考慮到節(jié)拍的設(shè)置。</p><p>　　對于AT80C51而言要產(chǎn)生一定頻率的方波一般是先將某口線輸出高電平，延遲一段時間后再輸出低電平。通過改變延遲時間可以改變單片機(jī)的輸出頻率。單片機(jī)的延時主要有兩種方式，即軟件延時和使用定時/計(jì)數(shù)器延時。其中軟件延時不是很精確

14、，而電子琴電路由于每個音符的頻率值要求比較嚴(yán)格，因此我們選用定時/計(jì)數(shù)器延時。</p><p>　　由于本課程設(shè)計(jì)是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。因此，我們只需弄清楚音樂中的音符和對應(yīng)的頻率，利用單片機(jī)的定時/計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生方波頻率信號即可。</p><p>　　要產(chǎn)生相應(yīng)的音頻脈沖，只需要計(jì)算出某音頻的周期，再除以2。利用計(jì)數(shù)器計(jì)時半周期，計(jì)滿時使P2.0

15、反向，然后重復(fù)計(jì)時再反向。本例中，單片機(jī)工作在12MHz時鐘，使用定時器/計(jì)數(shù)器T0，工作模式為1，改變計(jì)數(shù)初值TH0、TL0就可產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號。</p><p>　　例如低3MI音，頻率為330Hz，其周期T=1/f=1/330=3030us，計(jì)數(shù)值N=3030/2=1515,所以每計(jì)數(shù)1515次P2.0反向。計(jì)數(shù)初值T=65536-N=64021。C調(diào)的各音符頻率與計(jì)數(shù)值T的對照表如表1所示。<

16、/p><p>　　表1 C調(diào)各音符頻率與計(jì)數(shù)值T對照表</p><p>　　2.2 簡易電子琴基本原理及其框圖</p><p><b>　　基本思想：</b></p><p>　　簡易的電子琴系統(tǒng)主要是采用AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)工作于12MHZ的時鐘頻率，使用其定時/計(jì)數(shù)器T0，工作模式為1，設(shè)計(jì)4*4鍵盤矩陣

17、，設(shè)置成16個音，可隨意彈奏想要表現(xiàn)的音樂，因?yàn)閱纹瑱C(jī)產(chǎn)生的音頻脈沖沒有足夠的驅(qū)動能力，所以用三極管放大電路實(shí)現(xiàn)音頻的放大，保證揚(yáng)聲器能產(chǎn)生所要實(shí)現(xiàn)的音符聲音。</p><p><b>　　2、硬件框圖：</b></p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)流程圖：</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為核

18、心處理器件，按下復(fù)位鍵，進(jìn)入初始化，調(diào)用鍵盤掃面子程序，獲得鍵值，查詢音階表，獲取定時初值，向喇叭輸入相應(yīng)頻率的脈沖驅(qū)動，發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)，若按鍵沒有釋放，則一直發(fā)聲；若按鍵松開，則停止發(fā)聲。當(dāng)讀到結(jié)束符時，停止播放音樂。</p><p>　　具體軟件流程圖如下：</p><p>　　1）中斷服務(wù)子程序流程圖： </p><p>　　2）主程序流程圖： <

19、/p><p><b>　　三、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括芯片89C51,、4*4鍵盤電路、振蕩電路、復(fù)位電路及音頻電路組成。</p><p>　　簡易電子琴硬件電路圖：</p><p>　　3.1 單片機(jī)89C51的簡介</p><p>　　AT89C51是一個

20、低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。</p>&

21、lt;p>　　AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計(jì)數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 </p><p>　　此外，AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過

22、軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。</p><p>　　該系列單片機(jī)引腳與封裝如下圖所示：</p><p><b>　　主要引腳功能： </b>&

23、lt;/p><p>　　RST（9）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位時，要保持RST引腳2個機(jī)器周期的高電平時間；</p><p>　　XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入； </p><p>　　XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出；</p><p>　　P1口（1－8）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/

24、O口，P1口緩沖器能接收和輸出4個TTL門電流；</p><p>　　/:當(dāng)保持低電平時，單片機(jī)只訪問外部程序存儲器。為高電平時，單片機(jī)只訪問內(nèi)部程序存儲器。</p><p><b>　　3.2 鍵盤電路</b></p><p>　　鍵盤是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備，大致可以分為獨(dú)立連接式鍵盤和矩陣式。獨(dú)立連接式鍵盤是最簡單的鍵盤電路，每個鍵獨(dú)立接

25、入一根數(shù)據(jù)線。這種鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但是占用的I/O口線較多。矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，行列式鍵盤可節(jié)省I/O口，適合按鍵數(shù)較多的場合。所以本設(shè)計(jì)的4*4鍵盤采用矩陣式鍵盤。</p><p><b>　　3.3 振蕩電路</b></p><p>　　單片機(jī)的時鐘信號用來提供單片機(jī)內(nèi)各種位操作的時間基準(zhǔn)，時鐘信號通常有兩種電路形式得到：內(nèi)

26、部振蕩方式和外部振蕩方式。</p><p>　　在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部震蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。晶振通常選用6MHz、12MHz或者24MHz。本設(shè)計(jì)中采用的是12MHz。電容器C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般5~30pF。內(nèi)部振蕩方式所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，電路

27、中使用較多。振蕩方式如下圖：</p><p><b>　　3.4 復(fù)位電路</b></p><p>　　復(fù)位操作完成單片機(jī)內(nèi)電路的初始化，是單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行。</p><p>　　當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位引腳RET出現(xiàn)5ms以上的高電平時，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，而無法執(zhí)行程序。因此要求單片

28、機(jī)復(fù)位后能脫離復(fù)位狀態(tài)。</p><p>　　根據(jù)應(yīng)用要求，復(fù)位操作通常有2種基本形式：上電復(fù)位、開關(guān)復(fù)位。</p><p>　　上電復(fù)位要求接通電源后，自動實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。開關(guān)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　上電后，由于電容要充電，是RST持續(xù)一段時間高電平時間。當(dāng)單片機(jī)已經(jīng)在運(yùn)行之中時，

29、按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。</p><p>　　通常選擇C=10~30uF，R=10~1k?</p><p>　　常用的復(fù)位電路如下圖所示：</p><p>　　在單片機(jī)啟動后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時候，開關(guān)導(dǎo)通，這個時候

30、電容兩端形成了一個回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時間的推移，電容的電壓從5V釋放到變?yōu)榱?.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個時候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動復(fù)位。</p><p>　　3.5 音頻放大電路</p><p>　　使用PNP管來放大，其中發(fā)射極接5V電源，集電

31、極接喇叭，電路中的電容是用來隔離直流電用的。</p><p>　　PNP管放大原理：當(dāng)PNP管的VC<VB<VE時，使得集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏時，管子的發(fā)射極電流流入管子，基極電流和集電極電流流出管子，且集電極電流跟基極電流之間成β關(guān)系，三極電流滿足IE=IB+IC=IB(1+β·IB)。即，基極電流可以控制集電極電流，這種控制作用就稱為管子的放大作用。</p><p&g

32、t;　　本課程設(shè)計(jì)的音頻放大電路圖（三極管型號為9015）：</p><p>　　四、 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 系統(tǒng)的軟件主程序：</p><p>　　#include <reg51.h> </p><p>　　#include <intrins.h> </p><p>　　

33、#define uint unsigned int </p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　sbit P20 = P2^0; //P2.0外接揚(yáng)聲器</p><p>　　uint FTemp;</p><p>　　unsigned int code ta

34、b[] = { //定時半周期的初始值</p><p>　　64021,64103,64260,64400, //低音3 4 5 6</p><p>　　64524,64580,64684,64777, //低音7,中音1 2 3</p><p>　　64820,64898,64968,65030, //中音4 5 6 7</p>

35、<p>　　65058,65110,65157,65178}; //高音1 2 3 4</p><p>　　/************************************************************* </p><p>　　* 函數(shù)功能 : 用掃描法讀 P1 外接 4×4 鍵盤</p><p>　　***

36、***********************************************************/ </p><p>　　uchar Keyscan(void) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　uchar i, j, temp, Buffer[4] = {0xfe, 0xfd, 0xfb,

37、0xf7}; </p><p>　　for(j = 0; j < 4; j++) //循環(huán)四次，掃描四行</p><p>　　{ P1 = Buffer[j]; //在低四位分別輸出一個低電平</p><p><b>　　_nop_(); </b></p><p>　　temp = 0x80

38、; //計(jì)劃先讀出P1.7位</p><p>　　for(i = 0; i < 4; i++) //循環(huán)四次，檢查四列</p><p>　　{ if(!(P1 & temp)) //從高四位，截取1位</p><p>　　{ return (i + j * 4); //返回取得的按鍵值 </p><p

39、><b>　　}</b></p><p>　　temp >>= 1; //換右邊一位</p><p><b>　　} }</b></p><p>　　return 16; //沒有鍵按下就返回16</p><p><b&g

40、t;　　} </b></p><p><b>　　主函數(shù) </b></p><p>　　***************************************************************/ </p><p>　　void Main(void) </p><p><b>　

41、　{ </b></p><p>　　uchar Key_Value = 16, Key_Temp1, Key_Temp2;//讀出的鍵值 </p><p>　　TMOD = 0x01; //T0定時方式1</p><p>　　ET0 = 1; //允許T0中斷</p>

42、<p>　　EX0 = 1; //允許INT0中斷</p><p>　　EA = 1;//開總中斷</p><p><b>　　while(1) </b></p><p>　　{ TR0 = 0; //T0工作停，暫不發(fā)音</p>&l

43、t;p>　　Key_Temp1 = Keyscan(); //第一次讀入按鍵</p><p>　　if(Key_Temp1 != 16) { //有鍵按下</p><p>　　Key_Temp2 = Keyscan(); //再讀一次</p><p>　　if (Key_Temp1 == Key_Temp2) //兩次相等</

44、p><p>　　{ Key_Value = Key_Temp1; //就確認(rèn)下來</p><p>　　FTemp = tab[Key_Value]; //根據(jù)鍵值，取出定時半周期的初始值</p><p>　　TR0 = 1; //啟動定時器T0，發(fā)音</p><p>　　while (Keyscan() < 1

45、6); //等待釋放</p><p>　　P20 = 1; //停止發(fā)音</p><p><b>　　} } } }</b></p><p>　　//============================================================== </p><p>

46、;　　void T0_INT(void) interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TL0 = FTemp; //載入定時半周期的初始值</p><p>　　TH0 = FTemp >> 8;</p><p>　　P20 = ~P20;

47、 //發(fā)音</p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.2 系統(tǒng)的軟件的調(diào)試仿真</p><p>　　硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。</p><p>　　這里我們使用Proteus軟件進(jìn)行仿真，加載編譯好的.HEX即文件到單片機(jī)后，&l

48、t;/p><p>　　點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕即可，仿真電路圖如下：（當(dāng)我們按鍵時如果成功就會聽到我們想要的音樂）</p><p><b>　　全文總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)制作簡易電子琴，雖然花費(fèi)了我們很多精力，但收獲頗豐，一方面，將自己的理論知識與實(shí)踐相結(jié)合起來，進(jìn)一步鞏固了專業(yè)基礎(chǔ)知識和相關(guān)專業(yè)課程知識；另一方面，也培養(yǎng)了自己獨(dú)立自主

49、、綜合分析的思維與創(chuàng)新能力，更讓我知道了團(tuán)隊(duì)的力量是巨大的。</p><p>　　設(shè)計(jì)的過程不是一帆風(fēng)順，遇到過各種各樣的問題。特別是設(shè)計(jì)軟件時，一些很細(xì)小的問題都可能導(dǎo)致功能性的錯誤，修改了多次才通過仿真。在設(shè)計(jì)過程中我發(fā)現(xiàn)自己對以前所學(xué)過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，所以也利用圖書館、網(wǎng)絡(luò)資源查閱了大量文獻(xiàn)資料，也請教了老師和同學(xué)。同時在具體的制作過程中我們發(fā)現(xiàn)一些書本上的知識與實(shí)際的應(yīng)用存在著一定的

50、差距，書本上的知識很多都是理想化后的結(jié)論，忽略了很多實(shí)際的因素，或者涉及的不全面，可在實(shí)際的應(yīng)用時這些是不能被忽略的，我們不得不考慮這方面的問題，這也讓我更深刻地體會到在今后的學(xué)習(xí)工作中也要注重理論聯(lián)系實(shí)際。</p><p><b>　　六、指導(dǎo)老師意見</b></p><p><b>　　七、參考書目</b></p><p&

51、gt;　　[1] 李群芳，肖看，《單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用》，北京，清華大學(xué)出版社，2005年</p><p>　　[2] 戴佳，戴衛(wèi)恒 ，《51單片機(jī)C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講》 ， 電子工業(yè)出版社，2005年</p><p>　　[3] 劉海成，《單片機(jī)及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與實(shí)踐》，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2009年</p><p>　　[4] 樓然苗，李光飛

52、，《單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)》，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2007年</p><p>　　[5] 吳金戌，沈慶陽，郭庭吉，《8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用》，北京，清華大學(xué)出版社，2002年</p><p>　　[6] 吳國經(jīng)，《單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)》，北京，中國電力出版社， 2004.年 </p><p>　　[7]高天康《音樂知識詞典》甘肅人民出版社2003.08<