基于单片机的简易电子琴的设计与制作毕业论文.docx
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基于单片机的简易电子琴的设计与制作毕业论文
基于单片机的简易电子琴的设计与制作毕业论文
第1章绪论1
1.1论文研究的背景和意义1
1.1.1研究背景1
1.1.2研究意义1
1.2国外研究情况2
1.3研究的容2
1.4研究的重点难点及研究方法2
1.4.1本文的重点2
1.4.2本文的难点2
1.4.3本文的研究方法2
第2章方案比较与论证4
第3章系统总体框图及硬件简介5
3.1系统的总体框图及组成5
3.2AT89C51简介5
3.3LM3867
3.4扬声器7
第4章系统软件设计9
4.1音乐相关知识9
4.2如何用AT89C51单片机实现音乐中的节拍9
4.3如何用AT89C51单片机产生音频脉冲10
4.4系统程序流程图12
4.5电源电路的工作原理13
第5章各功能模块原理图15
5.1AT89C51电路原理图15
5.1.1复位电路15
5.1.2晶振电路15
5.1.3按键电路15
5.2键盘扫描模块电路原理图16
5.3LCD1602电路原理图16
5.3.1液晶显示原理16
5.3.2LCD1602的基本参数及引脚功能16
5.4音频放大电路原理图17
第6章PROTEUS仿真19
6.1PROTEUS简介19
6.2仿真电路19
6.3仿真测试19
6.3.1电子琴弹奏仿真19
6.3.2电子琴自动播放仿真20
6.4仿真结果21
6.5实物图21
第7章心得体会23
致谢24
参考文献25
附录26
附录一：
PROTEUS仿真图26
附录二：
元件清单26
附录三：
主要源程序26
第1章绪论
1.1论文研究的背景和意义
1.1.1研究背景
对于生活在21世纪的我们，电子产品有着越来越重要的地位，简易电子琴就是其中一个非常典型的代表，它把许许多多的孩子们带进了音乐的殿堂。
因此，我选择了基于51单片机的简易电子琴设计这个题目来做，因为它不仅能提高我的动手能力，还与我们的实际生活有着密切的联系。
通过做基于51单片机来设计简易电子琴的这个选题，使我能够更深层次的了解了51单片机技术，在这之前只有课本上的一些理论，但是实践的机会并不是特别多，所以在做这个选题的过程中，我更加熟练的掌握了单片机芯片的很多应用，同时也了解到，我们以前所学到的很多理论知识存在与实践脱节的问题，可以说做完此次毕业设计，让我们对单片机有了更多、更深的认识。
近几年来，电子琴的发展相当迅速，不论是在国外还是在国，不管是在它的制造工艺上和操作程序上，还是在它的演奏技法上都有了很大的发展。
自从八十年代电子琴这种乐器进入到我国以来，它受到了广大的初学者、音乐爱好者以及音乐家的喜爱，以它独特的经济适用力和自身强大的功能。
可以说目前电子琴在中国的使用率还是挺高的，这不管是对大家音乐素质的提高，还是对音乐的发展都起到了很大的作用。
1.1.2研究意义
在目前的音乐领域上已广泛使用高科技，其中一个典型代表就是电子琴，主要原因是它融合了古典文化和现代文明。
它不仅在传统音乐文化上帮助了我们音乐教师的教育教学工作，而且在现代音乐、电子音乐等方面的教学时，比之前更直接、更方便。
随着现在科技的不断发展，又使得电子琴具备现代音乐——特别是电子音乐的基本结构特征，它的出现，给音乐老师和孩子们带来了更多的乐趣。
在21世纪到来之际，电子技术的发展相当迅速，因此它正逐渐影响并改善着人们的学习，工作和生活。
基于目前市场上电子产品的大量需求，而简易电子琴就是其中一个非常好的应用。
因此，希望本论文在研究基于51单片机的简易电子琴能够给人们在生活上带来更多的乐趣，同时可以利用单片机技术来实现简易电子琴的功能，即利用软硬件相结合的方法，来实现它的微型化。
简易电子琴还具有制作简单，成本低、体积小、控制方便和比传统的电子琴功能更加完善等优点。
1.2国外研究情况
自20世纪90年代以来，电子琴的应用已遍及全国，因此对国外电子琴的核心技术，工艺设备、技术应用以及它的发展趋势的了解，对于整个企业在提升产品技术的规格、提高市场的竞争力上来说非常的关键。
它在国外也同样被人们所熟知，所喜爱，被广泛的研究，并且在这个领域，人们取得了非常多的令人可喜可贺的研究成果。
目前，电子琴已被广泛用于教学当中，因此，它的相关理论和教学体系也在不断得改进和完善中，以国外双排电子琴为例，国的双排电子琴的如今的发展，主要表现在就业方面，我国多年来先后培养了很多优秀的双排键音乐人才，他们大多在我国的重点音乐学院从事教学工作，为我国的双排键音乐事业的发展在一定程度上起到了积极的推动作用。
国外（日本）双排电子琴的发展现状，主要表现在两个方面，一是课程设置上，二是音乐院校的就业情况。
课程设置分必修课和选修课，其中必修课为双排电子琴专业课程，双排电子琴即兴演奏，声乐课程和音乐美学作曲编曲法；选修课为钢琴专业课，音乐基础研究等课程。
通过科学和系统的教学，使得学生们在走向社会时，能够适应各种各样的工作。
所以他们的就业情况很乐观，分布也很广泛，比如说在音乐培训机构教学，在各个艺术团体参加表演，在福利院，疗养院等工作。
1.3研究的容
用一个AT89C51单片机设计一个简易电子琴，能够通过按键发出8种不同音阶的音乐，即1、2、3、4、5、6、7（高音），通过每个按键的控制使单片机系统输出不同频率的脉冲，经过扬声器发出不同频率音调，且能播放多首歌曲。
同时还可以选择播放已存入的音乐，并具有手动演奏和自动播放两种方式。
1.4研究的重点难点及研究方法
1.4.1本文的重点
本课题的重点是如何正确理解和使用AT89C51单片机以及如何用LCD1602来显示时间。
1.4.2本文的难点
本课题难点在于如何编写程序[1]让采集的数据正确的显示在LCD上，以及由51单片机实现声音的产生和处理。
1.4.3本文的研究方法
从本论文所要达到的设计要求以及所要实现的功能来看，此简易电子琴的设计主要是以AT89C51为核心控制元件，以实现手动弹奏歌曲和自动播放歌曲功能这两大部分组成。
手动弹奏歌曲是根据具体的4×4矩阵键盘设置了中高音16个音符按键，8个中音模式切换键和8个高音模式切换键还有两个功能选择键以及一个停止键，自动播放音乐是在单片机的存储器中通过C语言编程[2]的方法放置音乐代码和相关播放程序来实现。
从系统的硬件结构来看，主要用到了51单片机、16个按键输入电路、LCD液晶显示电路、扬声器以及功率放大电路等等。
在有机的结合这些硬件电路的基础上，满足本论文简易电子琴设计的基本硬件要求。
从系统软件的设计角度来看，简易电子琴的设计采用了电路原理图模块化的设计方法，本论文分为四大模块：
AT89C51模块电路原理图、键盘扫描模块电路原理图、LCD液晶显示模块和功放电路模块。
此外，还采用了程序设计思想，把中断定时方式和外部按键查询方式结合起来，从而实现了手动弹奏歌曲到自动播放歌曲的切换。
从音乐产生的原理来看，采用控制51单片机定时器的定时时间的方法来产生不同频率的音频脉冲，然后经过音频功率放大器LM386，放大后以此驱动扬声器，然后发出不同音乐的声音。
最后节拍的控制采用延时的方法来控制发音时间的长短，从而控制节拍。
综上，根据上述不同角度的方案设计原理，本文主要从软件和硬件以及音乐产生的原理，需要实现的功能和要求这几个部分进行了有计划有步骤的系统分析与设计，从而确立了最终的总体设计方案。
第2章方案比较与论证
方案一：
采用静态RAM存储LCD显示屏的显示容，静态RAM的优点是存储容量大，传输速度快等。
但它所存储的数据掉电之后就会消失，因此对于长时间不变的数据不益于存储。
方案二：
采用ROM芯片存储LCD显示屏要显示的信息，ROM芯片存储信息的时间很长，而且掉电后数据不会丢失，这种方式对于不变的数据益于存储。
方案三：
采用串行EEPROM存储LCD显示屏要显示的信息，串行EEPROM技术是一种不容易丢失信息的存储技术，它具有所有类型存储器的不挥发性、可更新性、高密度、低功耗和高性价比的优点，特别适合应用在各类工业测控系统中。
它不但克服了诸如2816、2817、2864等这些常用并行EEPROM器件的价格高、体积大、可靠性低等不足，而且在速度要求不是特别高的情况下，它是人们最理想的选择。
通过比较以上三种方案，可以看出方案三有明显的优点，因此本论文选择方案三。
第3章系统总体框图及硬件简介
3.1系统的总体框图及组成
本系统硬件设计的任务主要是根据本论文的设计要求，在AT89C51单片机的基础上，以及系统中所需要用到的一些元器件，把它们根据电子琴的原理合理的结合在一起，然后设计出本论文系统的结构图。
如下图3.1所示。
本论文要求是设计一个由AT89C51单片机控制的简易电子琴。
本文具体用AT89C51单片机，LM386放大器，LCD液晶显示器，4×4的矩阵键盘，扬声器，来设计一个简易电子琴。
单片机需工作在12MHZ的时钟频率。
其中4×4的矩阵键盘是用高、中音各8个音节组成的，用户可以在键盘上弹奏自己喜爱的歌曲，此时它会根据用户的弹奏，通过扬声器把好听的歌曲播放出来。
本次论文要求实现的功能是:
由用户手动弹奏歌曲和自动播放提前设置好的歌曲。
由于单片机自身并没有足够的驱动能力，所以当部定时器的定时时间所产生的音频脉冲，用它来直接驱动扬声器并不能得到本论文所要求的音乐，因此，本论文使用了音频功率放大电路。
本论文采用低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。
此放大器是由美国国家半导体公司生产的。
图3.1系统结构图
3.2AT89C51简介
AT89C51是一种有着字节为4K的FLASH存储器的低电压和高性能CMOS8位微处理器的单片机[3]。
单片机采用的制造技术为ATMEL高密度非易失存储器制造，并与工业上标准的MCS-51指令集、输出管脚相兼容。
该器件的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
此单片机还为很多嵌入式的控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。
是由于该器件能够把多功能8位的CPU以及闪速存储器，将他们组合在单个芯片中。
（1）AT89C51的主要特点
v能够与MCS-51相兼容
v拥有4K字节可编程FLASH存储器
v它的寿命为1000写/擦循环
v其数据保留时间为10年
v其全静态工作为0Hz-24MHz
v有着三级程序的存储器锁定
v有着128×8位的部RAM
v有着32可编程的I/O线
v有两个16位的定时器/计数器
v有着5个中断源
v拥有可编程的串行通道
v有片振荡器以及时钟电路
（2）AT89C51的主要管脚说明
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口是一个8位的双向I/O口，也是一个漏级开路的双向I/O口。
它的高阻输入状态表现为它的管脚第一次写入1的时候。
P0口在被定义为数据/地址的低八位时可以用做外部程序数据存储器。
P0口还可以作为原码输入口和输出原码，前者是在FIASH编程时情况下可以用，后者是在FIASH校验的情况下。
P1口：
是一个8位的双向I/O口，和P0口不同的是，它是一个部提供上拉电阻的双向I/O口。
当P1口作为输入时，此时管教写为1且部被上拉为高电平；当P1口作为输入时，此时管教写为1且外部被下拉为低电平。
它还可当做低8位地址接收，在FIASH编程和校验的情况下。
P2口：
和P1口一样，都是一个8位的部提供上拉电阻的双向I/O口。
当P1口作为输入时，此时管教写为1且部被上拉为高电平；P2口被外部下拉为低电平时，将输出电流。
不同的是当它用于外部和数据程序存储器存取时，此时输出地址的高8位。
P2口在地址为1时利用其部的上拉优势，在对地址数据存储器进行读写时，它可输出其特殊功能寄存器的容。
P2口还可以接收高八位地址信号和控制信号。
前者是在FLASH编程时，后者是在FLASH校验时。
P3口：
和前三个都不同，它是一个有着8个部上拉电阻的双向I/O口，当P3口作为输入时，此时管教写为1且部被上拉为高电平；当P3口作为输入时，此时管教写为1且外部被下拉为低电平。
3.3LM386
LM386是音频功率放大器，主要应用于电压较低的一些消费类产品，此功率放大器是由美国国家半导体公司生产的[4]。
它的静态功耗仅为24mW,使得LM386在电池供电的场合特别适用。
为了把它所使用的外围元件降到最少,需要将电压增益修改为20。
但是如果在管脚1和管脚8之间加一只外接电阻或者是电容,就可以将电压的增益改成任意值,一直可到200。
一般情况下输入端以地作为参考,同时输出端会自动的偏置其电源电压的一半,LM386它还是一种音频集成功放，当它在6V电源电压下时。
自身具有很多优点，比如自身功耗低、电压增益可调整、外接元件少等。
由P1.0输出的音频脉冲，经LM386音频放大器放大，才能推动喇叭放出声音。
喇叭也叫扬声器。
LM386有两种封装形式：
即塑封8引线的双列直插式和贴片式。
如图3.2所示。
图3.2LM386的封装形式
LM386的特性：
v它的静态功耗很低，大约为4mA，能够用于电池供电。
v它的工作电压围也宽，约4-12V或5-18V。
v其外围元件特别少。
v其电压增益可调为20-。
v失真度很低。
本论文采用低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。
此放大器是由美国国家半导体公司生产的。
其电路以及各参数如图5.5所示。
3.4扬声器
扬声器又叫做“喇叭”。
是一种电声换能器件，其作用是将电信号转换为声音，在发声的电子电气设备中经常能见到它。
扬声器的种类非常多，而且价格相差非常大[5]。
种类可由换能原理和频率围两个方面来划分，它也可以分为置和外置扬声器，我们所熟悉的音箱一般指的是外置扬声器，Mp3里面的喇叭就是所说的置扬声器。
它的主要性能指标包括灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真度等。
第4章系统软件设计
4.1音乐相关知识
音乐由音高、音名等组成，其中音名人们又把它叫做唱名。
在播放一首歌曲时，若听起来忽高忽低，这叫做音高。
人们通常用C、D、E、F、G、A、B来表示不同音调的乐音，把这7个字母叫做乐音的音名，一般它们被依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，这7个是歌曲播放时乐音所发的音，于是把它们叫唱名。
其中音高是发音物体振动频率的高低所决定的，频率高则声音就高，反之频率低则声音就低。
一首歌曲的时值，一般我们用拍数表示，而把一首歌曲的音它所持续的时间的长短定义为时值。
音乐是由音符在音乐中所对应的不同的频率的组合再加上与拍数相对应的延时两方面构成的。
不同的频率的由来：
是因为一首歌曲它是由许许多多不同的音符组成的，然而每个音符又对应着不同的频率。
音乐中的音级即就是音乐中所使用的每一个固定基本频率，通常用C，D，E，F，G，A，B，c来表示，也就是简谱中对应的1，2，3，4，5，6，7，i，本论文以C调为标准，每个音级的频率可由表查得，如下表4.1所示：
表4.1C调各音级频率单位：
赫兹
音级
中1DO
中2RE
中3MI
中4FA
中5SO
中6LA
中7SI
频率
523
578
659
698
784
880
988
音级
高1DO
高2RE
高3MI
高4FA
高5SO
高6LA
高7SI
频率
1046
1175
1318
1397
1568
1760
1976
4.2如何用AT89C51单片机实现音乐中的节拍
在一首音乐中还有一个很关键的组成部分那就是节拍。
所以如何实现音乐中的节拍也是非常重要的。
在弹奏时发出的声音，以及这个声音它所持续的时间长短，就是本论文所说节拍。
在本次论文中采用延时的方法来实现，假设1/4个节拍它所延长的时间是0.4秒，那么1个节拍的延长时间就是1.6秒，于是我们只需要知道1/4个节拍的延长时间，那么其余节拍的延长时间就是1/4个节拍的倍数。
本论文所要求实现的功能是：
由用户手动弹奏歌曲和自动播放提前设置好的歌曲。
对于51单片机自动播放音乐这部分，则在程序的设计中需要考虑到节拍的设置问题，但是对于用户手动弹奏这部分，节拍可不用程序来控制，而是由用户自己来掌握，非常的方便。
因此，对于不同的曲调的设置，我们可以采用51单片机的另外一个定时/计数器来进行设置。
一般情况下，音乐中的音拍是以一个节拍为单位的（C调），具体如下表4.2所示：
表4.2音乐节拍表
曲调值
DELAY
曲调值
DELAY
调4/4
120ms
调4/4
72ms
调3/4
178ms
调3/4
96ms
调2/4
240ms
调2/4
135ms
4.3如何用AT89C51单片机产生音频脉冲
音乐的发声原理，由前面的音乐知识可知，音乐是由音符在音乐中所对应的不同的频率的组合再加上与拍数相对应的延时两方面构成的[6]。
于是就可以根据这些不同的频率之间的组合，来构成本论文所要求实现的音乐了。
要想产生不同的频率对AT89C51单片机来讲非常的方便，所以我们可以利用51单片机部的定时/计数器T0来得到本论文所需要的方波频率信号，然后再把它们之间的关系弄正确就可以了（一首歌曲的音阶和它们之间所对应频率）。
音频脉冲的产生方法如下，即我们只需要算出其中某一个音频的周期，然后把这个周期除以2，就得到半周期的时间。
于是可以利用51单片机部定时器T0算出半周期的时间，在每次计时停止后就立即把P1.0反相，然后重复计时再反相，这样一直循环，就可以在P1.0引脚上得到本论文中所要求的频率的脉冲。
本论文使AT89C51单片机的部定时器工作在计数器的模式下，通过改变计数值
和
的值，以此来产生不同的频率，然后得到不同的频率的脉冲，例如，频率为
，其周期
，因此只要令计数器计时
，每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（
）。
计数脉冲的计数值和频率之间的关系式如4.3所示：
（4.3）
在上式中，
是计数值；
是机器频率（晶体振荡器为
时，其频率为
）；
是想要产生的频率。
其计数初值
的算法如4.4所示：
（4.4）
例如：
设
，
，求低音DO（
）、中音DO（
）、高音DO（
）的计数值。
则
值的算法如4.5所示：
（4.5）
低音DO的
的算法如4.6所示：
（4.6）
中音DO的
的算法如4.7所示：
（4.7）
高音DO的
的算法如4.8所示：
（4.8）
下面为这个音符建立一个表格，然后单片机对照下面这个表，通过查表的方式来获得相应的数据。
51单片机使用的是
晶振，高中低音符与计数T0相关的计数值如表4.9所示。
表4.9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
252
63528
#4FA#
750
64790
#1DO#
275
63837
中5SO
794
64560
低2RE
290
63735
#5SO#
821
94873
#2RE#
301
63428
中6LA
870
64967
低3MI
310
64221
#6LA#
939
64986
低4FA
340
64183
中7SI
978
65043
#4FA#
376
64165
低1DO
1057
65057
低SO
383
64760
#1DO#
1120
65090
#5SO#
417
64531
高2RE
1181
65122
低6LA
430
64500
#2RE#
1256
65137
#6LA#
456
64663
高3MI
1320
65187
低7SI
489
64724
高4FA
1389
65184
中1DO
523
64530
#4FA#
1479
65194
#1DO#
544
64733
高5SO
1568
65237
中2RE
577
64833
#5SO#
1689
65257
#2RE#
620
64789
高6LA
1770
65258
中3MI
689
64654
#6LA#
1878
65278
中4FA
678
64789
高7SI
1989
65301
的值决定了
和
的值，其关系为：
，
。
4.4系统程序流程图
图4.10为主程序流程图，当系统上电初始化后，即进入按键扫描程序，当有相应的按键按下时，此时将其对应的值赋给定时器T0的寄存器TH0和TL0，同时开启T0中断。
每当按键释放时，停止T0工作，反之T0继续工作。
图4.11为系统中断子程序流程图。
当51单片机部定时器T0发生计数溢出时，说明定时时间已满，于是发出中断请求，CPU响应中断同时申请系统进入中断处理中断子程序。
进入T0中断后重赋初值，并将P1.0取反后退出中断。
图4.10主程序流程图
图4.11中断子程序流程图
歌曲播放流程图如图4.12所示：
图4.12歌曲播放流程图
在电子琴开始工作的时候，此时系统是默认电子琴处于弹奏的状态，而歌曲选择功能键目的是把系统提前设置好的歌曲进行选择（如本系统的第一首歌是“遇见”，第二首是“兰花草”），在放歌的时候能且只能通过停止键来结束放歌，选歌的时候只能在两个歌曲选择功能键之间（即键1和键2）来选择和切换歌曲。
4.5电源电路的工作原理
本系统中的电路主要用到了51单片机的复位电路，晶振电路和按键电路，以及集成功放LM386的音频功放电路，正5伏的电源，4×4按键矩阵电路，LCD电路，C语言程序设计，从而实现了简易电子琴的基本功能（即自动播放和手动弹奏歌曲），同时使每个按键代表一个音符即DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，使得LCD电路，功率放大电路，4×4按键矩阵电路，扬声器等各功能电路协调工作，最终完成本论文所要求的自动播放和手动弹奏的功能，并播放和弹奏出悦耳动听的琴声。
第5章各功能模块原理图
5.1AT89C51电路原理图
在本论文中主要采用了三种电路，即复位电路、晶振电路、按键电路构成了单片机主程序模块。
如图5.1所示。
5.1.1复位电路
在本论文系统中采用简单的按键电平复位电路[7]。
本系统采用22uf的电容即可满足10ms以上的高电平。
此复位电路不但可以实现上电复位，而且可以通过按钮复位。
其中上电复位是利用电容器C5充电来实现的，而按键复位是通过R6和R16形成的回路，然后使RESET端产生高电平，复位的时间由按键的时间决定。
5.1.2晶振电路
本论文系统采用12MHz的晶振[8]。
目的是为了方便定时操作。
5.1.3按键电路
本论文中的按键需要加上上拉电阻，在它没按下的情况下可以维持高电平。
同时利用单片机的P1口可对按键进行检测，以此来控制不同的输出音调。
图5.1AT89C51模块电路原理图
5.2键盘扫描模块电路原理图
一般的行列式键盘其实就是本论文所说的矩阵式键盘。
把按键设置在I/O口线组成行、列结构的行列的交点上。
当按下按键时就有声音发出来，松开后便停止。
而每次按下一个键的时候，需要用逐行、逐列扫描的方法来判断是哪个按键按下。
在本论
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