基于单片机的电子琴设计.docx

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基于单片机的电子琴设计

河南理工大学

《单片机应用与仿真训练》设计报告

题目：

基于单片机的电子琴设计

姓名：

学号：

专业班级：

指导老师：

所在学院：

电气工程与自动化学院

2012年5月18日

摘要

单片机即单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），是集CPU,RAM,ROM,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。

其中51单片机是各种单片机中最为典型和最有代表性的一种,广泛应用于各个领域。

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。

而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，以单片机作为主控核心，与键盘、蜂鸣器等模块组成核心主控制模块。

在主控模块上设有11个按键和蜂鸣器，利用蜂鸣器作为发声部件，两个数码管作为显示部件，实现高音、中音、低音的1、2、3、4、5、6、7的发声与显示，并存储一首歌曲的内容，可实现自动播放。

一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，可以利用不同的频率的组合，构成我们所要的设定的音乐，利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，只要将一首歌曲的音阶对应频率关系对照即可。

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电子琴的硬件组成。

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，性价比高等，具有一定的实用和参考价值。

目录

1概述…………………………………………………………………………………3

1.1课题开发背景…………………………………………………………………3

1.2设计任务与要求………………………………………………………………3

2系统总体方案及硬件设计…………………………………………………………4

2.1系统组成及总体框图…………………………………………………………4

2.2硬件电路图……………………………………………………………………4

2.2.1电路总接线图……………………………………………………………4

2.2.2单片机最小应用系统……………………………………………………5

2.2.3数码管显示模块…………………………………………………………7

2.2.4按键及声音控制模块……………………………………………………7

2.3元件介绍………………………………………………………………………8

2.3.1AT89S52……………………………………………………………………8

2.3.2LED数码管………………………………………………………………10

3软件设计…………………………………………………………………………12

3.1音乐相关知识简述…………………………………………………………12

3.2利用单片机实现节拍控制原理……………………………………………12

3.3系统总体功能流程图………………………………………………………13

4Proteus软件仿真………………………………………………………………14

4.1仿真图形……………………………………………………………………14

4.2系统调试……………………………………………………………………14

4.2.1软件仿真调试…………………………………………………………14

4.2.2软件调试………………………………………………………………15

5课程设计体会……………………………………………………………………16

参考文献……………………………………………………………………………16

附：

源程序代码……………………………………………………………………17

1概述

1.1课题开发背景

随着电子科技的飞速发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作,因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣。

基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就是一个很好的应用方面。

单片机技术使我们可以利用软硬件实现电子琴的功能，从而实现电子琴的微型化，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。

并且可以进行一定的功能扩展。

不但可以实现对乐曲的演奏，同时还具有存储音乐、播放歌曲以及显示按键的功能，使该设计功能更加完善。

1.2设计任务与要求

利用所给键盘的1，2，3，4，5，6，7，七个按键，能够发出7个不同的音调，而且有一个按键可以自动播放歌曲，要求按键按下时发声，松开延时一小段时间，中间再按别的键则发另外一音调的声音，当系统扫描到键盘按下，则快速检测出是哪一个按键被按下，然后单片机的定时器启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出相应的音调。

如果在前一个按下的键发声的同时有另一个按键被按下，则启动中断系统。

前面的发音停止，转到后按的键的发音程序。

发出后按的键的音调。

2系统总体方案及硬件设计

2.1系统组成及总体框图

该设计方案是通过按键随意按下所要表达的音符，作为电平送给主体电路，中央处理器通过识别，解码输出音符，在扬声器中发出有效的声音。

通过这样可以不断的弹奏我们想要的音符或者是音调，电路由复位电路，指示灯电路，和功能按键电路组成，通过功能键可以选择播放音乐或者弹奏音节，硬件主要有下面几个部分组成。

图2-1电子琴硬件设计框图

在本设计中，采用P1.0-P1.6口作为七个音符的输入，通过按下其中任一个键实现1,2,3,4,5,6,7的演奏，P3.0-P3.3口四位作为按键输入实现低、中、高音切换，P0、P2口作为显示输出，实现音符显示和音调显示，P3.4接蜂鸣器作为声音输出，实现音符发声和音乐歌曲播放功能。

2.2硬件电路图

2.2.1电路总接线图

如图所示，本设计包括单片机芯片AT89S52最小应用系统、键盘输入电路、数码管显示电路、蜂鸣器发声电路等模块组成。

图2.1电路总接线图

2.2.2单片机最小应用系统

单片机加上适当的外围器件（保证单片机系统运行的最小外围器件）和应用程序，构成的应用系统称为最小系统。

包括单片机、复位电路和时钟电路，

图2.2单片机最小应用系统接线图

复位电路采用按键复位方式，若要复位，只需按下复位按钮，此时电源Vcc经电阻器R1、R2分压，在RST端产生一个复位高电平。

图2.3按键复位电路图

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。

单片机本身如同一个复杂的同步时序逻辑电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

AT89S52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2上外接时钟源即可构成时钟电路

图2.4时钟电路图

2.2.3数码管显示模块

数码管显示模块核心是共阳级数码管，通过来自单片机I/O口的电平高低来点亮和熄灭数码管上的发光二极管，通过单片机送来的数码管显示编码可以在数码管上显示数字和字符，可以很容易地理解按键按下所对应的音符。

图2.5数码管显示模块电路原理图

2.2.4按键及声音控制模块

如图2.6、2.7所示，音节按键从P1口进行输入，实现1,2,3,4,5,6,7，播放。

音调切换按键从P3.0-P3.3口输入，实现高、中、低音切换及音乐歌曲播放控制。

蜂鸣器接P3.4实现声音输出。

图2.6按键输入电路图

图2.7音调切换按键输入及发声输出电路图

2.3元件介绍

2.3.1AT89S52

一、功能特性：

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止[1]。

二、主要性能：

与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：

0Hz～33Hz 、三级加密程序存储器 、32个可编程I/O口线 、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符[2]。

三、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P1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，如下表所示：

表2.1各管脚其它功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（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

2.3.2LED数码管

本次设计的显示电路采用LED数码管显示，LED（Light-EmittingDiode）是一种外加电压从而流过电流并发出可见光的器件。

LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。

LED有单个LED和八段LED之分，也有共阴和共阳两种。

常用的七段显示器的结构如图下图所示。

（a）外形（b）共阳极（C）共阴极

图2.5数码管引脚图

发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器（如图b所示），阴极连在一起的称为共阴极显示器（如图c所示）。

1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管a~g控制七个笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便[5]。

此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。

才能显示出正确的数字来。

3软件设计

本软件设计关键是要实现一种由单片机控制的简单音乐发生器，它由7音节组成的的键盘，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，通过蜂鸣器将音乐播放出来。

3.1音乐相关知识简述

音乐听起来有的高，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。

3.2利用单片机实现节拍控制原理

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[7]。

音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）具体如下表：

表3.1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

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。

在本设计中，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的对照如表3-2所示。

T的值决定了TH0和TL0的值，其关系为：

TH0=T/256，TL0=T/256

3.3系统总体功能流程图

图3.1主程序框图

4Proteus软件仿真

4.1仿真图形

图4.1Proteus仿真图

4.2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。

4.2.1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。

A、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；

B、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。

4.2.2仿真调试

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课程设计体会

这次实验总共经历了两周的时间，从功能需求分析到功能分析，从程序的设计到程序的调试，下载，最后终于完成了这次具有实际使用价值的实验。

在设计中我运用自己平时学到的一些知识，以及自己在课下所查找的进行设计，刚开始遇到很多困难，包括对使用汇编语言环境语言的不熟悉，后来一起和同学研究，而一些课程设计中的故障，也请同学帮忙参考一下，最终找到了解决问题的答案，在程序修改中用了大量时间，但是是值得的。

我感觉自己在设计方面提高很大，特别是在设计程序时，逻辑思维能力有所加强，同时对以前所学的知识有了更深刻的认识，并进一步的得到了巩固和提高，充分的做到了理论联系实际，也使我认识到理论与实际的差别，通过该课程设计，不但对单片机有了较为全面的认识，而且相关的知识也有了足够的掌握，我感觉最重要的还是设计思维的形成。

更发现自己在平时学习中的缺陷。

对以后的学习也有很大的帮助。

这次的单片机课程设计，我所收获的不仅是学习知识方面，更多的是生活方面。

我了解到，在我们生活中，应该学会与别人共同分享，分享知识，分享问题，这样更有助于我们的交流，有利于我们共同进步，有利于我们对学习养成良好的兴趣。

最后，我要感谢那些带我们课程设计的老师们，感谢你们对我们的耐心，感谢你们对我们的鼓励，让我们有信心继续下去，成功走到最后。

参考文献

[1]张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M]．哈尔滨工业大学出版社，2004

[2]龙威林.单片机应用入门:

AT89S51和AVR[M].北京:

化学工业出版社,2008

[3]张虹.单片机原理及应用[M].北京:

中国电力出版社,2009.

[4]张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M]．哈尔滨工业大学出版社，2004

[5]徐新艳．单片机原理、应用与实践[M]．北京：

高等教育出版社，2005年3月．

附：

源程序代码

ORG00H

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ORG0BH

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