电子琴课程设计修正版.docx
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电子琴课程设计修正版
课程设计任务书
题目电子琴的设计与实现
专业电子信息工程07-2班学号200701030229姓名彭成
主要内容、基本要求、主要参考资料等：
主要内容
1.阅读相关科技文献。
2.学习单片机编程软件应用。
3.学会整理和总结设计文档报告。
4.学习如何查找相关手册及相关参数。
技术要求
1.要求有系统组成框图。
2.要求能演奏不同音阶的音乐。
3.要求有原理图及单元电路说明。
主要参考资料
1.姚福安，电子电路设计与实践，山东科学技术出版社，2001年10月
2.涂时亮，单片机软件设计技术，重庆科技文献出版社，1987
3.张毅刚，新编MCS51实用汇编程序设计，哈尔滨工业大学出版社，2003
4.康华光，电子技术基础，高教出版社，2003
5.胡汉才，单片机原理及接口技术，清华大学出版社，1996
完成期限：
2011.1.17—2011.1.23
指导教师签名：
课程负责人签名：
2011年1月15日
摘要
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。
它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经融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STC89C51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、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有16个按键和扬声器。
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，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。
关键词STC89C51单片机音色节拍器自动放音
4程序框图与实现程序………………………………………12
1方案论证
1.1原理图
图1-1 电子琴电路图
1.2系统板硬件连线
系统板硬件连线如图1-1所示，发生模块，键盘模块，及LED显示模块连接如下
1.把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到“音频放大模块”区域中的SPKIN端口上；
2.把“单片机系统”区域中的P3.0－P3.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中的C1－C4 R1－R4端口上；
3.把“单片机系统”区域中的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口用8芯排线连接到“四路静态数码显示模块”区域中的任一个a－h端口上；要求：
P0.0/AD0对应着a，P0.1/AD1对应着b，……，P0.7/AD7对应着h。
1.3主芯片简介
1.3.1AT89S51简介
功能特性:
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，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
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。
图1-2管脚图
1.3.2主要功能特性
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
1.3.3LM386电内部路
LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。
LM386特性：
静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；
工作电压范围宽，4V-12V或5V-18V；
外围元件少；
电压增益可调，20-200；
低失真度。
LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。
图1-3 LM386内部电路原理图
LM386内部电路原理图如图1-3所示。
与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路.
第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。
使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益
第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。
第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。
二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。
引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。
电路由单电源供电，故为OTL电路。
输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。
电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。
图1-4音频放大器电路
2过程实现
2.14×4行列式键盘识别及显示
组成键盘的按键有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式多种，但不管什么形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。
目前微机系统中使用的键盘按其功能不同，通常可分为编码键盘和非编码键盘两种基本类型。
编码键盘：
键盘本身带有实现接口主要功能所需的硬件电路。
不仅能自动检测被按下的键，并完成去抖动、防串键等功能，而且能提供与被按键功能对应的键码（如ASCII码）送往CPU。
所以，编码键盘接口简单、使用方便。
但由于硬件电路较复杂，因而价格较贵。
非编码键盘：
键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。
有关按键的识别、键码的确定与输入、去抖动等功能均由软件完成。
目前微机系统中，一般为了降低成本大多数采用非编码键盘。
键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。
（1）去抖动:
每个按键在按下或松开时，都会产生短时间的抖动。
抖动的持续时间与键的质量相关，一般为5—20mm。
所谓抖动是指在识别被按键是必须避开抖动状态，只有处在稳定接通或稳定断开状态才能保证识别正确无误。
去抖问
题可通过软件延时或硬件电路解决。
（2）防串键：
防串键是为了解决多个键同时按下或者前一按键没有释放又有新的按键按下时产生的问题。
常用的方法有双键锁定和N键轮回两种方法。
双键锁定，是当有两个或两个以上的按键按下时，只把最后释放的键当作有效键并产生相应的键码。
N键轮回，是当检测到有多个键被按下时，能根据发现它们的顺序依次产生相应键的键码。
（3）被按键识别：
如何识别被按键是接口解决的主要问题，一般可通过软硬结合的方法完成。
常用的方法有行扫描法和线反转法两种。
行扫描法的基本思想是，由程序对键盘逐行扫描，通过检测到的列输出状态来确定闭合键，为此，需要设置入口、输出口一个，该方法在微机系统中被广泛使用。
线反转法的基本思想是通过行列颠倒两次扫描来识别闭合键，为此需要提供两个可编程的双向输入/输出端口。
（4）键码产生：
为了从键的行列坐标编码得到反映键功能的键码，一般在内AT89S51存区中建立一个键盘编码表，通过查表获得被按键的键码。
用AT89S51的并行口P0接4×4矩阵键盘，以P0.0－P0.3作输入线，以P0.4－P0.7作输出线。
图2-1键盘识别模块
2.1.1系统板上硬件连线设计
键盘模块硬件连线如图2-1所示：
把“单片机系统”区域中的P0.0－P0.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中对应的端口上；
2.1.2程序设计内容
（1）4×4矩阵键盘识别处理，每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。
矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。
每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。
（2）键盘处理程序的任务是：
确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。
两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。
电路图如下：
图2.1.1行列式键盘电路
3音乐产生方法
3.1原理简介
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，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这
样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系正确即可。
若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率），再将此周期除以2，
即为半周期的时间。
利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将P1.0反相，然后重复计时再反相。
就可在P1.0引脚上得到此频率的脉冲。
利用AT89S51的内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶，例如，频率为523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令计数器计时956μs/1μs＝956，每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。
计数脉冲值与频率的关系式（如式2-1所示）是：
N=fi÷2÷fr（2-1）
式中，N是计数值；fi是机器频率（晶体振荡器为12MHz时，其频率为1MHz）；fr是想要产生的频率。
其计数初值T的求法如下：
T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr
例如：
设K＝65536，fi＝1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。
T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr
低音DO的T＝65536－500000/262＝63627
中音DO的T＝65536－500000/523＝64580
高音DO的T＝65536－500000/1046＝65059
单片机12MHZ晶振，高中低音符与计数T0相关计数值如表2-2所示
表2-2音符频率表
音符
频率（HZ）
简谱码（T值）
音符
频率（HZ）
简谱码（T值）
低1 DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#1 DO#
277
63731
中5SO
784
64898
低2 RE
294
63835
#5SO#
831
64934
#2RE#
311
63928
中6LA
880
64968
低3M
330
64021
#6
932
64994
低4FA
349
64103
中7SI
988
65030
#4FA#
370
64185
高1DO
1046
65058
低5SO
392
64260
#1DO#
1109
65085
#5SO#
415
64331
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64400
#2RE#
1245
65134
#6
466
64463
高3M
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64580
#4FA#
1480
65198
#1DO#
554
64633
高5SO
1568
65217
中2RE
587
64684
#5SO#
1661
65235
#2RE#
622
64732
高6LA
1760
65252
中3M
659
64777
#6
1865
65268
中4FA
698
64820
高7SI
1967
65283
我们要为这个音符建立一个表格，单片机通过查表的方式来获得相应的数据：
低音0－19之间，中音在20－39之间，高音在40－59之间
TABLE1:
DW64021,64103,64260,64400
DW64524,64580,64684,64777
DW64820,64898,64968,65030
DW65058,65110,65157,65178
音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表2-3所示）
表2-3曲调值表
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
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。
琴键处理程序，根据检测到得按键值，查询音律表，给计时器赋值，发出相应频率的声音。
对音调的控制：
根据不同的按键，对定时器T1送入不同的初值，调节T1的溢出时间，这样就可以输出不同音调频率的方波。
不同音调下各个音阶的定时器。
在这个程序中用到了两个定时/计数器来完成的。
其中T0用来产生音符频率，T1用来产生音拍。
4程序框图与实现程序
4.1实现程序框图
图4-1程序框图
图4-2 键盘识别框图
图4-3音乐发声程序框图
4.2实现程序
KEYBUFEQU30H
STH0EQU31H
STL0EQU32H
TEMPEQU33H
SPKEQUP1.0;蜂鸣器所在端口
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0BH
LJMPINT_T0
START:
MOVTMOD,#01H
SETBET0
SETBEA
WAIT:
MOVP2,#0FFH
CLRP2.4;从第四行开始扫描
MOVA,P2
ANLA,#0FH;屏蔽高四位，高四位为行，低四位为列
XRLA,#0FH
JZNOKEY1;判断是否有键按下，没有就跳转
LCALLDELY10MS
MOVA,P2;消除抖动和干扰
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JZNOKEY1
MOVA,P2;确定有键按下以后的处理
ANLA,#0FH
CJNEA,#0EH,NK1;是否为第四行第一列的键被按下
MOVKEYBUF,#0;保存列号
LJMPDK1
NK1:
CJNEA,#0DH,NK2
MOVKEYBUF,#1
LJMPDK1
NK2:
CJNEA,#0BH,NK3
MOVKEYBUF,#2
LJMPDK1
NK3:
CJNEA,#07H,NK4
MOVKEYBUF,#3
LJMPDK1
NK4:
NOP
DK1:
;第四行的处理
MOVA,KEYBUF
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
MOVA,KEYBUF
MOVB,#2;Table1以字保存，所以散转
MULAB
MOVTEMP,A
MOVDPTR,#TABLE1
MOVCA,@A+DPTR
MOVSTH0,A;送入高字节
MOVTH0,A
INCTEMP
MOVA,TEMP
MOVCA,@A+DPTR
MOVSTL0,A;送入低字节
MOVTL0,A
SETBTR0
DK1A:
MOVA,P2;判断按键是否松开
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JNZDK1A
CLRTR0
NOKEY1:
MOVP2,#0FFH
CLRP2.5
MOVA,P2
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JZNOKEY2
LCALLDELY10MS
MOVA,P2
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JZNOKEY2
MOVA,P2
ANLA,#0FH
CJNEA,#0EH,NK5
MOVKEYBUF,#4
LJMPDK2
NK5:
CJNEA,#0DH,NK6
MOVKEYBUF,#5
LJMPDK2
NK6:
CJNEA,#0BH,NK7
MOVKEYBUF,#6
LJMPDK2
NK7:
CJNEA,#07H,NK8
MOVKEYBUF,#7
LJMPDK2
NK8:
NOP
DK2:
MOVA,KEYBUF
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
MOVA,KEYBUF
MOVB,#2
MULAB
MOVTEMP,A
MOVDPTR,#TABLE1
MOVCA,@A+DPTR
MOVSTH0,A
MOVTH0,A
INCTEMP
MOVA,TEMP
MOVCA,@A+DPTR
MOVSTL0,A
MOVTL0,A
SETBTR0
DK2A:
MOVA,P2
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JNZDK2A
CLRTR0
NOKEY2:
MOVP2,#0FFH
CLRP2.6
MOVA,P2
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JZNOKEY3
LCALLDELY10MS
MOVA,P2
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JZNOKEY3
MOVA,P2
ANLA,#0FH
CJNEA,#0EH,NK9
MOVKEYBUF,#8
LJMPDK3
NK9:
CJNEA,#0DH,NK10
MOVKEYBUF,#9
LJMPDK3
NK10:
CJNEA,#0BH,NK11
MOVKEYBUF,#10
LJMPDK3
NK11:
CJNEA,#07H,NK12
MOVKEYBUF,#11
LJMPDK3
NK12:
NOP
DK3:
MOVA,KEYBUF
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
MOVA,KEYBUF
MOVB,#2
MULAB
MOVTEMP,A
MOVDPTR,#TABLE1
MOVCA,@A+DPTR
MOVSTH0,A
MOVTH0,A
INCTEMP
MOVA,TEMP
MOVCA,@A+DPTR
MOVSTL0,A
MOVTL0,A
SETBTR0
DK3A:
MOVA,P2
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JNZDK3A
CLRTR0
NOKEY3:
MOVP2,#0FFH
CLRP2.7
MOVA,P2
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JZNOKEY4
LCALLDELY10MS
MOVA,P2
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JZNOKEY4
MOVA,P2
ANLA,#0FH
CJNEA,#0EH,NK13
MOVKEYBUF,#12
LJMPDK4
NK13:
CJNEA,#0DH,NK14
MOVKEYBUF,#13
LJMPDK4
NK14:
CJNEA,#0BH,NK15
MOVKEYBUF,#14
LJMPDK4
NK15:
CJNEA,#07H,NK16
MOVKEYBUF,#15
LJMPDK4
NK16:
NOP
DK4:
MOVA,KEYBUF
MOVDPTR,#TABLE
MOVCA,@A+DPTR
MOVP0,A
MOVA,KEYBUF
MOVB,#2
MULAB
MOVTEMP,A
MOVDPTR,#TABLE1
MOVCA,@A+DPTR
MOVSTH0,A
MOVTH0,A
INCTEMP
MOVA,TEMP
MOVCA,@A+DPTR
MOVSTL0,A
MOVTL0,A
SETBTR0
DK4A:
MOVA,P2
ANLA,#0FH
XRLA,#0FH
JNZDK4A
CLRTR0
NOKEY4:
JNBP1.0,MUSIC
LJMPWAIT
MUSIC:
MOVR3,#00H
NEXT:
MOVA,R3
MOVDPTR,#TABLE2
MOVCA,@A+DPTR
JZMUSIC
MOVR7,A
INCR3
MOVA,R3
MOVCA,@A+DPTR
MOVR2,A
ACALLSONG
INCR3
SJMPNEXT
;===============================================================================
;===歌曲播放子程序===
SONG:
MOVA,R2;取出节拍
RLA
JNZKEEP
MOVA,#01H
KEEP:
MOVR2,A
REPEAT:
ACALLEIGHTH
DJNZR2,REPEAT
RET
;========================
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