基于單片機的電子琴

1、 基于單片機的創(chuàng)意電子琴設(shè)計實驗報告 目 錄1 前言22 總體方案設(shè)計32.1設(shè)計內(nèi)容32.3 方案選擇33單元模塊電路簡介與設(shè)計43.1 單片機主芯片電路設(shè)計4 3.1.1時鐘電路設(shè)計4 3.1.2復(fù)位電路設(shè)計53.2按鍵模塊電路設(shè)計63.3 led數(shù)碼管顯示電路模塊設(shè)計83.4揚聲器電路模塊設(shè)計94設(shè)計94.1設(shè)計框圖94.2主程序115 結(jié)論126 體會137參考文獻14附錄：相關(guān)設(shè)計圖15 1 前言單片微型計算機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬第四代電子計算機，它具有高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)的控生變革。因此，

2、單片機的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項重大課題。 電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機具有強大制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用at89s52單片機為核心控制元件，設(shè)計一個電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有8個按鍵和揚聲器，其中7個鍵用于音符輸入，1個鍵作為功能鍵。一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當(dāng)然對于單片機來產(chǎn)生不同的頻率

3、非常方便，我們可以利用單片機的定時/計數(shù)器t0來產(chǎn)生這樣的方波頻率信號，因此，只需把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。 2 總體方案設(shè)計2.1設(shè)計內(nèi)容本系統(tǒng)分為兩個部分，一個是音樂播放，另一個就是電子琴彈奏。關(guān)于聲音的處理，使用單片機c語言，利用定時器來控制頻率，而每個音符的符號只是存在我自己定義的表中。具體要求如下：1.要求達到電子琴的基本功能，可以用彈奏出簡單的樂曲。2.用鍵盤作出電子琴的按鍵，每鍵代表一個音符。3.各音符按一定的順序排列，必須符合電子琴的按鍵排列順序。4.彈奏電子琴時能播放出準(zhǔn)確的聲音，不彈奏時可以播放內(nèi)置音樂。5.記錄所彈音符和持續(xù)時間，能夠回放。2.2方案比較 方

4、案一：采用cpld外接揚聲器、鍵盤、數(shù)碼管等。8個譯碼輸出顯示的數(shù)碼管，以顯示目標(biāo)芯片的32 位輸出信號，且8個發(fā)光管也能顯示目標(biāo)器件的8位輸出信號。時鐘為50mhz ，輸出接揚聲器。具體過程：主系統(tǒng)可由兩個模塊組成：當(dāng)系統(tǒng)檢測到有按鍵按下時，對應(yīng)音符的頻率由模塊1獲得，這是一個數(shù)控分頻器。由其clk端輸入一具有較高頻率的信號，分頻后輸出。音符的持續(xù)時間須根據(jù)樂曲的速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)決定，模塊2的功能是為模塊1提供決定所發(fā)音的分頻預(yù)置值，而此數(shù)在模塊1輸入口停留的時間即為此音符的節(jié)拍值。方案二：采用單片機外接揚聲器、鍵盤、數(shù)碼管等。具體過程：當(dāng)系統(tǒng)掃描到鍵盤上有鍵子被按下，則快速檢測出是那

5、一個鍵子，然后單片機的定時器被啟動，發(fā)出一定頻率的脈沖，該頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動電路放大濾波后，就會發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)。如果在前一個按下的鍵發(fā)聲的同時有另一個鍵被按下，則啟用中斷系統(tǒng)，前面鍵的發(fā)音停止，轉(zhuǎn)到后按的鍵的發(fā)音程序，發(fā)出后按的鍵的音。2.3 方案選擇對比兩套方案各有優(yōu)缺點，方案一采用cpld，工作速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定，效果好，但是其價格昂貴；而方案二在設(shè)計這樣小型電子系統(tǒng)方面，無論是效果還是工作速度與方案一都相差不大，而且價格較為便宜。因此，選擇方案二即單片機加外設(shè)的方式設(shè)計該系統(tǒng)較好。3單元模塊電路簡介與設(shè)計基于單片機系統(tǒng)的電子琴設(shè)計基本設(shè)計結(jié)構(gòu)如下圖所示。at89c521 x 8獨立鍵盤時

6、鐘電路復(fù)位電路揚聲器led顯示電路圖3.1 電子琴設(shè)計系統(tǒng)原理圖該系統(tǒng)的硬件電路主要由at89c52單片機、鍵盤電路、揚聲器電路、led數(shù)碼顯示電路等模塊組成，具體原理圖如下：3.1 單片機主芯片電路設(shè)計3.1.1時鐘電路設(shè)計圖3.2 單片機時鐘電路xtal1、xtal2分別是系統(tǒng)時鐘信號fosc的輸入和輸出端，晶振電路的設(shè)計可以使用兩個電容和一個晶振即可，用來產(chǎn)生一個約等于12mhz的穩(wěn)定的頻率。3.1.2復(fù)位電路設(shè)計圖3.3單片機復(fù)位電路復(fù)位是單片機的初始化操作，其作用是使cpu和系統(tǒng)中其他功能部件都處在確定的狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位電路，為了防止干擾串?dāng)_復(fù)位端，所以

7、再接一個去耦電容。3.2按鍵模塊電路設(shè)計圖3.4 按鍵模塊電路在p0口連接有8個按鍵開關(guān)加8個上拉電阻，它們一端接5伏電源，一端接地。只要有一個按鍵被按下，并被單片機掃描到，則會播放發(fā)出音符。3.3 led數(shù)碼管顯示電路模塊設(shè)計圖3.5 led數(shù)碼顯示電路本系統(tǒng)用單片機的p0口來控制led顯示器的數(shù)字顯示。當(dāng)七個音符按鍵17中有被按下時，led數(shù)碼管將對應(yīng)顯示出該音符的數(shù)字。從而可以通過手動和眼看來確定所按的是哪個音符，應(yīng)該發(fā)出哪個音符的聲音。led顯示器還用來顯示對記錄所彈音符的持續(xù)時間。3.4揚聲器電路模塊設(shè)計圖3.6 揚聲器電路電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵振動膜片及外殼等組成。接

8、通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振蕩膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性的振動發(fā)聲。本設(shè)計蜂鳴器通過驅(qū)動電路與單片機的p1.7口連接，單片機就可以通過p1.7的輸出信號頻率進行控制。另外，通過示波器接到p1.7可方便我們觀察音頻信號的波形。4設(shè)計4.1設(shè)計框圖本次設(shè)計主程序分為四個大的功能塊，通過功能鍵觸發(fā)外部中斷，使功能鍵按鍵次數(shù)變量加1，通過判斷功能鍵按下與否進行功能切換。其中，頭文件包含主要是把本次設(shè)計中所用到的各頭文件包含進c文件中，包括89c52單片機系統(tǒng)頭文件，和自己寫的變量頭文件，函數(shù)頭文件及模式頭文件。還有就是手動模式，記錄模式，回放模式

9、，自動播放模式，分別是調(diào)用這幾個模式對應(yīng)的函數(shù)。以下是本設(shè)計主程序的流程圖。注：鍵8是否按下的檢測是嵌入在各功能模塊程序段中的，這里為比較清楚的展現(xiàn)功能塊的切換，故單獨寫出來。 圖4.1 主程序的流程圖4.主程序#include #include #include#include #include #includevoid main() init();while(1) sd(); /手動模式 ,如果功能鍵不按下，一直保持為手動模式 rd(); /記錄模式 hf(); /回放模式 zd(); /自動播放模式void iner0() interrupt 0 ex0=0; k8_ant+; clea

10、r(); if(k8_ant=1) do_not=1; if(k8_ant=4) k8_ant=0;do_not=1; delay(200); /按鍵消抖 delay(200);ie0=0;5 結(jié)論經(jīng)過上面的說明，分析及調(diào)試過程，我們知道了本課程設(shè)計的硬件系統(tǒng)是由音符輸入模塊、單片機控制模塊、顯示模塊及揚聲器輸出模塊，這幾個模塊組成；軟件系統(tǒng)由手動模式、記錄模式、回放模式及自動播放模式，這幾個功能模式組成。在整個調(diào)試的過程中我們遇到了一些問題，在解決這些問題的過程中，我們學(xué)到了一些書上沒詳細(xì)介紹的知識。下面我將根據(jù)根據(jù)整個設(shè)計過程中的思考、分析、討論及調(diào)試過程做出如下結(jié)論性的說明：1.功能鍵實

11、現(xiàn)一鍵復(fù)用是一個明智的選擇。由于我們進行調(diào)試所用的外擴電路板是面包板，如果外擴鍵盤，如不用核心板上上的8個獨立按鍵，而是外擴44矩陣鍵盤，那樣的話焊在面包板上會相當(dāng)?shù)穆闊?。這樣的話，一方面沒充分利用核心板上的器件，同時增加了焊接的難度。但是，不外擴的話，核心板上的鍵盤又不夠用。于是，我組采用了一鍵復(fù)用的方法，同時為了保證功能切換的實時性，我們將鍵8與單片機的外部中斷接口相連。鍵8的復(fù)用，一方面，節(jié)約了設(shè)計的器件成本與實踐的時間成本；另一方面，讓我們對外部中斷的利用有了新的理解。應(yīng)該說，這是本設(shè)計中一個較為重要的設(shè)計點。2.按鍵次數(shù)數(shù)碼管顯示及狀態(tài)燈的使用，增加人機交流效果。我們知道了鍵8復(fù)用的

12、原理，但是為了讓演奏者明確電子琴所處的狀態(tài)，我們用一個數(shù)碼管顯示出功能鍵所按的次數(shù)；用核心板上發(fā)光二極管顯示電子琴所處的狀態(tài)。3.記錄、回放、自動播放，這三個擴展功能增加了電子琴的吸引力。本次課程設(shè)計的最基本功能是模擬電子琴彈奏功能，在我組的努力下，同時為增加對所學(xué)知識的理解與掌握程度，我們擴展了這三個功能。調(diào)試時，這幾個功能實現(xiàn)起來的效果還是不錯的。4.調(diào)試過程較為順利，各個功能模塊能較好的達到預(yù)期效果。如音符輸入模塊，按鍵能順利完成其音符輸入的功能，同時，顯示模塊及揚聲器模塊能實時顯示和發(fā)聲?？偟膩碚f，整個設(shè)計、調(diào)試過程較為順利；各個功能模塊能較好的達到預(yù)期效果；各功能模塊的主要參數(shù)均正常

13、。6體會經(jīng)過上述較為詳細(xì)的分析、說明，我們知道了，本設(shè)計的硬件系統(tǒng)由音符信號輸入模塊，也即鍵盤輸入模塊，單片機控制模塊，數(shù)碼管及狀態(tài)顯示模塊，揚聲器輸出模塊這幾個功能模塊組成。軟件系統(tǒng)由手動模式、記錄模式、回放模式及自動播放模式這四個功能模塊組成。經(jīng)過認(rèn)真的仿真及調(diào)試，最后，我們實現(xiàn)了電子琴的基本功能和擴展功能。應(yīng)該說，整個設(shè)計的軟硬件都比較合理，因為最后能較好的實現(xiàn)本設(shè)計的預(yù)期任務(wù)。但也有不足之處，即雖然各個功能模塊能較好的實現(xiàn)預(yù)期功能，揚聲器（實際上用的是蜂鳴器）所發(fā)出的聲音根本無法區(qū)分到底是do,還是re，也即發(fā)出的聲音并不那么理想。原因可能是蜂鳴器無法把較高頻頻的音頻脈沖正確的模擬出來

14、；還可能就是程序沒能協(xié)調(diào)發(fā)音節(jié)拍與音頻脈沖的關(guān)系，而這部分是涉及到音樂領(lǐng)域方面的專業(yè)知識，作為本次設(shè)計，我們已達到課程設(shè)計的目標(biāo)故沒在深入下去。在整個設(shè)計過程中，通過查資料，我們學(xué)到了很多書本上沒介紹的知識，例如at89c52定時、計數(shù)器t2的用法，芯片uln2803的用法。還有對已學(xué)知識的進一步理解如外部中斷的使用，按鍵軟件消抖的應(yīng)用，p0口要輸出高電平必須接上拉電阻等等。在調(diào)試過程中，我們遇到了很多問題，但是通過我組成員的密切配合，問題都解決了。值得提出的是我們獨立的解決了共陽極數(shù)碼管因為硬件原因無法顯示的問題，解決辦法是給p0口及uln2803接上拉電阻。雖然，說起來很簡單，但這個問題我

15、們花了將近一天的時間才找出來，最終加以解決了。在軟件調(diào)試的過程中，一路走來，對耐心的磨礪是很大的。經(jīng)過調(diào)試，我組成員的耐心得到了鍛煉，這對以后的學(xué)習(xí)是很有幫助的。整個軟件設(shè)計中，由李清同學(xué)設(shè)計總體方案，李雙生同學(xué)完成了手動模式程序的編寫，鄭波同學(xué)完成了功能切換程序的編寫，其余由李清同學(xué)完成?？偟膩碚f，通過本次設(shè)計，我組成員密切配合，相互交流，提高了與人合作的能力。同時，提高了軟、硬件的設(shè)計能力，更加理解了書本上關(guān)于單片機的知識。應(yīng)該說，在本次設(shè)計中我們收獲很多。7參考文獻1 楊將新、李華軍.單片機程序設(shè)計及應(yīng)用（第三版）m. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.2 胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)m. 北京：清華大學(xué)出版社，2004.3 康光華、鄒壽斌.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第五版）m. 北京：高等教育出版社，2006.4 張毅剛、彭喜元.單片機原理及應(yīng)用m.北京：高等教育出版社，2003.5 譚浩強. c語言程序設(shè)計（第三版）j.北京：清華大學(xué)出版社，20057 張海兵、李敏.protel電路設(shè)計實例與分析j. 北京：人民郵電出版社，2005