基于单片机的简易电子琴电路设计说明.docx

基于单片机的简易电子琴电路设计说明 单片机课程设计任务书 题目: 基于单片机的简易电子琴电路设计 初始条件： 简易电子琴一般具有弹奏一个自然大调7声音阶的功能。本课程设计，要求用AT89C51等系列芯片实现控制功能，利用按键实现音符和音调的输入；两位的数码管进行被操作的按键显示；用LM386放大电路实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器进行播放“送别”。 要求完成的主要任务: 1.设计任务 根据已知条件，设计并制作一个简易电子琴。 2.设计要求 （1）基本要求： 具备7个按键，能够分别较准确地弹奏出17八个音符。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。用EWB或MULTISIM软件完成仿真，之后制作出相应实物，并按规定格式写出课程设计报告书。 （2）扩展要求：（在完成基本要求的前提下，学有余力的同学可完成） 能够弹奏出至少21个音符（三个音阶）。 能够较便捷地完成音阶的升降。（用另外三个按键开关实现正常、升8度和降8度的切换）。 时间安排： 指导教师签名：年月日 基于单片机的简易电子琴控制系统设计 摘要 目的： 本设计主要研究基于AT89C52单片机的简易电子琴设计。 方法： 它是以单片机作为主控核心，设置键盘、蜂鸣器等外围器件；另外还用到一些简单 器件如：两位数码管，和NPN型三极管及电阻等。利用按键实现音符和音调的输入；两 位的数码管进行被操作的按键显示；用NPN型三极管8550实现低音频功率放大；最后用 蜂鸣器进行播放“送别”。 结果： 本设计硬件部分主要由最小系统，按键系统模块、数码管显示模块和蜂鸣器模块组成。其软件部分主要有主程序模块、定时中断程序、定时计数程序、显示程序。 （1）最小系统：它是单片机应用系统的设计基础。它包括单片机的选择、时钟系统设计、复位电路设计、简单的I/O口扩展、掉电保护等。 （2）按键系统模块：本设计采用10个按键，其中7个按键用来显示7个音调，其它3个按键可以进行高低中音的切换，并自动播放已存歌曲。 （3）数码管显示模块：SM420562段选端接在单片机的P0口，两个位选端分别接在P20和P21。 （4）蜂鸣器模块：此电子琴发音电路是通过三极管驱动蜂鸣器发音，经过上拉电阻提高驱动能力。 结论： 本次设计首先对单片机设计简易电子琴仔细分析，接着制作硬件电路和编写软件的程序，最后进行软硬件的调试运行。并且从原理图，主要芯片，各模块的原理和各个模块的程序调试来阐述。利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，实现高、中、低共21个音符的发音和显示和音乐播放时的控制显示，并且能自动播放程序中编排的音乐。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，具有一定的使用和参考价值。 关键词：单片机定时中断蜂鸣器数码管 c语言编程 1 系统设计 本项目所制作的电子琴控制系统是以51单片机为核心的系统，它主要包括模拟信号 主控芯片89C52、发音单元、显示模块、按键模块组成。具体方案如图1-1所示： 图1-1 系统模块 采用AT89C52单片机作为主控芯片，设置键盘、蜂鸣器等外围器件，另外还用到一些简单器件如：两位数码管，和NPN 型三极管及电阻等。利用按键实现音符和音调的输入；两位的数码管进行被操作的按键显示；用 NPN 型三极管8550实现低音频功率放大；最后用蜂鸣器 发音。 2 硬件电路设计 2.1 显示部分设计 （ 1）数码显示方式 数码显示有静态显示方式与动态显示方式两种。工作在静态显示方式时，数码管的位线与电源一直相连，数码管中的二极管均处于通电状态，即在静态工作方式下，显示电路中数码管的位选线是同时选通，而数码管的段选线是独立输入。 工作在动态显示方式时，数码管的位线在扫描控制电路的控制下按设定顺序导通，即电路中的数码管是逐个接通电源，数码管的段选线以并联方式与译码电路联接，即在动态工作方式下，数码管不是同时导通显示而是按照设定顺序分时导通显示。 （2）八位数码管的结构 本次课程设计的显示电路采用两位数码管进行显示，由于此设计采用的是共阴极的，使用时不加限流电阻为了显示字符，要为 LED 显示器段码，除了组成8字形的字符的 7段，另加上1个小数点位，共计8段， 因此提供给 LED 显示器的显示段码为1个字节。 图2-1 数码管电路 2.2按键部分设计 （1）操作键设计 常用的按键有三种：机械触点式按键、导电橡胶式和柔性按键（又称触摸式键盘）。 机械触点式按键是利用机械弹性使键复位，手感明显，连线清晰，工艺简单，适合单件制造。但是触点处易侵入灰尘而导致接触不良，体积相对较大。 导电橡胶按键是利用橡胶的弹性来复位，通过压制的方法把面板上所有的按键制成一块，体积小，装配方便，适合批量生产。但是时间长了，橡胶老化而使弹力下降，同时易侵入灰尘。 柔性按键是近年来迅速发展的一种新型按键，可以分为凸球型和平面型两种。柔性按键最大特点是防尘、防潮、耐蚀，外形美观，装嵌方便。而且外形和面板的布局、色彩、键距可按照整机的要求来设计。 但是由于客观条件与经济能力有限，本系统采用机械触点式按键。 （2）键盘设计 键盘在单片机应用系统中是一个关键的部件，它能实现向计算机输入数据，传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。 键盘可以分为2类：独立连接式键盘和矩阵式键盘。 矩阵式键盘： 单片机系统中，若按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。 矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。 独立连接式键盘: 独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O 口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构 简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，然而，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。 独立式按键软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O 口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。由于本程序较为简单，为了使用方便及节省资源，选择独立式键盘。下图为独立式键盘电路图： 图2-2 独立式键盘电路图 (3)去抖动 键盘编程中主要考虑去抖动的问题。 当测试表明有键被按下之后，紧接着就进行去抖动处理。因为键是机械开关结构，由于机械触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。为保证键识别的准确，在电压信号抖动的情况下不能进行行状态输入。为此需进行去抖动处理。去抖动有硬件和软件两种方法。硬件方法就是加去抖动电路，从根本上避免抖动的产生。软件消抖，在第一次检测到有键按下时，执行一段延时程序之后，再检测此按键，如果第二次检测结果仍为按下状态，CPU便确认此按键己按下，消除了抖动。 2.3发音部分设计 如下图所示，发音电路是由蜂鸣器、三极管、上拉电阻构成。由三极管来驱动扬声器发音的，同时加上拉电阻增强驱动电流，提高驱动能力。 图2-3 独立式键盘电路图 3 软件程序设计 3.1 系统分析 （1）系统软件的组成 键盘扫描程序：检测是否有按键按下，有按键按下则记录按下键的键值，并跳转至功能转移程序；无按键按下，则返回键盘扫描程序继续检测。 功能转移程序：对检测到的按键值进行判断，是琴键则跳转至琴键处理程序，是功能键则跳转至相应的功能程序，我们设计的功能程序有两种，即音色调节功能和自动播放乐曲的功能。 琴键处理程序：根据检测到的按键值，查询音调表，给计时器赋值，使发出相应频率的声音。 自动播放歌曲程序：检测到按键按下的是自动播放歌曲功能键后执行该程序，电子琴会自动播放事先已经存放的歌曲，歌曲播放完毕之后自动返回至键盘扫描程序，继续等待是否有按键按。 3.2 参数计算 （1）发音原理 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AT89C51的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。 （2）计算举例 例如，频率为523Hz，其周期T1/5231912s，因此只要令计数器计时956s/1s 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是：Nfi÷2÷fr，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：T65536N65536fi÷2÷fr 例如：设K65536，fi1MHz，求中音DO（261Hz）。T65536N65536fi÷2÷fr 655361000000÷2÷fr65536500000/fr，中音DO的T65536500000/52364580。 （3）计算结果 （1）单片机12MHZ晶振，中音符与计数T0相关的计数值如表所示： 音符频率 （HZ） 计数值（T 值） 音符频率 （HZ） 计数值 （T值） 低1DO 262 63628 #4FA# 740 64860 #1DO# 277 63737 中5SO 784 64898 低2RE 294 63835 #5SO# 831 94934 #2RE# 311 63928 中6LA 880 64968 低3MI 330 64021 #6LA# 932 64994 低4FA 349 64103 中7SI 968 65030 #4FA# 370 64185 低1DO 1046 65058 低SO 392 64260 #1DO# 1109 65085 #5SO# 415 64331 高2RE 1175 65110 低6LA 440 64400 #2RE# 1245 65134 #6LA# 466 64463 高3MI 1318 65157 低7SI 494 64524 高4FA 1397 65178 中1DO 523 64580 #4FA# 1490 65198 #1DO# 554 64633 高5SO 1568 65217 中2RE 587 64633 #5SO# 1661 65235 #2RE# 622 64884 高6LA 1760 65252 中3MI 659 64732 #6LA# 1865 65268 中4FA 698 64820 高7SI 1967 65283 采用查表程序进行查表时，可以为这个音符建立一个表格，有助于单片机通过查表的方式来获得相应的数据：低音019之间，中音在2039之间，高音在4059之间。用单片机播放音乐，或者弹奏电子琴，实际上是按照特定的频率，输出一连串的方波。为了输出合适的方波，首先应该知道音符与频率的关系。 （2）音调数据表 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 上表中的频率数值，有些过多，去掉不常用的黑键频率，只是把白键对应的数据存放在单片机中，即可满足绝大部分的应用需求。 定义音调数据表的程序如下： DW 63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524 64580,低音区:1 2 3 4 5 6 7 DW 64580,64671,64777,64820,64898,64968,65030 65058中音区:1 2 3 4 5 6 7 DW 65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283 65312高音区:1 2 3 4 5 6 7 把这个数据表，放在程序中，需要播音的时候，就从表中取出一个数据送到定时器，当定时器溢出中断的时候，再对输出引脚取反，那么，在扬声器中，即可听到上表中频率的声音。 3.3程序设计 （1）判断音阶（高中低音）子程序 在软件设计中采用yinjie代表音阶，如下所示 音阶Yinjie值 高 2 中 1 低0 初始化状态为中音（yinjie=1），电路中设计高、低两个音阶键。上电后，若无按键按下，则为中音模式。若音阶键被按下，则如下流程图所示，初始化后进行按键扫描，在高音键按