基于单片机的多功能电子琴的设计毕业设计.doc
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1、 机电与车辆工程学院毕业设计 题 目: 基于单片机的多功能电子琴的设计 专 业: 电气工程及其自动化 班 级: 09(2)班 姓 名: 学 号: 1609090217 指导教师: 日 期: 2013年6月5日 摘 要 随着社会的发展,音乐渐渐成为我们生活中很重要的一部。在忙碌的生活中,我们总会抽空欣赏喜爱的歌曲,作为对精神的洗礼和心灵的升华。本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。生活中,我们对于电子琴如何实现其功能,如音色选择、声音强弱控制、节拍器、自动放音功能等等很好奇。电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物,是一种新型的电子键盘乐器。它在现代音乐中扮演着非常重要的角色,形形色色的物品已经表明
2、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,成为不可替代的现代生活的一部分。本设计的主要内容是用AT89S51单片机为核心控制元件,设计一个多功能电子琴。拥有弹奏和自动播放功能。 关键词:AT89S51单片机 音色 弹奏 自动放音 目录引 言11 方案论证21.1 控制模块选择方案21.2 设计目标21.3 按键选择方案22 系统设计32.1 系统组成及总体框图32.2元件简介32.2.1 AT89S5132.2.2 LED数码管52.3显示电路62.4 各功能模块原理图和工作原理62.4.1 AT89S51模块电路原理图62.4.2键盘扫描模块电路原理图72.4
3、.3键盘扫描模块的工作原理72.4.4 数码管工作原理及电路图102.4.5音乐播放设计122.4.6音频模块电路原理图132.4.7 二极管显示模块152.4.8 键盘控制单片机模式模块173 仿真模型构建173.1如何用单片机实现音乐的节拍173.2如何用单片机产生音频脉冲183.3系统总体功能流程图194 电路仿真194.1 ISIS软件介绍194.2 keil 简介204.3仿真图介绍214.4系统调试214.4.1硬件调试214.4.2 软件调试224.5仿真图225 仿真和调试结论235.1不足之处235.2研究展望23参考文献24致 谢25ABSTRACT26附件272引 言 单
4、片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物,它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。它的应用必定导致传统的控制技术发生变革。因此,单片机的开发应用早已经成为高科技和工程领域的一项重大课题。 本设计的主要内容是用AT89S51单片机为核心控制元件,设计一个多功能电子琴。以单片机作为主控核心,与键盘、扬声器、LCD等模块组成核心主控制模块,在主控模块上设有18个按键和扬声器。 本设计主要对使用单片机设计多功能电子琴进行了分析,并介绍了基于单片机电子琴系统硬件组成。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的音乐。并且本设计分别从原理图,主要芯片,各模块
5、原理及各模块的程序的调试来详细阐述。 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,便构成我们所想要的音乐了。随着电子科技的快速发展,电子技术正在渐渐改善着人们的学习、生活、工作等各个方面,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。由于当前市场上的玩具需求量大,其中电子琴就是一个很好的应用方面。单片机技术可以使我们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。 电子琴是电子科技与音乐结合的产物,是一种非常流行的键盘乐器。虽然单片机出现的历史并不长,但发展十分迅猛,在集成度、功能、速度、可
6、靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。目前单片机已用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域,随着单片机性能的不断提高,它的应用将会更加广泛。单片机技术发展非常快,所以目前的产品都致力于在功能全面、技术先进、操作简便、安全可靠、价格合理等方面进行仔细研究,精心设计;及时掌握最新的单片机技术,在条件允许的情况下,尽可能地利用最新的单片机技术来研制其应用系统,再利用单片机体积小、价格低、功能强等特点,以保证所设计的产品在未来的一段时间内仍具生命力。在生活和生产的各个领域中,凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现。现在,虽然单
7、片机的应用已经很普遍了,可是仍有许多可以用它来控制而未实现的项目,因此,单片机的应用大有可以想象和拓展的空间。1 方案论证1.1 控制模块选择方案 方案一:用可控硅制作电子琴。将220V交流电经变压器降压,再经过整流、滤波,获得+13.5V直流电压。将单向可控硅SCR和电阻、电容组成驰张振荡器电路。但该设计方案制作成本高且复杂。方案二: 采用AT89C51单片机进行控制,由于AT89C51不具备ISP功能,因此Atmel公司已经停产在市面上已经不常见,况且其ROM只有4K在系统将来升级方面没有潜力。方案三:采用AT89S51单片机进行控制,由于其性价比高,完全满足了本作品智能化的要求,它的内部
8、程序存储空间达到8K,使软件设计有足够的内部使用空间并且方便日后系统升级,使用方便,抗干扰性能提高。鉴于上述对比与分析,本设计采用方案三 。1.2 设计目标由于本设计主要用于人们娱乐方面,因此在设计上尽量使其安全以及简单易操作。其次,在这次设计可行性上进行分析如下:1、经济可行性:所谓经济可行性,即在这次设计上需要投入资金的多少,由于毕业设计是没有项目资金,没有开发经费,因此在经济上必须能够承受,比较理想化的项目对于我们毕业设计来说是不可行的。通过分析后,无论是在器件价格或是常见度上均是可行的。2、技术可行性:技术可行性主要是分析技术条件上是否能够顺利开展并完成开发工作,硬件、软件能否满足设计
9、者的需要等。通过分析各种软件环境,硬件仿真环境等均已经具备。综上所述,本系统设计目标已经明确,在经济与技术上均可行,因此本系统的开发是完全可行的。1.3 按键选择方案传统电子琴可以用键盘上的“1”到“A”键演奏从低SO到高DO等11音。该设计有16个按钮矩阵,设计成16个音,可以实现音阶在低音4-高音5之间。比传统音阶范围大,弹奏效果好。而且还有两个额外的按键来控制单片机的工作方式播放和弹奏。2 系统设计2.1 系统组成及总体框图硬件设计的任务是根据总体设计要求,在选择的单片机的基础上,确定系统中所要使用的具体元器件,设计出系统的原理框图、电路原理图。本设计要实现一种由单片机控制的多功能电子琴
10、,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。本设计具有16个音节的键盘,可以根据乐谱在键盘上进行弹奏,音乐发生器会根据自己的弹奏,通过扬声器将音乐播放出来。由于本设计实现的音乐发生器是由演奏者通过键盘输入弹奏乐曲的,所以节拍由演奏者掌握,不由程序控制。用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐,因为它没有足够的驱动能力,这就需要音频功率放大电路。本论文使用国家半导体公司的低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。键盘扫描 AT89S51数码管显示扬声器播放音乐电源部分 图2-1 系统结构图2
11、.2元件简介2.2.1 AT89S51功能特性:AT89S51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
12、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。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:0Hz33Hz、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。引脚说明:
13、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
14、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
15、,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3.1 管脚备选功能端口功能P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD(串行输入口)TXD(串行输出口)/INT0(外部中断0)/INT1(外部中断1)T0(记时器0外部输入)T1(记时器1外部输入)/WR(外部数据存储器写选通)/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
16、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
17、/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。2.2.2 LED数码管本次毕业设计的显示电路采用LED数码管显示,LED(Light-Emitting Diode)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。L
18、ED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。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ag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。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。 (a)外形 (b)共阳极 (C)共阴极图2-2 数码管引脚2.3显示电路本次毕业设计
19、的显示电路采用LED数码管显示,由于 LED是属于电流控制器件,使用时必须加限流电阻。通过单片机查表得出数码管显示编码,传送给数码管显示,以此来实现按键与显示程序的一致性。2.4 各功能模块原理图和工作原理2.4.1 AT89S51模块电路原理图单片机主程序模块通过对键盘扫描程序信号的读取,在通过对应的表,取出数码管显示编码和定时器初始值以产生不同的声音信号。在这一过程中,对数码管编码是直接赋值,对声音信号则是通过中断程序进行控制。 图2-3 AT89S51引脚图2.4.2键盘扫描模块电路原理图对键盘扫描电路的扫描方式有行扫描法和线反转法,在此次程序编写中,采用行扫描法,通过在p00p03上循
20、环送出0扫描信号,p04p07输入按键上的高低电平信息给单片机,经处理程序,判断出是哪个开关按下,并送主程序以实现不同功能。图2-4 键盘电路图2.4.3键盘扫描模块的工作原理 确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。 行扫描法 行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法,是一种最常用的按键识别方法,其工作原理如下: 1、判断键盘中有无键按下 将全部行线置低电平,然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低,则表示键盘中有键被按下,闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平,则无键按下。 2、判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后,可进入确定具体哪个键闭合的过程。其
21、方法是:依次将行线置为低电平,即在置某根行线为低电平时,其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后,再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低,则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。键盘接口必须具有的 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520mm。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。被按键识别:如何识别被按键是接口
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