完整版基于单片机的微型电子琴设计毕业设计文档格式.docx
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单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物,属第四代电子计算机,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从根本上发生变革。
因此,单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。
本文主要对使用单片机设计微型电子琴进行了分析,并介绍了基于单片机电子琴统硬件[2]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。
2设计要求
本设计的主要内容是用AT89C52单片机[3]为核心控制元件,设计一个微型电子琴。
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,实现以下功能:
(1)设计一个(4×
4)的键盘[4],并将16个键设计成两个八度的音阶对应的16个琴键,可以进行弹奏表演;
(2)演奏的同时数码管会以数字显示当前按键对应的音符;
(3)有音乐存储功能,能自动演奏歌曲。
演奏时可选择键盘输入乐曲,自己存入的乐曲或随机存储的乐曲。
按播放键能播放5首歌曲,第一首歌曲播放结束,再按播放键播放下一首歌曲。
(4)发光二极管会指示当前按键是否按下。
3方案论证
3.1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AT89C52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[5]。
鉴于上述对比与分析,本设计采用方案三
3.2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,可以实现音阶在中音和高音之间的变换。
比传统音阶范围大,弹奏效果好。
在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘,它们各有自己的特点,其中独立键盘硬件电路简单,而且在程序设计上也不复杂,一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中;
矩阵键盘与独立键盘有很大区别,首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多,而且在程序算法上比它要烦琐,但它在节省端口资源上有优势得多,因此它更适合于多按键电路。
本设计选择4*4矩阵键盘。
4设计原理
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[6],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输出P3.0反相,然后重复计时再反相。
就可在P3.0脚上得到此频率的脉冲。
利用AT89C52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[7],例如,频率为523Hz,其周期T=1523=1912μs,因此只要令计数器计时956μs1μs=956,每计数956次时将IO反相,就可得到中音DO(523Hz)。
计数脉冲值与频率的关系式是:
N=fi2fr
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=K-N=K-fi2fr
式中K是单片机的16位定时器最大计数值,K=216=65536;
fi是机器频率,fi=1MHz,例如低音DO(262Hz)、低音RE(294Hz)、中音DO(523Hz)、中音RE(587Hz)、高音DO(1046Hz)、高音RE(1175Hz)的计数值如下:
T=65536-N=65536-fi2fr=65536-fr=65536-500000fr
低音DO的T=65536-=63628
低音RE的T=65536-=63835
中音DO的T=65536-=64580
中音RE的T=65536-=64684
高音DO的T=65536-=65058
高音RE的T=65536-=65110
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[4]。
在本实验中,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,根据以上公式,C调的各音符频率与计数值T的对照如下[8]
表4-1音符频率对照表
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
370
64185
高1DO
1046
65058
低5SO
392
64260
#1DO#
1109
65085
415
64331
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64400
#2RE#
1245
65134
466
64463
高3M
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64580
1480
65198
554
64633
高5SO
1568
65217
中2RE
587
64684
1661
65235
622
64732
高6LA
1760
65252
中3M
659
64777
1865
65268
中4FA
698
64820
高7SI
1967
65283
为音符建立一个数据表,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:
DW
音乐的音拍,一个节拍为单位(C调)(如表4-2所示)
表4-2曲调值表
曲调值
DELAY
调44
125ms
62ms
调34
187ms
94ms
调24
250ms
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,根据检测得到按键值,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[9]。
5微型电子琴的系统总体原理框图
如图5-1所示,设计出微型电子琴的系统总体原理框图。
图5-1微型电子琴系统原理框图
6系统主要硬件电路设计
6.1微型电子琴的Proteus总体设计电路图
电子琴的proteus总体仿真图见图6-1。
按下播放键,发光二极管亮一下,系统自动播放预存在内存中的曲子,再按一次播放下一首歌曲,按下复位键,系统复位,停止播放。
按下矩阵键盘中的任意键,扬声器发出相应的音符。
图6-1微型电子琴的Proteus总体设计电路图
6.2单片机主机系统电路
6.2.1AT89C52单片机简介
AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机[10],片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器(RAM),器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内配置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。
AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型,与Intel公司的80C52在引脚排列[11]、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。
AT89C52引脚图见图6-2.
图6-2AT89C52引脚图
P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口,如下表所示:
P3口引脚
特殊功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
(外部中断0)
P3.3
(外部中断1)
P3.4
T0(定时器0外部输入)
P3.5
T1(定时器1外部输入)
P3.6
WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
RD(外部数据存储器读先通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
其主要功能特性:
·
兼容MCS51指令系统
8k可反复擦写
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