基于单片机的简易电子琴设计课程设计论文.docx

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基于单片机的简易电子琴设计课程设计论文

湖南文理学院

课程设计报告

课程名称：

单片机课程设计

摘要

随着社会的发展进步，音乐逐渐成为人们生活中很重要的一部分，有人曾说喜欢音乐的人不会向恶。

我们都会抽空欣赏世界名曲，作为对精神的洗礼。

本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。

人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、自动放音功能等等也很好奇。

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，它已经溶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AT89S52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：

AT89S51；音色节拍器；电子琴

ABSTRACT

Withthedevelopmentofoursociety,musichasbecomeanimportantpartoflife.There’sasayinggoesthatpeoplewholikesmusiccannotbeanevil.Duringourlife,weoftenenjoyallkindsofmusicintheworldtobaptizeourspirits.Thisthesishasdesignedasimplemicrocontroller-basedelectronickeyboard.Wearecuriousaboutthefoundationofelectronickeyboard,suchasthechoiceoftimber,thecontrolofvolume,themetrononmeandautomaticplayback.

Thekeyboardisaproductofmodernelectronictechnologycombinedwithmusic,itisanewtypeofkeyboardinstruments.Anditplaysanimportantroleinmodernmusic.Singlechiphasapowerfulcontrolfunctionsandflexibleprogrammingcharacteristics.Ithasconvergedwithmodernpeople'slives,becomeanirreplaceablepart.ThemaincontentisAT89S51controlofthecorecomponents,Designofanelectronicorgan,singlechipasahosttothecore,withthekeyboard,speakersandothercoremodulesmaincontrolmodule,inthemaincontrolmodulehas16keysandspeakers.Stabilityofthesystem,itsadvantagesaresimplehardwarecircuits,softwarefunctions,controlsystemreliability,highcostperformanceandhavecertainpracticalandreferencevalue.

Keywords:

singlechip MCUkeyboard speaker electronicorgan

第一章设计方案分析

1.1设计背景

随着电子科学技术的飞速发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作,因此开发本系统希望能够给人们带来更多的生活乐趣。

基于当前市场上的玩具需求量增大，其中电子琴就是一个很好的应用方面。

单片机技术使我们可以利用软硬件来实现电子琴的功能，从而可以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。

并且可以进行一定的功能扩展。

鉴于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个音，从而也可以通过单片机实现对十个按键的扩展，实现七个音符键的高、中、低21个音调的显示播放和任意音乐的自动播放。

该设计将十个音键制作成独立键盘，其中七个为音符键，三个为控制键，并用数码管进行显示，使电子琴的功能更加完美。

不但可以实现对按键的显示，而且可以实现对音乐的自动存储和播放，使该设计功能更加完善。

1.2设计任务

实现电子琴发声控制系统；要求电路实现如下功能：

利用蜂鸣器作为发声部件，两个数码管作为显示部件，设置10个按键，实现高音、中音、低音的1、2、3、4、5、6、7的发音。

并在存储一首歌曲的内容，可以实现自动播放。

用PROTEUS实现的电子琴仿真设计，通过Protel绘制原理图。

 2.1总体设计

实现本次设计的方案有多种，下面比较说明一下最佳方案的选择。

方案一：

采用单个的逻辑器件组合

音乐是有由不同的音阶组成的，而不同的音阶又是由不同的频率发出的，那么利用不同的频率，就可以发出不同的音乐了。

我们知道计数器8253可以产生任意频率的方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率与计数器的频率对应起来就可通过计数器产生音乐了。

根据本实验要求，采用8279将键扫得到的键值通过查表得到相应的8253的频率值，将从8253得到相对应的按键弹奏信号经过LM386进行放大，再用喇叭输出，就实现了简易电子琴的基本功能，也就完成了实验的要求。

方案二：

采用AT89S51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。

方案一采用单个的逻辑器件组合实现。

这样虽然比较直观，逻辑器件分工鲜明，思路也比清晰，一目了然，但是由于元器件种类、个数繁多，而过于复杂的硬件电路也容易引起系统的精度不高、体积过大等不利因素。

例如七个不同的音符是由七个不同的频率来控制发出的，所用仪器之多显而易见。

方案二与方案三相比，主控芯片采用AT89S51单片机，它是大规模集成电路技术发展的产物，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。

同时具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，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。

而第三种方案具有经济可行性、技术可行性、实物应用性。

综上所述，本次课程设计采用第二种方案。

第二章电子琴总体电路图设计

电子琴总体电路分别由单片机最小系统模块、显示模块、按键模块、发音模块四个模块组成。

如下图所示。

2.1单片机最小系统

2.1.1AT89S52简介

本系统采用的是美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机，首先我们来熟悉一下AT89S52单片机的外部引脚和内部结构。

其引脚图如图2.1所示。

1.单片机的引脚功能

AT89S52单片机有40个引脚。

●Vcc：

电源电压+5V

●GND：

接地

●P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线服用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时要求外接上拉电阻。

●P1口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

●P2口：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（MOVX@Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。

Flash编程和程序校验期间，P2亦接收低高位地址和其他控制信号。

●P3口：

P3口是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O，P3的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部的上拉电阻拉高并可作为输入端口。

作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，见表2-1所示：

P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

表2-1P3口的第二功能图

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）

P3.3

INT1（外中断1）

P3.4

T0（定时/计时器0外部输入）

P3.5

T1（定时/计时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

●RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

WDT溢出将使引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRT0（地址8EH）可打开或关闭该功能。

DISRT0位缺省为RESET输出高电平打开状态。

●ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存器允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过多特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置，可禁止ALE操作。

该位置后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。

另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

●PSEN：

程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。

●EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需要注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的变成电压Vpp.

●XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

●XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

AT89C51单片机内部结构

2.AT89C51单片机与MCS-51完全兼容

●看门狗（WDT）：

WDT是一种需要软件控制的复位方式。

WDT由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器（WDTRST）构成。

WDT在默认情况下无法工作；为了激活WDT，用户必须往WDTRST寄存器（地址：

0A6H）中依次写入01EH和0E1H。

当WDT激活后，晶振工作，WDT在每个机器周期都会增加。

WDT计时周期依赖于外部时钟频率。

除了复位（硬件复位或WDT溢出复位），没有办法停止WDT工作。

当WDT溢出，它将驱动RSR引脚输出一个高电平。

●可编程串口（UART）在AT89C51中，UART的操作与AT89C51和AT89C52一样。

AT89C51系列单片机的串行通信口可以工作于同步和异步通信方式。

当工作于异步方式时，它具有全双工的操作功能，也就是说，它可以同时进行数据的发送和接收。

串行口内的接收器采用的是双缓冲结构，能够在接收到的第一个字节从接收寄存器读走之前就开始接收第二个字节（当然，如果第二个字节接收完毕，而第一个字节仍然没有被读走，那将会丢掉一个字节）。

串行口的发送和接收操作都是通过特殊功能寄存器中的数据缓冲寄存器SBUF进行的，但在SBUF的内部，接收寄存器和发送寄存器在物理结构上是完全独立的。

如果将数据写入SBUF，数据会被送入发送寄存器准备发送。

如果执行SBUF指令，则读出的数据一定来自接收缓存器。

因此，CPU对SBUF的读写，实际上是分别访问2个不同的寄存器。

这2个寄存器的功能决不能混淆。

●振荡电路：

AT89C51系列单片机的内部振荡器，由一个单极反相器组成。

XTAL1反相器的输入，XTAL2为反相器的输出。

可以利用它内部的振荡器产生时钟，只要XTAL1和XTAL2引脚上一个晶体及电容组成的并联谐振电路，便构成一个完整的振荡信号发生器，此方式称为内部方式。

另一种方式由外部时钟源提供一个时钟信号到XTAL1端输入，而XTAL2端浮空。

在组成一个单片机应用系统时，多数采用这种方式，这种方式结构紧凑，成本低廉，可靠性高。

在电路中，对电容C1和C2的值要求不是很严格，如果使用高质的晶振，则不管频率为多少，C1、C2通常都选择30pF。

●定时/计数器：

AT89C51单片机内含有2个16位的定时器/计数器。

当用于定时器方式时，定时器的输入来自内部时钟发生电路，每过一个机器周期，定时器加1，而一个机器周期包含有12个振荡周期，所以，定时器的技术频率为晶振频率的1/12，而计数频率最高为晶振频率的1/24。

为了实现定时和计数功能，定时器中含有3种基本的寄存器：

控制寄存器、方式寄存器和定时器/计数器。

控制寄存器是一个8位的寄存器，用于控制定时器的工作状态，方式寄存器是一个8位的寄存器，用于确定定时器的工作方式，定时器/计数器是16位的计数器，分为高字节和低字节两部分。

●RAM：

高于7FH内部数据存储器的地址是8位的，也就是说其地址空间只有256字节，但内部RAM的寻址方式实际上可提供384字节。

的直接地址访问同一个存储空间，高于7FH的间接地址访问另一个存储空间。

这样，虽然高128字节区分与专用寄器，即特殊功能寄存器区的地址是重合的，但实际上它们是分开的。

究竟访问哪一区，存是通过不同的寻址方式加以区分的。

●SFR：

SFR是具有特殊功能的所有寄存器的集合，共含有22个不同寄存器，它们的地址分配在80H～FFH中。

虽然如此，不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用，未被占用的单元，其内容是不确定的。

如对这些单元进行读操作，得到的是一些随机数，而写入则无效，所以在编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元中，特殊功能寄存器主要有累加器ACC、B寄存器、程序状态字寄存器PSW、堆栈指针SP、数据指针DPTR、I/O端口、串行口数据缓冲器SBUF、定时器寄存器、捕捉寄存器、控制寄存器。

●中断系统：

AT89C51单片机有6个中断源，中断系统主要由中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP、优先级结构和一些逻辑门组成。

IE寄存器用于允许或禁止中断；IP寄存器用于确定中断源的优先级别；优先级结构用于执行中断源的优先排序；有关逻辑门用于输入中断请求信号。

在整个中断响应过程中CPU所执行的操作步骤如下：

（1）完成当前指令的操作

（2）将PC内容压入堆栈

（3）保存当前的中断状态

（4）阻止同级的中断请求

（5）将中断程序入口地址送PC寄存器

（6）执行中断服务程序

（7）返回

此外，AT89S52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。

2.1.2时钟电路与复位电路

单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。

通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构如下图中CY1、C2、C3。

可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择30pF左右的瓷片电容。

单片机小系统常采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。

上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。

手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。

其结构如下图。

上电自动复位通过电容C1充电来实现。

手动按键复位是通过按键将电阻R19与VCC接通来实现。

2.2显示部分设计

2.2.1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。

七段LED显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的极管的接线形式，可分成共阴极型和共阳极型。

LED数码管的g~a七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不以发亮，不同亮暗的组合就能形成不同的字形，这种组合称之为字形码，下面给出共阴极的字形码表（如表3-1所示）

表3-1数码管真值表

“0”

3FH

“8”

7FH

“1”

06H

“9”

6FH

“2”

5BH

“A”

77H

“3”

4FH

“b”

7CH

“4”

66H

“C”

39H

“5”

6DH

“d”

5EH

“6”

7DH

“E”

79H

“7”

07H

“F”

71H

2.2.2八位数码管的结构

系统采用两个字符显示的数码管进行动态显示。

如下图所示利用单片机的P0端口的P0.0－P0.7连接到一个七段数码管的a－g的笔段上以及小数点DP。

其中和2为片选端口。

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

2.3按键模块设计

2.3.1按键选取

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。

2.3.2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。

（1）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。

（2）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：

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。

2.4发音模块设计

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。

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。

第三章程序设计

3.1系统总体功能流程图

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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下

3.2参数计算

   利用单片机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