基于单片机的简易电子琴电路设计.docx
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基于单片机的简易电子琴电路设计
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:
①具备7个按键,能够分别较准确地弹奏出1~7八个音符。
②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)
① 能够弹奏出至少21个音符(三个音阶)。
② 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:
序号
阶段内容
所需时间(周)
1
方案选择及电路设计
假期进行
2
制作、编程、调试
1
3
撰写课程设计报告及答辩
1
合计
2
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P2^0和P2^1。
(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
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。
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。
(2)计算举例
例如,频率为523Hz,其周期T=1/523=1912μs,因此只要令计数器计时956μs/1μs=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:
N=fi÷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:
T=65536-N=65536-fi÷2÷fr
例如:
设K=65536,fi=1MHz,求中音DO(261Hz)。
T=65536-N=65536-fi÷2÷fr=65536-1000000÷2÷fr=65536-500000/fr,中音DO的T=65536-500000/523=64580。
(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0-19之间,中音在20-39之间,高音在40-59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:
DW63628,63835,64021,64103,64260,64400,6452464580,低音区:
1234567
DW64580,64671,64777,64820,64898,64968,6503065058中音区:
1234567
DW65058,65110,65157,65178,65217,65252,6528365312高音区:
1234567
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,在高音键按下,若初始yinjie不为2,则另yinjie=2,进入高音工作模式,若初始yinjie为2,则对yinjie进行初始化,即另yinjie=1,重新进入进入中音工作模式,这样即实现了高音键切换高、中音方式的转换。
同理,用低音键实现中、低音的切换。
图3-1判断音阶(高中低音)子程序
(2)播放子程序(包括自动播放存储音乐和按键发音)
本设计共两种播放模式,包括自动播放存储音乐和按键发音。
上电后,首先开中断并设定定时器0为工作方式1,当自动播放键按下时,进入中断,根据乐谱在定义的音频数组中查找相应音律,然后给定时器赋初值,即开始播放音乐。
当DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七种音符键按下时,根据音阶值(如3.3.1中高中低对应)和音符值在定义的音频数组中查找相应音律,然后给定时器赋初值,即按键发音。
图3-2播放子程序
(3)由此可得系统总体功能流程图
图3-3系统总功能流程图
4系统仿真与调试
4.1硬件调试
硬件调试主要是针对单片机部分进行的调试。
在上电之前,先确保电路中不存在断路或短路情况,这一工作是整个调试工作的第一步,也是非常重要的一个步骤。
在这部分调试中主要使用的工具是万用表,用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况的任务。
注意焊点之间,确保焊点没有短接在一起,同时注意焊点的美观,确保没有开路以及短路的现象出现。
在确保硬件电路正常且无异常情况(断路或短路)的情况下方可上电调试,上电调试的目的是检验电路是否接错,同时还要检验原理是否正确,在本次设计中,上电调试主要是检测单片机控制部分、数码管点亮部分、和音频转换电路硬件调试。
(1)、数码管LED电路调试:
接通电源,随机按下按钮可以看到数码管显示数字。
(2)、键盘单片机控制部分调试:
上电后,随机按动键盘可以发现各个按键对应的音正确。
4.2软件调试
调试主要方法和技巧:
通常一个调试程序应该具备至少四种性能:
跟踪、断点、查看变量、更改数值。
整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程,要使主程序和整个程序都能平稳运行,各个模块的子程序的正确与平稳运行必不可少,所以在软件调试的最初阶段就是把各个子程序模块进行分别调试。
4.3仿真结果(任举一例)
图4-1低音音符DO仿真图
4.4结果分析
根据仿真结果可知,本次课程设计能够准确并彻底的完成设计要求。
左侧数码管可以显示a、b、c三种结果,分别代表低音、中音和高音。
右侧数码管可以显示1、2、3、4、5、6、7七个数字,分别代表DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七种音符。
下面以4.3为例具体进行分析:
当系统上电后,若按下低音键(如图P3.6),,则选定工作方式为低音模式,图中a即代表低音。
P0口连接数码管段选端,右侧数码管显示的1即代表DO。
两位数码管即代表低音DO。
5总结与展望
总体来说,此次单片机课程设计使我们收获良多,虽然课程设计的过程中遇到了很多困难与问题,但我们最终还是完成了设计的任务及要求。
具体来说可以分为以下几点:
第一,不够细心,不够严谨(如因为粗心大意而焊错线);第二,因对课本理论的掌握度不够导致编程出现错误;第三,硬件方面,刚开始有的程序模块不能实现预期的效果,对于有的硬件,在实物制作过程中焊了比较多的排线,同时对于整体各元器件的布局都有很高的要求。
不过在向同学请教,各方面都有了不同程度的改善;第四,在做人方面,我认识到,无论做什么事情,只要你足够坚强,有足够的毅力和决心,有足够的挑战困难的勇气,就没有什么办不到的。
这次课程设计中,经过我们的努力,在仿真软件和实物上都实现了高、中、低21个音符的发声和音乐的自动播放,使我们有了一定的成就感,也使我们进一步熟悉和掌握了单片机的内部结构和工作原理,了解了单片机应用系统设计的基本方法和步骤,掌握了单片机仿真软件Proteus的使用方法和键盘、显示器在的单片机控制系统中的应用,同时也掌握了撰写课程设计报告的方法。
总之,通过这次课程设计,我们都清楚明白了自己的能力有多深,想提高还得归于多锻炼,多动手,多向别人学习。
6参考文献
【1】余发山、王福忠.单片机原理及应用技术.中国矿业大学出版社.2008年6月第1版
【2】杨凌霄.微型计算机原理与应用,中国矿业大学出版社.2008年8月第一版
【3】康华光.电子技术基础(数字部分),高等教育出版社.第五版
【4】徐志军,伊廷辉等.EDA技术与PLD设计人民邮电出版社,2006年2月第1版
【5】李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:
北京航天航空大学出版色,2001.
【6】胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:
清华大学出版社,2004.
附件1:
源程序代码
#include
#definekeyportP1
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
ucharhigh,low;//定时器预装值的高8位和低8位
sbitspeak=P3^0;
sbitgao=P3^5;
sbitdi=P3^6;
sbitzdbf=P3^7;
ucharyinjie=1;
uchartime;
ucharn=0;
ucharbo=0;
ucharcodefre[][2]={
0x8c,0xf8,
0x5b,0xf9,
0x15,0xfa,
0x67,0xfa,
0x90,0xfb,
0xae,0xfb,
0x0c,0xfc,//低音
0x44,0xfc,
0xac,0xfc,
0x09,0xfd,
0x34,0xfd,
0x82,0xfd,
0xc2,0xfd,
0x06,0xfe,//中音
0x22,0xfe,
0x56,0xfe,
0x85,0xfe,
0x9a,0xfe,
0xc1,0xfe,
0xe4,0xfe,
0x03,0xff,//高音
};
voiddelay(uint);
voidITimer0(void);//定时器初始化
voidkey(void);
voiddtxs(int,int);
voidsong()
{
TH0=high;
TL0=low;
TR0=1;
delay(time*240);
}
voidyinyue()
{
ucharcodehls[]={5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,4,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,1,2,1,2,2,1,3,2,2,2,2,1,
1,2,1,2,2,6,5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,3,7,2,1,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,
2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,1,1,2,6,6,2,2,1,3,2,1,3,4,7,2,2,6,2,1,7,2,1,1,3,4,6,2,1,
7,2,1,1,3,1,6,2,1,6,2,1,5,2,1,3,2,1,1,2,1,2,2,6,5,2,2,3,2,1,
1,2,1,1,3,3,7,2,1,6,2,2,1,3,2,5,2,4,5,2,2,2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,1,1,2,6
};
ucharm;
n=0;
while(n<174)
{
m=hls[n]+7*(hls[n+1]-1)-1;
high=fre[m][1];
low=fre[m][0];
time=hls[n+2];
n=n+3;
song();
}
}
voidmain(void)
{
ucharnum;
ITimer0();
speak=0;
while
(1)
{
key();
switch(keyport)
{
case0xfe:
num=1;break;
case0xfd:
num=2;break;
case0xfb:
num=3;break;
case0xf7:
num=4;break;
case0xef:
num=5;break;
case0xdf:
num=6;break;
case0xbf:
num=7;break;
case0x7f:
num=8;break;
default:
num=0;break;
}
if(num==0)
{
TR0=0;
speak=0;
}
else
{
high=fre[7*yinjie+num-1][1];
low=fre[7*yinjie+num-1][0];
TR0=1;
}
dtxs(yinjie,num);
}
}
voidITimer0(void)
{
TMOD|=0x01;//使用模式1,16位定时器,使用"|"符号可以在使用多个定时器时不受影响
EA=1;//总中断打开
ET0=1;//定时器中断打开
TR0=1;//定时器开关打开
}
voidTimer0_isr(void)interrupt1
{
TH0=high;
TL0=low;
speak=!
speak;
if(zdbf==0)
{
delay(100);
if(zdbf==0)
{
bo++;
if(bo/2==1)
{delay(1
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- 关 键 词:
- 基于 单片机 简易 电子琴 电路设计