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基于单片机的电子琴毕业设计.doc
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基于单片机的电子琴毕业设计.doc
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基于单片机的电子琴设计
目录
1 概述 …………………………………………………………………………3
1.1 引言 ……………………………………………………………………3
1.2 设计思路 ………………………………………………………………4
1.3 方案论证 ………………………………………………………………4
2 系统总体方案与硬件设计 …………………………………………………4
2.1 系统组成与总体框图 …………………………………………………4
2.2 元件介绍 ………………………………………………………………5
2.2.1 AT89S52 ………………………………………………………5
2.2.2 三极管 …………………………………………………………5
2.2.3 LED 数码管 ……………………………………………………6
2.3 按键选择方案 …………………………………………………………6
2.4 各功能模块原理图 ……………………………………………………6
2.4.1 AT89S52 模块电路原理图 ……………………………………6
2.4.2 键盘扫描模块电路原理图 ……………………………………7
2.4.3 数码管显示模块电路原理图 …………………………………7
2.4.4 音频处理模块电路原理图 ……………………………………7
3 软件设计 ……………………………………………………………………8
3.1 音乐相关知识 …………………………………………………………8
3.2 如何用单片机实现音乐的节拍 ………………………………………8
3.3 如何用单片机产生音频脉冲 …………………………………………8
3.4 系统总体功能流程图 …………………………………………………10
4 Proteus 软件仿真 …………………………………………………………11
4.1 ISIS 软件介绍 ………………………………………………………11
4.2 仿真图介绍 …………………………………………………………11
5 系统调试……………………………………………………………………12
5.1 硬件调试………………………………………………………………12
5.2 软件调试………………………………………………………………12
6 课程设计体会 ………………………………………………………………12
参考文献 ………………………………………………………………………12
附 1:源程序代码 ……………………………………………………………22
附 2:系统原理图 ……………………………………………………………23
概述
1.1 引言
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。 目前
市场上各种品牌、型号的电子琴有上百种,由几十块的玩具电子琴到几百,几
千的学习、演奏用琴真是琳琅满目,电子琴能够模仿各种音色和具有自动伴奏
功能,这些是电子琴最基本的特征。档次的高低无非是音色模仿的是否逼真,
自动伴奏设计的是否丰富,或者增加了其他制作,编曲功能的。
本设计主要对使用单片机设计简易电子琴进行了分析,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 7 个音符,
最终可随意弹奏想要表达的音乐。并且本设计分别从原理图,主要芯片,各模
块原理与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,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弄正确即可。
1.2 设计思路
从系统实现的功能上来看,电子琴的设计主要分为手动弹奏乐曲和自动播放音
乐两大部分组成。手动弹奏乐曲是根据具体的硬件键盘设置了 7 个音符按键,
3 个高、中、低音模式切换键和 1 个功能转换键,自动播放音乐是在单片机的
存储器过软件编程的方法放置音乐代码和相关播放程序来实现。
从系统硬件结构上来看,主要使用到 52 系列单片机、7 个键输入电路、
LED 数码管显示电路、扬声器以与电源电路等等。将这些硬件电路有机地结合
起来使之满足电子琴设计的基本硬件要求。
从系统软件设计角度来看,将电子琴的设计采用程序模块化设计方法,将程
序分为主程序、键盘扫描程序模块、数码显示模块、转换控制模块、音乐产生
模块等等。此外,采用程序设计思想,将中断定时方式与外部按键查询方式相
结合,实现手动弹奏乐曲到自动播放音乐的切换。
从音乐产生原理方面来看,通过控制单片机的定时器的定时时间产生不同
频率的音频脉冲,经放大后驱动扬声器发出不同音乐的声音。用软件延时来控
制发音时间的长短,控制节拍。把音乐的音符和相应的节拍变换为定时常数和
延时常数,作为数据表格存放在程序存储器中,由程序查表得到定时常数和延
时常数,分别用来控制定时器产生的脉冲频率和发出音频脉冲的持续时间。
因此,我们可以综合上述的不同角度的方案设计原理,主要从软件和硬件两
部分进行有计划有步骤的系统分析与设计,最终确立总体的设计方案。
1.3 方案论证
采用 AT89C51 单片机进行控制,由于它不具备 ISP 功能,而且其 ROM 只
有 4K,系统在将来升级方面没有潜力。
采用 AT89S52 单片机进行控制,由于其性价比高,完全满足了本系统设
计的要求,它的部程序存储空间达 8K,使软件设计有足够的部使用空间并且方
便日后系统升级,使用方便,抗干扰性能提高。
系统总体方案与硬件设计
1 / 21
2.1 系统组成与总体框图
硬件设计的任务是根据总体设计要求,在选择的机型的基础上,具有确定
系统中所要使用的元器件,设计出系统的原理框图、电路原理图。
该设计要实现一种有单片机控制的电子琴,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.该设计具有 11 个音节键盘,用户可以根据乐谱在键盘上进行
演奏,音乐发生器会根据用户的弹奏,通过扬声器将音乐播放出来,本设计可以实
现用户自由弹奏音乐。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器,本设
计采用三极管就可以实现信号放大功能。
基于单片机系统的电子琴的基本结构如图(1)所示:
图(1)
2.2 元件介绍
2.2.1 AT89S52
功能特性:AT89S52 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 具有以下便准功能: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,全双工串行口, 片晶振与时钟电路。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 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。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52。
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:0Hz~33Hz+、 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。
2.2.2 三极管
2 / 21
AT8
9S52
弹奏按键
功能切换键
时钟电路
复位电路
扬声器
LED 显示
晶体三极管也称三极管,是通过一定的工艺,将两个 PN 结结合在一起的器件.
由于 PN 结之间的相互影响,使三极管变现出不同于单个 PN 结的特性而具有电
流放大功能,从而使 PN 结的应用发生了质的飞跃。
本设计采用了 S8050 三极管,它是小功率、NPN 型的信号放大器。它的外
型与封装如下图所示:
2.2.3 LED 数码管
本次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渡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。LED 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 a~g 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 3-6 数码管引脚
2.3 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 11 个按钮矩阵,设计成 21 个音阶,可以实现音阶在低音 1-高音 7 之
间。比传统音阶围大,弹奏效果好。
2.4 各功能模块原理图
2.4.1 AT89S52 模块电路原理图
3 / 21
2.4.2 键盘扫描模块电路原理图
2.4.3 数码管显示模块电路原理图
2.4.4 音频处理模块电路原理图
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