單片機課程設(shè)計電子琴.doc

鄭州華信學(xué)院目錄1.引言21.1 單片機概述21.2 概述32.系統(tǒng)總體設(shè)計要求42.1 系統(tǒng)設(shè)計要求42.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案42.2.1系統(tǒng)設(shè)計思路42.2.2 系統(tǒng)總體組成框圖43. 系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1 AT89C5153.1.1 AT89C51簡介53.1.2 主要的功能特性63.1.3 管腳功能63.1.4 芯片擦除83.2 播放模塊的硬件設(shè)計83.3 按鍵控制模塊的硬件設(shè)計93.4系統(tǒng)硬件設(shè)計圖104系統(tǒng)軟件設(shè)計114.1 下位機軟件流程114.2上位機軟件125調(diào)試145.2.1硬件調(diào)試145.2.2軟件調(diào)試145.2.3硬件軟件聯(lián)調(diào)145.3 測試結(jié)果146總結(jié)14參考文獻15附錄16附錄1元件清單16附錄2系統(tǒng)仿真電路16附錄3 源程序171鄭州華信學(xué)院1.引言 1.1 單片機概述 隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，芯片生產(chǎn)廠家把中央處理器CPU，隨機存取內(nèi)存RAM，只讀存儲器ROM，定時器/計數(shù)器以及I/O接口電路等主要計算機部件，集成在一塊集成電路芯片（硅片）上，形成芯片級計算機，稱為單片微型計算機，直譯為單片機。單片機雖只是一個芯片，但從組成和功能上看，它已具有了微機系統(tǒng)的含義，又稱微型處理部件MCU（Micro Controller Unit）,單片機商品名稱為微控制器單元。雖然單片機出現(xiàn)的歷史并不長，但發(fā)展十分迅猛，在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。目前單片機已用于工業(yè)控制、機電一體化設(shè)備、儀器儀表、信號處理、現(xiàn)代兵器、交通能源、商用設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備及家用電器等各個領(lǐng)域，隨著單片機性能的不斷提高，它的應(yīng)用將會更加廣泛。單片機技術(shù)發(fā)展非?？?，所以目前的產(chǎn)品都致力于在功能全面、技術(shù)先進、操作簡便、安全可靠、價格合理等方面進行仔細研究，精心設(shè)計；及時掌握最新的單片機技術(shù)，在條件允許的情況下，盡可能地利用最新的單片機技術(shù)來研制其應(yīng)用系統(tǒng)，再利用單片機體積小、價格低、功能強等特點，以保證所設(shè)計的產(chǎn)品在未來的一段時間內(nèi)仍具生命力。在生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域中，凡是有自動控制要求的地方都會有單片機的身影出現(xiàn)；從簡單到復(fù)雜，從空中、地面到地下，凡是能想象到的地方幾乎都有使用單片機的需求。現(xiàn)在，盡管單片機的應(yīng)用已經(jīng)很普遍了，但仍有許多可以用單片機控制而尚未實現(xiàn)的項目，因此，單片機的應(yīng)用大有可以想象和拓展的空間。單片機的應(yīng)用有利于產(chǎn)品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高勞動效率，減輕勞動強度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動環(huán)境，減少能源和材料消耗，保證安全等。但是，單片機應(yīng)用的意義絕不僅限于它的廣闊范圍以及所帶來的經(jīng)濟效益上，更重要的意義還在于：單片機的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在已能使用單片機通過軟件（編程序）方法實現(xiàn)了。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制系統(tǒng)“軟化”技術(shù)，稱之為微控制技術(shù)。微的概念，是對傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。隨單片機應(yīng)用的推廣普及，微控制技術(shù)必將不斷發(fā)展、日益完善和更加充實。 簡易電子琴系統(tǒng)就是以單片機為主要元器件設(shè)計的一個簡易電子琴，這只是單片機應(yīng)用的一個點，由點及面，希望可以更好的了解和應(yīng)用單片機技術(shù)。 之所以以單片機電子琴為選題，目的在于從日常生活能接觸到的細微處著手，通過理論與實踐的結(jié)合，更明確自己的所學(xué)所用，也在實踐中發(fā)現(xiàn)理論的不足，對目前日益廣泛應(yīng)用的單片機有了更加理性化和感性化的認識，使理論和實踐相得益彰。 通過單片機電子琴這個選題，更深層次的了解了單片機技術(shù)，以前只是有理論，實踐的機會不是很多，在作單片機電子琴這個選題的過程中，更加熟練的掌握了一些單片機芯片的應(yīng)用，也解決了很多以前理論和實踐脫節(jié)的問題，可謂對單片機的認識有了一個小的飛躍。1.2 概述電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用單片機為核心控制元件，設(shè)計一個電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有16個按鍵和揚聲器。 本文主要對使用單片機設(shè)計簡易電子琴進行了分析，并介紹了基于單片機電子琴統(tǒng)硬件組成。利用單片機產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏想要表達的音樂。并且本文分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理及各模塊的程序的調(diào)試來詳細闡述。本系統(tǒng)是簡易電子琴的設(shè)計，按下鍵盤矩陣中的按鍵會使數(shù)碼管顯示當前按鍵，揚聲器播放器對應(yīng)的音符。通過設(shè)計本系統(tǒng)可了解單片機的基本功能。對單片機的了解有一個小的飛躍。92.系統(tǒng)總體設(shè)計要求2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求1）利用查詢式鍵盤，數(shù)字鍵1、2、3、4、5、6、7、8作為電子琴按鍵，按鍵按下時發(fā)出1、2、3、4、5、6、7、1的聲音。（2）利用定時器,可以發(fā)出不同頻率的脈沖,不同頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動電路放大濾波后,就會發(fā)出不同的音調(diào)。2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案本系統(tǒng)采用AT89C51為電子琴控制中心，系統(tǒng)主要包括主控制模塊、琴鍵控制模塊、播放模塊。下面對這幾個模塊的設(shè)計進行論證比較。2.2.1系統(tǒng)設(shè)計思路利用所給鍵盤的1，2，3，4，5，6，7，8八個鍵，能夠發(fā)出8個不同的音調(diào)，并且要求按下按鍵發(fā)聲，松開延時一段時間停止，中間再按別的鍵則發(fā)另一音調(diào)的聲音。當系統(tǒng)掃描到鍵盤上有鍵被按下，則快速檢測出是哪一個鍵被按下，然后單片機的定時器被啟動，發(fā)出一定頻率的脈沖，該頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動電路放大濾波后，就會發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)。如果在前一個按下的鍵發(fā)聲的同時有另一個鍵被按下，則啟用中斷系統(tǒng)，前面鍵的發(fā)音停止，轉(zhuǎn)到后按的鍵的發(fā)音程序，發(fā)出后按的鍵的音。2.2.2 系統(tǒng)總體組成框圖按鍵控制模塊播放模塊 喇叭中心控制模塊 AT89C51 按 鍵 狀 態(tài) 圖2-1 總體硬件組成框圖3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 AT89C51 3.1.1 AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖3-2所示。3.1.2 主要的功能特性 與MCS-51 兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz三級程序存儲器鎖定1288位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3.1.3 管腳功能VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性:XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3.1.4 芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。3.2 播放模塊的硬件設(shè)計 如下圖所示,播放模塊其實就是喇叭,它接到P1.0口上當有按鍵按下時,它就會發(fā)出聲音. 3.3 按鍵控制模塊的硬件設(shè)計在P.2口十連有8個按鍵并加有8個拉電阻.它們一端接5伏電源,一端接地.在仿真時,只要有一個鍵被按下,并被單片機掃描到,則會使播放器發(fā)出聲音.3.4系統(tǒng)硬件設(shè)計圖鄭州華信學(xué)院4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 下位機軟件流程本系統(tǒng)中下位機（單片機89C51）的主要功能就是實現(xiàn)音樂播放功能。其主程序流程如圖4-1所示。圖4-1 軟件程序流程圖4.2上位機軟件 本系統(tǒng)的上位機軟件主要是編輯電子琴播放狀態(tài)的內(nèi)容，在設(shè)計中采用匯編語言編寫了電子琴控制系統(tǒng)控制和播放內(nèi)容的程序。 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP INT_T0 ORG 0100HMAIN: MOV SP,#60H ;初始化堆棧指針 MOV 30H,#00 ;定時器初值清零 MOV 31H,#00 MOV P1,#0FFH ;設(shè)置P1口為輸入模式 MOV TMOD,#01H ;設(shè)置定時器0為工作模式1 SETB ET0 ;開定時器0中斷 SETB EA ;開總中斷 CLR TR0 ;關(guān)閉定時器0 START: MOV R0, P2 CJNE R0,#0FFH,KEY1 ;鍵盤掃描 CLR TR0 SJMP STARTKEY1: CJNE R0,#0FEH,KEY2 ;K1鍵按下 MOV 30H,#0FBH ;設(shè)置音階1 MOV 31H,#0E9H LJMP SET_TIMERKEY2: CJNE R0,#0FDH,KEY3 ;K2鍵按下 MOV 30H,#0FCH ;設(shè)置音階2 MOV 31H,#5CH LJMP SET_TIMERKEY3: CJNE R0,#0FBH,KEY4 ;K3鍵按下 MOV 30H,#0FCH ;設(shè)置音階3 MOV 31H,#0C1H LJMP SET_TIMERKEY4: CJNE R0,#0F7H,KEY5 ;K4鍵按下 MOV 30H,#0FCH ;設(shè)置音階4 MOV 31H,#0EFH LJMP SET_TIMERKEY5: CJNE R0,#0EFH,KEY6 ;K5鍵按下 MOV 30H,#0FDH ;設(shè)置音階5 MOV 31H,#045H LJMP SET_TIMERKEY6: CJNE R0,#0DFH,KEY7 ;K6鍵按下 MOV 30H,#0FDH ;設(shè)置音階6 MOV 31H,#92H LJMP SET_TIMERKEY7: CJNE R0,#0BFH,KEY8 ;K7鍵按下 MOV 30H,#0FDH ;設(shè)置音階7 MOV 31H,#0D6H LJMP SET_TIMERKEY8: CJNE R0,#7FH,NOKEY ;K8按下 MOV 30H,#0FDH ;設(shè)置音階8 MOV 31H,#0FBHSET_TIMER: SETB TR0 ;發(fā)聲 SJMP STARTNOKEY: CLR TR0 ;無鍵按下 SJMP STARTINT_T0: ;T0中斷服務(wù)程序 MOV TH0,30H ;定時器賦初值 MOV TL0,31H CPL P1.0 ;輸出方波 RETI END5調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊設(shè)計法，所以方便對各電路模塊功能進行逐級測試：中心控制模塊的調(diào)試，音樂播放模塊的調(diào)試，按鍵控制模塊的調(diào)試等，最后將各模塊組合后進行整體測試。5.2.1硬件調(diào)試對各個模塊的功能進行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。5.2.2軟件調(diào)試 軟件調(diào)試采用單片機仿真器KEILC及微機，將編好的程序進行調(diào)試，主要是檢查語法錯誤。5.2.3硬件軟件聯(lián)調(diào) 將調(diào)試好的硬件和軟件進行聯(lián)調(diào)，主要調(diào)試系統(tǒng)的實現(xiàn)功能。5.3 測試結(jié)果此次系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果較好，分別播動8個按鍵會發(fā)出8種高低不同的聲音，如果送入音樂程序，則會播放歌曲。6總結(jié)本系統(tǒng)以AT89C51片機為核心，結(jié)合顯示模塊、播放模塊、琴鍵控制模塊和電源模塊，實現(xiàn)兩個八度音階的彈奏，播放預(yù)存音樂，同時顯示播放和彈奏的音階的功能。本系統(tǒng)的設(shè)計和制作是在對設(shè)計電路的仿真基礎(chǔ)上完成的，通過仿真中發(fā)現(xiàn)的問題對系統(tǒng)的電路和程序進行進一步的調(diào)試，以達到更好的效果。再根據(jù)仿真的電路制作實際電路，檢驗仿真的正確性。通過這次課程設(shè)計，我們把平時學(xué)習(xí)到的知識應(yīng)用到了實際中，加深了對所學(xué)知識的理解。同時，我們從這次課程設(shè)計中也意識到自己對所學(xué)知識的掌握不夠深入，對單片機系統(tǒng)的了解還不夠細致，以及在編程能力上的缺陷。例如，在對播放模塊的編程中，由于仿真中播放模塊只能在按鍵按下松開后才能放音，這與實際的電子琴的功能有差異，本想通過修改程序使蜂鳴器在按鍵按下時放音，松開后立即停止播放，不過經(jīng)過幾次的程序修改和仿真都未能實現(xiàn)這一功能。從這點上，就可以看出我們在軟件編程上的缺陷和不足，在以后的學(xué)習(xí)中，應(yīng)該加強這方面的能力。另外，在本次課程設(shè)計的過程中，我們深刻體會到了團隊合作的重要性，只有一個團隊齊心協(xié)力，每個成員各司其職才可以把工作做好。經(jīng)過幾周忙碌,我的電子琴終于仿真成功.雖然失敗了幾次,但經(jīng)過對硬件連接圖的糾正,自己又調(diào)整.了程序最后終于方仿真成功.心情很激動,一方面:覺得很有成就感;另一方面:收獲很大,：不但鍛煉了編程的能力，而且通過編程對硬件的整個流程了解了。在仿真過程中，我犯了兩個低級錯誤：一個是用了沒有模型的元件，另一個是喇叭可以不用驅(qū)動就能發(fā)出聲音。經(jīng)同學(xué)提醒，我改正了連接圖。結(jié)果成功了。用單片機控制播放模塊和按鍵控制模塊制作出的電子琴，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，并且價格低廉，具有實用的價值。這種電子琴能夠支持單音和復(fù)音彈奏，如果與高品質(zhì)的音源芯片連接，音質(zhì)更可與高檔電子琴相媲美。參考文獻1 張毅剛，彭喜元。單片機原理與應(yīng)用M（十）北京：高等教育出版社，2007.102 張毅剛。MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計M。哈爾濱。哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版,19993 李廣弟。單片機基礎(chǔ)M。北京：北京航天航空大學(xué)出版社，20014 楊振江。智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的新器件及應(yīng)用M。西安：西安電子科技大學(xué)出版社，20015 彭介華.電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)J.北京:高等教育出版社,6 康年光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）.高等教育出版社.2005.07 7 劉樂喜.微機計算機接口技術(shù)及應(yīng)用.華中科技大學(xué)出版社.2005.088 謝嘉奎.電子線路（線性部分）.高等教育出版社.2004.049 李群芳，張士軍，黃建.單片微型計算機原理與接口技術(shù).電子工業(yè)出版社.200210 石東海等.單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通.西安電子科技大學(xué)出版社.200212 謝自美等.電子線路設(shè)計、實驗、測試（第二版）.華中科技大學(xué)出版社.200013 R.L.Geiger,P.E.Allen,N.R.Strader.VLSI.DLSI Design Techniques for Analog And Digital Ciruits.McGraw-Hill Inc.199014N.R.Mallik.Electronic Ciruits-Analysis Simulation and Design.Prentice Hall,1995.附錄附錄1元件清單序 號名 字數(shù) 量備 注1AT89C511個2晶振1個12MHz3AMS1117-5.01個4蜂鳴器1個作為播放模塊附錄2系統(tǒng)仿真電路附錄3 源程序ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP INT_T0 ORG 0100HMAIN: MOV SP,#60H ;初始化堆棧指針 MOV 30H,#00 ;定時器初值清零 MOV 31H,#00 MOV P1,#0FFH ;設(shè)置P1口為輸入模式 MOV TMOD,#01H ;設(shè)置定