電子線路設(shè)計論文

1、電子線路設(shè)計與應(yīng)用課程設(shè)計 電子線路設(shè)計與制作（論文）題 目:電子琴的設(shè)計課 題：電子線路設(shè)計與制作學(xué) 院：武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院系 別：電子信息工程技術(shù)專業(yè)班級：電信11306班學(xué)生姓名：郭瑞學(xué) 號：11011910指導(dǎo)教師： 二 一三年 十一 月13電子琴的設(shè)計 摘 要作為電子專業(yè)的學(xué)生，掌握電子琴的制作是很好檢驗我們所學(xué)知識應(yīng)用。它所包含的知識基本上覆蓋我們的模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、EDA技術(shù)、電子線路、單片機基礎(chǔ)以及接口技術(shù)課程的重要章節(jié)。雖然我們不能設(shè)計出很復(fù)雜的電子琴，主要是考慮到設(shè)備以及成本等一系列問題，因此我打算設(shè)計并制作一個簡易的電子琴。采用集成電路設(shè)計，基于AT89S

2、52單片機設(shè)計一款簡易的電子琴，采用4*4距陣鍵盤，鑒于傳統(tǒng)電子琴可以用鍵盤上的“k0”到“k16”鍵演奏從低So到高DO等16個音，從而可以用來彈奏喜歡的樂曲。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AT89c51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。本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其優(yōu)點是硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等。目

3、錄摘 要IAbstractII第一章 論文背景及設(shè)計任務(wù)11.1 論文背景11.2 設(shè)計任務(wù)1第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計22.1系統(tǒng)工作原理22.2方案比較及選擇2第三章 硬件電路設(shè)計43.1芯片簡介43.2 硬件電路圖6第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計84.1系統(tǒng)軟件總體方案8第五章 系統(tǒng)仿真和電路調(diào)試105.1系統(tǒng)仿真圖和PCB版制圖105.2 電路調(diào)試11總結(jié)12參考文獻(xiàn)13附錄14第一章 論文背景及設(shè)計任務(wù)1.1 論文背景單片微型計算機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬第四代電子計算機，它具有高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。因此

4、，單片機的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項重大課題。 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AT89S51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(jìn)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(dá)的音樂。并且本文分別從原理圖，主要芯片

5、，各模塊原理及各模塊的程序的調(diào)試來詳細(xì)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(dāng)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。1.2 設(shè)計任務(wù)本設(shè)計以MCS-51系列單片機為核心，采用常用電子器件設(shè)計。要求最少8個按鍵，每個按鍵對應(yīng)一種音調(diào)，按下按鍵發(fā)聲，松開按鍵后聲音延遲一段時間后停止，即帶余音的電子琴，延時時間可以設(shè)置，要求最少8個不同音調(diào)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的音調(diào)設(shè)計。第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計2.1系統(tǒng)工作原理本系統(tǒng)掃描鍵盤矩陣、顯示按鍵、揚聲器發(fā)出對應(yīng)音符。4X4行列式鍵盤識別及顯示原理如下：組成鍵盤的按鍵有機械式、

6、電容式、導(dǎo)電橡膠式、薄膜式多種，但不管什么形式，其作用都是一個使電路接通與斷開的開關(guān)。目前微機系統(tǒng)中使用的鍵盤按其功能不同，通?？煞譃榫幋a鍵盤和非編碼鍵盤兩種基本類型。 編碼鍵盤：鍵盤本身帶有實現(xiàn)接口主要功能所需的硬件電路。不僅能自動檢測被按下的鍵，并完成去抖動、防串鍵等功能，而且能提供與被按鍵功能對應(yīng)的鍵碼（如ASCII碼）送往CPU。所以，編碼鍵盤接口簡單、使用方便。但由于硬件電路較復(fù)雜，因而價格較貴。 非編碼鍵盤：鍵盤只簡單地提供按鍵開關(guān)的行列矩陣。有關(guān)按鍵的識別、鍵碼的確定與輸入、去抖動等功能均由軟件完成。目前微機系統(tǒng)中，一般為了降低成本大多數(shù)采用非編碼鍵盤。 鍵盤接口必須具有去抖動、

7、防串鍵、按鍵識別和鍵碼產(chǎn)生4個基本功能。 （1）去抖動:每個按鍵在按下或松開時，都會產(chǎn)生短時間的抖動。抖動的持續(xù)時間與鍵的質(zhì)量相關(guān)，一般為520mm。所謂抖動是指在識別被按鍵是必須避開抖動狀態(tài)，只有處在穩(wěn)定接通或穩(wěn)定斷開狀態(tài)才能保證識別正確無誤。去抖問題可通過軟件延時或硬件電路解決。 （2）防串鍵：防串鍵是為了解決多個鍵同時按下或者前一按鍵沒有釋放又有新的按鍵按下時產(chǎn)生的問題。常用的方法有雙鍵鎖定和N鍵輪回兩種方法。雙鍵鎖定，是當(dāng)有兩個或兩個以上的按鍵按下時，只把最后釋放的鍵當(dāng)作有效鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼。N鍵輪回，是當(dāng)檢測到有多個鍵被按下時，能根據(jù)發(fā)現(xiàn)它們的順序依次產(chǎn)生相應(yīng)鍵的鍵碼。 （3）被按

8、鍵識別：如何識別被按鍵是接口解決的主要問題，一般可通過軟硬結(jié)合的方法完成。常用的方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法兩種。行掃描法的基本思想是，由程序?qū)︽I盤逐行掃描，通過檢測到的列輸出狀態(tài)來確定閉合鍵，為此，需要設(shè)置入口、輸出口一個，該方法在微機系統(tǒng)中被廣泛使用。線反轉(zhuǎn)法的基本思想是通過行列顛倒兩次掃描來識別閉合鍵，為此需要提供兩個可編程的雙向輸入/輸出端口。 （4）鍵碼產(chǎn)生：為了從鍵的行列坐標(biāo)編碼得到反映鍵功能的鍵碼，一般在內(nèi)存區(qū)中建立一個鍵盤編碼表，通過查表獲得被按鍵的鍵碼。2.2方案比較及選擇（1）控制模塊選擇方案方案一：用可控硅制作電子琴。將220V交流電經(jīng)變壓器降壓，再經(jīng)過整流、濾波，獲得+13

9、.5V直流電壓。將單向可控硅SCR和電阻、電容組成馳張振蕩器電路。但該設(shè)計方案制作成本高且復(fù)雜。方案二： 采用AT89C51單片機進(jìn)行控制，由于AT89C51不具備ISP功能，因此Atmel公司已經(jīng)停產(chǎn)在市面上已經(jīng)不常見，況且其ROM只有4K系統(tǒng)將來升級方面沒有潛力。方案三：采用AT89S52單片機進(jìn)行控制，由于其性價比高，完全滿足了本作品智能化的要求，它的內(nèi)部程序存儲空間達(dá)到8K，使軟件設(shè)計有足夠的內(nèi)部使用空間并且方便日后系統(tǒng)升級，使用方便，抗干擾性能提高。（2）選擇方案鑒于上述對比與分析，本設(shè)計采用方案三。方案三方框圖如圖2-1所示： AT89S51單片機時鐘電路發(fā)音電路復(fù)位電路顯示電路電

10、源電路時鐘電路 圖2-1 電子琴設(shè)計方框圖主要利用單片機中的定時器中斷、LED顯示、以及揚聲器實現(xiàn)了演奏和顯示功能。針對聲音有音階、音調(diào)和音長三種基本特性，通過對定時器T0送入不同的初值，調(diào)節(jié)T0的溢出時間，輸出頻率可控的方波，從而控制不同音階的音調(diào)高低。而對于音長的控制，則可以向定時器T1送入一個固定初值，通過控制定時器中斷循環(huán)的次數(shù)，來實現(xiàn)對發(fā)音時間長短的控制。對于音符和曲目的顯示，主要通過讀入鍵值，判斷所選曲目或音符，輸出到LED上顯示。我們主要使用單片機設(shè)計簡易電子琴，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(dá)的音樂。 一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階

11、對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當(dāng)然對于單片機來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機的定時/計數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系整理出來即可。第三章 硬件電路設(shè)計3.1芯片簡介3.1.1 AT89S51簡介AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成

12、了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。    AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，

13、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。其引腳圖如圖3-1所示：圖3-1 AT89S51引腳圖AT89S52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 主要功能特性：· 兼容MCS51指令系統(tǒng) · 8k可反復(fù)擦寫(>1000次）Flash ROM· 32個雙向I/O口 · 256x8bit內(nèi)部RAM· 3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷 · 時鐘頻率0-

14、24MHz · 2個串行中斷 · 可編程UART串行通道 · 2個外部中斷源 · 共6個中斷源 · 2個讀寫中斷口線 · 3級加密位 · 低功耗空閑和掉電模式 · 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 3.1.2 LM386簡介LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大 器,主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調(diào)為任意值,直至 200。輸入端以地位參考,同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半,在6V電源電壓下,它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得

15、LM386特別適用于電池供電的場合。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。其引腳圖如圖3-2所示： 圖3-2 LM386引腳圖特性(Features)靜態(tài)功耗低,約為4mA,可用于電池供電。   工作電壓范圍寬,4-12V or 5-18V。   外圍元件少。   電壓增益可調(diào)20-200。   低失真度。3.1.3 LED數(shù)碼管LED數(shù)碼管如圖3-3所示： 如圖3-3 數(shù)碼管數(shù)碼管使用條件：a、段及小

16、數(shù)點上加限流電阻b、使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定c、使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流 4-5mA 峰值電流 100mA上面這只是七段數(shù)碼管引腳圖，其中共陽極數(shù)碼管引腳圖和共陰極的是一樣的。數(shù)碼管使用注意事項說明：（1）數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；（2）焊接溫度：260度；焊接時間：5S（3）表面有保護(hù)膜的產(chǎn)品,可以在使用前撕下來。3.2 硬件電路圖3.2.1電路局部原理圖（1）鍵盤電路如圖3-4所示：圖3-4 鍵盤電路（2）發(fā)音電路如圖3-5所示：圖3-5 發(fā)音電路（3）供電及復(fù)位電路如圖3-6所示：圖3-6 供電及復(fù)

17、位電路（4）數(shù)碼管顯示電路如圖3-7所示：圖3-7 數(shù)碼管顯示電路3.2.2 電路總原理圖硬件電路總原理圖見附錄一。第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1系統(tǒng)軟件總體方案4.1.1 系統(tǒng)總體流程圖：（1）電子琴設(shè)計主程序流程圖如圖4-1所示：開始按鍵按下是否成功TO初始化并開中斷允放TO中斷識別按鍵功能根據(jù)按鍵功能，裝入音符T到TO中啟動TO工作按鍵釋放是否成功？停止TO工作圖4-1 電子琴設(shè)計主程序流程圖（2）音頻脈沖產(chǎn)生程序流程圖如圖4-2所示： TO中斷入口重裝THO，TLO初值P1.0取反中斷返回圖4-2 音頻脈沖產(chǎn)生程序流程圖4.1.2 鍵盤掃描程序：檢測是否有鍵按下，有鍵按下則記錄按下鍵的鍵值

18、，并跳轉(zhuǎn)至功能轉(zhuǎn)移程序；無鍵按下，則返回鍵盤掃描程序繼續(xù)檢測4.1.3 功能轉(zhuǎn)移程序：對檢測到得按鍵值進(jìn)行判斷，是琴鍵則跳轉(zhuǎn)至琴鍵處理程序，是功能鍵則跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的功能程序，我們設(shè)計的功能程序有兩種，即音色調(diào)節(jié)功能和自動播放樂曲功能4.1.4琴鍵處理程序：根據(jù)檢測到得按鍵值，查詢音律表，給計時器賦值，使發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音。第五章 系統(tǒng)仿真和電路調(diào)試5.1系統(tǒng)仿真圖和PCB版制圖5.1.1 系統(tǒng)仿真圖系統(tǒng)仿真圖如圖5-1所示：圖5-1 系統(tǒng)仿真圖5.1.2 PCB版制圖PCB版制圖如圖5-2所示：圖5-2 PCB版制圖5.2 電路調(diào)試本設(shè)計的調(diào)試主要分為硬件測試、軟件測試二部分。經(jīng)過初步的分析設(shè)計

19、后，打算在制作硬件電路的同時，調(diào)試也在穿插進(jìn)行。但由于時間的關(guān)系，我是在硬件完成以后再進(jìn)行調(diào)試。軟件編程中。我是首先完成單元功能模塊的調(diào)試，然后進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，整體上與硬件測試的方法差不多。5.2.1硬件的測試硬件調(diào)試過程中的工具和測量儀器：1、5V穩(wěn)壓電源；2、MF500型萬用表；3、MCS-51單片機仿真軟件；4、MCS-51實驗箱；在整個設(shè)計完成到差不多一半的時候，硬件電路圖已經(jīng)完成。但是與最初的設(shè)計電路圖相比有所改動。在進(jìn)行設(shè)計后，發(fā)現(xiàn)輸出的音律部分不怎么合理，所以改用了發(fā)光二極管，這樣能比較形象的表達(dá)出每一個音律的變化節(jié)奏，這樣一改以后就發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在的電路圖比以前簡單多了；但是考慮到PCB版的布線問題，我把電路板分成了三塊而且這樣也比