基于AT89s52單片機的電子琴設計

PAGE33基于AT89s52單片機的電子琴設計基于AT89S52多音階電子琴設計【摘要】微型電子琴的設計以AT89S52單片機作為系統(tǒng)的核心控制部分，通過制作硬件電路和軟件的設計編寫，然后進行軟硬件的調試運行，最終達到設計電路的樂器演奏、點歌、存儲及顯示功能。設計中應用中斷系統(tǒng)和定時/計數(shù)原理控制演奏器發(fā)聲，對音樂發(fā)生所必須確定的音符和節(jié)拍分別用程序語言實現(xiàn)?？梢杂盟鼇韽椬嗪筒シ艠非Ｌ攸c是設計思路簡單、清晰,成本低?！娟P鍵字】單片機音樂發(fā)生器AT89S52【正文】一、前言 1.1系統(tǒng)開發(fā)背景隨著電子科技的飛速發(fā)展，電子技術正在逐漸改善著人們的學習、生活、工作,因此開發(fā)本系統(tǒng)希望能夠給人們多帶來一點生活上的樂趣?；诋斍笆袌錾系耐婢呤袌鲂枨罅看螅渲须娮忧倬褪且粋€很好的應用方面。單片機技術使我們可以利用軟硬件實現(xiàn)電子琴的功能，從而實現(xiàn)電子琴的微型化，可以用作玩具琴、音樂轉盤以及音樂童車等等。并且可以進行一定的功能擴展。鑒于傳統(tǒng)電子琴可以用鍵盤上的“1”到“A”鍵演奏從低So到高DO等11個音，從而可以用來彈奏喜歡的樂曲。該設計將十一個琴鍵改成16個，使電子琴的功能更加完美。不但可以實現(xiàn)對樂曲的演奏，同時還具有存儲音樂、播放歌曲以及顯示按鍵的功能。使該設計功能更加完善。1.2系統(tǒng)開發(fā)意義該設計具有以下優(yōu)點：①可以隨意彈奏想要表達的音樂；②比傳統(tǒng)電子琴功能更完善③制作簡單，成本低1.3設計目標由于本設計主要用于人們娛樂方面，因此在設計上盡量使其安全以及簡單易操作。其次，在這次設計可行性上進行分析如下：1、經濟可行性：所謂經濟可行性，即在這次設計上需要投入資金的多少，由于畢業(yè)設計是沒有項目資金，沒有開發(fā)經費，因此在經濟上必須能夠承受，比較理想化的項目對于我們畢業(yè)設計來說是不可行的。通過分析后，無論是在器件價格或是常見度上均是可行的。2、技術可行性：技術可行性主要是分析技術條件上是否能夠順利開展并完成開發(fā)工作，硬件、軟件能否滿足設計者的需要等。通過分析各種軟件環(huán)境，硬件仿真環(huán)境等均已經具備。綜上所述，本系統(tǒng)設計目標已經明確,在經濟與技術上均可行，因此本系統(tǒng)的開發(fā)是完全可行的。二、方案論證2.1控制模塊選擇方案 方案一：用可控硅制作電子琴。將220V交流電經變壓器降壓,再經過整流、濾波,獲得+13.5V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。但該設計方案制作成本高且復雜。方案二：采用AT89C51單片機進行控制,由于AT89C51不具備ISP功能，因此Atmel公司已經停產在市面上已經不常見，況且其ROM只有4K在系統(tǒng)將來升級方面沒有潛力。方案三：采用AT89S52單片機進行控制，由于其性價比高，完全滿足了本作品智能化的要求，它的內部程序存儲空間達到8K，使軟件設計有足夠的內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。鑒于上述對比與分析，本設計采用方案三2.2按鍵選擇方案傳統(tǒng)電子琴可以用鍵盤上的“1”到“A”鍵演奏從低SO到高DO等11音。該設計有20個按鈕矩陣，設計成16個音，可以實現(xiàn)音階在低音4-高音5之間。比傳統(tǒng)音階范圍大，彈奏效果好。三、系統(tǒng)硬件設計及說明3.1系統(tǒng)組成及總體框圖硬件設計的任務是根據總體設計要求，在選擇的機型的基礎上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。該設計要實現(xiàn)一種由單片機控制的電子琴，單片機工作于12MHZ時鐘頻率，使用其定時/計數(shù)器T0，工作模式為1，改變計數(shù)值TH0和TL0可以產生不同頻率的脈沖信號。該設計具有11個音節(jié)的鍵盤，用戶可以根據樂譜在鍵盤上進行演奏，音樂發(fā)生器會根據用戶的彈奏，通過揚聲器將音樂播放出來。由于本例實現(xiàn)的音樂發(fā)生器是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。用單片機產生的音頻脈沖直接驅動揚聲器并不能產生所要實現(xiàn)的音樂，因為它沒有足夠的驅動能力，這就需要音頻功率放大電路。本例使用國家半導體公司的低壓音頻功率放大器LM386來實現(xiàn)音頻功放電路。按鍵音頻功放電路單片機AT89S52按鍵音頻功放電路單片機AT89S52`揚聲器LED顯示電路`揚聲器LED顯示電路 圖3-1系統(tǒng)結構圖3.2元件簡介3.2.1A

功能特性：AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51產品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8位微控制器8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程FlashAT89S52。主要性能：與MCS-51單片機產品兼容、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器、1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz

、

三級加密程序存儲器

、32個可編程I/O口線

、三個16位定時器/計數(shù)器八個中斷源、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器、雙數(shù)據指針、掉電標識符。3.2.2LM386LM386是美國國家半導體公司生產的音頻功率放大器,主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少,電壓增益內置為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。圖3-2LM386的封裝形式特性(Features)靜態(tài)功耗低,約為4mA,可用于電池供電。

工作電壓范圍寬,4-12Vor5-18V。

外圍元件少。

電壓增益可調,20-200。

低失真度。其典型應用電路如下：圖3-5低頻提升放大器3.2.3LED數(shù)碼管本次設計的顯示電路采用LED數(shù)碼管顯示，LED（Light-EmittingDiode）是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。LED有單個LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。常用的七段顯示器的結構如圖下圖所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器(如圖b所示),陰極連在一起的稱為共陰極顯示器(如圖c所示)。1位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中七個發(fā)光二極管a~g控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便。此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數(shù)字來。（a）外形（b）共陽極(C)共陰極圖3-6數(shù)碼管引腳圖3-7數(shù)碼管引腳接線圖3.3音頻功放電路在一定頻率范圍內的振動能夠產生樂音，但是用單片機產生的音頻脈沖直接驅動揚聲器并不能產生所要實現(xiàn)的音樂，因為它沒有足夠的驅動能力，這就需要音頻功率放大電路。lm386功放最大的特點是低功耗，高增益，增益最高可達200。LM386電源電壓4--12V，音頻功率0.5w。LM386音響功放是由NSC制造的，它的電源電壓范圍非常寬，最高可使用到15V，消耗靜態(tài)電流為4mA，當電源電壓為12V時，在8歐姆的負載情況下，可提供幾百mW的功率。它的典型輸入阻抗為50K。圖3-9LM386應用圖四、系統(tǒng)軟件設計本軟件設計關鍵是要實現(xiàn)一種由單片機控制的簡單音樂發(fā)生器，它由16個音節(jié)組成的的鍵盤，用戶可以根據樂譜在鍵盤上進行演奏，音樂發(fā)生器會根據用戶的彈奏，通過揚聲器將音樂播放出來。4.1音樂相關知識樂音聽起來有的高，有的低，這就叫音高，音高是由發(fā)音物體振動頻率的高低決定的，頻率高聲音就高，頻率低聲音就低，不同音商的樂音是用C、D、E、F、G、A、B表示的，這7個字母就是樂音的音名，它們一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，這是唱曲時樂音的發(fā)音，所以叫唱名。音持續(xù)時間的長短即時值，一般用拍數(shù)表示，休止符表示暫停發(fā)音。一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應著不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數(shù)對應的延時，構成音樂。4.2如何用單片機實現(xiàn)音樂的節(jié)拍除了音符以外，節(jié)拍也是音樂的關鍵組成部分。節(jié)拍實際上就是音持續(xù)時間的長短，在單片機系統(tǒng)中可以用延時來實現(xiàn)，如果1/4拍的延時是0.4秒，則1拍的延時是1.6秒，只要知道1/4拍的延時時間，其余的節(jié)拍延時時間就是它的陪數(shù)。如果單片機要自己播放音樂，那么必須在程序設計中考慮到節(jié)拍的設置，由于本例實現(xiàn)的音樂發(fā)生器是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。對于不同的曲調我們也可以用單片機的另外一個定時/計數(shù)器來完成。音樂的音拍，一個節(jié)拍為單位（C調）具體如下表：曲調值DELAY

曲調值DELAY調4/4125ms

調4/462ms調3/4187ms

調3/494ms調2/4250ms

調2/4125ms表4-1音樂節(jié)拍表4.3如何用單片機產生音頻脈沖了解音樂的一些基本知識后可知，產生不同頻率的音頻脈沖即能產生音樂，對于單片機而言，產生不同頻率有脈沖非常方便，可以利用它的定時/計數(shù)器來產生這樣的方波頻率信號，因此，需要弄清楚音樂中的音符和對應的頻率，以及單片機定時計數(shù)的關系。在本實驗中，單片機工作于12MHZ時鐘頻率，使用其定時/計數(shù)器T0，工作模式為1，改變計數(shù)值TH0和TL0可以產生不同頻率的脈沖信號，在此情況下，C調的各音符頻率與計數(shù)值T的對照如下表：音符頻率（HZ）計數(shù)值（T值）音符頻率（HZ）計數(shù)值（T值）低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763737中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83194934#2RE#31163928中6LA88064968低3MI33064021#6LA#93264994低4FA34964103中7SI96865030#4FA#37064185低1DO104665058低SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#149065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764633#5SO#166165235#2RE#62264884高6LA176065252中3MI65964732#6LA#186565268中4FA69864820高7SI196765283表4-2音符頻率與計數(shù)值T的對照表T的值決定了TH0和TL0的值，其關系為：TH0=T/256，TL0=T%2564.4系統(tǒng)總體功能流程圖該程序設計思路比較清晰既從開始到聲明變量與函數(shù)再到讀取按鈕開關，判斷是否按下，然后就是一個一個按鈕的動作。其主程序框圖如下：定時器初始化數(shù)碼管顯示0定時器初始化數(shù)碼管顯示0循環(huán)檢測按鍵圖4-1主程序框圖按鍵子程序流程圖如下：KEY1鍵按下KEY1鍵按下KEY2鍵按下KEY3鍵按下KEY4鍵按下KE51鍵按下KEY6鍵按下KEY7鍵按下數(shù)碼管顯示0，并播放Do的中音數(shù)碼管顯示1，并播放Re的中音數(shù)碼管顯示2，并播放Mi的中音KEY8鍵按下數(shù)碼管顯示3，并播放Fa的中音數(shù)碼管顯示4，并播放So的中音數(shù)碼管顯示5，并播放La的中音數(shù)碼管顯示6，并播放Si的中音數(shù)碼管顯示7，并播放Do的高階中音KEY9鍵按下KEY9鍵按下KEY10鍵按下KEY11鍵按下KEY12鍵按下KEY13鍵按下KEY14鍵按下KEY15鍵按下數(shù)碼管顯示8并播放Do的高音數(shù)碼管顯示9并播放Re的高音數(shù)碼管顯示10，并播放Mi的高音KEY16鍵按下數(shù)碼管顯示11，并播放Fa的高音數(shù)碼管顯示12，并播放So的高音數(shù)碼管顯示13，并播放La的高音數(shù)碼管顯示14，并播放Si的高音數(shù)碼管顯示15，并播放Do的高階高音五、系統(tǒng)調試電路調試是整個系統(tǒng)功能否實現(xiàn)的關鍵步驟，我們將整個調試過程分為三大部分：硬件調試、軟件調試和綜合調試。5.1硬件調試硬件調試主要是針對單片機部分進行調試。在上電前，先確保電路中不在斷路或短路情況，這一工作是整個調試工作的第一步，也是非常重要的一個步驟。在這部分調試中主要使用的工具是萬用表，用來完成檢測電路中是否存在斷路或者短路情況等。注意焊點之間，確保焊點沒有短接在一起，同時注意焊點的美觀，確保沒有開路以及短路的現(xiàn)象出現(xiàn)。在確保硬件電路正常，無異常情況(斷路或短路)方可上電調試，上電調試的目的是檢驗電路是否接錯，同時還要檢驗原理是否正確，在本次設計中，上電調試主要鍵盤單片機控制部分、數(shù)碼管點亮部分、和音頻轉換電路硬件調試。1、數(shù)碼管LED電路調試：接通電源，隨機按下按鈕可以看到數(shù)碼管顯示數(shù)字。2、鍵盤單片機控制部分調試：上電后，隨機按動鍵盤可以發(fā)現(xiàn)各個按鍵對應的音正確。5.2軟件調試調試主要方法和技巧：通常一個調試程序應該具備至少四種性能：跟蹤、斷點、查看變量、更改數(shù)值。整個程序是一個主程序調用各個子程序實現(xiàn)功能的過程，要使主程序和整個程序都能平穩(wěn)運行，各個模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運行必不可少，所以在軟件調試的最初階段就是把各個子程序模塊進行分別調試。六、調試結論通過各方面努力，本次設計任務完成，系統(tǒng)部分功能已實現(xiàn)?？梢噪S意演奏一首喜歡的曲子，并可以顯示在數(shù)碼管上?；具_到預定的效果。通過這次比較系統(tǒng)的項目設計提高了我運用所學的專業(yè)基礎知識來解決面臨實際問題的能力，同時也提高了我查閱各種文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及軟件編程的水平。七、參考文獻【1】譚會生,張昌凡.EDA技術及應用（第二版）[M].西安電子科技大學出版社,2001年9月第1版【2】徐志軍,王金明,伊廷輝等.EDA技術與PLD設計[M].人民郵電出版社,2006年2月第1版【3】趙鑫,蔣亮,齊兆群等.數(shù)字電路設計[M].北京機械工業(yè)出版社,2005年6月第一版.【4】蘇家健、曹柏榮、汪志鋒.單片機原理及應用技術[M].高等教育出版社【5】[美]AshishWilfredMeetaGuptaKartikBhatnagar著,劉永明，賀民譯.php專業(yè)項目實例開發(fā)[J].水利水電出版社，2003【6】于海生.微型計算機控制技術選編[M].清華大學出版社，1999.【7】李朝青.單片機原理及接口技術[M].北京：北京航天航空大學出版色，2001.

【8】胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京：清華大學出版社，2004.附錄1：主要電路原理圖：附錄2：程序清單#include"reg52.h"unsignedintcodetab[]={64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777, 64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178};sbitP10=P1^0;unsignedcharSTH0;unsignedcharSTL0;voiddelay(void){unsignedchari;for(i=300;i>0;i--);}unsignedchargetkey(void){unsignedcharscancode,tmpcode;if((P2&0xf0)==0xf0)return(0);scancode=0xfe;while((scancode&0x10)!=0){P2=scancode;if((P2&0xf0)!=0xf0) { tmpcode=(P2&0xf0)|0x0f; return((~scancode)+(~tmpcode)); } else scancode=(scancode<<1)|0x01; }}voidtime0_int(void)interrupt1using0{TH0=STH0;TL0=STL0;P10=~P10;}voidmain(){unsignedcharkey,k;TMOD=0x01;ET0=1;EA=1;while(1) { P2=0xf0; if((P2&0xf0)!=0xf0) { delay(); if((P2&0xf0)!=0xf0) { key=getkey(); switch(key) { case0x11: k=0;P3=0xc0;break; case0x21: k=1;P3=0xf9;break; case0x41: k=2;P3=0xa4;break; case0x81: k=3;P3=0xb0;break; case0x12: k=4;P3=0x99;break; case0x22: k=5;P3=0x92;break; case0x42: k=6;P3=0x82;break; case0x82: k=7;P3=0xf8;break; case0x14: k=8;P3=0x80;break; case0x24: k=9;P3=0x90;break; case0x44: k=10;P3=0x88;break; case0x84: k=11;P3=0x83;break; case0x18: k=12;P3=0xc6;break; case0x28: k=13;P3=0xa1;break; case0x48: k=14;P3=0x86;break; case0x88: k=15;P3=0x8e;break; default: P3=0xc7; break; } P10=~P10; STH0=tab[k]/256; STL0=tab[k]%256; TR0=1; P2=0xf0; while((P2&0xf0)!=0xf0) { P2=0xf0; } TR0=0; } } }}；4首歌#include<reg51.h>sbitY1=P1^0;sbitY2=P1^1;sbitY3=P1^2;sbitY4=P1^3;sbitSPK=P3^7;staticunsignedcharbdataStateREG;sbitm=StateREG^0;unsignedcharcode*datasong;unsignedintdataj;unsignedchardatai;unsignedchardatak;unsignedchardatal;unsignedchardatap11;unsignedchardatap33;voiddelay(void);unsignedcharcodeyin[30]={0xFF,0xFF,0xFB,0x90,0xFC,0x0C,0xFC,0x44,0xFC,0xAC,0xFD,0x09,0xFD,0x34,0xFD,0x82,0xFD,0xC8,0xFE,0x06,0xFE,0x22,0xFA,0X15,0XFB,0x04,0xFA,0x67,0xFE,0x85};unsignedcharcodesong1[97]={0x34,0x32,0x32,0x34,0x42,0x51,0x62,0x52,0x42,0x32,0x34,0x04, 0x74,0x74,0x62,0x62,0x64, 0x3c,0x04, 0x64,0x62,0x52,0x42,0x32,0x34, 0x33,0x31,0x32,0x72,0x76,0x72, 0x83,0x81,0x82,0x82,0x82,0x74,0x72, 0x7c,0x04, 0x63,0x61,0x62,0x62,0x64,0x72,0x82, 0x72,0x74,0x72,0x62,0x52,0x42,0x32, 0x42,0x44,0x42,0x42,0x52,0x62,0x52, 0x5c,0x04, 0x64,0x62,0x62,0x64,0x72,0x82, 0x72,0x74,0x72,0x62,0x52,0x42,0x32, 0x42,0x46,0x53,0x41,0x42,0x32, 0x3c,0x04, 0x44,0x48,0x02,0x32, 0x3f, 0x44,0x48,0x02,0x32, 0x3f, 0x34,0x0c,0xFF};unsignedcharcodesong2[46]={0x12,0x52,0x52,0x52,0x56,0x42,0x32,0x42,0x32,0x22,0x18, 0x82,0x82,0x82,0x82,0x86,0x72, 0xB2,0x72,0x72,0x62,0x58, 0x52,0x82,0x82,0x72,0x56,0x42, 0x32,0x42,0x32,0x22,0x16,0xB2, 0xB2,0x32,0x32,0x22,0x16,0x52, 0x42,0x32,0x22,0xC2,0x88, 0xFF};unsignedcharcodesong3[131]={0x52,0x42,0x58,0x02,0x42,0x52,0x42,0x38,0x04,0x12,0x32,0x44,0x42,0x52,0x42,0x32,0x12,0x12,0xC8,0x04,0x52,0x42,0x58,0x02,0x42,0x52,0x42,0x38,0x04,0x12,0x32,0x44,0x42,0x52,0x42,0x32,0x12,0x32,0x48,0x04,0x52,0x42,0x58,0x02,0x42,0x52,0x42,0x38,0x04,0x12,0x32,0x44,0x42,0x52,0x42,0x32,0x12,0x11,0x31,0xC8,0x04,0x52,0x72,0x78,0x02,0x72,0x82,0x72,0x58,0x04,0x42,0x42,0x44,0x42,0x52,0x42,0x32,0x12,0x12,0x32,0x32,0x3C,0x09,0x72,0x72,0x82,0xA2,0x92,0x92,0x82,0x52,0x42,0x42,0x42,0x58,0x02,0x52,0x52,0x72,0x84,0x84,0x02,0x12,0x52,0x42,0x48,0x04,0x52,0x72,0x72,0x52,0x74,0x02,0xA4,0x92,0x82,0x92,0x54,0x02,0x82,0x82,0x92,0x82,0x72,0x52,0x42,0x02,0xC4,0x12,0x3C, 0xFF};unsignedcharcodesong4[37]={0xC4,0x12,0x32,0x44,0x42,0x52,