簡易電子琴課程設(shè)計(jì)

-18-微型計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)PAGE18-課程設(shè)計(jì)課程名稱微型計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)題目名稱簡易電子琴課程設(shè)計(jì)報(bào)告專業(yè)班級11電子信息科學(xué)與技術(shù)3班學(xué)生姓名吳俊學(xué)號51102023001指導(dǎo)教師謝春祥目錄第1節(jié)引言………………………41.1單片機(jī)發(fā)音概述…………41.1.1音調(diào)…………………41.1.2 節(jié)拍……………………71.1.3單片機(jī)演奏音樂的方法………………81.2本次設(shè)計(jì)的任務(wù)和主要內(nèi)容………………8第2節(jié)系統(tǒng)的主要硬件電路的設(shè)計(jì)………………9單片機(jī)控制系統(tǒng)原理……………………9芯片的選用…………9簡易電子琴的組成框圖……………10單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路……………………11時(shí)鐘頻率……………11晶振電路……………11鍵盤掃描……………12發(fā)音電路……………14供電及復(fù)位電路……………………14系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)…………16程序…………………16結(jié)束語…………………28參考文獻(xiàn)…………39基于AT89C51單片機(jī)的簡易電子琴引言隨著生活水平的提高，在放松自己的同時(shí)又能提高各個(gè)方面的能力。學(xué)習(xí)和欣賞音樂可以在使人們得到放松的同時(shí)，提高人們的精神品質(zhì)和個(gè)人素養(yǎng)。當(dāng)代，愛好音樂的年輕人越來越多，有不少人自己練習(xí)彈奏樂器，作為業(yè)余愛好和一種放松的手段，鑒于一些樂器學(xué)習(xí)難度大需要太多的學(xué)習(xí)時(shí)間，且其價(jià)格又太過于高昂，使得一部分有這種想法的人不得不放棄這種想法。而一些簡易的電子樂器價(jià)格相對便宜，學(xué)習(xí)上手快，價(jià)格相對便宜，一般人容易負(fù)擔(dān)的起，能夠滿足一般愛好者的需求。故簡易電子樂器的研制具有一定的社會意義。本次課程設(shè)計(jì)主要研究基于AT89C52單片機(jī)的16鍵簡易電子琴的設(shè)計(jì)。單片機(jī)發(fā)音概述由于單片機(jī)的強(qiáng)大功能，除了在測試控制領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用外，還有一些而有趣的應(yīng)用。比如，使用單片機(jī)可以驅(qū)動蜂鳴器或者揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，還可以控制其發(fā)出不同的聲調(diào)，從而連接起來構(gòu)成一個(gè)曲子。目前，市場上有很多種音樂模塊或者音樂芯片，可以直接產(chǎn)生各種曲子。但是，這種模塊價(jià)格比較昂貴，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。如果系統(tǒng)中僅需要產(chǎn)生簡單的音符或者簡短的曲子，可以使用單片機(jī)配合簡單的揚(yáng)聲器而產(chǎn)生需要的音樂效果。一般說來，單片機(jī)不像其他專業(yè)樂器那樣能奏出多種音色的聲音，即不包含相應(yīng)幅度的諧波頻率。單片機(jī)演奏的音樂基本都是單音頻率。因此單片機(jī)演奏音樂比較簡單，只需要清楚“音調(diào)”和“節(jié)拍”。音調(diào)表示一個(gè)音符唱多高的頻率節(jié)拍表示一個(gè)音符唱多長的時(shí)間1.1.1音調(diào)音調(diào)是音樂學(xué)中的名詞，與平時(shí)所說的音高十分相似。在音樂中常把中音C上方的A音定為標(biāo)準(zhǔn)音高，其頻率為f=440Hz，其余音均與其進(jìn)行比較。和為兩個(gè)音符，如果兩個(gè)音符的頻率相差一倍時(shí)，即時(shí)，則稱比高一個(gè)倍頻程。在音樂中音符1（do）與音符ⅰ之間正好相差一個(gè)倍頻程，在音樂學(xué)中稱它相差一個(gè)八度音。在一個(gè)八度音里，有12個(gè)半音。以1--ⅰ八音區(qū)為例。12個(gè)半音是：1--#1，#1--2，2--#2，#2—3，3—4,4--#4,#4—5,5--#5,#5—6,6--#6,#6—7,7--ⅰ。由于人耳的聽覺效果，這12個(gè)音節(jié)的分度基本上是以對數(shù)關(guān)系來劃分的。只要知道了這12個(gè)音符的音高，也就是其基本的音樂的頻率，就可以根據(jù)音符之間的倍頻程關(guān)系得到其他音符基本的音調(diào)頻率。知道了一個(gè)音符的頻率后，便可以讓單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的頻率的振蕩信號，從而產(chǎn)生相應(yīng)的音符聲音。常采用的方法是通過單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)中斷，在中斷服務(wù)子程序中將單片機(jī)上外界揚(yáng)聲器的I/O口來回置高電平或置低電平，從而讓揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。為了讓單片機(jī)發(fā)出不同頻率音符的聲音，只需將定時(shí)器預(yù)置不同的定時(shí)值來實(shí)現(xiàn)。以標(biāo)準(zhǔn)音高A為例：標(biāo)準(zhǔn)音高A的頻率f=440Hz,其對應(yīng)的周期為：（1-1）因此需要在單片機(jī)I/O口輸出周期為T=2272us的方波脈沖，如圖1-1所示圖1-1單片機(jī)控制音調(diào)示意圖由上圖可知：單片機(jī)輸出高電平和低電平信號均為：（1-2）也就是說，單片機(jī)上定時(shí)器的中斷觸發(fā)時(shí)間為1136us。如果單片機(jī)采用定時(shí)器工作方式1，它以振蕩器的十二分頻信號為計(jì)數(shù)脈沖。設(shè)外接晶振的振蕩器頻率為f0,則定時(shí)器的預(yù)置初值由下式來確定：（1-3）式中，Count==65536,為定時(shí)器待確定的計(jì)數(shù)初值。因此定時(shí)器的高低計(jì)數(shù)器的初值為：（1-4）（1-5）如果單片機(jī)外接12MHz的晶振，則，將t=1136us和代入上面兩式，即可求得標(biāo)準(zhǔn)音高A在單片機(jī)定時(shí)器工作方式1下的定時(shí)器高低計(jì)數(shù)器的初值為：（1-6）（1-7）根據(jù)上面的求法，我們可以求出其他音調(diào)相應(yīng)的計(jì)數(shù)器的預(yù)置初值。在單片機(jī)晶振頻率，定時(shí)器在工作方式1下定時(shí)器計(jì)數(shù)初值見表1-1表1-1晶振頻率定時(shí)器在工作方式1下定時(shí)器計(jì)數(shù)初值表音符頻率/Hz計(jì)數(shù)初值音符頻率/Hz計(jì)數(shù)初值低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763731中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83164934#1RE#31163928中6LA88064968低3MI33064021#6LA#93264994低4FA34964013中7SI98895030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#1DO＃110965085#5SO41564331高２ＲＥ117565110低6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3MI65964777#6LA#186565268中4FA69864820高7SI1967652831.1.2節(jié)拍在一張完整樂譜開頭，都有如1=CEQ、1=G……等等的標(biāo)識。這里1=C，1=G標(biāo)識樂譜的曲調(diào)，簡單的說就是跟音調(diào)有關(guān)系；這里的、用來表示節(jié)拍。對于音符的節(jié)拍，以為例。它表示樂譜中以四分音符為節(jié)拍，每一小節(jié)有三拍。1=G的節(jié)拍示意圖，見圖1-2在圖中，總共有三拍：1、2為一拍，3、4、5為一拍，6為一拍。從時(shí)長角度看，1、2的時(shí)長為四分音的一半，即為八分音符長；3、4的時(shí)長為八分音符的一半，即為十六分音符長；5的時(shí)長為四分音符的一半，即為八分音符長；6的時(shí)長為四分音符長。1=G1=G圖1-2節(jié)拍示意圖對于一拍的發(fā)音時(shí)間，如果樂曲沒有特殊說明，一般說來，一拍的時(shí)長大約為400~450ms。如果這里規(guī)定一拍的時(shí)長為400ms，那么以四分音符為節(jié)拍時(shí)，四分音符的時(shí)長為400ms，八分音符的時(shí)長為200ms，十六分音符的時(shí)長為100ms。 從而，在單片機(jī)上可采用循環(huán)延時(shí)的辦法來實(shí)現(xiàn)控制一個(gè)音符唱多長時(shí)間。首先要編寫一個(gè)精確的基本時(shí)長的延時(shí)程序，比如說以八分音符的時(shí)長為基本延時(shí)時(shí)間，那么對于一個(gè)音符，如果它是四分音符，只需調(diào)用四次延時(shí)程序，如果它是二分音符，則只需調(diào)用八次延時(shí)程序，以此類推。1.1.3單片機(jī)電子琴演奏音樂的方法步驟一：將樂譜中的每個(gè)音符的音調(diào)及節(jié)拍變換成相應(yīng)的音調(diào)參數(shù)和節(jié)拍數(shù)。步驟二：將這些參數(shù)做成數(shù)據(jù)表格，存放在存儲器中。步驟三：通過按鍵調(diào)用程序取出一個(gè)音符的相關(guān)參數(shù)，播放該音符。步驟四：播放完該音符后，等待下一次按鍵調(diào)用程序去取出下一次的音符的相關(guān)參數(shù)，再播放音符。對于演奏樂曲，一般將休止符的音調(diào)參數(shù)設(shè)置為FFH，節(jié)拍參數(shù)設(shè)置為00H。1.2本設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容本次課程設(shè)計(jì)主要研究基于AT89C51單片機(jī)的8鍵簡易電子琴的設(shè)計(jì)。具體要求實(shí)現(xiàn)以下功能：按下音符鍵可以發(fā)出相應(yīng)的音符按下音樂播放鍵可以自動播放預(yù)先存在內(nèi)存中的曲子系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)原理2.1.1芯片選用在本次課程設(shè)計(jì)中我采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)。AT89C51是美國Atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB的可反復(fù)檫寫的程序存儲器和12B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C52單片機(jī)屬于AT89C51單片機(jī)的增強(qiáng)型，與Intel公司的80C52在引腳排列、硬件組成、工作特點(diǎn)和指令系統(tǒng)等方面兼容。AT89C52引腳圖見圖2-1.圖2-1AT89C51引腳圖其主要功能特性：·兼容MCS51指令系統(tǒng)·8k可反復(fù)擦寫(>1000次）FlashROM·32個(gè)雙向I/O口·256x8bit內(nèi)部RAM·3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷·時(shí)鐘頻率0-24MHz·2個(gè)串行中斷·可編程UART串行通道·2個(gè)外部中斷源·共6個(gè)中斷源·2個(gè)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2.1.2簡易電子琴的組成框圖發(fā)音電路AT89C51AT89C51獨(dú)立鍵盤和發(fā)生電路LED燈路供電及復(fù)位電路晶振電路圖2-2電子琴系統(tǒng)原理框圖2.2單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路2.2.1時(shí)鐘頻率單片機(jī)必須在時(shí)鐘的驅(qū)動下才能工作。在單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)時(shí)鐘振蕩電路，只需要外接一個(gè)振蕩源就能產(chǎn)生一定的時(shí)鐘信號送到單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)單元，決定單片機(jī)的工作速度。外部振蕩源電路一般選用石英晶體振蕩器，此電路在加電大約延遲10mS后振蕩器起振，在XTAL2引腳產(chǎn)生幅度為3V左右的正弦波時(shí)鐘信號，其振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個(gè)電容C1，C2，作用有兩個(gè)：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進(jìn)行微調(diào)。C1,C2的典型值為30PF。單片機(jī)在工作時(shí)，由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生或由外直接輸入的送至內(nèi)部控制邏輯單元的時(shí)鐘信號的周期稱為時(shí)鐘周期。起大小是時(shí)鐘信號頻率的倒數(shù)，常用fosc表示。如時(shí)鐘頻率為12MHz，即fosc=12MHz，則時(shí)鐘周期為1/12μs。2.2.2晶振電路AT89C51單片機(jī)的定時(shí)控制功能是用時(shí)鐘電路和振蕩器完成的，而根據(jù)硬件電路的不同，連接方式分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)中采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)反相放大器XTAL1、XTAL2分別為反相放大器的輸入端和輸出端，外接定時(shí)反饋元件組成振蕩器（內(nèi)部時(shí)鐘方式），產(chǎn)生時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部各元件。時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)控制器的控制節(jié)拍就越快，運(yùn)算速度也就越快。 一般來說單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)帶反饋的線性反相放大器，外界晶振（或接陶瓷振蕩器）和電容就可組成振蕩器，如圖2-4所示。加電以后延時(shí)一段時(shí)間（約10ms）振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘，不受軟件控制，圖中X1為晶振，震蕩產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由Y1確定。電容C1，C2的作用有兩個(gè)：一是幫助振蕩器起振，二是對振蕩器的頻率起微調(diào)作用，典型值為30pF。圖2-4晶振電路2.2.3鍵盤掃描在單片機(jī)應(yīng)用中鍵盤用得最多的形式是獨(dú)立鍵盤及矩陣鍵盤，如圖2-5，圖2-6所示。圖2-5獨(dú)立鍵盤它們各有自己的特點(diǎn)，其中獨(dú)立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設(shè)計(jì)上也不復(fù)雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨(dú)立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨(dú)立鍵盤復(fù)雜得多，而且在程序算法上比它要煩瑣，但它在節(jié)省端口資源上有優(yōu)勢得多，因此它更適合于多按鍵電路。本次課程設(shè)計(jì)，我采用矩陣式鍵盤電路，這樣可以大大的節(jié)省單片機(jī)I/O的開銷。鍵盤電路見圖2-7：圖2-7鍵盤電路在按鍵過程中常產(chǎn)生“毛刺”現(xiàn)象，如圖2-8所示，要消除“毛刺”現(xiàn)象，這里采用最常用的方法，即延時(shí)重復(fù)掃描法，延時(shí)法的原理為：因?yàn)椤懊獭泵}沖一般持續(xù)時(shí)間短，約為幾ms，而我們按鍵的時(shí)間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個(gè)時(shí)間，所以當(dāng)單片機(jī)檢測到有按鍵動靜后，再延時(shí)一段時(shí)間(10ms~20ms)后再判斷此電平是否保持原狀態(tài)，如果是則為有效按鍵，否則無效。圖2-8“毛刺”現(xiàn)象2.2.4發(fā)音電路電子琴發(fā)音電路見圖2-9。圖2-9電子琴發(fā)音電路2.2.5供電及復(fù)位電路電子琴的供電電路和復(fù)位電路見圖2-10。圖2-10電子琴供電及復(fù)位電路2.2.6電子琴總體電路第3節(jié)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1主程序3.1.1主程序的流程圖主程序的程序流程圖見圖3-1.按鍵是否按下按鍵是否按下開始去抖動，延時(shí)10ms掃描按鍵位置做一次按鍵處理，播放相應(yīng)的音符或音樂按鍵是否按下圖3-1程序流程圖3.1.2程序#include<reg51.h>#defineLEDP1#defineSW_PortP2sbitbuzzer=P3^7;unsignedcharkeys;unsignedcharcodetone[]={115,102,91,86,77,68,61,57};voidsound(unsignedchar);voiddelay8us(unsignedchar);main(){while(1){LED=SW_Port=0xff; keys=~SW_Port; switch(keys) {case0x01:sound(0);break; case0x02:sound(1);break; case0x04:sound(2);break; case0x08:sound(3);break; case0x10:sound(4);break; case0x20:sound(5);break; case0x40:sound(6);break; case0x80:sound(7);break; } } } voidsound(unsignedcharx) {unsignedchari; LED=SW_Port; for(i=0;i<60;i++) {buzzer=0;delay8us(tone[x]); buzzer=1;delay8us(tone[x]);} LED=0xff; } voiddelay8us(unsignedcharx) {unsignedchari,j; for(i=0;i<x;i++) for(j=0;j<1;j++); }結(jié)束語單片機(jī)作為一門軟硬件相結(jié)合的學(xué)科，讓許多像我這樣的非電子專業(yè)的學(xué)生頭疼不已。起初，我也屬于一個(gè)比較“怕硬”的計(jì)算機(jī)學(xué)生，由于大一大二的數(shù)電模電沒學(xué)好，所以一提到硬件方面的東西，我就覺得頭疼。最初聽余老師講的單片機(jī)的課的時(shí)候，屬于余老師每問必倒的學(xué)生之一。因此，最初對于這門課并沒有多少興趣。最初從指令系統(tǒng)，尋址方式，到單片機(jī)的內(nèi)部資源，一點(diǎn)概念都沒有。雖然每次課都看著大屏幕，聽著老師講課，但還是覺得整門課聽的比較吃力。我覺得單片機(jī)作為微型計(jì)算機(jī)的一種，必然和計(jì)算機(jī)有一定的共性。后來有一段時(shí)間，我在課余的時(shí)間去旁聽了幾堂韓建民老師的《計(jì)算機(jī)組成原理》，對計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)和尋址方式有了點(diǎn)認(rèn)識，再回過頭來看單片機(jī)