基于51單片機(jī)簡易電子琴的設(shè)計(jì)

1、電子琴的設(shè)計(jì)1 課題背景 單片微型計(jì)算機(jī)室大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)它具有高性能、高速度、體積小、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。他的應(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，單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項(xiàng)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)代音樂扮演重要的角色，單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)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AT89S52單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)電子琴。以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤揚(yáng)聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有8

2、個(gè)按鍵，和一個(gè)復(fù)位按鍵。 主要對使用單片機(jī)設(shè)計(jì)簡易電子琴進(jìn)行了分析，并介紹了基于單片機(jī)電子琴硬件的組成。利用單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏要表達(dá)的音符。并且分別從原理圖，主要芯片，個(gè)模塊原理及各莫奎的程序的調(diào)試來詳細(xì)闡述。 一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，構(gòu)成我們想演奏的那首曲目。當(dāng)然對于單片機(jī)來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣的方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系編寫正確就可以達(dá)到我們想要的曲目。一. 任務(wù)要求與總體設(shè)計(jì)方案1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求

3、利用所給鍵盤的1，2，3，4，5，6，7，8八個(gè)鍵，能夠發(fā)出7個(gè)不同的音調(diào)，而且有一個(gè)按鍵可以自動播放歌曲，要求按鍵按下時(shí)發(fā)聲，松開延時(shí)一小段時(shí)間，中間再按別的鍵則發(fā)另外一音調(diào)的聲音，當(dāng)系統(tǒng)掃描到鍵盤按下，則快速檢測出是哪一個(gè)按鍵被按下，然后單片機(jī)的定時(shí)器啟動，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(gè)按下的鍵發(fā)聲的同時(shí)有另一個(gè)按鍵被按下，則啟動中斷系統(tǒng)。前面的發(fā)音停止，轉(zhuǎn)到后按的鍵的發(fā)音程序。發(fā)出后按的鍵的音調(diào)。1.2 設(shè)計(jì)方案1.2.1 播放模塊 播放模塊是由喇叭構(gòu)成，它幾乎不存在噪聲，音響效果較好，而且由于所需驅(qū)動功率較小，且價(jià)格低廉，所以

4、，被廣泛應(yīng)用。1.2.2 按鍵控制模塊 電子琴設(shè)有8個(gè)按鍵，其中7個(gè)作為音符輸入，另外一個(gè)作為模式轉(zhuǎn)換按鍵，實(shí)現(xiàn)用戶存放的自動播放歌曲。7個(gè)按鍵分別代表7個(gè)音符，包括中音段的全部音符，通過軟硬件設(shè)計(jì)，模式轉(zhuǎn)換按鍵觸發(fā)外部中斷，中斷使程序跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，啟動電子琴。然后通過查詢電子琴所按下的按鍵，讀取電子琴輸入狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的程序入口，實(shí)現(xiàn)自編歌曲的。1.3 總體硬件組成框圖該設(shè)計(jì)方案是通過按鍵隨意按下所要表達(dá)的音符，作為電平送給主體電路，中央處理器通過識別，解碼輸出音符，在揚(yáng)聲器中發(fā)出有效的聲音。通過這樣可以不斷的彈奏我們想要的音符或者是音調(diào)，電路由復(fù)位電路，指示燈電路，和功能按鍵電路組

5、成，通過功能鍵可以選擇播放音樂或者彈奏音節(jié)，硬件主要有下面幾個(gè)部分組成。功 能 選 擇(彈奏/播放)喇叭發(fā)出聲音音頻放大AT89S52單片機(jī)鍵盤輸入 圖1-1電子琴硬件設(shè)計(jì)框圖 用P2口的高四位和P2口的第四位作為按鍵的接口，用P1口做信號輸出口。二 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 為了使電子琴的控制系統(tǒng)更加的方便、靈活以及穩(wěn)定性，我們對系統(tǒng)硬件進(jìn)行了簡約和優(yōu)化，使硬件更加的實(shí)用，更加的人性化，硬件電路包括中心控制模塊、播放模塊、按鍵控制模塊、復(fù)位按鍵模塊四大類。2.1 中心控制模塊的硬件設(shè)計(jì) 這次設(shè)計(jì)的中心控制模塊是采用AT89S52單片機(jī)來控制整個(gè)系統(tǒng)。其中P2口作為輸入口，P1口為信號輸出口，P1.0連

6、接音響驅(qū)動電路。2.2 聲音播放模塊的硬件設(shè)計(jì) 如下圖所示，為聲音的播放模塊，它接到P1.0口上，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，它通過AT89S52中心控制芯片的識別后發(fā)出相應(yīng)的音符。 圖2-1音頻放大電路2.3 按鍵控制模塊和復(fù)位電路模塊的硬件設(shè)計(jì) 在P2口連接有8個(gè)按鍵開關(guān)加8個(gè)拉電阻，它們一端接5伏電源，一端接地。只要有一個(gè)按鍵被按下，并被單片機(jī)掃描到，則會播放發(fā)出音符。 圖2-2上圖為按鍵復(fù)位電路 圖2-3上圖為按鍵電路4 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 電子琴主要電路及其芯片在電子琴主要電路設(shè)計(jì)中，我們采用了AT89S52單片機(jī)芯片，其特點(diǎn)及管腳封裝如下介紹一般。At89s52 是一種低功耗、高性能CM

7、OS8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(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停

8、止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0) P3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1) 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) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號。 RST復(fù)位輸入。

9、當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。 上圖為AT89S52芯片的管腳圖4.2 音頻功放電路LM386芯片電子琴的功放電路采用了LM386芯片，使用AT89S52驅(qū)動音頻放大芯片工作，以達(dá)到我們想要輸出的音頻效果。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(fèi)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(shí)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。 圖4-1為L

10、M386管腳封裝圖。 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、外接元件少喝和諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。4.3 揚(yáng)聲器 揚(yáng)聲器是一種把電平轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘柕膿Q能器件，揚(yáng)聲器和性能對音質(zhì)的高低音響很大。 揚(yáng)聲器的種類很多，按其換能原理可分為電動式、靜電式、電磁式、壓電式等幾種，后兩種多用于農(nóng)村有線廣播網(wǎng)中，按頻率范圍可分為低音揚(yáng)聲器、中音揚(yáng)聲器，這些常在音箱中作為組合揚(yáng)聲器使用。在本次試驗(yàn)作品中使用電磁式揚(yáng)聲器 軟件是該電子琴控制系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中我們也用了模塊設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)的各部分功能編寫成子模塊的形式，這樣增強(qiáng)了系統(tǒng)軟件

11、的可讀性和可移植性。4.4 系統(tǒng)軟件流程識別按鍵功能開始T0初始化并開中斷允放T0中斷按鍵按下成功否根據(jù)按鍵功能，裝入音符T值到T0中啟動T0工作停止T0工作 圖4-3軟件設(shè)計(jì)流程圖 本系統(tǒng)軟件中還要是編輯電子琴播放狀態(tài)的內(nèi)容，在設(shè)計(jì)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。源程序參考附錄一主要程序：MAIN: MOV SP,#60H ;初始化堆棧指針 MOV 30H,#00 ;定時(shí)器初值清零 MOV 31H,#00 MOV P1,#0FFH ;設(shè)置P1口為輸入模式 MOV TOMD，#01H ;設(shè)置定時(shí)器0為工作模式1 SETB ET0 ;開定時(shí)器0中斷 SETB EA ;開總

12、中斷 CLR TR0 ;關(guān)閉定時(shí)器0 在程序編寫中多次采用了判斷指令，來掃描按鍵的按下，然后把相應(yīng)的音符傳送到指定的內(nèi)存空間，使其相應(yīng)的按鍵對應(yīng)相應(yīng)的音符。源程序參考附錄一。5 電路的仿真和調(diào)試 Proteus的ISIS事一款Labcenter出品的電路分析實(shí)物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和IC，并支持單片機(jī)，元件庫齊全，使用方便，可以給我們做電路設(shè)計(jì)提供方便快捷的仿真效果，讓我們事半功倍。 目前支持的單片機(jī)類型有：680以及各種外圍芯片0系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、HC11系列。 圖5-1電路仿真圖 5-1電子琴仿真圖把程序燒進(jìn)單片機(jī)，進(jìn)行仿真沒有問題，證明電路原理圖和程序可

13、以使用。 2 由于音頻功放電路采用了LM386芯片，使得音頻放大更加的穩(wěn)定和沒有雜音，進(jìn)一步達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦硐胄Ч?在此之前，本實(shí)驗(yàn)組功放電路曽一度采用簡單的三極管NPN9013放大電路來播放聲音，其仿真圖如下所示： 圖5-3NPN9013功放電路 仿真雖然成功，但是在做完板子調(diào)試的時(shí)候性能及其不穩(wěn)定，音響效果也很差，聲音大小無法調(diào)節(jié)，最后通過詢問老師以及同學(xué)，最后采用了LM386芯片的音頻放大電路，最終達(dá)到了實(shí)驗(yàn)所要的目的。 在作品板的調(diào)試過程中，本作品的復(fù)位電路的高電平和單片機(jī)沒有接好，在一開始的調(diào)試中就遇到了難題，最終在檢驗(yàn)板子和檢測中找出問題，并以解決，最終達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的目的。 總 結(jié)

14、將以調(diào)試好的程序燒進(jìn)AT89S52芯片，再放到電路板中，按下按鍵就可以發(fā)出相應(yīng)的音。本次試驗(yàn)通過制作電子琴，將幾個(gè)模塊換呢好的融合起來，對使用單片機(jī)設(shè)計(jì)簡易電子琴進(jìn)行了分析，并接受了基于單片機(jī)電子期硬件組成。利用單片機(jī)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。說明一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對應(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，于是我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)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)系弄正確即可，然后我們利用功放電路來將音樂聲音放大，同時(shí)同股溝顯示模塊來確知自己所彈的

15、音符。 通過這次實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)，我感覺收獲了很多：通過這次的單片機(jī)實(shí)訓(xùn)，我加深了對單片機(jī)系列知識及其系統(tǒng)的認(rèn)識。這個(gè)設(shè)計(jì)題目并不怎么新穎，但從中體現(xiàn)到了個(gè)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)的過程，足以讓我們受益匪淺。 在這次的實(shí)訓(xùn)中，讓我更進(jìn)一步的提高了動手能力，也重新復(fù)習(xí)了一次單片機(jī)的程序編程能力，在這期間，讓我更加深刻了體會到了匯編程序的思路，加強(qiáng)了對編程能力的理解和對相應(yīng)資料的查閱。謝 詞 在這次實(shí)訓(xùn)過程中，能夠得以順利的完成，是所有曾經(jīng)指導(dǎo)過我的老師，幫助過我的同學(xué)，成功是你們的幫助和鼓勵成果。在這里我要對你們表示深深的謝意！ 首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師，李靜老師，莫容老師，在實(shí)訓(xùn)過程中，提供了許多寶貴的建議

16、，老師淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不惓的高尚師德，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)。不僅使我樹立了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。參考資料1劉樂喜.微機(jī)計(jì)算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用M.華中科技大學(xué)出版社.2石東海.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通.M.西安電子科技大學(xué)出版社.3謝自美等.電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測試.M.華中科技大學(xué)出版社4長德，李華，李東，MC51/98系列單片機(jī)原理與應(yīng)用。M.機(jī)械工業(yè)出版社.附錄一 MOV P1,#0FFHMOV TMOD,#01HSETB ET0SETB EACLR TR0START:

17、MOV R3,P2CJNE R3,#0FFH,KEY1CLR TR0SJMP STARTKEY1: ;按鍵 1 ,P2.0CJNE R3,#0FEH,KEY2 MOV 30H,#0FBHMOV 31H,#0E9HMOV R0,#0FBH ;將音階存放到R0，R1對應(yīng)的地址中MOV R1,#0E9HINC R0INC R1LJMP SET_TIMERKEY2: ;按鍵2,P2.1CJNE R3,#0FDH,KEY3MOV 30H,#0FCHMOV 31H,#5CHMOV R0,#0FCHMOV R1,#5CHINC R0INC R1LJMP SET_TIMERKEY3: ;按鍵3 ,P2.2CJ

18、NE R3,#0FBH,KEY4MOV 30H,#0FCHMOV 31H,#0C1HMOV R0,#0FCHMOV R1,#0C1HINC R0INC R1LJMP SET_TIMERKEY4: ;按鍵4 ,P2.3CJNE R3,#0F7H,KEY5MOV 30H,#0FCHMOV 31H,#0EFHMOV R0,#0FCHMOV R1,#0EFHINC R0INC R1LJMP SET_TIMERKEY5: ;按鍵5 ,P2.4CJNE R3,#0EFH,KEY6MOV 30H,#0FDHMOV 31H,#045HMOV R0,#0FDHMOV R1,#045HINC R0INC R1LJ

19、MP SET_TIMERKEY6: ;按鍵6 ,P2.5CJNE R3,#0DFH,KEY7MOV 30H,#0FDHMOV 31H,#92HMOV R0,#0FDHMOV R1,#92HINC R0INC R1LJMP SET_TIMERKEY7: ;按鍵7,P2.6CJNE R3,#0BFH,KEY8MOV 30H,#0FDHMOV 31H,#0D6HMOV R0,#0FDHMOV R1,#0D6HINC R0INC R1LJMP SET_TIMERKEY8: ;按鍵8，P2.7,用來進(jìn)入音樂自動播放 生日快樂CJNE R3,#7FH,NOKEYLCALL YYBF ;調(diào)用音樂自動播放程序

20、LJMP SET_TIMERSET_TIMER:SETB TR0LJMP STARTNOKEY:CLR TR0LJMP STARTINT_T0:MOV TH0,30HMOV TL0,31HCPL P1.0RETIYYBF:CLR P1.1numtim equ 20hgewei equ 21hshiwei equ 22hscanled equ 23horg 1000hjmp YYstartorg 001bhjmp tim0org 1100hYYstart: mov tmod,#b setb ea setb et1 mov numtim,#01h mov r6,#2hYYstart0:mov 40h,#00hnext: mov a,40h mov dptr,#table movc a,a+dptr mov r2,a jz end0 anl a,#0fh mov r5,a mov a,r2 swap a anl a,#0fh jnz sing clr tr1 jmp d1sing: dec a mov 22h,a rl a mov dptr,#table1 movc a,a+dptr mov th1,a mov 21h,a mov a,22h rl a inc a movc a,a+dptr mov tl1,a mov 20h,a setb tr1 d1:l