基于单片机的电子琴的设计课程设计说明书

专业工程设计说明书

题目：基于单片机的电子琴设计院（系）：电子工程与自动化学院专业：测控技术与仪器（卓越）学生姓名：侯雪磊

学号：1100820411

指导教师：陈寿宏

2013 年9 月18 日

摘要

随着人们生活水平的提高，对音乐的演唱和演奏成为了生活中一种不错的休闲娱乐方式。小小的电子琴可以给人们带来美好的回忆，提高人们的精神文化享受同时能具有音乐盒的播放功能。但是传统音乐盒多是机械型的，体积笨重，发音单调，不能实现批量生产。本文设计的电子琴是以单片机为核心元件，体积小，重量轻，能演奏和旋音乐，功能多，外观效果多彩，使用方便，并具有一定的商业价值、和发展潜力。

基于单片机的电子琴设计以AT89S52单片机作为系统的核心控制部分，通过制作硬件电路和用C语言编写的主控芯片控制程序，并用Keil软件进行编译，然后进行软硬件的调试运行，最终达到设计电路的乐器演奏、点歌、显示功能、LED进行节拍指示。设计中应用中断系统和定时/计数原理控制演奏器发声。可以用它来弹奏和播放乐曲。

特点是设计思路简单、清晰、成本低、实用，可以根据个人意愿改变想要播放的音乐。避免了机械音乐盒体积笨重、发音单调等一系列缺点，使得本设计具有一定的商业价值。

关键词：

电子琴；AT89S52单片机；数码管；LED灯；音调；节拍。

目录

1绪论 (5)

1.1 电子琴的相关知识 (5)

1.2 设计任务要求 (5)

1.3 设计方案简介 (5)

2 设计方案论证 (5)

2.1 控制芯片的选择 (5)

2.2 LED灯电路的选择 (5)

2.3 声音播放电路的选择 (5)

3 系统硬件设计及说明 (6)

3.1 系统组成及总体框图 (6)

3.2 元件简介 (6)

3.2.1 AT89S52 (6)

3.2.2 LM386 (7)

3.2.3 LED数码管........................................................................ 7 3.3 各功能模块原理图 (8)

3.3.1 控制电路的设计 (8)

3.3.2 时钟振荡电路设计 (8)

3.3.3 数码管显示电路设计 (9)

3.3.4 LED显示电路设计 (9)

3.3.5 键盘电路的设计 (9)

3.3.6 声音播放电路的设计 (10)

3.3.7复位电路的设计 (10)

3.4 电路总体构成 (10)

4 系统软件设计 (11)

4.1 音乐相关知识 (11)

4.2 软件程序设计 (11)

4.2.1 主程序流程图 (11)

4.2.2 按键子程序流程图 (12)

4.3程序编写 (14)

4.3.1 程序开头以及参数定义 (14)

4.3.2 延时、定时器初始化程序 (15)

4.3.3 音乐演奏程序 (16)

4.3.4 主程序 (17)

4.3.5键盘检测程序 (17)

5 组装调试 (21)

5.1 检查硬件连接 (21)

5.2 检查软件 (21)

6 收获、体会 (21)

7 参考文献 (22)

附录 (22)

1 绪论

1.1 电子琴的相关知识

电子琴又称电子键盘，属于电子乐器（区别于电声乐器），发音量可以自由调节。音域较宽，和声丰富，甚至可以演奏出一个管弦乐的的效果，表现力极其丰富。他还可以模仿多种音色，甚至可以弹奏出常规乐器无法发出的声音（如合唱声，风雨声，宇宙声等）。另外电子琴独奏时，还可以随意类似打击乐音响的节拍伴奏，适合于演奏性较强的现代音乐。

1.2设计任务要求

主要研究内容为设计一个多功能电子琴，要求如下：

（1）通过按键能够发出相应的音符并播放产生乐音，实现演奏；

（2）演奏的同时可数字显示当前的音调，利于培养乐感；

（3）可以选定播放固定乐曲自动演奏，演奏时LED进行节拍指示；

（4）在自动演奏和奏乐的过程中按停止键则中断演奏；

（5）可以选择调节音量大或小。

1.3设计方案简介

设计一个基于AT89S52系列单片机的电子琴，利用按键发出相应的音符并播放产生乐音，实现演奏。扬声器发出某个音调，与之相对应的LED亮起和与之相对应的数码管显示当前的音调。使用两个按键，一个用来切换到自动播放歌曲并LED闪烁，另一个在自动演奏和奏乐的过程中按停止键则中断演奏。

2 设计方案论证

2.1控制芯片的选择

方案一：采用AT89C51单片机进行控制，由于AT89C51不具备ISP功能，因此Atmel公司已经停产在市面上已经不常见，况且其ROM只有4K在系统将来升级方面没有潜力。

方案二：采用AT89S52单片机进行控制，由于其性价比高，完全满足了本作品智能化的要求，它的内部程序存储空间达到8K，使软件设计有足够的内部使用空间并且方便日后系统升级，使用方便，抗干扰性能提高。

鉴于上述对比与分析，本设计采用方案二，采用AT89S52作为单片机的控制芯片。

2.2 LED灯电路的选择

方案一：使用LED点阵指示灯显示音乐的节奏和音乐节拍。但是LED点阵使用相对复杂，需要的外围电路多一些。同时编程和控制也是相对复杂一些。

方案二：使用P2口外接八个LED灯和一个上拉电阻，电路简单实用，能够有效完成显示音乐的节奏和音乐节拍，合乎设计的要求的各项指标。对于本次设计的使用其绰绰有余。

综上所述我们选择了方案二。

2.3 声音播放电路的选择

方案一：使用扬声器加LM386构成的电路作为音乐的输出部分，电路相对复杂一些，使用了其他的元器件增加了成本，但是产生的效果十分明显，声音更加细腻婉转，悦耳动听，音调有了变化。提升了设计的水平和质量。

方案二：使用三极管和蜂鸣器做声音的输出部分，蜂鸣器只能发出滴滴的声音，虽然电路相对简单但是声音的质感大打折扣，影响了设计的水平，降低了人们对音乐的享受程度。

综上所列我们选择了方案一作为声音的播放电路方案，虽然增加课些许的成本，但是其产生的效果却是物超所值的。

3 系统硬件设计及说明

3.1 系统组成及总体框图

该设计要实现一种由单片机控制的电子琴，单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时/计数器T0，工作模式为1，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频

率的脉冲信号。该设计具有16个音节的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。

本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。

图3-1 系统设计框图

3.2元件简介

3.2.1 AT89S52

功能特性：AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

主要性能：与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：0Hz～33Hz 、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。

3.2.2 LM386

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。

LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。