电子琴课程设计

电子琴课程设计

单片机原理及接口技术

课程设计

电子琴课程设计

姓名：

学号：

指导教师：

院系（部所）：机电工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

单片机电子琴课程设计

摘要

随着社会的发展进步，音乐逐渐成为我们生活中很重要的一部分，有人曾说喜欢音乐的人不会向恶。我们都会抽空欣赏世界名曲，作为对精神的洗礼。本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。我们对于电子琴如何实现其功能，如音色选择、声音强弱控制、节拍器、自动放音功能等等也很好奇。

电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。本文的主要内容是用AT89S51单片机为核心控制元件，设计一个电子琴。以单片机作为主控核心，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有16个按键和扬声器。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。

关键词：AT89S51单片机音色节拍器自动放音

ABSTRACT

With the development and progress of society, music has become an important part of life, it was said that people do not like the music to the evil. We will find time to enjoy the world music, as the baptism of the spirit. This thesis developed a simple microcontroller-based electronic key board.

Electronic organ is a modern electronic music technology and the product is a new type of keyboard instruments. It modern music played an important role in single chip is a powerful control functions and flexible programming characteristics, It has converged with modern people's lives, become an irreplaceable part. The main content is AT89C51 control of the core components, Design of an electronic organ, single chip as a host to the core, with the keyboard, speakers and other core modules main control module, in the main control module has 16 keys and speakers. Stability of the system, its advantages are simple hardware circuits, software functions, control system reliability, high cost performance and have certain practical and reference value.

Key words : single chip MCU keyboard speaker electronic organ

目录

摘要 (2)

第1章任务要求与总体设计方案 (2)

1.1 设计任务与要求 (2)

1.2 设计方案 (2)

1.2.1 播放模块 (2)

1.2.2 按键控制模块 (2)

1.3 总体硬件组成框图 (2)

第2章系统的硬件设计 (4)

2.1 中心控制模块的硬件设计 (4)

2.2 声音播放模块的硬件设计 (4)

2.3 按键控制模块和复位电路模块的硬件设计 (4)

第3章单片机最小系统设计 (6)

3.1 电子琴主要电路及其芯片 (6)

3.2 音频功放电路LM386芯片 (7)

3.3 扬声器 (8)

第4章电路的仿真和调试 (10)

参考资料 (13)

总结 (14)

致谢 (15)

附录 (16)

第1章任务要求与总体设计方案

1.1 设计任务与要求

利用所给键盘的1，2，3，4，5，6，7，8八个键，能够发出7个不同的音调，而且有一个按键可以自动播放歌曲，要求按键按下时发声，松开延时一小段时间，中间再按别的键则发另外一音调的声音，当系统扫描到键盘按下，则快速检测出是哪一个按键被按下，然后单片机的定时器启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出相应的音调。如果在前一个按下的键发声的同时有另一个按键被按下，则启动中断系统。前面的发音停止，转到后按的键的发音程序。发出后按的键的音调。

1.2 设计方案

1.2.1 播放模块

播放模块是由喇叭构成，它几乎不存在噪声，音响效果较好，而且由于所需驱动功率较小，且价格低廉，所以，被广泛应用。

1.2.2 按键控制模块

电子琴设有8个按键，其中7个作为音符输入，另外一个作为模式转换按键，实现用户存放的自动播放歌曲。7个按键分别代表7个音符，包括中音段的全部音符，通过软硬件设计，模式转换按键触发外部中断，中断使程序跳转，实现模式转换，启动电子琴。然后通过查询电子琴所按下的按键，读取电子琴输入状态，跳转到对应的程序入口，实现自编歌曲的。

1.3 总体硬件组成框图

该设计方案是通过按键随意按下所要表达的音符，作为电平送给主体电路，中央处理器通过识别，解码输出音符，在扬声器中发出有效的声音。通过这样可以不断的弹奏我们想要的音符或者是音调，电路由复位电路，指示灯电路，和功能按键电路组成，通过功能键可以选择播放音乐或者弹奏音节，硬件主要有下面几个部分组成。

图1-1电子琴硬件设计框图

用P2口的高四位和P2口的第四位作为按键的接口，用P1口做信号输出口。

第2章系统的硬件设计

为了使电子琴的控制系统更加的方便、灵活以及稳定性，我们对系统硬件进行了简约和优化，使硬件更加的实用，更加的人性化，硬件电路包括中心控制模块、播放模块、按键控制模块、复位按键模块四大类。

2.1 中心控制模块的硬件设计

这次设计的中心控制模块是采用AT89S52单片机来控制整个系统。其中P2口作为输入口，P1口为信号输出口，P1.0连接音响驱动电路。

2.2 声音播放模块的硬件设计

如下图所示，为声音的播放模块，它接到P1.0口上，当有按键按下时，它通过AT89S52中心控制芯片的识别后发出相应的音符。

图2-1音频放大电路

2.3 按键控制模块和复位电路模块的硬件设计

在P2口连接有8个按键开关加8个拉电阻，它们一端接5伏电源，一端接地。只要有一个按键被按下，并被单片机扫描到，则会播放发出音符。

图2-2上图为按键复位电路

图2-3上图为按键电路

第3章单片机最小系统设计

3.1 电子琴主要电路及其芯片

在电子琴主要电路设计中，我们采用了AT89S52单片机芯片，其特点及管脚封装如下介绍一般。

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。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。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能

P3.0 RXD(串行输入口)

P3.1 TXD(串行输出口)

P3.2 INTO(外中断0)

P3.3 INT1(外中断1)

P3.4 TO(定时/计数器0)

P3.5 T1(定时/计数器1)

P3.6 WR(外部数据存储器写选通)

P3.7 RD(外部数据存储器读选通)

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST——复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

上图为AT89S52芯片的管脚图

3.2 音频功放电路LM386芯片

电子琴的功放电路采用了LM386芯片，使用AT89S52驱动音频放大芯片工作，以达到我们想要输出的音频效果。

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。输入端以地位参考,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。

图3-1为LM386管脚封装图

。

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、外接元件少喝和谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。

3.3 扬声器

扬声器是一种把电平转变为声信号的换能器件，扬声器和性能对音质的高低音响很大。

扬声器的种类很多，按其换能原理可分为电动式、静电式、电磁式、压电式等几种，后两种多用于农村有线广播网中，按频率范围可分为低音扬声器、中音扬声器，这些常在音箱中作为组合扬声器使用。在本次试验作品中使用电磁式扬声器

图3-2为所使用的扬声器实物图

软件是该电子琴控制系统的重要组成部分，在系统的软件设计中我们也用了模块设计，将系统的各部分功能编写成子模块的形式，这样增强了系统软件的可读性和可移植性。

本系统软件中还要是编辑电子琴播放状态的内容，在设计中采用汇编语言编写了电子琴控制系统控制和播放内容的程序。源程序参考附录一

主要程序：

MAIN:

MOV SP,#60H ;初始化堆栈指针

MOV 30H,#00 ;定时器初值清零

MOV 31H,#00

MOV P1,#0FFH ;设置P1口为输入模式

MOV TOMD，#01H ;设置定时器0为工作模式1

SETB ET0 ;开定时器0中断

SETB EA ;开总中断

CLR TR0 ;关闭定时器0

在程序编写中多次采用了判断指令，来扫描按键的按下，然后把相应的音符传送到指定的内存空间，使其相应的按键对应相应的音符。源程序参考附录一。

第4章电路的仿真和调试

Proteus的ISIS事一款Labcenter出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，可以给我们做电路设计提供方便快捷的仿真效果，让我们事半功倍。

目前支持的单片机类型有：680以及各种外围芯片0系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、HC11系列。

图5-1电路仿真图

5-1电子琴仿真图

把程序烧进单片机，进行仿真没有问题，证明电路原理图和程序可以使用。实物图参考附录二，在腐蚀焊接过程中应该多注意烫印板子时应尽量的小心，把该补的线都补好，等板子上的油路晾干后再进行腐蚀，这样可以尽量避免短线的发生。

该作品的音量的大少由可调电阻器来调节，实物图如下所示

图4-2可调电阻器

由于音频功放电路采用了LM386芯片，使得音频放大更加的稳定和没有杂音，进一步达到了实验目的理想效果

在此之前，本实验组功放电路曽一度采用简单的三极管NPN9013放大电路来播放声音，其仿真图如下所示：

图4-3NPN9013功放电路

仿真虽然成功，但是在做完板子调试的时候性能及其不稳定，音响效果也很差，声音大小无法调节，最后通过询问老师以及同学，最后采用了LM386芯片的音频放大电路，最终达到了实验所要的目的。

在作品板的调试过程中，本作品的复位电路的高电平和单片机没有接好，在一开始的调试中就遇到了难题，最终在检验板子和检测中找出问题，并以解决，最终达到了实验

参考资料

[1]刘乐喜.微机计算机接口技术及应用[M].华中科技大学出版社.

[2]石东海.单片机数据通信技术从入门到精通.[M].西安电子科技大学出版社.

[3]谢自美等.电子线路设计、实验、测试.[M].华中科技大学出版社

[4]长德，李华，李东，MC51/98系列单片机原理与应用。[M].机械工业出版社.

[5] 马忠梅主编. 单片机的c语言应用程序设计.北京:北京航空航天大学出版社，2003

[6] 沈美明、温冬婵主编.IBM-PC汇编语言程序设计.北京：清华大学出版社2003

[7] 何立民主编. MCS-51系列单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社2001

[8] 刘庆江张晓光. 一种实用的集成芯片测试仪的设计. 中国矿业大学信息与电气工程学院, 2005

总结

这次设计从软件方面来讲不是很难，程序相对长一点，但都是书本上所学的知识，主要是中端及其服务程序的编写。在protues上仿真，则起到很好的效果，因为元器件都是理想状态的，但做出实物来却没有那么简单啦。经过多次调试、修改才得以出结果。将程序烧入芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律。同时可以播放一首示例歌曲，但是也有不足之处的，声音杂音时而有点大，不稳定。

经过本次课程设计，我们比较好的把理论知识与实践相结合，而我们在也本次设计中收获不少。设计过程中，首先，对于汇编语言多了一层了解，其次，还有硬件的接线，还有8051芯片的引脚方面，都让我们收获不少。加强了自身的动手能力。

致谢

在这次实训过程中，能够得以顺利的完成，是所有曾经指导过我的老师，帮助过我的同学，成功是你们的帮助和鼓励成果。在这里我要对你们表示深深的谢意！

首先，我要特别感谢我的指导老师，卢纪丽老师，在实训过程中，提供了许多宝贵的建议，老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不惓的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。

附录

BUFF EQU 30H

STH0 EQU 31H

STL0 EQU 32H

TEMP EQU 33H

ORG 00H

LJMP START

ORG 0BH

LJMP INT_T0

ORG 001BH

LJMP TIM1

START: MOV TMOD,#01H ;设置T0工作方式

SETB ET0

SETB EA ;启动T0

MAIN:

MOV P1,#0FFH ;P1全置1

CLR P1.4 ;开始扫描第一行

MOV A,P1

ANL A,#0FH ;屏蔽高四位

XRL A,#0FH ;低位有”0”则有键按下，否则无

JZ KKEY1 ; 判断有无键按下，有则继续，没有则转移到KKEY1 LCALL DELY10MS ;调用延时程序

MOV A,P1 ;重新开始判断有无键按下

ANL A,#0FH

XRL A,#0FH

JZ KKEY1

MOV A,P1

ANL A,#0FH ;求键值

CJNE A,#0EH,CKK1 ;相等说明该行第一列有键按下，不等则转移 MOV BUFF,#0 ;该键值为0

LJMP NDK1 ;跳到NDK1执行相应的功能程序

CKK1: CJNE A,#0DH,KK2;相等说明该行第二列有键按下，不等则转移

MOV BUFF,#1;该键值为1

LJMP NDK1;跳到NDK1执行相应的功能程序

KK2: CJNE A,#0BH,KK3;相等说明该行第三列有键按下，不等则转移

MOV BUFF,#2;该键值为2

LJMP NDK1;跳到NDK1执行相应的功能程序

KK3: CJNE A,#07H,KK4;相等说明该行第四列有键按下，不等则转移

MOV BUFF,#3;该键值为2

LJMP NDK1;跳到NDK1执行相应的功能程序KK4: NOP

NDK1: MOV A,BUFF

MOV DPTR,#TABLE

MOVC A,@A+DPTR

MOV P0,A

MOV A,BUFF

MOV B,#2

MUL AB

MOV TEMP,A

MOV DPTR,#TABLE1

MOVC A,@A+DPTR

MOV STH0,A

MOV TH0,A

INC TEMP

MOV A,TEMP

MOVC A,@A+DPTR

MOV STL0,A

MOV TL0,A

SETB TR0

NDK1A: MOV A,P1

ANL A,#0FH

XRL A,#0FH

JNZ NDK1A

CLR TR0

KKEY1:

MOV P1,#0FFH ;开始扫描第二行

CLR P1.5

MOV A,P1

ANL A,#0FH

XRL A,#0FH

JZ KKEY2

LCALL DELY10MS

MOV A,P1

ANL A,#0FH

XRL A,#0FH

JZ KKEY2

MOV A,P1

ANL A,#0FH

CJNE A,#0EH,KK5

MOV BUFF,#4

LJMP NDK2

KK5: CJNE A,#0DH,KK6

MOV BUFF,#5