某微型電子琴設計方案

樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 1 某微型電子琴設計方案 2 設計要求 本設計的主要內(nèi)容是用 3為核心控制元件，設計一個微型電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，實現(xiàn)以下功能： (1) 設計一個（ 4 4）的鍵盤 4，并將 16個鍵設計成兩個八度的音階對應的 16個琴鍵，可以進行彈奏表演； (2) 演奏的同時數(shù)碼管會以數(shù)字顯示當前按鍵對應的音符； (3) 有音樂存儲功能，能自動演奏歌曲。演奏時可選擇鍵盤輸入樂曲，自己存入的樂曲或隨機存儲的樂曲。按播放鍵能播放 5首歌曲，第一首歌曲播放結(jié)束， 再按播放鍵播放下一首歌曲。 (4) 發(fā)光二極管會指示當前按鍵是否按下 。 3 方案論證 制模塊選擇方案 方案一：用可控硅制作電子琴。將 220再經(jīng)過 整流 、 濾波 ,獲得 +流電壓。 將 單向可控硅 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 片機進行控制 ,由于 此且其 方案三：采用 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(nèi)部程序存儲空間達到 8K，使軟件設計有足夠的內(nèi)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 5。 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 2 鑒于上述對比與分析，本設計采用方案三 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 1音。該設計 有 16個按鈕矩陣，設計成 16個音 ，可以實現(xiàn)音階在中音和高音之間的變換。比傳統(tǒng)音階范圍大，彈奏效果好。 在單片機應用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤， 它們各有自己的特點，其中 獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設計上也不復雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復雜得多，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。本設計選擇 4*4矩陣鍵盤。 4 設計原理 一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應著不同的頻率 6，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，當然對于單片機來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機的定時 /計數(shù)器 樣方 波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應頻率關(guān)系正確即可。若要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（ 1/頻率），再將此周期除以 2，即為半周期的時間。利用定時器計時半周期時間，每當計時終止后就將 輸出 相，然后重復計時再反相。就可在 利用 內(nèi)部定時器使其工作計數(shù)器模式（ ，改變計數(shù)值7，例如，頻率為 523周期 T 1/523 1912s ，因此只要令計數(shù)器計時 956s/1s 956，每計數(shù) 956 次時將I/可得到中音 523 計數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式是： N=， N 是計數(shù)值； 機器頻率（晶體振蕩器為 12，其頻率為 1 其計數(shù)初值 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 3 T K N K ， K 216 =65536； 例如 低音 262低音 294、 中音 523中音 587高音 1046高音 1175計數(shù)值 如下： T 65536 N 65536 65536 1000000/2/65536 500000/音 65536 500000/262 63628 低音 65536 500000/294 63835 中音 65536 500000/523 64580 中音 65536 500000/587 64684 高音 65536 500000/1046 65058 高音 65536 500000/1175 65110 了解音樂的一些基本知識后可知，產(chǎn)生不同頻率的音頻脈沖即能產(chǎn)生音樂，對于單片機而言，產(chǎn)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(chǎn)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(guān)系 4。 在本實驗中，單片機工作于 12鐘頻率，使用其定時 /計數(shù)器 作模式為 1，改變計數(shù)值 以產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號，在此情況下，根據(jù)以上公式， 的對照如下 8 表 4符頻率 對照 表 音符 頻率（ 簡譜碼 （ 音符 頻率（ 簡譜碼（ 低 1 62 63628 # 4 740 64860 #1 277 63731 中 5 84 64898 低 2 94 63835 # 5 831 64934 #2 311 63928 中 6 80 64968 低 3 M 330 64021 # 6 932 64994 低 4 49 64103 中 7 88 65030 # 4 370 64185 高 1 046 65058 低 5 92 64260 # 1 1109 65085 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 4 # 5 415 64331 高 2 175 65110 低 6 40 64400 # 2 1245 65134 # 6 466 64463 高 3 M 1318 65157 低 7 94 64524 高 4 397 65178 中 1 23 64580 # 4 1480 65198 # 1 554 64633 高 5 568 65217 中 2 87 64684 # 5 1661 65235 # 2 622 64732 高 6 760 65252 中 3 M 659 64777 # 6 1865 65268 中 4 98 64820 高 7 967 65283 為音符建立一個 數(shù)據(jù) 表，單片機通過查表的方式來獲得相應的數(shù)據(jù) 。 低音 0 19之間，中音在 20 39之間，高音在 40 59之間 4021,64103,64260,64400 4524,64580,64684,64777 4820,64898,64968,65030 5058,65110,65157,65178 音樂的音拍，一個節(jié)拍為單位（ 如表 4 表 4調(diào)值表 曲調(diào)值 調(diào)值 4/4 125 4/4 62 3/4 187 3/4 94 2/4 250 2/4 125于不同的曲調(diào)我們也可 以用單片機的另外一個定時 /計數(shù)器來完成。 琴鍵處理程序，根據(jù)檢測得到按鍵值，查詢音律表，給計時器賦值，發(fā)出相應頻率的聲音。對音調(diào)的控制：根據(jù)不同的按鍵，對定時器 入不同的初值，調(diào)節(jié) 溢出時間，這樣就可以輸出不同音調(diào)頻率的方波。不同音調(diào)下各個音階的定時器 。 在這個程序中用到了兩個定時 /計數(shù)器來完成的。其中 來產(chǎn)生樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 5 音拍 9。 5 微型電子琴的系統(tǒng)總體原理框圖 如圖 5計出 微型電子琴的系統(tǒng)總體原理框圖 。 圖 56 系統(tǒng)主要 硬件電路設計 型電子琴的 體設計電路圖 電子琴的 體仿真圖見圖 6下播放鍵，發(fā)光二極管亮一下，系統(tǒng)自動播放預存在內(nèi)存中的曲子，再按一次播放下一首歌曲，按下復位鍵，系統(tǒng)復位，停止播放。按下矩陣鍵盤中的任意鍵，揚聲器發(fā)出相應的音符。 音電路 44矩陣 供電及復位電路 晶振電路 歌曲播放電路 數(shù)碼管顯示電路 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 6 圖 6型電子琴的 體設計電路圖 片機主機系統(tǒng)電路 片機簡介 性能 位單片機 10，片內(nèi)含 82器件采用易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 內(nèi)配置通用 8 位中央處理器（ 儲單元，功能強大的 片機可靈活應用于各種控制領(lǐng)域。 011、硬件組成、工作特點和指令系統(tǒng)等方面兼容。 圖 6一些特殊功能口，如下表所示： 特殊功能 行輸入口） 行輸出口） 外部中斷 0） 外部中斷 1） 0（定時器 0外部輸入） 1（定時器 1外部輸入） R(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) D（外部數(shù)據(jù)存儲器讀先通） 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 7 其 主要功能特性： 兼容 8k 可反復擦寫 (1000次） 32 個雙向 I/O 口 256部 3 個 16位可編程定時 /計數(shù)器中斷 時鐘頻率 0 2 個串行中斷 可編程 2 個外部中斷源 共 6個中斷源 2 個讀寫中斷口線 3 級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設置睡眠和喚醒功能 鐘頻率 單片機必須在時鐘的驅(qū)動下工作。在單片機內(nèi)部有一個時鐘振蕩電路 12，只需要外 接一個振蕩源就能產(chǎn)生一定的時鐘信號送到單片機內(nèi)部的各個單元，決定單片機的工作速度。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10 振蕩頻率主要由石英晶振的頻率確定。電路中兩個電容 用有兩個：一是幫助振蕩器起振；二是對振蕩器的頻率進行微調(diào)。 2 的典型值為 30 單片機在工作時，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鐘信號的周期稱為時鐘周期。起大小是時鐘信號頻率的倒數(shù)，常用 時鐘頻率為 12 2時鐘周期為 1/12s。 振電路 根據(jù)硬件電路的不同，連接方式分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計中采用內(nèi)部時鐘方式。 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 8 單片機內(nèi)部有一個反相放大器 別為反相放大器的輸入端和輸出端，外接定時反饋元件組成振蕩器（內(nèi)部時鐘方式），產(chǎn)生時鐘送至單片機內(nèi)部各元件。時鐘頻率越高，單片機控制器的控制節(jié)拍就越快，運算速度也就越快。 一般來說單片機內(nèi)部有一個帶反饋 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 6電以后延時一段時間（約 10蕩器產(chǎn)生時鐘，不受軟件控制，圖中 晶振，震蕩產(chǎn)生的時鐘頻率主要由 電容 作用有兩個：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 30 圖 6振電路 鍵播放電路 圖 6盤掃描 在單片機應用中鍵盤用得最多的形式是獨立鍵盤及矩陣鍵盤，如圖 6 6 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 9 圖 6圖 6矩陣鍵盤 它們各有自己的特點，其中獨立鍵盤硬件電路簡單，而且在程序設計上也不復雜，一般用在對硬件電路要求不高的簡單電路中；矩陣鍵盤與獨立鍵盤有很大區(qū)別，首先在硬件電路上它要比獨立鍵盤復雜得多，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。 本次課程設計，我采 用矩陣式鍵盤電路，這樣可以大大的節(jié)省單片機 I/盤電路見圖 6 6鍵盤電路 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 10 在按鍵過程中常產(chǎn)生“毛刺” 現(xiàn)象 13，如圖 6消除“毛刺”現(xiàn)象，這里采用最常用的方法，即延時重復掃描法，延時法的原理為：因為“毛刺”脈沖一般持續(xù)時間短，約為幾 我們按鍵的時間一般遠遠大于這個時間，所以當單片機檢測到有按鍵動靜后，再延時一段時間 (100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 6刺”現(xiàn)象 音電路 電子琴發(fā)音電路見圖 6 圖 6子琴發(fā)音電路 電及復位電路 電子琴的供電電路和復位電路 14見圖 6 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 11 圖 6子琴供電及復位電路 碼管顯示電路 本次畢業(yè)設計的顯示電路采用 是一種外加電壓從而渡過電流并發(fā)出可見光的器件。 用時必須加限流電阻 15。 有共陰和共陽兩種。 常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)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 ,陰極連在一起的稱為共陰極顯示器 (如圖 。 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）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 。 圖 6數(shù)碼管引腳 選用的是 7 系統(tǒng)軟件設計 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 12 統(tǒng)軟件總體方案 （ 1）鍵盤掃描程序： 檢測是否有鍵按下，有鍵按下則記錄按下鍵的鍵值，并跳轉(zhuǎn)至功能轉(zhuǎn)移程序；無鍵按下，則返回鍵盤掃描程序繼續(xù)檢測 （ 2）功能轉(zhuǎn)移程序： 對檢測到得按鍵值進行判斷，是琴鍵則跳轉(zhuǎn)至琴鍵處理程序，是功能鍵則跳轉(zhuǎn)至相應的功能程序，我們設計的功能程序有兩種，即音色調(diào)節(jié)功能和自動播放樂曲功能 （ 3）琴鍵處理程序： 根據(jù)檢測到得按鍵值，查詢音律表，給計時器賦值，使發(fā)出相應頻率的聲音 （ 4）自動播放歌曲程序 ： 檢測到按鍵按下的是自動播放歌曲功能鍵后執(zhí)行該程序，電子琴會自動播放事先已經(jīng)存放好的歌曲，歌曲播放完畢之后自動返回至鍵盤掃描程序，繼續(xù)等待是否有鍵按下 統(tǒng)軟件簡易流程圖 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 13 否 是 是 否 開始 始化并開中斷允許 斷 始化并開中斷允許 斷 鍵盤掃描程序 有鍵按下否 識別按鍵功能 播放鍵 根據(jù)按鍵功能裝入相應音符值到 相應的音符碼裝入 動 動 鍵釋放成功否 按鍵釋 放成功否 停止 作 停止 作 延時去抖動 是否彈奏鍵 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 14 按鍵子程序流程圖如下 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 15 按下 按下 按下 按下 按下 按下 按下 數(shù)碼管顯示 1，并播放 中音 數(shù)碼管顯示 2，并播放 中音 數(shù)碼管顯示 3，并播放 中音 按下 數(shù)碼管顯示 4，并播放 中音 數(shù)碼管顯示 6，并播放 中音 數(shù)碼管顯示 7，并播放 中音 數(shù)碼管顯示 1播放 按下 按下 按下 按下 按下 按下 按下 按下 數(shù)碼管顯示 5，并播放 中音 數(shù)碼管顯示 1 并播放 高音 數(shù)碼管顯示 2 并播放 高音 數(shù)碼管顯示 3 并播放 高音 數(shù)碼管顯示 4 并播放 高音 數(shù)碼管顯示 5 并播放 高音 數(shù)碼管顯示 6 并播放 高音 數(shù)碼管顯示 7 并播放 高音 數(shù)碼管 1 并播放 高階高音 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 16 彈奏程序流程圖 彈奏子程序 開中斷并允許中斷設定定時器工作方式 取鍵值 根據(jù)鍵值查音律表 給定時器 值 進入中斷 出中斷 延時 返回鍵盤掃描程序 開始計時 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 17 自動播放歌曲程序流程圖 Y N Y N 分設計源程序 曲播放子程序 ;= 歌曲播放子程序 = 自動播放音樂程序 休止符 開始計時 進入中斷 退出中斷 返回鍵盤掃描 音律表，給定時器賦值 取該音符的節(jié)拍碼 取簡譜碼 開中斷，設定定時器 作模式 0,歌譜地址 延時 A=0 A=0山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 18 30H,# ;取簡譜碼指針 (第 1 首 ) a,30h a,a+ ;至相關(guān)頁碼 ,高 4 位為音符的高低 r2,a ;低 4 位為音符的節(jié)拍 ;檢查簡譜碼是否已結(jié)束 (有無 00?) a,#0 ;取節(jié)拍 (低 4 位 ) r5,a ;存入 拍的時間 a,r2 a a,#0 ;取音頻值 (高 4 位 ) ;是否為 0,是 0 則不發(fā)音 ;開始，則不發(fā)音 d1 a ;因 0 不列入 22h,a ;存入 (22h) a ;乘 2 a,a+ ;至 碼 ,取 t 的值 a ;取到的高位字節(jié)存入 21h,a ;取到的高位字節(jié)存入 (21h) a,22h ;再載入取到的音符碼 a ;乘 2 a ;加 1 a,a+ ;至 相對的低位字節(jié)計數(shù)值 a ;取到的低位字節(jié)存入 20h,a ;取到的低位字節(jié)存入 (20h) ;啟動 30h ;取簡譜碼指針加 1 停止 a,31h ;載入計次指針 a,#00h ;是否按第 1 次 ? ;不是則跳至 ;按第 2 次 ? ;消除抖動 ;放開否 ? 31h ;計次地址 (31h)加 1 30h,# ;第 2 首歌指針 延時程序 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 19 6,#10 7,#248 7,$ 6, 音符參數(shù)表 ;= 音符參數(shù)表 = 6H,56H,67H,06H 6H,56H,67H,06H 8 系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析 系統(tǒng)調(diào)試 在系統(tǒng)設計中采用模塊設計法 ,所以方便對各電路模塊功能進行逐級測試：中心控制模塊的調(diào)試 ,音樂播放模塊的調(diào)試 ,按鍵控制模塊的調(diào)試等 ,最后將各模塊組合后進行整體測試。首先對各模塊的功能進行調(diào)試 ,主要調(diào)試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。然后通過 件對編好的程序進行調(diào)試 ,檢查語法錯誤。最后將調(diào)試好的軟件程序?qū)氲接布K中 ,調(diào)試系統(tǒng)實現(xiàn)的功能。 調(diào)試主要方法和技巧：軟件調(diào)試和硬件調(diào)試 統(tǒng)軟件調(diào)試 通常一個調(diào)試程序應該具備至少四種性能 16：跟蹤、斷點、查看變量、更改數(shù)值。整個程序是一個主程序調(diào)用各個子程序?qū)崿F(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(diào)試的最初階段就是把各個子程序模塊進行分別調(diào)試。 統(tǒng)硬件調(diào)試 硬件調(diào)試主要是針對單片機部分進行調(diào)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(diào)試工作的第一步，也是非常重要的一個步驟。在這部分調(diào)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(diào)試，上電調(diào)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(diào)試主要鍵盤單片機控制部分、數(shù)碼管點亮部分、和音頻轉(zhuǎn)換電路硬件調(diào)試。 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 20 (1)、數(shù)碼管 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(diào)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。 (3)、按鍵播放電路調(diào)試 :按下播放按鍵能彈唱歌曲，唱完一首之后再按一下播放按鍵彈奏下一首歌曲。 (4)、復位電路調(diào)試：按一下復位鍵能完成復位功能。 硬件實物圖 測試結(jié)果及心得 試結(jié)果 通過各方面努力，本次畢業(yè)設計任務完成，系統(tǒng)部分功能已實現(xiàn)。可以隨意演奏喜歡的曲子，并可以顯示在數(shù)碼管上，可以隨意彈奏 16 個音符，可以播放 5 首歌曲?；具_到預定的效果。 畢業(yè)設計是本科學習階段一次非常難得的 理論與實踐相結(jié)合的機會，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。 樂山師范學院 畢業(yè)論文（設計） 21 次設計的心得體會 從上一學期開始我們就在準備選題，收集資料，這些都是不能馬虎的，要慎重。這一學期來我們就交了開題報告。做完這次畢業(yè)設計后我有種如釋重負的感覺，收獲很多，沒做之前想得太過簡單，以為只要把資料收集好就萬事俱備了，具體操作時才知道自己錯了，只有想法猶如紙上談兵，根本解決不了實際問題。想象和現(xiàn)實相差太遠，做事不 能太盲目，要深思熟慮。畢業(yè)設計不僅是對所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設計使我明白了自己原來知識還比較欠缺，自己要學習的東西還太多。 這次設計從軟件方面來講不是很難，程序相對長一點，但都是書本上所學的知識，主要是中端及其服務程序的編寫。在 起到很好的效果，因為元器件都是理想狀態(tài)的，但做出實物來卻不是那么簡單。經(jīng)過多次調(diào)試、修改才得以出結(jié)果。 在設計過程中，通過查閱大量相關(guān)資料，與同學交流經(jīng)驗，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識 :首先在畢業(yè)設計剛開始的調(diào) 研階段，我學會了怎么通過各種方式查詢相關(guān)的資料。通過對這些資料的學習，我大致了解了單片機的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢，認識到目前單片機方面的各種各樣的發(fā)展。 9 結(jié) 束 語 經(jīng)過 兩 個月的查資料、整理材料、做實驗，今天終于可以順利的完成 畢業(yè)設計了，自己想想求學期間的點滴歷歷涌上心頭，時光匆匆飛逝， 四 年的努力與付出，隨著論文的完成，終于讓我在大學的生活，得以劃下了完美的句點。論文得以完成，要感謝的人實在太多了，首先要感謝我的指導老師 李老師 ，因為論文是在 李 老師的悉心指導下完成的。本論文從選題到完成，每一步都是在 李 老師的指導下完成的，傾注了 李 老師大量的心血。 一開始選題時李老師