畢業(yè)設計-基于at89s52單片機的電子琴設計

摘要本設計對使用單片機設計簡易電子琴進行了分析，并介紹了基于單片機電子琴統(tǒng)硬件組成。利用單片機產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的音樂。并且本文分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理及各模塊的程序的調試來詳細闡述。電子琴音色優(yōu)美，音域較寬，和聲豐富，表現(xiàn)力極其豐富。它可模仿多種音色，還可隨意配上類似打擊樂音響的節(jié)拍伴奏，適合于演奏節(jié)奏性較強的現(xiàn)代音樂。它還能夠作為獨奏樂器出現(xiàn)，具有鮮明的時代特色，深受廣大音樂愛好者的喜愛，又是我國廣大中小學生學習音樂的重要工具，而且電子琴容易制作，價格便宜，有很好的市場前景。隨著科技的不斷發(fā)展，電子產品也在不斷的進步?，F(xiàn)在的電子產品越來越接近智能化，性能也精益求精?，F(xiàn)階段，單片機發(fā)展日益成熟，且發(fā)展迅猛，以單片機為核心部件的電子琴將會比以555定時器為核心部件電子琴的性能更加穩(wěn)定，而且依靠單片機強大的編程功能更易實現(xiàn)電子琴各音節(jié)所對應頻率的產生。所以此次設計具有很現(xiàn)實的意義。本次設計的目的主要是復習并運用我們所學的單片機知識，同時通過本次設計能夠對電子電路以及作圖軟件等方面的知識有進一步的認識并掌握；熟悉AT89S52單片機的內部結構和功能，合理利用其功能實現(xiàn)簡單設計，能夠完成相關軟件編程設計工作；掌握一般的簡單電子電路的設計方法。本次設計的主要內容是利用單片機編程設計出具有發(fā)出標準高中低的DOU，RUAI，MI，F(xiàn)A、SOU，LA，SI，DOU（高音）21個音的功能并能通過9個按鍵控制的電子琴。它包括數(shù)碼顯示電路、時鐘電路、復位電路、發(fā)聲電路以及鍵盤接口電路。目錄1概述111電子琴功能模式介紹112系統(tǒng)設計的任務與要求12系統(tǒng)總體方案及硬件設計221系統(tǒng)總體方案2211定時/計數(shù)器的設計和狀態(tài)字定義2212音調數(shù)據(jù)表422總體硬件組成框圖4221主要芯片簡介4222子系統(tǒng)模塊一6223子系統(tǒng)模塊二6224子系統(tǒng)模塊三6225AT89S52復位模塊7226AT89S52晶振模塊73軟件設計831系統(tǒng)軟件設計8311內置歌曲輸出8312音階鍵識別932系統(tǒng)總流程圖104PROTEUS軟件仿真1141程序仿真1142PROTEUS仿真115課程設計體會15參考文獻16附1源程序代碼17附2系統(tǒng)原理圖221概述11電子琴功能模式介紹本次設計提出了用AT89S52單片機為核心控制元件，設計一個簡易的電子琴。本方案以AT89S52單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器、顯示等模塊組成核心主控制模塊在主控模塊上設有7個按鍵和揚聲器。在彈奏模式方面，可根據(jù)使用者的操作隨意彈奏想要表達的音樂。而在播放音樂方面，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,再加上一定的延時作為節(jié)拍，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構成我們所想要的音樂了，當然對于單片機來產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T0來產生這樣方波頻率信號。查找想要播放歌曲的歌譜，翻譯出對應的頻率及延時節(jié)拍，存儲到單片機存儲單元里，再通過所編程序即可控制歌曲播放。12系統(tǒng)設計的任務與要求實現(xiàn)電子琴發(fā)聲控制系統(tǒng)；要求電路實現(xiàn)如下功能利用蜂鳴器作為發(fā)聲部件，1個數(shù)碼管作為顯示部件，設置8個按鍵，實現(xiàn)高音、中音、低音的1、2、3、4、5、6、7的發(fā)音。并在存儲一首歌曲的內容，可以實現(xiàn)自動播放。用PROTEUS實現(xiàn)的電子琴仿真設計。說明單片機的工作時鐘頻率為12MHZ。2系統(tǒng)總體方案及硬件設計本系統(tǒng)采用單片機AT89S52為電子琴的控制核心，系統(tǒng)主要包括播放模塊、按鍵彈奏模塊。下面對各模塊的設計逐一進行論證比較。21系統(tǒng)總體方案本次設計提出了用AT89S52單片機為核心控制元件，設計一個簡易的電子琴。本方案以AT89S52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在主控模塊上設有7個按鍵和揚聲器。根據(jù)使用者的操作隨意彈奏想要表達的音樂。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，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構成我們所想要的音樂了，當然對于單片機來產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T0來產生這樣方波頻率信號。211定時/計數(shù)器的設計和狀態(tài)字定義若要產生音頻脈沖，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P10反相，然后重復計時再反相。就可在P10引腳上得到此頻率的脈沖。利用AT89S52的內部定時器使其工作計數(shù)器模式（MODE1）下，改變計數(shù)值TH0及TL0以產生不同頻率的方法產生不同音階，例如，頻率為523HZ，其周期T1/5231912S，因此只要令計數(shù)器計時956S/1S956，每計數(shù)956次時將I/O反相，就可得到中音DO（523HZ）。計數(shù)脈沖值與頻率的關系式是NFI2FR，式中，N是計數(shù)值；FI是機器頻率（晶體振蕩器為12MHZ時，其頻率為1MHZ）；FR是想要產生的頻率。其計數(shù)初值T的求法如下T65536N65536FI2FR例如設K65536，F(xiàn)I1MHZ，求中音DO（261HZ）。T65536N65536FI2FR6553610000002FR65536500000/FR，中音DO的T65536500000/52364580。單片機12MHZ晶振，中音符與計數(shù)T0相關的計數(shù)值如表所示表21音符頻率表音符頻率（HZ）簡譜碼（T值）音符頻率（HZ）簡譜碼（T值）低1DO262636284FA740648601DO27763731中5SO78464898低2RE294638355SO831649342RE31163928中6LA88064968低3M33064021693264994低4FA34964103中7SI988650304FA37064185高1DO104665058低5SO392642601DO1109650855SO41564331高2RE117565110低6LA440644002RE124565134646664463高3M131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO523645804FA1480651981DO55464633高5SO156865217中2RE587646845SO1661652352RE62264732高6LA176065252中3M659647776186565268中4FA69864820高7SI196765283采用查表程序進行查表時，可以為這個音符建立一個表格，有助于單片機通過查表的方式來獲得相應的數(shù)據(jù)低音019之間，中音在2039之間，高音在4059之間用單片機播放音樂，或者彈奏電子琴，實際上是按照特定的頻率，輸出一連串的方波。為了輸出合適的方波，首先應該知道音符與頻率的關系。212音調數(shù)據(jù)表單片機發(fā)出不同頻率的方波，人聽起來，就是不同的音調。上表中的頻率數(shù)值，有些過多，去掉不常用的黑鍵頻率，只是把白鍵對應的數(shù)據(jù)存放在單片機中，即可滿足絕大部分的應用需求。定義音調數(shù)據(jù)表的程序如下DW63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,64580低音區(qū)1234567DW64580,64671,64777,64820,64898,64968,65030,65058中音區(qū)1234567DW65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283,65312高音區(qū)1234567把這個數(shù)據(jù)表，放在程序中，需要播音的時候，就從表中取出一個數(shù)據(jù)送到定時器，當定時器溢出中斷的時候，再對輸出引腳取反，那么，在揚聲器中，即可聽到上表中頻率的聲音。音樂的音拍，一個節(jié)拍為單位（C調）表22曲調值表曲調值DELAY曲調值DELAY調4/4125MS調4/462MS調3/4187MS調3/494MS調2/4250MS調2/4125MS22總體硬件組成框圖實驗中每按下一個琴鍵，單片機能夠檢測到鍵盤的按鍵，并根據(jù)按鍵的位置，通過程序來控制，使蜂鳴器發(fā)出不同頻率（音調）的聲音，聲音延遲一段時間，等到按鍵放開之后，聲音停止。然后再繼續(xù)掃描,看是否有鍵按下。如此循環(huán)，即可實現(xiàn)基本的琴鍵功能。圖21總體硬件組成框圖221主要芯片簡介與MCS51單片機產品兼容、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器、1000次播放模塊蜂鳴器中心控制模塊AT89S52按鍵控制模塊顯示輸出擦寫周期、全靜態(tài)操作0HZ33HZ、三級加密程序存儲器、32個可編程I/O口線、三個16位定時器/計數(shù)器八個中斷源、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標識符。AT89S52具有如下特點40個引腳（引腳圖如圖11所示），4KBYTESFLASH片內程序存儲器，128BYTES的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDTC）電路，片內時鐘振蕩器。P0口P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在FLASH編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口P1口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。P2口P2口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口P3口是一個具有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，在FLASH編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。圖22AT89S52222子系統(tǒng)模塊一LED顯示模塊如圖22所示，利用AT89S52單片機的P2端口的P20P26連接到一個七段數(shù)碼管的AH的筆段上，數(shù)碼管的公共端接電源。矩陣掃描顯示當前按鍵模塊如下圖23LED數(shù)碼管223子系統(tǒng)模塊二播放模塊是蜂鳴器構成。它幾乎不存在噪聲，音響效果較好，而且由于所需驅動功率較小，且價格低廉，所以被廣泛應用。圖24蜂鳴器播放器224子系統(tǒng)模塊三電子琴設有7個按鍵，分別代表7個音符，包括中音段的全部音符。通過軟硬件設計，按鍵觸發(fā)外部中斷，中斷使程序跳轉，實現(xiàn)模式轉換，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)，跳轉到對應的程序人口，實現(xiàn)各種琴鍵的聲音。圖25按鍵排列225AT89S52復位模塊開關按下，實現(xiàn)單片機的復位。此復位電路連接到AT89S52的RST管腳上。圖26復位部件226AT89S52晶振模塊本次采用12MHZ晶振，機器周期為1US，連接兩個電容，連接到AT89S52的XTAL1,XTAL2上面，連接電路圖27。圖27晶振模塊3軟件設計31系統(tǒng)軟件設計軟件是該電子琴控制系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)的軟件設計中我們也才用了模塊化設計，將系統(tǒng)的各部分功能編寫成子模塊的形式，這樣增強了系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性。本設計用的C語言編程。C語言是一種計算機程序設計語言。它既有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它可以作為系統(tǒng)設計語言，編寫工作系統(tǒng)應用程序，也可以作為應用程序設計語言，編寫不依賴計算機硬件的應用程序。因此，它的應用范圍廣泛。本設計用的KEIL軟件，KEILC51VISION2集成開發(fā)環(huán)境是KEILSOFTWARE，INC/KEILELEKTRONIKGMBH開發(fā)的基于80C51內核的微處理器軟件開發(fā)平臺，內嵌多種符合當前工業(yè)標準的開發(fā)工具，可以完成從工程建立到管理、編譯、鏈接、目標代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發(fā)流程尤其是C編譯工具在產生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。311內置歌曲輸出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，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構成我們所想要的音樂了，當然對于單片機來產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T0來產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頻率關系正確即可。利用AT89S52的內部定時器T0使其工作計數(shù)器模式（MODE1）下，改變計數(shù)值TH0及TL0以產生不同頻率的方法產生不同音階。將編寫好的歌曲程序寫入單片機存儲區(qū)，其中高四位表示音階，低四位代表其所延時的節(jié)拍。通過開關控制其播放。本設計所選歌曲截自鄧麗君的月亮代表我的心其歌曲程序如下UCHARCODEMUSIC0X16,0X12,0X14,0X22,0X32,0X26,0X12,0X94,0X22,0X32,0X2C,0X32,0X52,0X36,0X22,0X14,0X54,0XAC,0X92,0XA2,0X96,0X0A2,0X96,0X82,0X3C,0X54,0X36,0X22,0X14,0X54,0XAC,0X92,0XA2,0X16,0X12,0X14,0X22,0X32,0X2C,0X02,0X82,0X16,0X32,0X56,0X12,0XA6,0X32,0X56,0X52,0X66,0X72,0XB6,0X62,0X62,0X52,0X58,0X32,0X22,0X16,0X12,0X14,0X32,0X22,0X16,0X12,0X14,0X22,0X32,0X26,0X92,0XA4,0X12,0X22,0X1C,0XFF312音階鍵識別七段LED顯示器內部由七個條形發(fā)光二極管和一個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的極管的接線形式，可分成共陰極型和共陽極型。LED數(shù)碼管的GA七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不以發(fā)亮，不同亮暗的組合就能形成不同的字形，這種組合稱之為字形碼。本系統(tǒng)按鍵顯示模塊軟件流程圖如下圖31音階顯示流程開始是否有按鍵按下DO、RE、M、FA、SO、LA、SI、DO是鍵按下是否有音鍵按下檢測是高中低按下是1是否為1TR0置0節(jié)拍延時置1TR1置1置0TR1置0相應的數(shù)值減一DOREMFASOLASIDOTRO置1TR1置0執(zhí)行T0中斷32系統(tǒng)總流程圖圖32總流程圖4PROTEUS軟件仿真41程序仿真在系統(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試，音樂播放模塊的調試，按鍵控制模塊的調試等，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試，主要調試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。然后通過KEIL軟件對編好的程序進行調試，檢查語法錯誤。KEIL下編譯，產生目標HEX文件，PROTEUS下PROGRAMMEFILES選擇產生的HEX文件，點擊運行開始模擬。其中KEIL的運行截圖如下圖41程序運行42PROTEUS仿真首先，嘗試仿真模擬，低音曲調。通過長按和斷開微動開關，改變頻率，實現(xiàn)高中低音的切換。低音的頻率最低，故最先實現(xiàn)。如圖42，用顯示數(shù)字“0”代表低音。據(jù)觀察，實現(xiàn)方便。圖42低音顯示再次長按住微動開關，即可提高頻率，使之達到設定的中音頻率，用數(shù)字“1”代表中音。嘗試比較，同一音符的不同音調即可辨別中低音的區(qū)別。其音調略高于低音，需細細辨別。如圖43，中音顯示。圖43中音顯示開始調試高音，再次長按微動開關，使之頻率達到預設的高音階。與低音、中音相比較，便可分辨出。本次仿真用數(shù)字“2”代替高音。仿真結果顯示2。圖44高音顯示接上電源，即開始播放。雖然有點小模糊，但是依稀可以辨別歌曲。另一個微動開關可實現(xiàn)樂曲的停止，即單片機的復位。再次按住，實現(xiàn)重新播放。見圖45。圖45歌曲播放電子琴的關鍵功能是能彈奏樂符，上述仿真已經完成了高中低音和內置歌曲播放。現(xiàn)在，開始真正的音符仿真調試。音符有7個，分別是1，2，3，4，5，6，7，形聲以DO、RA、M、FA、SO、LA、SI試音。分別嘗試按七個微動開關，切換于不同的頻率，發(fā)出不同的音階。再分別用高、中、低音發(fā)聲，分別聽取不同的音調。聲音清脆悅耳，但有點延時，有待調整。另外，一個微動開關的動合實現(xiàn)內置歌曲和彈奏的切換。在播放內置歌曲時，按下某微動開關，歌曲停止，便可開始音階彈奏。本次報告截取音階7的PROTEUS仿真圖。見圖46。圖46音階7的仿真5課程設計體會通過這次單片機課程設計，我們加深了對單片機理論的理解，將理論很好的應用到實際當中去。尤其是這次做了一個實物，鍛煉了動手能力，很好的克服了眼高手低的毛病。這次單片機課程設計，讓我有不小的收獲。在學習態(tài)度上，這次課程設計是對我們的學習態(tài)度的一次檢驗。對于這次單片機綜合課程設計，我的第一大心得體會就是作為一名工程技術人員，要求具備的首要素質絕對應該是嚴謹。我們這次設計所遇到的多半問題都是由于我們不夠嚴謹。在做人處事上，我認識到，無論做什么事情，只要你足夠堅強，有足夠的毅力和決心，有足夠的挑戰(zhàn)困難的勇氣，就沒有什么辦不到的；同學們相互幫助，可以進步很快，團隊協(xié)作真的很重要，幫助他人可以有更多成就感，獲得更大的快樂。在實習之前，我們要對所用單片機的內部結構有一個比較系統(tǒng)的了解，知道該單片機內有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的軟件流程圖；在設計程序時，不能妄想一次性就將整個程序設計好，反復修改，不斷改進是程序設計的必經之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習慣，一個程序的完美與否不僅僅是實現(xiàn)功能，而應該讓人一看就明白你的思路，這樣也為資料的保存與交流提供了方便，從實踐中學到的知識會讓我們受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實踐能力提高都會受益于我在今后的學習、工作和生活中。在設計過程中和完成后，我認真總結，有以下體會1此次課程設計是在上學期單片機原理與技術的基礎上進行的，整個實驗設計過程相對比較熟悉，是把以前學習的零碎的內容系統(tǒng)的整合學習。2本實驗要充分了解電子琴的程序，清楚每個模塊功能，認真按照步驟編譯、鏈接、運行以生成可執(zhí)行文件，并將此文件植入AT89S52中進行仿真。3在經過兩周的設計過程中，通過大量的查閱資料，認真的研究教材，并向指導老師請教很多問題，自己對單片機有了更為深刻的理解。我們認真演示原理，畫出程序流程圖，通過源程序，做出電路圖，在仿真中發(fā)現(xiàn)很多問題，通過仔細研究，不但解決了問題，還學到了在平時的學習中學不到的東西。4在設計過程中，進一步的掌握PROTEUS、WORD、KEIL等軟件的應用，也了解了單片機開發(fā)的基本環(huán)節(jié)。5在焊接實物過程中應合理布局各元件，不僅要實現(xiàn)功能而且還要美觀。參考文獻1余發(fā)山，王福忠單片機原理及應用技術中國礦業(yè)大學出版社，200862楊凌霄微型計算機原理與應用中國礦業(yè)大學出版社，200883賈立新，王涌電子系統(tǒng)設計與實踐M清華大學出版社，200824陶春鳴，陳享成，甕嘉民單片機使用技術M人民郵電出版社，200845李光飛單片機課程設計實例指導M航空航天大學出版社，200496余永權ATMEL89系列單片機M北京航空航天大學出版社，200247胡宴如，耿蘇燕模擬電子技術M高等教育出版社，2007128趙潤林，張迎輝單片機原理與應用教程M北京大學出版社，200719馬淑華，王鳳文，張美金單片機原理與接口技術M北京郵電大學出版社，20051010李建忠單片機原理及應用M西安電子科技大學出版社，20025附1源程序代碼INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARVOIDRUNVOIDVOIDKEYSCANVOIDVOIDPLAYKEYVOIDVOIDDELAY_1MSUCHARIVOIDPLAYMUSICVOIDVOIDDISPLAYVOID/顯示SBITBEEPP37/蜂鳴器接口UCHARTH0,TL0UCHARFLAG0/模式,0表示音樂,FF表示按鍵UCHARKEY0/按鍵代號，0代表沒有按鍵UCHARA/顯示UCHARGAODI0UCHARCODEMUSICCODE0XFC,0X44,0XFC,0XAC,0XFD,0X09,0XFD,0X34,0XFD,0X82,0XFD,0XC8,0XFD,0X06,0XFB,0X04,0XFB,0X90,0XFC,0X0C,0XFE,0X22,0XF9,0X5B,0XFA,0X15/歌曲所用頻率UCHARCODEMUSIC0X36,0X22,0X14,0X54,0XAC,0X92,0XA2,0X96,0X0A2,0X96,0X82,0X3C,0X54,0X36,0X22,0X14,0X54,0XAC,0X92,0XA2,0X16,0X12,0X14,0X22,0X32,0X2C,0X02,0X82,0X16,0X32,0X56,0X12,0XA6,0X32,0X56,0X52,0X66,0X72,0XB6,0X62,0X62,0X52,0X58,0X32,0X22,0X16,0X12,0X14,0X32,0X22,0X16,0X12,0X14,0X22,0X32,0X26,0X92,0XA4,0X12,0X22,0X1C,0XFF/歌譜UCHARCODEKEYCODE0XFF,0XFF,0XF8,0X8B,0XF9,0X5B,0XFA,0X14,0XFA,0X66,0XFB,0X03,0XFB,0X8F,0XFC,0X0B,0XFC,0X43,0XFC,0XAB,0XFD,0X08,0XFD,0X330XFD,0X81,0XFD,0XC7,0XFE,0X05,0XFE,0X21,0XFE,0X55,0XFE,0X84,0XFE,0X99,0X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