簡易電子琴設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

簡易電子琴設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、概述1。1課題設(shè)計(jì)目的及其意義單片機(jī)（單片微型計(jì)算機(jī)）是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，具有高性能、高速度、體積小、價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。單片機(jī)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛,從平常的家用電器到航空航天系統(tǒng)和國防軍事、尖端武器都能找到它的身影.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。隨著社會的發(fā)展進(jìn)步,人們的生活水平也逐步提高,音樂已經(jīng)成為了我們生活中很重要的一部分，在工作和學(xué)習(xí)之余，欣賞音樂不僅使身心得到放松，同時(shí)也提高人們的精神品質(zhì)和個(gè)人素養(yǎng)。當(dāng)代,愛好音樂的年輕人越來越多，也有不少人自己練習(xí)彈奏樂器,作為業(yè)余愛好和一種放松的手段，鑒于一些樂器學(xué)習(xí)難度大需花費(fèi)太多精力，且其價(jià)格太過于高昂，使得一部分有這種想法的人不得不放棄這種想法，而電子琴又是一種新型的鍵盤樂器，它是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物,價(jià)格相對便宜,能夠滿足一般愛好者的需求，因此,在現(xiàn)代音樂中扮演著重要的角色.故簡易電子琴的研制具有一定的社會意義.1。2課題設(shè)計(jì)的任務(wù)與主要內(nèi)容本文的主要內(nèi)容是用AT89C51單片機(jī)為核心控制元件,設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的電子琴.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16個(gè)按鍵和揚(yáng)聲器。定時(shí)器按設(shè)置的定時(shí)參數(shù)產(chǎn)生中斷,由于定時(shí)參數(shù)不同,就會發(fā)出不同頻率的脈沖，不同頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動(dòng)電路放大濾波后，就會發(fā)出不同音調(diào)。先根據(jù)要求設(shè)計(jì)硬件電路和編寫相應(yīng)的程序，然后進(jìn)行仿真調(diào)試,最后細(xì)心焊接硬件電路圖，將程序烤入芯片中，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目的。本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,其優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡單,軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價(jià)比較高等,具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值.具體實(shí)現(xiàn)的功能：按下音符鍵可以發(fā)出相應(yīng)的音符.二、基本組成和原理2。1音樂相關(guān)知識在人類還沒有產(chǎn)生語言時(shí)，就已經(jīng)知道利用聲音的高低、強(qiáng)弱等來表達(dá)自己的思想和感情。聲帶、琴弦等物體振動(dòng)時(shí)會發(fā)出聲波,聲波通過空氣傳播進(jìn)入人耳，人們就聽到了聲音。聲音有噪音和樂音之分振動(dòng)有規(guī)律的聲音是樂音，音樂中所用的聲音主要是樂音。樂音聽起來有的高、有的低，這就叫做音高.音高是由發(fā)聲物體振動(dòng)頻率的高低決定的,頻率高聲音就高，頻率低聲音就低.音持續(xù)時(shí)間的長短即時(shí)值，一般用拍數(shù)表示。休止符表示暫停發(fā)音.一首音樂是由許多不同的音符組成的,而每個(gè)音符對應(yīng)著不同的頻率,這樣就可以利用不同的頻率組合，加以拍數(shù)對應(yīng)的延時(shí),構(gòu)成音樂。如果單片機(jī)要自己播放音樂就必須考慮到節(jié)拍的設(shè)置。對于AT80C51而言要產(chǎn)生一定頻率的方波一般是先將某口線輸出高電平，延遲一段時(shí)間后再輸出低電平.通過改變延遲時(shí)間可以改變單片機(jī)的輸出頻率.單片機(jī)的延時(shí)主要有兩種方式,即軟件延時(shí)和使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器延時(shí).其中軟件延時(shí)不是很精確，而電子琴電路由于每個(gè)音符的頻率值要求比較嚴(yán)格,因此我們選用定時(shí)/計(jì)數(shù)器延時(shí)。由于本課程設(shè)計(jì)是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制.因此,我們只需弄清楚音樂中的音符和對應(yīng)的頻率，利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生方波頻率信號即可.要產(chǎn)生相應(yīng)的音頻脈沖，只需要計(jì)算出某音頻的周期，再除以2.利用計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)半周期，計(jì)滿時(shí)使P2。0反向，然后重復(fù)計(jì)時(shí)再反向。本例中，單片機(jī)工作在12MHz時(shí)鐘，使用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TO,工作模式為1,改變計(jì)數(shù)初值TH0、TL0就可產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號。例如低3MI音,頻率為330Hz,其周期T=1/f=1/330=3030us，計(jì)數(shù)值N=3030/2=1515,所以每計(jì)數(shù)1515次P2.0反向。計(jì)數(shù)初值T=65536-N=64021.C調(diào)的各音符頻率與計(jì)數(shù)值T的對照表如表1所示。表1 C調(diào)各音符頻率與計(jì)數(shù)值T對照表音符頻率（HZ）簡譜碼（T值）音符頻率（HZ）簡譜碼（T值）低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763731中5SO78464898

低2RE29463853#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA880649683306402193264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185咼1DO104665058低5SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331咼2RE117565110低6LA44064400#2RE#12456513446664463131865157低7SI49464524咼4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE587低2RE29463853#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA880649683306402193264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185咼1DO104665058低5SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331咼2RE117565110低6LA44064400#2RE#12456513446664463131865157低7SI49464524咼4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732咼6LA17606525265964777186565268中4FA69864820高7SI1967652832。2簡易電子琴基本原理及其框圖1、基本思想:簡易的電子琴系統(tǒng)主要是采用AT89C51單片機(jī)，單片機(jī)工作于12MHZ的時(shí)鐘頻率，使用其定時(shí)/計(jì)數(shù)器TO,工作模式為1,設(shè)計(jì)4*4鍵盤矩陣，設(shè)置成16個(gè)音，可隨意彈奏想要表現(xiàn)的音樂，因?yàn)閱纹瑱C(jī)產(chǎn)生的音頻脈沖沒有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，所以用三極管放大電路實(shí)現(xiàn)音頻的放大，保證揚(yáng)聲器能產(chǎn)生所要實(shí)現(xiàn)的音符聲音。2、硬件框圖：3、軟件設(shè)計(jì)流程圖:本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為核心處理器件，按下復(fù)位鍵，進(jìn)入初始化，調(diào)用鍵盤掃面子程序，獲得鍵值，查詢音階表，獲取定時(shí)初值，向喇叭輸入相應(yīng)頻率的脈沖驅(qū)動(dòng)，發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)，若按鍵沒有釋放，則一直發(fā)聲;若按鍵松開，則停止發(fā)聲.當(dāng)讀到結(jié)束符時(shí)，停止播放音樂。具體軟件流程圖如下：1)中斷服務(wù)子程序流程圖：2)主程序流程圖：三、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括芯片89C51,、4＊4鍵盤電路、振蕩電路、復(fù)位電路及音頻電路組成。簡易電子琴硬件電路圖：3。1單片機(jī)89C51的簡介AT89C51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。AT89S51具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳,4kBytesFlash片內(nèi)程序存儲器，128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷,2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。此外,AT89S51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作,掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。該系列單片機(jī)引腳與封裝如下圖所示：主要引腳功能：1、RST(9)：復(fù)位輸入?當(dāng)振蕩器復(fù)位時(shí)，要保持RST引腳2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間;2、 XTAL1（19）：反向振蕩器放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入；3、 XTAL2（18）：來自反向振蕩器的輸出；4、 P1口（1—8）：P1口是從內(nèi)部提供上拉電阻器的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收和輸出4個(gè)TTL門電流；5、 /:當(dāng)保持低電平時(shí)，單片機(jī)只訪問外部程序存儲器。為高電平時(shí)，單片機(jī)只訪問內(nèi)部程序存儲器。3.2鍵盤電路鍵盤是最常用的單片機(jī)輸入設(shè)備，大致可以分為獨(dú)立連接式鍵盤和矩陣式。獨(dú)立連接式鍵盤是最簡單的鍵盤電路，每個(gè)鍵獨(dú)立接入一根數(shù)據(jù)線。這種鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但是占用的I/O口線較多。矩陣式鍵盤由行線和列線組成,按鍵位于行列的交叉點(diǎn)上，行列式鍵盤可節(jié)省I/O口，適合按鍵數(shù)較多的場合。所以本設(shè)計(jì)的4*4鍵盤采用矩陣式鍵盤。3。3振蕩電路單片機(jī)的時(shí)鐘信號用來提供單片機(jī)內(nèi)各種位操作的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)鐘信號通常有兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式.在引腳XTAL1和XTAL2外接晶體振蕩器（簡稱晶振）或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了內(nèi)部震蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器,當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖?晶振通常選用6MHz、12MHz或者24MHz。本設(shè)計(jì)中采用的是12MHz。電容器C1、C2起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般5~30pF。內(nèi)部振蕩方式所得的時(shí)鐘信號比較穩(wěn)定，電路中使用較多。振蕩方式如下圖：3。4復(fù)位電路復(fù)位操作完成單片機(jī)內(nèi)電路的初始化，是單片機(jī)從一種確定的狀態(tài)開始運(yùn)行.當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位引腳RET出現(xiàn)5ms以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就完成了復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)，而無法執(zhí)行程序。因此要求單片機(jī)復(fù)位后能脫離復(fù)位狀態(tài)。根據(jù)應(yīng)用要求，復(fù)位操作通常有2種基本形式：上電復(fù)位、開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。開關(guān)復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，如果發(fā)生死機(jī)，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。上電后，由于電容要充電，是RST持續(xù)一段時(shí)間高電平時(shí)間?當(dāng)單片機(jī)已經(jīng)在運(yùn)行之中時(shí)，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段時(shí)間的高電平,從而實(shí)現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。通常選擇C=10?30uF,R=10?1k'Q常用的復(fù)位電路如下圖所示：在單片機(jī)啟動(dòng)后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V,這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于OV,RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓從5V釋放到變?yōu)榱?。5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平.單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。3.5音頻放大電路使用PNP管來放大，其中發(fā)射極接5V電源，集電極接喇叭，電路中的電容是用來隔離直流電用的。PNP管放大原理：當(dāng)PNP管的VCvVB〈VE時(shí)，使得集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏時(shí),管子的發(fā)射極電流流入管子，基極電流和集電極電流流出管子，且集電極電流跟基極電流之間成P關(guān)系,三極電流滿足IE=IB+IC=IB(1+0JB)。即，基極電流可以控制集電極電流，這種控制作用就稱為管子的放大作用。本課程設(shè)計(jì)的音頻放大電路圖(三極管型號為9015)：四、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4。1系統(tǒng)的軟件主程序：#include〈reg51.h〉#include〈intrins.h>#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedcharsbitP20=P2P；//P2.0外接揚(yáng)聲器uintFTemp;unsignedintcodetab[]={//定時(shí)半周期的初始值64021，64103,64260，64400,//低音345664524,64580，64684,64777，//低音7，中音12364820,64898,64968,65030,//中音456765058,65110,65157,65178}；//高音1234/＊*＊＊＊＊＊*＊＊*＊**＊*＊＊＊＊*＊****＊＊*＊＊＊＊**＊＊**＊*＊＊*＊＊*＊＊＊＊＊＊**＊***＊**函數(shù)功能：用掃描法讀P1外接4X4鍵盤**************************************************************/ucharKeyscan（void）{uchari,j,temp,Buffer[4]={Oxfe,Oxfd,Oxfb,0xf7}；for（j=0;j〈4;j++）//循環(huán)四次，掃描四行{P1=Buffer[j];//在低四位分別輸出一個(gè)低電平noptemp=0x80;//計(jì)劃先讀出P1.7位for（i=0；i〈4;i++）//循環(huán)四次，檢查四列{if（!（P1＆temp））//從高四位，截取1位{return（i+j*4）;//返回取得的按鍵值}temp〉〉=1；}}//換右邊一位return16；//沒有鍵按下就返回16}主函數(shù)

*****＊＊＊＊*＊＊＊＊＊*＊*＊**＊****＊*＊**＊*＊*＊＊＊＊*＊**＊*＊＊＊＊＊*＊*＊＊＊*＊＊＊＊*＊voidMain(void)ucharKey_Value=16，Key_Templ,Key_Temp2;//讀出的鍵值TMOD=OxO1;//TO定時(shí)方式1ETO=1；//允許TO中斷EXO=1；//*****＊＊＊＊*＊＊＊＊＊*＊*＊**＊****＊*＊**＊*＊*＊＊＊＊*＊**＊*＊＊＊＊＊*＊*＊＊＊*＊＊＊＊*＊voidMain(void)ucharKey_Value=16，Key_Templ,Key_Temp2;//讀出的鍵值TMOD=OxO1;//TO定時(shí)方式1ETO=1；//允許TO中斷EXO=1；//允許INTO中斷EA=1；//開總中斷while(1)TRO=O;//T0工作停，暫不發(fā)音Key_Temp1=Keyscan();//第一次讀入按鍵if(Key_Templ!=16) {//有鍵按下Key_Temp2=Keyscan()；//再讀一次if(Key_Temp1==Key_Temp2)//兩次相等{Key_Value=Key_Temp1;//就確認(rèn)下來FTemp=tab[Key_Value]；//根據(jù)鍵值，取出定時(shí)半周期的初始值TRO=1；TRO=1；//啟動(dòng)定時(shí)器TO，發(fā)音while(Keyscan()<16);//等待釋放P2O=1;P2O=1;//==============================================================voidTO_INT(void)interrupt1{TLO=FTemp; //載入定時(shí)半周期的初始值THO=FTemp>>8；P2O=~P2O; //發(fā)音4.2系統(tǒng)的軟件的調(diào)試仿真硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。這里我們使用Proteus軟件進(jìn)行仿真，加載編譯好的。HEX即文件到單片機(jī)后，點(diǎn)