基于单片机的带音乐播放的电子琴设计.doc
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1、摘 要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10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。众所周知,由于一首音乐是由许多不同的音阶组合而成的,而每个音阶则对应着不同的频率,因此我们可以利用不同的频率来进行音阶的组合,即可产生
2、美妙的音乐了。对于单片机来说,产生不同的频率非常方便,只要算出某一音频的周期,然后将此周期除以2,即为半周期的时间,利用定时器计时这个半周期时间,每当计时到后,就将输出脉冲的I/O反相,然后重复计时,此半周期再对I/O反相,即可在I/O脚上得到此频率的脉冲。因此我们可以利用单片机的定时器,使其工作在计数器模式MODE1下,改变计数值TH0及TL0来产生不同频率的信号。从而产生不同的音符1。关键词:音阶,频率,单片机IAbstractElectronicorganisamodernelectronicmusictechnologyandtheproductisanewtypeofkeyboard
3、instruments.Itplayedanimportantroleinmodernmusic.SCMhaspowerfulcontrolfunctionsandflexibleprogrammingcharacteristics.Ithasconvergedwithmodernpeopleslives,becomeanirreplaceablepart.ThemaincontentisAT89S51controlofthecorecomponents,designofaelectronicorgan.SCMasahosttothecore,withthekeyboard,speakeran
4、dothercoremodules.Inthemaincontrolmodulehas16keysandaspeaker.Thesystemissteady,itssimplehardwarecircuits,softwarefunctions,reliabilityofcontrolsystemandhighcostperformanceisitsadvantages.Italsohascertainpracticalandreferencevalue.Well-known, the music is made up by many different scales, and each sc
5、ale corresponds to different frequency, so we can use different frequency to make combination of scales, and then produce wonderful music. As for single-chip microcomputer, it is very convenient to produce different frequency, we just calculate an audio cycle, then this cycle divided by 2, namely ha
6、lf cycle time, using timer to time the half cycle time. Whenever timing, it will output pulse I/O reverse phase, and repeat the timing, the half cycle again to the I/O reversed-phase, then can get this frequency pulse from the I/O feet. So we can use microcontroller timer to make it work in the coun
7、ter mode and generate different frequency signal. Thus produce different notes. Keywords: scales,frequency, single-chip microcomputer目录第一章 绪论11.1 电子琴的特点及研究意义11.2 系统介绍1第二章 方案论证22.1 单片机选择22.2 键盘选择22.3 功放电路选择3第三章 系统设计43.1 单片机的介绍43.1.1单片机AT89S52基本知识43.1.2单片机AT89S52产品特点43.1.3单片机AT89S52的使用53.1.4单片机AT89S52
8、的特性63.1.5 AT89S52引脚功能与封装73.2 LED数码管93.2.1 LED数码管主要技术参数93.2.2 LED数码管的引脚说明103.2.3数码管编码说明113.3 LM386123.3.1LM386简介123.3.2 LM386特性123.3.3 LM386应用特点123.3.4 LM386引脚图123.3.5 LM386注意事项12第四章 硬件设计134.1总体电路设计134.2单片机最小系统电路144.3LM386功放电路144.4数码管显示电路154.5按键电路164.6按键指示灯电路174.7音乐产生方法17第五章 软件设计195.1程序流程图195.2 S1-S8
9、按键识别程序205.3 S9键识别电路程序215.4 音乐产生程序22第六章 调试过程266.1 数码管显示乱码266.3 按键处理问题26结论26参考文献27谢辞28附录29附录一程序源代码29附录二电路图41第一章 绪论1.1电子琴特点及研究意义本论文设计的为电子琴,电子琴又称作电子键盘,属于电子乐器 (区别于电声乐器),发音音量可以自由调节。音域较宽,和声丰富,甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果,表现力极其丰富。它还可模仿多种音色,甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音(如合唱声,风雨声,宇宙声等)。另外,电子琴在独奏时,还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏,适合于演奏节奏性较强的现代音乐。
10、另外,电子琴还安装有效果器,如混响、回声、延音,震音轮和调制轮等多项功能装置,表达各种情绪时运用自如。本论文设计的电子琴虽是简易电子琴,功能和真正电子琴有不小差距,但本论文设计的电子琴是很多高档电子琴的基础,对进一步研究电子琴有很大的促进作用。本设计易懂、简练,所用器件常见,上网查询资料方便,电路模块具有通用性,非常适合广大电子爱好者制作。1.2 系统简介本文主要对使用单片机设计简易电子琴进行了分析,并介绍了基于单片机电子琴统硬件组成。利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶,最终可随意弹奏想要表达的音乐。并且本文分别从原理图,主要芯片,各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。一首音乐是许
11、多不同的音阶组成的,而每个音阶对应着不同的频率,这样我们就可以利用不同的频率的组合,即可构成我们所想要的音乐了,当然对于单片机来产生不同的频率非常方便,我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号,因此,我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。第二章 方案论证2.1单片机的选择1、方案一:用AT89C51作为核心控制元件。但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了,况且其ROM只有4K,在系统将来升级方面没有潜力。2、方案二:用AT89S52作为核心控制元件。AT89S52由于其性价比高,完全满足本作品智能化的需求,他的内部程序存储
12、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。综上各优缺点,本设计选择了AT89S52作为本设计的核心控制元件。 2.2 键盘选择1、方案一:独立式键盘。此种键盘电路配置灵活,结构和编程都简单,通过查询即可识别出每只按键的状态来。但每个按键接单片机的一条I/O线,占用单片机I/O口资源多,浪费资源。多在单片机所需按键较少,I/O口资源充足时使用。其原理图如下:图2-1独立式键盘2、方案二:矩阵式键盘。矩阵键盘电路占用I/O口较少,节约资源,编程麻烦,但有现有的程序块。多用在使用按键较多的电路中。其原理图如下:图2-2矩阵式键盘由于本电子琴设计只需要
13、发生8个音阶,只需要8个键盘识别,占用单片机I/O口资源比较少,而且本设计中I/O口资源充足,足以满足键盘占用I/O口数据线的需求。综合上述两种键盘识别电路的优缺点,本设计最终选用了独立式键盘识别电路。2.3 功放电路的选择1、方案一:三极管放大。需要元器件很少,只需要一个电阻和一个三极管放大管,成本很低。但是容易受干扰,噪声大,信号失真大。其原理图如下:图2-3 三极管放大原理 2、方案二:LM386功率放大电路。芯片集成度高,外部电路焊接简单,电压放大倍数可调,有去耦滤波和阻抗校正网络,可以防止电路自激振荡,信号失真度小,噪声小,抗干扰能力强,而且可以调节音量。电路较三极管电路复杂,成本较
14、三极管电路高。其原理图如下:图2-4 LM386功率放大电路由于本设计需要演奏和播放音乐,需要高清晰高保真地还原出原来的音乐信号,所以选择了LM386功放电路。第三章 系统设计3.1单片机的介绍单片机的结构有两种类型,一种是程序存储器和数据存储器分开的形式,即哈佛(Harvard)结构,另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构,即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式,而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。为了设计此系统,采用了MCS-51兼容单片机AT89S52单片机作为控制芯片。3.1.
15、1 单片机AT89S52基本知识 AT89S52是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含8k BytesISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准 MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有如下特点:40个引脚,8k Bytes Flash片内程序存储器,256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)
16、,32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。3.1.2 单片机AT89S52产品特点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,
17、单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。内部数据存储器的高128个单元是为专用寄存器提供的,因此该区也称作特殊功能寄存器(SFR),它们主要用于存放控制命令、状态或数据。除去程序计数器PC外,还有21个特殊功能寄存器,其地址空间为80HFFH。这21个寄存器中有11个特殊功能寄存器具有位寻址能力,它们的字节地址刚好能被8整除。下面将对部分专用寄存器作简要介绍。 3.1.3 单片机AT89S52的使用 AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器,内置8KB可在线编程闪存。该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产,其指令与工业标准的80C51指令集兼容。片内
18、程序存储器允许重复在线编程,允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上,AT89S52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广,可用于解决复杂的控制问题,且成本较低。其结构框图如图3-1所示。图3-1 AT89S52结构框图3.1.4 单片机AT89S52的特性 AT89S52的主要特性如下:兼容MCS51产品8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP 闪存4.0V到5.5V的工作电源范围全静态工作:0Hz 24MHz3级程序存储器加密256字节内部RAM32条可编程I/O线3个16位定时器/计数器8
19、个中断源UART串行通道低功耗空闲方式和掉电方式通过中断终止掉电方式看门狗定时器双数据指针灵活的在线编程(字节和页模式)3.1.5 AT89S52引脚功能与封装图3-2是AT89S52引脚图。图3-2 AT89S52引脚图按照功能,AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。1.多功能I/O口AT89S52共有四个8位的并行I/O口:P0、P1、P2、P3端口,对应的引脚分别是P0.0 P0.7,P1.0 P1.7,P2.0 P2.7,P3.0 P3.7,共32根I/O线。每根线可以单独用作输入或输出。P0端口,该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。在
20、作为输出口时,每根引脚可以带动8个TTL输入负载。当把“1”写入P0时,则它的引脚可用作高阻抗输入。当对外部程序或数据存储器进行存取时,P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线,在该模式,P0口拥有内部上拉电阻。在对Flash存储器进行编程时,P0用于接收代码字节;在校验时,则输出代码字节;此时需要外加上拉电阻。P1端口,该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口,P1口的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口写“1”时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,此时可用作输入口。P1口作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在对Flash
21、编程和程序校验时,P1口接收低8位地址。另外,P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端(P1.0/T2)与定时/计数器2的触发输入端(P1.0/T2EX),如表2.1所示。表3.1 P1口管脚复用功能端口引脚复用功能P1.0T2(定时器/计算器2的外部输入端)P1.1T2EX(定时器/计算器2的外部触发端和双向控制)P1.5MOSI(用于在线编程)P1.6MISO(用于在线编程)P1.7SCK(用于在线编程) P2端口,该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口,P2口的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。对端口写“1”时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位
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