基于51單片機(jī)電子設(shè)計(jì)制作屏幕式聲光電子琴

1、綜合技能訓(xùn)練設(shè)計(jì)報(bào)告課題名稱：屏幕式聲光電子琴姓 名：余順春班 級(jí)：1320602學(xué) 號(hào)：201320060216指導(dǎo)老師：馬善農(nóng)東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院2016年6月目錄1 引言1.1 設(shè)計(jì)的目的.1.2 設(shè)計(jì)的內(nèi)容.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 原理圖.2.2 系統(tǒng)板硬件連線.2.3 主要芯片簡介.2.4 三極管放大電路.2.5 時(shí)鐘電路.2.6 復(fù)位電路2.7 鍵盤方案3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).3.1 理論基礎(chǔ)3.2 系統(tǒng)流程圖4 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析.5 總結(jié).參考文獻(xiàn)附錄 主要程序代碼.摘要作為電氣專業(yè)的學(xué)生，掌握電子琴的制作是很好檢驗(yàn)我們所學(xué)知識(shí)應(yīng)用。它所包含的知識(shí)基本上覆蓋我們的模擬電子技術(shù)基

2、礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、單片機(jī)基礎(chǔ)等技術(shù)課程的重要章節(jié)。用電子琴可以演奏出各種美妙的音樂,而音樂是由音符組成,不同的音符又是由相應(yīng)頻率的振動(dòng)產(chǎn)生,而用單片機(jī)來產(chǎn)生不同的頻率非常方便,可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào).子琴的設(shè)計(jì)以89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制部分，通過制作硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)編寫，然后進(jìn)行軟硬件的調(diào)試運(yùn)行，最終達(dá)到設(shè)計(jì)電路的樂器演奏、點(diǎn)歌、存儲(chǔ)及顯示功能?？梢杂盟鼇韽椬嗪筒シ艠非Ｌ攸c(diǎn)是設(shè)計(jì)思路簡單、清晰，成本低。 關(guān)鍵詞:單片機(jī);電子琴;按鍵;揚(yáng)聲器 引言 電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機(jī)

3、具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可代替的一部分。本文的主要內(nèi)容是用STC89C52RC單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)電子琴。以單片機(jī)作為核心，與按鍵，揚(yáng)聲器等模塊組成核心主控制模塊。 本文主要對(duì)使用單片機(jī)設(shè)計(jì)簡單電子琴進(jìn)行了分析，并介紹了基于單片機(jī)電子琴系統(tǒng)的硬件組成。利用單片機(jī)產(chǎn)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(dá)的音樂。本文分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理及程序調(diào)試來詳細(xì)闡述。 一首音樂是許多不同的音階組成的，而每一個(gè)音階對(duì)應(yīng)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(gòu)成我們所想要的音樂了，當(dāng)然對(duì)于單片機(jī)來產(chǎn)生不同的

4、頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)，因此，我們只要把一首歌曲的音階對(duì)應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。1.1設(shè)計(jì)的目的鞏固和運(yùn)用所學(xué)課程，理論聯(lián)系實(shí)際，提高分析、解決計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)際問題的獨(dú)立工作能力，通過對(duì)一個(gè)簡易的八音符電子琴的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步加深對(duì)單片機(jī)原理以及數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試的方法和步驟。鞏固所學(xué)課堂知識(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，提高分析、解決計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)際問題的獨(dú)立工作能力。1.2設(shè)計(jì)的內(nèi)容1. 通過八個(gè)按鍵，分別控制發(fā)出do，re，mi，fa，sao，la，xi，do 八個(gè)音符。2. 顯示屏上顯示所按的鍵，如按下第一

5、個(gè)鍵，屏幕上顯示do，當(dāng)選擇播放歌曲時(shí)，播放歌曲“找朋友”，當(dāng)按下另一個(gè)按鍵，則會(huì)顯示四種流水燈花樣。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1原理圖圖2-12.2系統(tǒng)板硬件連線 系統(tǒng)板硬件連線如圖2-1所示，發(fā)生模塊連線如下1. “單片機(jī)系統(tǒng)”的P1.0端口用導(dǎo)線連接到“流水燈”模塊上；2. “單片機(jī)系統(tǒng)”的P1.1端口用導(dǎo)線連接到播放音樂模塊上；3. “單片機(jī)系統(tǒng)”的P2.0-P2.7端口用導(dǎo)線連接到“八個(gè)音符按鍵”區(qū)域；4. “單片機(jī)系統(tǒng)”的P1.4端口用導(dǎo)線接到鍵盤控制喇叭；2.3 主要芯片簡介STC89C52RC芯片STC89C52RC有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷

6、口，3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，2個(gè)讀寫口線，STC89C52RC可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 芯片封裝與引腳功能2-3 STC89C52RC引腳圖 主要功能特性：· 兼容MCS51指令系統(tǒng) · 8k可反復(fù)擦寫(>1000次）Flash ROM· 32個(gè)雙向I/O口 · 256x8bit內(nèi)部RAM· 3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷 · 時(shí)鐘頻率0-24MHz· 2個(gè)串行中斷 &#

7、183; 可編程UART串行通道· 2個(gè)外部中斷源 · 共6個(gè)中斷源· 2個(gè)讀寫中斷口線 · 3級(jí)加密位· 低功耗空閑和掉電模式 ·軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 2.4三極管放大電路圖2-5放大電路輸出原理圖此部分的放大電路簡單容易實(shí)現(xiàn)?？梢圆捎脙蓚€(gè)大功率PNP型硅管8550，利用“分壓偏置式工作點(diǎn)穩(wěn)定直流通路”，達(dá)到了對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定。分壓電阻分別選擇10K。蜂鳴器一端接+5V電壓，一端接晶體管的發(fā)射極。由P1.0輸出預(yù)定的方波，加到晶體管進(jìn)行放大，再輸出到嗡寧器，很好的實(shí)現(xiàn)了頻率、聲音的轉(zhuǎn)換。2.5時(shí)鐘電路此系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的

8、內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。MCS-51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C5和 C6構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12.0592 MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為30F。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證

9、震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。圖2-6 MSC-51片內(nèi)振蕩電路2.6復(fù)位電路MS-51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RESET通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，此電路系統(tǒng)采用的是上電與按鈕復(fù)位電路， 如圖7所示。當(dāng)時(shí)鐘頻率選用12 MHz時(shí)，C取10F，R2約為1K，R4約為10K。圖2-7為復(fù)位電路的原理圖。圖2-7 復(fù)位電路原理圖62.7鍵盤方案1鍵盤設(shè)計(jì)原理圖此系統(tǒng)琴鍵輸入是通過獨(dú)立式鍵盤來完成的。由于8052單片機(jī)的八位I/O口足以能實(shí)

10、現(xiàn)控制C調(diào)各音階的輸出，并且獨(dú)立式鍵盤的編程容易易懂，結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)起來方便，而且每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口線,每個(gè)I/O口的工作狀態(tài)互不影響，所以采用獨(dú)立式鍵盤。P2.0P2.7 口分別對(duì)應(yīng)琴鍵17輸入，如下圖所示。 圖2-8-1 鍵盤設(shè)計(jì)原理圖2.關(guān)于鍵盤的抖動(dòng)問題的分析和解決當(dāng)用手按下一個(gè)鍵時(shí)，如圖4所示，往往按鍵在閉合位置和斷開位置之間跳幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況；在釋放一個(gè)鍵時(shí)，也回會(huì)出現(xiàn)類似的情況。這就是抖動(dòng)。抖動(dòng)的持續(xù)時(shí)間隨鍵盤材料和操作員而異，不過通常總是不大于10ms。很容易想到，抖動(dòng)問題不解決就會(huì)引起對(duì)閉合鍵的識(shí)別。用軟件方法可以很容易地解決抖動(dòng)問題，這就是通過延遲10

11、ms來等待抖動(dòng)消失，這之后，在讀入鍵盤碼。鍵按下前沿抖動(dòng)后沿抖動(dòng)閉合穩(wěn)定圖2-8-2 鍵抖動(dòng)信號(hào)波形系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1理論基礎(chǔ)軟件的設(shè)計(jì)主要是對(duì)STC89C52RC單片機(jī)進(jìn)行編程，屏幕式聲光電子琴的程序主要是對(duì)音符頻率的轉(zhuǎn)換，采用定時(shí)中斷，延時(shí)等實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)指標(biāo)，通過外中斷T0控制音樂的播放。首先建立音樂，把音樂的音符找出，建立各個(gè)音符的定時(shí)常數(shù)T值表，如表1所示。編寫程序時(shí)我們把T值表按順序建立在“TABLE”。每個(gè)發(fā)音符使用1個(gè)字節(jié)，字節(jié)的高4位(簡譜碼)代表音符的高低，低4位(節(jié)拍碼)代表音符的節(jié)拍。如果l拍為0.4s，14拍就是0.1s，只要設(shè)定延遲時(shí)間就可求得節(jié)拍的時(shí)間。假設(shè)14拍為1

12、DELAY，則1拍應(yīng)為4 DELAY，以此類推。所以只要求得14拍的DELAY時(shí)間，其余的節(jié)拍就是它的倍數(shù)。14拍的延時(shí)時(shí)間在此我們?cè)O(shè)為125ms，節(jié)拍碼如表2所示。音符節(jié)拍碼編程時(shí)放在程序的最后面“SONGx” 處。T值表按順序建立在“TABLE”如下：table: dw 64260,64400,64524,64580 dw 64684,64777,64820,64898 dw 64968,65030,65058,65110 dw 65157,65178,652173.2系統(tǒng)程序流程圖程序框圖如圖3。 程序開始將變量賦值延時(shí)pmusic=0x00 ？計(jì)數(shù)循環(huán)NoYes 圖3 程序框圖 設(shè)計(jì)結(jié)

13、果與分析單片機(jī)的頻率和聲音輸出的原理是，利用琴鍵控制定時(shí)器的開中斷和閉中斷，即實(shí)現(xiàn)發(fā)音和閉音。在此期間再通過對(duì)定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間進(jìn)行控制來產(chǎn)生不同頻率的方波，驅(qū)動(dòng)功放發(fā)出不同音階的聲音。把C調(diào)中相應(yīng)琴鍵對(duì)應(yīng)的音符變換為定常數(shù)，作為數(shù)據(jù)表格存放在存儲(chǔ)器中。由程序查表得到定時(shí)常數(shù)，用以控制定時(shí)器產(chǎn)生方波的頻率。當(dāng)下一個(gè)琴鍵按下時(shí)，再查下此琴鍵所對(duì)應(yīng)音符的定時(shí)常數(shù)。依次進(jìn)行下去，就可以演奏出自己所要的歌曲。單片機(jī)以其體積小、可靠性高、控制功能強(qiáng)、使用方便、性能價(jià)格比高、容易產(chǎn)品化等特點(diǎn) 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，屬第四代電子計(jì)算機(jī)，它具有高性能，體積小，價(jià)格低廉，穩(wěn)定可靠，應(yīng)用廣泛

14、的特點(diǎn)。他的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。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?？偨Y(jié)經(jīng)過兩周努力,簡易電子琴的設(shè)計(jì)基本上完成了。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，不像以前很多都只是差不多相當(dāng)于一個(gè)焊接工。從著手設(shè)計(jì)開始，到最終調(diào)試成功總共花了兩周時(shí)間，從開始的選題，到查資料查看可行性，到最后成功無處不充滿了我的期待。1) 這個(gè)設(shè)計(jì)的基本是學(xué)習(xí)C語言并加以應(yīng)用，對(duì)于我來說，沒有想到的是入手的速度比我的預(yù)料慢，在網(wǎng)上搜索大程序的基礎(chǔ)上加以修改和編譯，總體上所到了許多的時(shí)間，并動(dòng)手繪制原理圖，不著手制作硬件（電路板）。2)通過這個(gè)程序設(shè)計(jì)讓我更加了解了C語言,能更好的運(yùn)用C語言了

15、 ，對(duì)數(shù)字系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也有了更進(jìn)一步的了解和認(rèn)識(shí)，從中學(xué)習(xí)到很多的知識(shí)，對(duì)我以后的學(xué)習(xí)將有更大的幫助。通過兩周的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)單片機(jī)原理及應(yīng)用，C語言等系列知識(shí)都有了一定的了解。通過這些我的硬件和軟件開發(fā)能力都獲得了提高。首先硬件方面，基本了解了電子產(chǎn)品的開發(fā)流程和所要做的工作。基本掌握了Protel99SE原理圖的方法，并設(shè)計(jì)了一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)。使用單片機(jī)技術(shù)開發(fā)頁面的能力也有了很大提高。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，有很多人對(duì)任務(wù)的完成給予了重要的支持和幫助。感謝老師給了我本次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)。參考文獻(xiàn)1段晨東編著 .單片機(jī)原理及接口技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社 , 2008 2 范風(fēng)強(qiáng)編著.單片機(jī)語言C51應(yīng)

16、用實(shí)戰(zhàn)集錦.北京：電子工業(yè)出版社,20033陳家俊，鄭滔編著.程序設(shè)計(jì)教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20044陳明螢，8051單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材M.北京：清華大學(xué)出版社2003年9月.5徐新艷，單片機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)踐M.北京：高等教育出版社附錄 主要程序代碼 sfr P4=0xe8;/定義P4組I0口#include<reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit speaker=P14;/喇叭接30腳sbit key1=P10;/流水燈按鍵(暫時(shí))sbit key2=P11;/播放音樂按鍵（暫定）

17、uchar a,b,num1,s1num,n1,n2;char num;/定義num為可以負(fù)數(shù)uchar code yinfu=0xfb,0xe9, /Do 0xfc,0x5c, /Re 0xfc,0xc1, /Mi 0xfc,0xef, /Fa 0xfd,0x45, /So 0xfd,0x92, /La 0xfd,0xd0, /Si 0xfd,0xee, /Do# 0x00,0x00, /間隔;uchar code shengri_tone= 5,6,5,6,5,6,5,5,8,7,6,5,0,5,3,5,0,5,3,4,5,0,5,3,5,0,5,3,4,5,0,5,3,2,4,3,2,1

18、,2,1; uint code shengri_beat= 24,24,24,24,24,24,48,24,24,24,24,24,1,24,48,24,1,24,24,24,24,1,24,48,24,1,24,24,24,24,1,24,48,24,24,24,24,24,24,48;uchar code ledtable=0x7f,0xbf,0xdf,0xef, /取反0xf7,0xfb,0xfd,0xfe;/P0組口的發(fā)光二極管代碼（焊接過程可能會(huì)相反，具體更改）uchar code ledtable2=0x7f,0xbf,0xdf,0xef, /取反0xf7,0xfb,0xfd,0x

19、fe;/P2組口發(fā)光二極管代碼,相反！void check_key();/改為P3組為按鍵void keyscan();void turn();/順時(shí)針流動(dòng)void back();void qianhou();void dangshuang();void delay(uint z);/延時(shí)函數(shù)聲明void delay1(void);/聲明第二個(gè)延時(shí)函數(shù)void play1(void);/播放找朋友 void main()s1num=0;/流水燈種類標(biāo)志key1=1;key2=1;TMOD=0x01;TH0=a;TL0=b;ET0=1;/打開定時(shí)器，但是未允許中斷TR0=1;while(1)ch

20、eck_key();keyscan(); void time0() interrupt 1TH0=a;TL0=b;speaker=speaker;void check_key()P3=0xff;/先賦給P2組口高電平switch(P3)/按下一個(gè)鍵相應(yīng)4個(gè)燈亮case 0xfe:P0=0xee;P2=0x77;a=0xfb;b=0xe9;EA=1;break;/P0,P2組為發(fā)光二極管組case 0xfd:P0=0xdd;P2=0xbb;a=0xfc;b=0x5c;EA=1;break;/注意：EA不能改為TR0case 0xfb:P0=0xbb;P2=0xdd;a=0xfc;b=0xc1;E

21、A=1;break;case 0xf7:P0=0x77;P2=0xee;a=0xfc;b=0xef;EA=1;break;case 0xef:P0=0xee;P2=0x77;a=0xfd;b=0x45;EA=1;break;case 0xdf:P0=0xdd;P2=0xbb;a=0xfd;b=0x92;EA=1;break;case 0xbf:P0=0xbb;P2=0xdd;a=0xfd;b=0xd0;EA=1;break;case 0x7f:P0=0x77;P2=0xee;a=0xfd;b=0xee;EA=1;break;default:EA=0;speaker=0;/P0=0xff;P2=

22、0xff ; void delay(uint z)uint x,y;for(x=z;x>0;x-)for(y=110;y>0;y-);void keyscan() if(key1=0) delay(5);if(key1=0)s1num+;while(!key1);if(s1num=1)turn();if(s1num=2)back();if(s1num=3)qianhou();if(s1num=4)dangshuang();if(s1num=5)s1num=1; if(key2=0)delay(5);while(key2);play1(); void delay1(void)/第二個(gè)延時(shí)函數(shù) uchar n=15; while(n-) uchar i; for(i=0;i<125;i+); void play1(void)/播放找朋友 uchar m=0; uchar s; uchar c=1; P0=0xaa; P2=0x55; while(1) EA=0; c=shengri_tonem; /取音符 s=shengri_beatm; /取節(jié)拍 a=yinfu2*c-2; b=yinfu2*c-1; EA=1; while(s-) delay