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电子琴设计.doc
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1、(完整word版)电子琴设计毕 业 论 文(设 计)题 目 电子琴设计 英文题目 Keyboard design 院 系 专 业 姓 名 年 级 指导教师 年 月 II目录摘要3第一章 引言5第二章 任务要求与总体设计方案6 2.1 设计任务与要求6 2.2 设计方案6 2.2.1 播放模块6 2.2.2 按键控制模块6 2.3 总体硬件组成框图6三、硬件设计及说明73.1系统组成及总体框图73.2元件简介83.2.1 STC89SC5283.2.2 LM38683.3各功能模块原理图93.4.1 STC89C2模块电路原理图103.4.2键盘扫描模块电路原理图113.4.3音频处理模块电路原
2、理图12四、软件设计134.1 音乐相关知识134.2如何用单片机实现音乐的节拍134.3如何用单片机产生音频脉冲144.4系统总体功能流程图15五、系统调试175.1硬件调试175.2 软件调试18六、课程设计总结以及心得体会19七、参考文献20III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STC89C52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1
3、6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。关键词:单片机;键盘扬声器;电子琴IVKeyboard designAbstract Electronic organ is a modern electronic music technology and the product is a new type of keyboard instruments. It played an important role in modern music. SCM has powerful control functions and
4、flexible programming characteristics. It has converged with modern peoples lives, become an irreplaceable part. The main content is AT89S51 control of the core components, design of a electronic organ. SCM as a host to the core, with the keyboard, speaker and other core modules. In the main control
5、module has 16 keys and a speaker. The system is steady, its simple hardware circuits, software functions, reliability of control system and high cost performance is its advantages. It also has certain practical and reference value.Key words : SCM keyboard speaker electronic organV第一章 引言 单片微型计算机是大规模集
6、成电路技术发展的产物,属第四代电子计算机,它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。因此,单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。 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16个按键和扬声器。本文主要对使用单片机设计简易
7、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 任务要求与总体设计方案2.1 设计任务与要求利用所给键盘的4*4十六个键,能够发出16个不同的音调,并用P1.
8、7的高低电平控制功能是为按键还是播放存在芯片中的音乐。当接高电平时为音乐盒,接低电平时为按键的电子琴。当系统扫描到键盘按下,则快速检测出是哪一个按键被按下,然后单片机的定时器启动,发出一定频率的脉冲,该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后,就会发出相应的音调。如果在前一个按下的键发声的同时有另一个按键被按下,则启动中断系统。前面的发音停止,转到后按的键的发音程序。发出后按的键的音调。2.2 设计方案 2.2.1 播放模块播放模块是由喇叭构成,它几乎不存在噪声,音响效果较好,而且由于所需驱动功率较小,且价格低廉,所以,被广泛应用。 2.2.2 按键控制模块电子琴设有16个按键,其中16个作为音符输
9、入。16个按键分别代表167个音符,包括中音段的全部音符,低高音的部分音符。通过软硬件设计,模式转换按键触发外部中断,中断使程序跳转,实现模式转换,启动电子琴。然后通过查询电子琴所按下的按键,读取电子琴输入状态,跳转到对应的程序入口,实现自编歌曲的输入。 2.3 总体硬件组成框图该设计方案是通过按键随意按下所要表达的音符,作为电平送给主体电路,中央处理器通过识别,解码输出音符,在扬声器中发出有效的声音。通过这样可以不断的弹奏我们想要的音符或者是音调,电路由复位电路和功能按键电路组成,通过P1.7的高低电平可以选择播放音乐或者弹奏音节,硬件主要有下面几个部分组成。功 能 选 择(弹奏/播放)单片
10、机键盘输入音频放大喇叭发出声音图2-1电子琴硬件设计框图用P2口的高四位和P2口的低四位作为按键的接口,用P1口做信号输出口。第三章 硬件设计及说明 3.1系统组成及总体框图 硬件设计的任务是根据总体设计要求,在选择的机型的基础上,具体确定系统中所要使用的元器件,设计出系统的原理框图、电路原理图。该设计要实现一种由单片机控制的电子琴,单片机工作于12MHZ时钟频率,使用其定时/计数器T0,工作模式为1,改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号。该设计具有16个音节的键盘,用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏,音乐发生器会根据用户的弹奏,通过扬声器将音乐播放出来。由于本例实现的音乐发生器是
11、由用户通过键盘输入弹奏乐曲的,所以节拍由用户掌握,不由程序控制。用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐,因为它没有足够的驱动能力,这就需要音频功率放大电路。本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。功 能 选 择(弹奏/播放)键盘输入单片机喇叭发出声音音频放大图3-1 系统结构图3.2元件简介3.2.1 STC89C52STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器(FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory )的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。该
12、器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。主要功能特性如表二所示:表二 STC89C52主要功能主要功能特性兼容MCS51指令系统8K可反复擦写Flash ROM32个双向I/O口256x8bit内部RAM3个16位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHz2个串行中断可编程UART串行通道2个外部中断源共6个中断源2个读写中断口线3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能3.2.2 LM386 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大 器,主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少,电压增益内置为20。但在1脚和8
13、脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,广泛应用于录音机和收音机之中。LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。图3-2 LM386的封装形式特性(Features) 静态功耗低,约为4mA,可用于电池供电。 工作电压范围宽,4-12V or 5-18V。 外围元件少。 电压增益可调,20-200。 低失真度
14、。 其典型应用电路如下:图3-3 放大器增益=20(最少器件)图3-4 放大器增益=50 图3-5 低频提升放大器3.4 各功能模块原理图3.4.1 STC89C52模块电路原理图 单片机主程序模块通过对键盘扫描程序信号的读取,在通过对应的表,取出数码管显示编码和定时器初始值以产生不同的声音信号。在这一过程中,对数码管编码是直接赋值,对声音信号则是通过中断程序进行控制。图3-7STC89C52模块电路原理图3.4.2键盘扫描模块电路原理图对键盘扫描电路的扫描方式有行扫描法和线反转法,在此次程序编写中,采用行扫描法,通过在p3.0p3.3上循环送出0扫描信号,p3.4p3.7输入按键上的高低电平
15、信息给单片机,经处理程序,判断出是哪个开关按下,并送主程序以实现不同功能。P3.7P3.6P3.5P3.4P3.0P3.1P3.2P3.3图3-8 键盘扫描模块电路原理图3.4.4音频处理模块电路原理图 由于单片机驱动能力不够,在处理音符信号时,需加功率放大装置,因LM386芯片具有低功耗、高增益的特点,这合适单片机低功耗输出,所以加装LM386音频信号放大器对信号进行放大。图3-10 音频处理模块电路原理图第四章 软件设计 本软件设计关键是要实现一种由单片机控制的简单音乐发生器,它由16个音节组成的的键盘,用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏,音乐发生器会根据用户的弹奏,通过扬声器将音乐播放出来
16、。4.1 音乐相关知识 乐音听起来有的高,有的低,这就叫音高,音高是由发音物体振动频率的高低决定的,频率高声音就高,频率低声音就低,不同音商的乐音是用C、D、E、F、G、A、B表示的,这7个字母就是乐音的音名,它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,这是唱曲时乐音的发音,所以叫唱名。音持续时间的长短即时值,一般用拍数表示,休止符表示暂停发音。一首音乐是由许多不同的音符组成的,而每个音符对应着不同的频率,这样就可以利用不同频率的组合,加以与拍数对应的延时,构成音乐。4.2如何用单片机实现音乐的节拍 除了音符以外,节拍也是音乐的关键组成部分。节拍实际上就是音持续时间的长短,在单片
17、机系统中可以用延时来实现,如果1/4拍的延时是0.4秒,则1拍的延时是1.6秒,只要知道1/4拍的延时时间,其余的节拍延时时间就是它的陪数。如果单片机要自己播放音乐,那么必须在程序设计中考虑到节拍的设置,由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的,所以节拍由用户掌握,不由程序控制。对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时/计数器来完成。音乐的音拍,一个节拍为单位(C调)具体如下表:表4-1 音乐节拍表曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125ms调4/462ms调3/4187ms调3/494ms调2/4250ms调2/4125ms 4.3如何用单片机产生音频脉冲 了解音乐
18、的一些基本知识后可知,产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐,对于单片机而言,产生不同频率有脉冲非常方便,可以利用它的定时/计数器来产生这样的方波频率信号,因此,需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率,以及单片机定时计数的关系。在本实验中,单片机工作于12MHZ时钟频率,使用其定时/计数器T0,工作模式为1,改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号,在此情况下,C调的各音符频率与计数值T的对照如下表:表4-2 音符频率与计数值T的对照表音符频率(HZ)计数值(T值)音符频率(HZ)计数值(T值)低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763737中5SO7846489
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