福建信息职业技术学院卢美凤论文.doc

南京机电职业技术学院
毕业设计（论文）

论文题目： 简易电子琴
系 别：　电子工程系　 　　
　　　　　 专 业：　应用电子技术　　
　　　　 学 号：　G0910112
　　　　　 学生姓名：　陈立凯　　 　　

目 录
摘要
1.概述...........................................................1
1.1电子琴用到的主要芯片AT89S51单片机...................1
1.2 AT89S51单片机的引脚功能................................1
2.电子琴电路原理分析......................................3
2.1 音乐相关知识.............................................3
2.2 如何用单片机实现音乐的节拍............................3
2.3 如何用单片机产生音频脉冲..............................3
2.4 系统总体功能流程图......................................5
3.简易电子琴的基本硬件组成.............................6
3.1单片机工作的基本电路....................................6
3.1.1时钟电路................................................6
3.1.2复位电路................................................6
3.2硬件模块...................................................6
3.2.1中心控制模块...........................................7
3.2.2播放模块................................................8
3.2.3按键模块................................................8
致谢.............................................................10
参考文献.......................................................11
附录.............................................................12

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16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
Abstract
    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 flexible programming characteristics. It has converged with modern people's 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 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 organ

概述
1 概述
1.1 电子琴用到的芯片AT89S51单片机
经综合分析选用单片机AT89S51适合。AT89S51是一种低功耗高性能的8位单片机，片内带有一个4KB的Flash在线可编擦除只读存储器，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统和51系列单片机兼容。片内的存储器允许在线重新编程或用常规的非易失性存储器编程器来编程。同时已具有三级程序存储器保密的性能。在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89S51更实用，因为它不仅和MCU-51系列单片机指令、管脚完全兼容，而且它将通用CPU和在线可编程Flash集成在一个芯片上。这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。。
1.2 AT89S51单片机的引脚功能

图2-1 AT89S51引脚图
VCC(40脚)：供电电压。
    GND(20脚)：接地。
   P0口(32脚～39脚)：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写“1”时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，
P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
  P1口(1脚～8脚)：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
  P2口(21脚～28脚)：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
   P3口(10脚～17脚)：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S51的一些特殊功能口，P3口管脚备选功能如下表所示：
表2-1 P3口第二功能
引 脚
第 2 功 能
P3.0
RXD（串行口输入端）
P3.1
TXD（串行口输出端）
P3.2
/INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）
P3.3
/INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）
P3.4
T0（定时器/计数器0计数脉冲输入端）
P3.5
T1（定时器/计数器1计数脉冲输入端）
P3.6
/WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）
P3.7
/RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）

1
电子琴电路原理分析
2 电子琴电路原理分析
单片机里面有定时计数器，达到设定时间自动复位，当按键按下时触发定时计数器的中断，它开始工作，而不同的按键对应不同的设定时间值，设定时间值决定电子琴的声响频率。
2.1 音乐相关知识
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。
音符听起来有的高，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，不同音高的音符是用C、D、E、F、G、A、B表示的，这7个字母就是音符的音名，它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，这是唱曲时音符的发音，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。
2.2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。
节拍实际上就是音符持续时间的长短，在单片机系统中可以用延时来实现，如果1拍的延时是0.4秒，则1/4拍的延时是0.1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倍数。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。表2-2为1/4节拍和1/8节拍的时间设置。
曲调值
DELAY

曲调值
DELAY
调4/4
125ms
调4/4
62ms
调3/4
187ms
调3/4
94ms
调2/4
250ms
调2/4
125ms
表2-2 音乐节拍表
如果单片机自身播放音乐，那么程序设计中必须考虑到节拍的设置，由于本次设计的电子琴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。
2.3如何用单片机产生音频脉冲
了解音乐的相关知识后，我们可以知道，要产生不同频率的音频脉冲才能产生音乐，对于单片机而言，产生不同频率脉冲非常方便，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。
在本设计中，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2-3：
音符
频率（HZ）
计数值（T值）
音符
频率（HZ）
计数值（T值）
低1DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#1DO#
277
63737
中5SO
784
64898
低2RE
294
63835
#5SO#
831
94934
#2RE#
311
63928
中6LA
880
64968
低3MI
330
64021
#6LA#
932
64994
低4FA
349
64103
中7SI
968
65030
#4FA#
370
64185
低1DO
1046
65058
低SO
392
64260
#1DO#
1109
65085
#5SO#
415
64331
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64400
#2RE#
1245
65134
#6LA#
466
64463
高3MI
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64580
#4FA#
1490
65198
#1DO#
554
64633
高5SO
1568
65217
中2RE
587
64633
#5SO#
1661
65235
#2RE#
622
64884
高6LA
1760
65252
中3MI
659
64732
#6LA#
1865
65268
中4FA
698
64820
高7SI
1967
65283
表2-3 音符频率与计数值T的对照表
T的值决定了TH0和TL0的值，其关系为：TH0=T/256，TL0=T/256

2.4系统总体功能流程图
按键子程序流程图如图2-2：

图2-2按键子程序流程图
5
南京机电职业技术学院毕业论文
3 简易电子琴的基本硬件组成
3.1单片机工作的基本电路
时钟电路和复位电路是单片机工作的基本电路,单片机加上这两个部分电路就构成了单片机最小系统,即单片机系统就可以工作了。
3.1.1时钟电路
在单片机内部有一个振荡器，可以用两种方式为单片机提供时钟信号：一种是内时钟方式，一种是外部时钟方式。根据应用领域及完成的任务不同，可选用不同的时钟电路。一般情况下单片机采用外接石英晶振与内部运放组成的时钟振荡器作为系统时钟源。而在多机系统中，单片机只作为一个功能模块使用时，为了节省硬件和同一系统的时钟信号，常采用外时钟源。
采用内部时钟方式时我们只需要提供振荡源，通常以石英晶体振荡器和两个瓷片电容组成外部振荡源。片内的高增益反相放大器通过XTAL1、XTAL2外接，作为反馈元件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振荡器，
向内部时钟电路提供振荡时钟。振荡器的频率取决于晶振的的振荡频率，振荡频率可在1.2—12MHz之间任选，工程应用时通常采用6MHz或12MHz。电容C1、C2可在10—30pF之间选择，电容大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。通常取30pF。
3.1.2复位电路
51单片机的RST引脚为复位(Reset)端，当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现系统复位，是单片机回到初状态，与其他计算机一样。51单片机系统常常有上电复位和按钮复位两种方法。所谓上电复位，是指计算机加电瞬间，要在RST引脚上形成一个正脉冲，是单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，使单片机回到初始状态。
3.2硬件模块
该电路主要采用AT89S51单片机为控制中心，主要包括三个部分：中心控制模块、播放模块和按键模块。

播放模块
蜂鸣器
中心控制模块
AT89S51
按键控制模块
图3-1总体硬件组成
3.2.1中心控制模块
该中心控制模块是采用AT89S51单片机来控制整个系统。其中P1口为信号的输出端，P2口为信号的输入端。

图3-2 电路原理图
3.2.2 播放模块
播放模块是由一个蜂鸣器通过一个PNP三极管音频放大构成的，蜂鸣器所需驱动功率较小，且价格低廉，被广泛应用。如下图所示，它接到P1.0口上，当有按键按下的时，通过中心控制模块AT89S51的识别后发出相应的音符。

图3-3 播放模块
3.2.3 按键模块
按键模块有七个按键，这七个按键作为音符的输入，七个按键代表七个音符，如下图所示在P2口连接有七个按键开关和七个电阻，它们一端接5V电源，另一端接地，只要一有键按下，经单片机扫描则会在播放模块发出对应音符的声音。

图3-4 按键模块

8
（1） 独立式按键结构
独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。
独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。
（2）上拉电阻
上拉电阻就是从电源高电平引出的电阻接到输出，阻值的选择原则包括:
1)、从确保足够的驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。
2)、从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应当足够大；电阻大，电流小。
3)、对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。
综合考虑,以上三点,通常在1k到10k之间选取。单片机上拉电阻常用10k、5.1k或4.7k。本次设计采用10k的上拉电阻。
致谢:
通过这次设计，我学到了不少课本上没有的知识，也锻炼了自己的动手能力，将以前学过的零散的知识串到一起。功能上达标，硬件设施基本合乎要求，软件设计可以配合硬件实现其功能，达到预期设计要求。
这次设计给我留下难忘的回忆，面对无数书本的罗列，最难忘的是每当找到资料时的激动与兴奋。亲手制作实物的过程，记忆最深处的是每一次小小的进步时幸福的心情。实物焊接完成并将程序烧录进芯片时我所做的电子琴并不能出现设计的功能，虽然当时有些担忧，但我知道这蕴藏着无尽的宝藏并很乐意的去开掘。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里我仍要不断的充实自己，争取在所学领域有所作为。
在这次的毕业设计中也使我和同学的关系更进一步，同学之间互相帮助，有什么不懂的地方大家一起探讨，听听不同的看法能使我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助过我的同学。

南京机电职业技术学院毕业论文
参考文献:
[1] 张靖武、周灵彬编著.单片机原理、应用与PROTEUS仿真［M］.北京：电子工业出版社，2008（8）
[2] 雷思孝、冯育长编著.单片机系统设计及工程应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2005（5）
[3] 谢嘉奎.电子线路（线性部分）.高等教育出版社.2004.04
[4] 潭浩强.C语言程序设计.清华大学出版社.2005.07
[5] 李群芳，肖看.单片机原理、接口及应用—嵌入式系统技术基础.清华大学出版社.2005.03
[6] 冯博琴.微型计算机原理与接口技术.清华大学出版社.2004

附录:
电阻 2K、8个10K 电容 2个30pf 晶振 12MHZ 单片机 AT89S51 按钮开关 8个 三极管 2个9013NPN 导线若干
源程序：
BUZZ EQU P1.0
ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 000BH
LJMP INT_T0
ORG 0100H
MAIN:
MOV SP,#60H ;初始化堆栈指针
MOV 30H,#00 ;定时器初值清零
MOV 31H,#00
MOV P1,#0FFH ;设置P1口为输入模式
MOV TMOD,#01H ;设置定时器0为工作模式1
SETB ET0 ;开定时器0中断
SETB EA ;开总中断
CLR TR0 ;关闭定时器0
START:
MOV R0,P2
CJNE R0,#0FFH,KEY1 ;键盘扫描
CLR TR0
SJMP START
KEY1:
CJNE R0,#0FEH,KEY2 ;K1键按下
MOV 30H,#0FBH ;设置音阶1
MOV 31H,#0E9H
LJMP SET_TIMER
KEY2:
CJNE R0,#0FDH,KEY3 ;K2键按下
MOV 30H,#0FCH ;设置音阶2
MOV 31H,#5CH
LJMP SET_TIMER
KEY3:
CJNE R0,#0FBH,KEY4 ;K3键按下
MOV 30H,#0FCH ;设置音阶3
MOV 31H,#0C1H
LJMP SET_TIMER
KEY4:
CJNE R0,#0F7H,KEY5 ;K4键按下
MOV 30H,#0FCH ;设置音阶4
MOV 31H,#0EFH
LJMP SET_TIMER
KEY5:
CJNE R0,#0EFH,KEY6 ;K5键按下
MOV 30H,#0FDH ;设置音阶5
MOV 31H,#045H
LJMP SET_TIMER
KEY6:
CJNE R0,#0DFH,KEY7 ;K6键按下
MOV 30H,#0FDH ;设置音阶6
MOV 31H,#92H
LJMP SET_TIMER
KEY7:
CJNE R0,#0BFH,KEY8 ;K7键按下
MOV 30H,#0FDH ;设置音阶7
MOV 31H,#0D6H
LJMP SET_TIMER
KEY8:
CJNE R0,#7FH,NOKEY ;K8按下
MOV 30H,#0FDH ;设置音阶8
MOV 31H,#0FBH
SET_TIMER:
SETB TR0 ;发声
SJMP START
NOKEY:
CLR TR0 ;无键按下
SJMP START
INT_T0: ;T0中断服务程序
MOV TH0,30H ;定时器赋初值
MOV TL0,31H
CPL BUZZ ;输出方波
RETI
END
12