毕业论文基于AT89S52单片机的电子琴设计06646.doc
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1、广州大学松田学院毕业论文(设计)题 目 基于AT89S52单片机的电子琴设计 基于AT89S52单片机的电子琴设计摘要:微型计算机是大规模集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。就因为它的应用非常广泛,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。而音乐现在也成了人们生活的一部分,生活的压力,学习的压力,工作的压力,一切的不顺利可以在音乐声中放松下来,让人们心情舒畅,听着音乐放松心情,让我们提高生活质量。本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物,是一种键盘乐器。本系统是以51系
2、列单片机AT89S52为主芯片,附有矩阵键盘、LED显示管、扬声器组成。系统完成显示输入信息、播放相应音符等基本功能。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:AT89S52,矩阵键盘,LED显示管,扬声器。Design of electronic organ based on MCUAbstract:Microcomputers are large scale integrated circuit technology development of the fourth generation of the product
3、, electronic computers, it has high performance, high speed, small volume, low prices, stable and reliable, widely characteristics. Just because its very extensive, therefore, SCM for the development and application of high-tech and engineering field has become a major issue. But music now also beco
4、me a part of life, life pressure, the pressure of learning, working pressure, all is not well in music can relax and let people in a relaxed mood, listen to music to relax, let us improve the quality of life. This paper is based on single chip design a simple keyboard. Modern electronic technology a
5、nd keyboard is the combination of music, is a kind of keyboard instrument. SCM has strong control function and flexible programmable achieve properties, it has into modern peoples life, become part of the entertainment and leisure. This system is mainly 51 series microcontroller AT89S52, accompanied
6、 by matrix keyboard, chip, speaker ,LED. System completes display input information, the basic function such as broadcast corresponding notes. This system stable operation, its advantage is hardware circuit is simple, software function consummation, the control system is reliable, cost-effective hig
7、her, has certain practical and reference value. Keywords: AT89S52, matrix, LED, speaker目 录1 引 言11.1课题的背景和意义11.2课题的研究内容与拟解决的主要问题22 任务要求与总体设计方案32.1系统设计要求32.2单片机简介32.2.1单片机的定义32.2.2单片机的应用32.3系统框图42.4元件简介42.4.1 AT89S5242.4.2 LM38663 硬件设计及说明83.1系统硬件总体设计83.2 系统的工作原理103.2.1矩阵键盘模块123.2.2 数码管模块143.2.3 扬声器模块1
8、43.2.4 红外电源模块154 软件设计164.1 整体程序处理流程图164.2如何用单片机实现音乐的节拍174.3 音乐播放设计185 系统调试205.1 程序调试205.2仿真调试22结论25参考文献26致谢27附录1系统硬件实物图28附录2 系统电路原理图及PCB图29附录3 系统主要程序301 引 言1.1课题的背景和意义随着生活水平的提高,人们的需求不再仅仅是物质上的满足,更多的是要求精神上的放松。在放松自己的同时又能提高各个方面的能力。学习和欣赏音乐可以在人们疲劳的时候得到放松,同时提高人们的精神品质和素养。如今爱好音乐的人越来越多,有不少人自己练习乐器作为业余爱好来陶冶情操,可
9、鉴于一些乐器学习难度大,需要太多的时间,并且价格又太过于高昂,使得一部分有这种想法的人不得不放弃。而一些简易的电子乐器价格相对便宜,学习简单,价格相对便宜,能够了满足一般爱好者的需求。因此简易电子乐器的研制具有一定的社会意义。单片机是在一块芯片内集成了计算机的各个功能部件,构成一种单片式的微型计算机。单片机的发展迅速,应用不断深入,新技术层出不穷。并已广泛应用到人类生活的各个领域,如家电、通讯设备、玩具、智能卡、汽车及防盗、医用保健、仪表、工业过程控制等,成为当今科学技术现代化不可缺的重要工具。之所以以单片机电子琴选题,目的在于从日常生活能接触到的细微处着手,通过理论与实践的结合,更明确自己的
10、所学所用,也在实践中发现理论上的不足,对目前日益广泛应用的单片机有了更加理性化和感性化的认识,使理论和实践相得益彰。当前市场上的玩具市场需求量大,其中电子产品占有重要的位置,然而电子琴也是一个很好的应用方面。单片机技术使我们可以利用软硬件实现电子琴的功能,从而实现电子琴的微型化,可以用于玩具琴、音乐盒中、儿童车里等等。本文首先介绍了单片机的定义,分别介绍了单片机的特点,应用领域还有单片机的历史,然后介绍了电子琴的系统,分别介绍了电子琴的硬件系统的构成还有电子琴的软件部分还有电子琴的仿真,最后介绍了电子琴在调试中所用的软件。1.2课题的研究内容与拟解决的主要问题本课题主要研究基于单片机的电子琴设
11、计,以AT89S52芯片作为主要核心部件,4*4的矩阵键盘作为输入部分,数码管显示字符,扬声器作为主要输出设备,结合KEIL和PROTUES等软件的功能,通过编译程序结合仿真,实现电子琴内置音乐的播放和弹奏音乐的功能,同时通过两个LED灯的亮灭表示当时弹奏或播放的状态,数码管显示按键的16个字符“09,AF”来表示当前所按下的键。本设计拟定解决的主要问题:1. 了解单片机单元的结构和主要要求; 2. 根据要求进行总体方案的论证和设计;3. 对音调的控制;4. 对音长的控制;5. 对演奏的控制;6. 乐谱的编码规则;7. 键盘输入部分和电源供给部分的设计;8. 总体电路的设计和软件编程实现功能。
12、2 任务要求与总体设计方案2.1系统设计要求本系统分为两个部分,音乐播放和音乐的弹奏。1、 要求达到电子琴的基本功能,可以用弹奏出简单的乐曲。2、 用键盘作出电子琴的按键,每个键代表一个音符。3、 各音符按一定的顺序排列,必须符合电子琴的按键排列顺序。4、 固定音乐播放有按键控制:“播放”、“弹奏/停止”。5、 弹奏电子琴时能播放出准确的声音,不弹奏时可以播放内置音乐。2.2单片机简介2.2.1单片机的定义随着大规模集成电路的出现和发展,芯片厂家把中央处理器CPU,随机存取内存RAM,只读存储器ROM,定时器/计数器以及i/o接口电路等主要计算机部件,集成在一块集成电路芯片(硅片)上,形成芯片
13、级计算机,称为单片机微处理器。2.2.2单片机的应用虽然单片机出现的历史并不长,单发展十分迅猛,在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。目前单片机已用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域。单片机技术发展非常快,所以目前的产品都致力于在功能全面、技术先进、操作简便、安全可靠、价格合理等方面进行仔细研究,精心设计,单片机的应用有利于产品的小型化、多功能话和智能化,有助于提高劳动效率。减轻劳动强度,提高产品质量,改善劳动环境,减少能源和材料消耗,保证安全等。2.3系统框图单片机因体积小、功能强、价格低而得到诪
14、泛应用。本系统只要以51单片机为主控核心,扩展一组矩阵键盘、扬声器、LED显示管模块和一组发光二极管来指示电子琴的工作状态一起组合而成。具体如下图21: AT89S52单片机4*4矩阵键盘数码管显示发光二极管喇叭 图21 电子琴的框图用P0口的高四位和P0口的低四位作4*4矩阵式按键的接口,用P2口作数码管的接口,用P3.7作信号输出口。2.4元件简介2.4.1 AT89S521.AT89S52低功耗高性能CMOS 8位单片机,片内8k Bytes ISP(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公司之高密度、非易失性存
15、储技术制造,兼容标准 MCS-51指令系统及80C51引脚结构,片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。单芯片上,拥有8 位CPU及在系统可编程FLASH,使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效之解决方案。2. AT89S52之特点: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),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.AT89S52功能8k字节FLASH,256字节RAM,3
16、2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,一6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选节电模式。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,单片机一切工作停止,直到下一中断或硬件复位为止。4. AT89S52引脚结构AT89S52单片机有4个8位并行I/O口: P0口、P1口、P2口和P3口,各引脚如图2-3所示。 图2-3 DIP40封装89S52引脚图2.4.2 LM386LM386是美国国家半导体公司生产的音
17、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2-4 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
18、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。 其典型应用电路如下:图2-5放大器增益=20(最少器件)图2-6放大器增益=50 图2-7 低频提升放大器3 硬件设计及说明3.1系统硬件总体设计本系统由键盘矩阵、LED显示管、扬声器这几个部分组成,LED显示管显示当前按键,扬声器发出对应音符。单片机因体积小、功能强、价格低廉而得到广泛应用。AT89S52单片机设计微型电子琴的方法,仅需AT89S52最小系统,扩展一组矩阵键盘,再接一组发光二极管用来指示单片机的工作状态。单片机最小系统要使单片机工作起来,最基本的电路的构成为1、电源电路:向单片机
19、供电。单片机电源:AT89S51单片机的工作电压范围:4.0V5.5V, 所以通常给单片机外接5V直流电源。连接方式为VCC(40脚):接电源+5V端VSS(20脚):接电源地端2、 时钟电路:单片机工作的时间基准,决定单片机工作速度。时钟电路就是振荡电路,向单片机提供一个正弦波信号作为基准,决定单片机的执行速度。AT89S51单片机时钟频率范围:033MHz。时钟电路连接方式为: 3、复位电路:确定单片机工作的起始状态,完成单片机的启动过程。单片机接通电源时产生复位信号,完成单片机启动,确定单片机起始工作状态。手动按键产生复位信号,完成单片机启动,确定单片机的初始状态。 通常在单片机工作出现
20、混乱或“死机”时,使用手动复位可实现单片机“重启”。硬件总体设计图如图31:图31利用PROTEUS仿真设计的硬件电路图3.2 系统的工作原理本系统扫描键盘矩阵、显示按键、扬声器发出对应音符。用AT89S52的并行口P0接44矩阵键盘,以P0.0P0.3作输入线,以P0.4P0.7作输出线;在数码管上显示每个按键的“0F”序号。总体电路具体原理如下:开始模块初始化发送扫描码有键按下扫描键盘矩阵显示按键启动定时器停止播放 否 是延时结束 图32 系统工作原理图3.2.1矩阵键盘模块图3-3 矩阵键盘模块图如图3-3:在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵
21、式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。这样,一个端口(如P0口)就可以构成4*4=16个按键,比直接将端口线用于键盘多出一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一个键。由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些,识别也要复杂一些,列线通过电阻接正电源,并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端,而列线所接的I/O口则作为输入。这样,没有键按下时,所有的输出端都是高电平,代表无键按下。行线输出是低电平,一旦有键按下,则输入线就会被拉低,这样,通过读入输
22、入线的状态就可得知是否有键按下了。矩阵式键盘的按键识别方法:确定矩阵式键盘上何键被按下,介绍一种“行扫描法”。行扫描法又称逐行扫描查询法,是一种最常用的按键识别方法。判断键盘中有无键按下,将全部行线a0-a3置低电平,然后检测列线的状态,只要有一列的电平为低,就表示键盘中有键被按下,而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。再判断闭合键所在的位置,依次将行线置为低电平时,再逐行检测各列线的电平状态,若某列为低电平,则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键为闭合。若所有的列线均为高电平,则无按键按下。键盘接口必须具有的4个基本功能:(1)去抖动:每个按键在按下或松开时,都会产生短时间
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