毕业设计（论文）模拟电子琴的设计.doc

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1、济源职业技术学院 毕 业 设 计题目 模拟电子琴 系别 电气工程系 专业电气自动化技术 班级 电气0804 姓名学号指导教师日期 设计任务书设计题目：模拟电子琴的设计设计要求：1. 设计一个简单8按键的模拟电子琴，要求该电子琴具有自动播放乐曲的功能；2. 要求在电子琴按键和音乐之间有一个控制键来实现两者之间的转换；3. 设计模拟电子琴的硬件电路及相应软件，最终调试完成。设计进度要求第一周：查找资料，对资料进行分类和汇总；第二周：依据资料编出模拟电子琴初步程序；第三周：上机画出模拟电子琴相关电路图、框图、流程图；第四周：进行软硬件的设计；第五周：上机对程序进行修改和调试，最终设计成功；第六周：开

2、始着手编写毕业设计书内容；第七周：在老师指导下经过多次修改，完成毕业设计撰写工作；第八周：进行毕业答辩。 指导教师（签名）： 摘 要本次毕业设计作为大学阶段学习知识的一个检验，培养了我们的动手能力以及独立思考设计的能力，也是大学培养的一个重要实践步骤。设计初期，我们通过网络，图书馆等资源查找到利用单片机设计制作模拟电子琴的的相关信息，对不同的方案进行细致的分析比较。并且按照题意与实际情况进行改进，使之符合要求。这次设计主要是通过对电子琴主体部分的电路进行模仿设计，达到电子琴固有的基本功能。利用LM386和开关量，决定输出音调。利用定时器可发出不同频率的脉冲，不同频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波

3、后，就会发出不同的音调，最终达到模拟电子琴的效果。关键词：单片机，电子琴，定时目录设计任务书.1 摘 要.2目 录.31 单片机的发展及应用.41.1单片机的发展.41.2 单片机的应用.52 总体设计方案. 6 2.1单片机的选型.6 2.2系统框图.7 2.3 模拟电子琴按键的控制方案.8 2.4音乐控制方案.93 硬件的设计.12. 3.1电路原理.12 3.2 AT89C51 单片机的简介.12 3.3 AT89C51单片机的引脚.12 3.4 AT89C51单片机的附属电路.14 3.5 LM386 的简介及功能.15 3.6 独立式按键的接口电路.164 软件设计.18 4.1主程

4、序模块.18 4.2 中断服务程序模块.19 4.3模拟电子琴的音乐键的设计流程图.20 4.4 模拟电子琴的控制键的框图及程序.21 4.5 音乐程序流程图及程序.255 系统调试.31 5.1 输入并编译程序.31 5.2 具体调试过程.31结论.32致 谢.33参考资料.34附录A .35 1单片机的发展及应用11单片机的发展 1946年第一台电子计算机诞生至今，只有50年的时间，依靠微电子技术和半导体技术的进步，从电子管晶体管集成电路大规模集成电路，现在一块芯片完全可以集成几百万甚至上千万只晶体管，使得计算机体积更小，功能更强。特别是近20年时间里，计算机技术获得飞速的发展，计算机在工

5、农业，科研，教育，国防和航空航领域获得了不得广泛的用，计算机技术已经是一个国家现代科学水平的重要标志。单片机又称单片微型计算机，她诞生于20世纪70年代,1971年微处理器研制成功不久就出现了单片微型计算机,但最早的单片机是一位的,处理能力有限.单片机的发展分为四个阶段:第一阶段(1974_1976年):单片机初级阶段.因为受工艺限制,单片机采用单片的形式而且功能比较简单.例如美国仙童公司生产的F8单片机,实际上只包括了8位CPU,64个字节的RAM和2个并行接口.第二阶段(1976_1978年):低性能单片机阶段.以Intel公司生产的MCS_48系列单片机为代表,该系列单片机内集成有8位C

6、PU,8位定时器/计数器,并行I/O接口,RAM和ROM等,但是最大的缺点就是无串行接口,中断处理比较简单而且片内RAM和ROM容量较小,且寻址范围不大与4KB.第三阶段(1978_1983)高性能单片机阶段这个阶段推出的单片机普遍带有串行接口,多级中断系统,16位定时器/计数器,片内ROM,RAM容量加大,且寻址范围可达64KB,有的片内还带有A/D转换器.第四阶段(1983年至今)8位单片机巩固发展以及16位单片机,32位单片机推出阶段.此阶段主要特征是:一方面发展16位单片机,32位单片机及专用型单片机;另一方面不断完善高档8位单片机,改善其结构,增加片内器件,以满足不同的客户要求.1.

7、2 单片机的应用单片机的应用很广,分别在以下领域中得到了广泛应用.(1)工业自动化:在自动化技术中,无论是过程控制技术、数据采集技术还是测控技术,都离不开单片机.在工业自动化的领域中,机电一体化技术将发挥愈来愈重要的最用,在这种机械、微电子和计算机技术为一体的综合技术(例如机器人技术、数控技术)中,单片机将发挥非常重要的作用特别是近些年来,随着计算机技术的发展,工业自动化也发展到了一个新的高度,出现了无人工厂、机器人作业、网络化工厂等,不仅将人从繁重、重复和危险的工业现场解放出来,还大大提高了生产效率,降低了生产成本.(2)仪器仪表:目前对仪器仪表的自动化和智能化要求越来越高.在自动化测量仪器

8、中,单片机应用十分普及.单片机的使用有助于提高仪器仪表的精度和准确度,简化结构,减小体积,易于携带和使用,加速仪器仪表向数字化、智能化和多功能化方向发展.(3)消费类电子产品:该应用主要反映在家电领域.目前家电产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度.例如,电子游戏、照相机、洗衣机、电冰箱、空调、电视机、微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等.在这些设备中使用了单片机后,其功能和性能大大提高,并实现了智能化、最优化控制.(4)通信方面:较高档的单片机都具有通信接口,因为单片机在通信设备中的应用创造了很好的条件.例如,在微波通信、短信通信、载波通信、光纤通信、程控交换等通信设备和仪器中都能找到

9、单片机的应用.（5）武器装备:在现代的武器装备中,如飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、设备航天飞机导航系统,都有单片机在其中发挥重要作用.（6）终端及外部设备控制:计算机网络终端设备,如银行终端,以及计算机外部设备如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等,在这些设备中都使用了单片机.近年来随着科技的飞速发展,同时带动自动化控制系统日新月异更新,单片机的使用正在不断地走向深入. 2 总体设计方案2.1 单片机的选型 当今单片机厂商琳琅满目,产品性能各异.常用的单片机有很多种:Intel8051系列、Motorola和M68HC系列、Atmel的AT89系列、台湾Winbond

10、(华帮)W78系列、荷兰Pilips的PCF80C51系列、Microchip公司的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的AT90S系列、韩国三星公司的KS57C系列、4位单片机台湾义隆的EM_78系列等。我们最终选用了ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和256bytes的随机存取数据随机存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,与标准MCS_51指令系统及8051产品引脚兼容,片内置通用8位中央处理器(CPU)和FLASH存储单元,功能强大AT89C51单片机适用于许多较

11、为复杂控制应用场合.所以我们最终选用AT89C51单片机.2.2系统框图 本次设计音乐电子琴主要以AT89C51为核心,同时包含了按键电路,晶振电路和复位电路,及用于产生音乐的音频功率放大器LM386,本次设计的主要框图如图2.2所示: 2.3模拟电子琴案件控制方案2.3.1模拟电子琴音乐键的控制原理 电子琴的模拟键是用单片机上的P2.0-P2.6来模拟实现的，它分别接K0-K6,当分别按下这些键时，就会发出DO、RE、MI、FA、SO、LA、XI。2.3.2模拟电子琴音乐的设计说明音乐是由不同的频率的方波产生，音节与频率的关系如下表（X为十六进制数）2.3.2所示： 表2.3.2音节频率/H

12、ZX(Hex#)1262F9212294F9E13330FA8C4349FAD85392FB686440FBE97494FC5B方波的频率由定时器控制，定时器溢出后，产生中断，将P1.0接口取反即得周期方波，每个音节相应的定时器初值X可按下法计算：（1/2）*（1/f）=(12/fosc)*(216-X)即X=216-(fosc/24f)当晶振fosc=11.0592时，音节1相应的定时器初值为X，则可得X=63777D=F921H，其他的可同样求取。音节的节拍由延时子程序实现。延时子程序实现基本延时时间，节拍值只能是它的整倍数。调试程序前，7位开关K0-6均未被按下，运行时从左到右依次按下K

13、0-6扬声器就会发出DO、RE、MI、FA、SO、LA、XI。2.3.3模拟电子琴的控制键的控制原理 控制键主要是用来控制调用按键子程序还是音乐子程序，其功能是由P2.7口来实现的。其工作原理为：通过判别按下P2.7键的次数来分别调用音乐程序和按键程序。当按下的次数位奇次时调用按键程序，为偶次时调用的是音乐程序。2.4音乐控制方案 本系统主要完成播放功能，因此用定时器T1中断方式产生100ms基准时间，再根据音乐音拍的时间长短对基准时间用软件计时。可以用查表方式取得技术参数，计时到后将播放子程序地址送DPTR，转入播放子程序，放2遍对应号音后再继续计时。（1） 若要产生音频脉冲，只要算出某一音

14、频的周期（1/频率），再将此周期除以2，即为半周期的时间。利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将P1.0反向，然后重复计时再反相。就可以再P1.0引脚上得到此频率的脉冲。（2） 利用AT89C51的内部定时器使其在工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶。例如，频率为523HZ，其周期T=1/523=1912s，因此只要令计数器计时956s/1s=956,每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO(523HZ). AT89C51单片机的自动播放电路如图2.4.1所示： 图2.4.2计数脉冲值与频率的关系式是：N=fi2fr式中，N是计数

15、值;fi是机器频率（晶体振荡器为12MHZ时，其频率为1MHZ）;fr是想要产生的频率。其计数初值T的求法如下：T=65536N=65536fi2fr例如：设K=65536，fi=1MHZ,求低音DO(262HZ)、中音DO(523HZ)、高音DO(1046HZ)的计数值。T=65536N=65536fi2fr=6553610000002fr=65536500000/fr低音DO的T=65536500000/262=63627中音DO的T =65536500000/523=64580高音DO的T =65536500000/1046=65059C调各音符频率计数初值T对照如表2.4.2所示： 表

16、2.4.2简谱发音简谱码T值3低音M1640214低音FA2641035低音SO3642606低音LA4644007低音TI5645241中音DO6645802中音RE7646843中音MI8647774中音FA9648205中音SOA648986中音LAB649687中音TIC65030i高音DOD650592高音REE651103高音MIF65157不发音065110 下面我们要为这个音符建立一个表格，有助于单片机通过查表得方式来获得相应的数据：TABLE1： DW 64021， 64103， 64260， 64400 DW 64524， 64580， 64684， 64777 DW 64

17、820， 64898， 64968， 65030 DW 65058， 65110， 65157(3)音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）音乐的节拍如表2.4.3所示： 表2.4.3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 3 硬件的设计3.1 电路原理此次设计的是一个8按键的音乐电子程序，我们由电路的框图而知，按键P2.0-P2.6分别模拟音乐电子琴的7个按键，P1.0通过一个音频放大器接到一个喇叭上，P2.7键模拟音乐电子琴的控制键。我们可以通过判别按下控制键P2.7的次数来判别是可以按下电子琴的7

18、个按键还是播放音乐。比如，当我们按下控制键的次数为奇次，这时我们可以分别按下P2.0-P2.6键，这样我们就可以清楚的听到从喇叭处发出的DO、RE、MI、FA、SO、LA、XI 7个不同的音调，当按下P2.7的次数为偶次，这时单片机内部程序就会自动转到音乐程序处，播放出好听的生日快乐曲，我们如果在按下模拟键盘时，不会发出任何声音，同理，当我们再次按下控制键P2.7，此时它为奇次，绿岛小夜曲的程序就会关闭，转去执行模拟键盘的程序。如此重复，就会达到设计所提出的要求。3.2AT89C51单片机的简介 AT89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K Bytes ISP(In-sy

19、stem 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89C51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AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89C51具有如下特点：40个引脚，4K Bytes Flash片内程序存储器，128 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（

20、WDT）电路，片内时钟振荡器。 此外，AT89C51设计和配置了振荡频率可为0HZ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作。掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。3.3AT89C51单片机的引脚AT89C51的引脚如图3.3所示3.3.1主要特征：1、与MCS-51兼容 2、4K字节可编程闪烁存储器 3、寿命：1000写/擦循环 4、数据保留时间：10年 5、全静态工作：0HZ-24HZ6、三级程序存储器锁定

21、7、128*8位内部RAM8、32可编程I/O线 9、两个16位定时器/计数器 10、5个中断源11、可编程串行通道 12、低功耗的闲置和掉电模式 13、片内振荡器和时钟电路 图3.3AI89C51 3.3.2主要管脚介绍P0口（39脚至32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用。P1口（1脚至8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P2口（21脚至28脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部存储器时，还可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。P3口（10脚至17脚）：是准双向8位I/O口

22、。在MCS-51中，在8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3口各口的第二功能定义如下所示：P3.0-RXD (串行输入口)；P3.1-TXD (串行输出口)；P3.2-INT0 （外部中断0）；P3.3-INT1 (外部中断1)；P3.4-T0 (定时器0外部输入)；P3.5-T1 (定时器1外部输入)；P3.6-WR (外部数据存储器写脉冲)；P3.7-RD (外部数据存储器读脉冲)；本次做音乐电子琴毕业设计只用到了AT89C51的P2.0-P2.7管脚和P1.0管脚3.4 AT89C51单片机的附属电路 单片机附属电路主要有晶体振荡电路和复位电路。3.4.1 振荡电路 石英晶体振荡器

23、也称石英晶体谐振器，它用来稳定频率和选择频率，是一种可以取代LC谐振的晶体谐振元件。 本设计所用的晶体振荡电路如图3.4.1所示： 此晶体振荡电路选用的石英晶振频率为12MHZ。在一个时钟周期内,CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1s；若采用4MHZ的时钟频率，则时钟周期为250s。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。显然，对于同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。但是，由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全相同，所以其所需要的时钟频率范围也不一定相同。设计

24、中使用到的单片机的时钟范围是12MHZ或11.0592MHZ。3.4.2复位电路 单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。例如复位后PC=0000H，使单片机从第一个单元取指令。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，所以必须弄清楚AT98C51型单片机复位的条件、复位电路和复位后状态。 单片机复位的条件是：必须使RST/VPD或RST引脚（9）加上持续两个机器周期（即24个振荡周期）的高电平。例如，若时钟频率为12MHZ ，每机器周期为1s，则只需2s以上时间的高电平，在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位

25、。单片机常用的复位电路如图3.4.2所示： 图3.4.2为上电复位电路也是本次设计所用的复位电路，其复位方法为只要单片机一上电REST为高电平单片机即复位。除此之外我们所学的电路还有手动复位电路和自动复位电路。3.5 LM386的简介及功能LM386是为低压应用设计的音频功率放大器。LM386增益在内部设定到20可使外部元件数少，在引脚1和8之间连接电阻和电容可是增益超过200。LM386集成电路适用于调幅调频无线电放大器、便携式磁带重放设备、内部通信电路、电视音频系统、线性驱动器、超声波驱动器和功率变换电路。LM386是一种音频集成功放，具有功耗小，电压增益可调节，电源电压范围大，外接元件少

26、和总谐波失真小等优点。3.5.1 封装与引脚功能该电路采用8引线双列直插封装，LM386位美国国家半导体公司产品。 3.5.2 性能该集成电路由于外接元件少、电源电压VCC适用范围宽（VCC=4-12V）、静态功耗低（VCC=6V时为4mW）,因而在便携式无线电设备、收音机、录音机、小型放大设备中得到广泛应用。 当1脚和8脚之间开路时，电压增益为26DB;若在1脚和8脚之间接阻容串联元件，则增益可达456DB，改变阻容值，则增益可在26DB-16DB之间任意选取，电阻值越小增益越大。3.6独立式按键的接口电路在单片机应用系统中，有时只需要几个简单的按键向系统输入信息。这时，可将每个按键接在一根

27、I/O接口线上，这种方式的连接称为独立式按键。每个独立式按键单独占有一根I/O接口线，每根I/O接口线的工作状态不会影响到其他I/O接口线。这种按键接口电路配置灵活，硬件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O接口线，I/O接口线浪费较大。本次设计只需要8位独立式按键就可以实现。因此，本次设计按键电路采用独立式键盘按键电路。独立式键盘电路如图所示： 在此电路中，按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O接口线有确定的高电平。当I/O接口内部有上拉电阻时，外电路可以不配置上拉电阻。独立式按键的编程：独立式键盘的编程常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O接口线的输入状态，如某一根I/

28、O接口线输入为低电平，则可确定该I/O接口线所对应的按键已按下。然后，再转向按键的功能处理程序。在本次设计中我使用P2.0-P2.7接按键，P2.0-P2.6按键分别接7个电子琴的模拟键，P2.7为控制按键，判断按它的次数是奇次还是偶次来分别调用电子琴键盘或音乐。4软件设计4.1 主程序模块主程序主要包含对定时器T0和T1的初始化，及重复调用其它的子程序来工作的。其程序的流程图如下： 图4.1主程序： ORG 0000H LJMP START ORG 000BH LJMP INT-T0 ORG 001BH LJMP INT-T1 ORG 0030HMAIN: MOV SP，#60H MOV T

29、MOD，#01H CLR TR0 MOV IE，#82H MOV IE，88HNEXT: LCALL START SJMP NEXT4.2中断服务程序模块4.2.1 T0口中断 中断程序是在判断完按键并且有按键按下之后，关闭T0，将P1.0取反，从而形成一个正脉冲驱动扬声器发音。程序如下： INT0-0: CLR TR0 CPL P1.0 MOV TH0，R7 SETB TR0 RETI 4.2.2 T1口中断TIM1播放子程序是用T1中断方式控制P1.0不断取反以产生不同频率音符，节拍的长短靠调用200ms延时子程序次数来完成。子程序也用查表来完成。流程图如图4.2.4所示： T1中断程序为

30、：PUSH ACC ；将A的值暂存于堆栈PUSH PSW ；将PSW的值暂存于堆栈MOV TL1，20H ；重设计数值MOV TH1，21HCPL P1.0 ；将P1.0位取反POP PSW ；至堆栈取回PSW的值POP ACC ；至堆栈取回A的值RET1 ；返回主程序4.3模拟电子琴音乐键的设计流程图 其框图如图4.3所示4.4模拟电子琴的控制键的框图及程序其框图如下： 相应的程序为： START: MOV 40H,#00H JB P2.7, START LJMP DELY JB P2.7,STARTWAIT1: JNB P2.7,$ INC 40H JB P2.7,Z1 LJMP DELY

31、 JB P2.7,Z1WAIT3: JNB P2.7，$ LJMP DELYWAIT4: JNB P2.7,$ INC 40H MOV A,40HZ1: CJNEE A,#01H,Z2 LJMP READZ2: LJMP A,#20H,SIART LJMP STARTDELY: MOV R7,#200DELY1: MOV R6#,123 NOPDELY2: DJNZ R7,DELY1 RET4.5 音乐程序流程图及程序主程序流程图4.5所示：播放子程序是用T1中断方式控制P1.0不断取反以产生不同频率音符，节拍的长短靠调用200ms延时子程序次数来完成。子程序也用查表来完成。所对应的音乐程序为

32、：START0: MOV 30H,#00 ；取简朴码指针NEXT: MOV A,30H ；简朴码指针载入A MOV DPTR,#TABLE ；至TABLE取简朴码 MOVC A,A+DPTR MOV R2,A ；取到的简朴码暂存于R2 JZ END0 ；是否取到00（结束码）？ ANL A,#0FH ；不是，则取低4位（节拍码） MOV R5,A ；将节拍码存入R5 MOV A,R2 ；将取到的简朴码再载入A SWAP A ；高低4位交换 ANL A,#0FH ；取低4位（音符码） JNZ SING ；取到的音符码是否为0？ CLR TR1 ；是，则不发音 JMP D1 ；跳至D1SING:

33、DEC A ；取到的音符码减1（不含0） MOV 22H,A ；存入（22H） RL A ；乘2MOV DPTR,#TABLE ；至TABLE1取相对的高位字节计数值MOV DPTR,A+DPTRMOV TH0,A ；取到的高位字节存入TH0 MOV 21H,A ；取到的高位字节存入（21H）MOV A,22H ；再载入取到的音符码RL A；乘2INC A；加1MOVC A,A+DPTR ；至TABLE1取相对的低位字节计数值 MOV TL1,A ；取到的低位字节存入TL0MOV 20H,A ；取到的低位字节存入（20H）SETB TR1 ；启动TIMER1D1: CALL DELAY ；基本

34、单位时间1/4拍187毫秒 INC 30H ；取简朴码指针加1 JMP NEXT ；取下一个码END0: CLR TR1 ；停止TIMER0 JMP START0 ；重复循环TIM0: PUSH ACC ；将A的值暂存于堆栈 PUSH PSW ；将PSW的值暂存于堆栈 MOV TH1,20H ；重设计数值 MOV TH1,21H CPL P1.0 ；将P1.0位反相 POP PSW ；至堆栈取回PSW的值 POP ACC ；至堆栈取回A的值 RET1 ；返回主程序DELAY: MOV R7,#02 ；187毫秒D2:MOV R4,#187D3:MOV R3,#248 DJNZ R3,$ DJNZ