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1、- 1 -桂林桂林电电 子子 科科 技技 大大 学学简简易易电电子琴子琴设计设计设设计计报报告告指指导导老老师师： ： 学学 生：生： 学学 号：号： 机机电电工程学院工程学院年年 月月- 2 -简易电子琴设计报告目录简易电子琴设计报告目录一、设计题目一、设计题目3 3二、设计内容与要求二、设计内容与要求33三、设计的目的与意义三、设计的目的与意义33四、设计方案与选择四、设计方案与选择4.1 设计方案3 4.2 方案选择5五、系统硬件与电路图五、系统硬件与电路图5.1 电路原理总图12 5.2 复位电路13 5.3 起振电路13 5.4 放大电路14 5.5 PCB 图15 5.6 其他16
2、六、程序流程图与源程序六、程序流程图与源程序6.1 程序流程图16 6.2 源程序17七、系统设计与说明七、系统设计与说明7.1 AT89S51 单片机23 7.2 DAC083229 7.3 焊接过程35 7.4 系统调试36八、设计体会37九、参考文献 39- 3 -一、设计题目一、设计题目简易电子琴的设计二、设计内容与要求二、设计内容与要求用 8031 单片机控制电子琴发出 1、2、3、4、5、6、7 七个音符的声音，音调可控。三、设计的目的与意义三、设计的目的与意义1.进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理，加深对单片机理论知识的理解。2.掌握单片机内部功能模块的应用。3.掌握单片机的
3、接口及相关外围芯片特性、使用与控制方法。4.掌握单片机编程方法、调试方法。5.掌握单片机应用系统的构建和使用，为以后设计和实现单片机应用系统打下良好的基础。4、设计方案及方案选择设计方案及方案选择4.1 设计方案设计方案4.1.1 设计思路设计思路 声音是由物体振动产生，正在发声的物体叫声源。声音以波的形式传播。声音是声波通过任何物质传播形成的运动。声波振动内耳的听小骨，这些振动被转化为微小的电子脑波，它就是我们觉察到的声音。内耳采用的原理与麦克风捕获声波或扬声器的发音一样，它是移动的机械部分与气压波之间的关系。声音按音调可分为：高音、中音、低音。音高是由发声物体振动频率的高低决定的，频率高声
4、音就高，频率低声音就低。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。 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的频率组合，加以拍数对应的延时，构成音乐。如果单片机要自己播放音乐就必须考虑到节拍的设置。- 4 -对于 AT80C51 而言要产生一定频率的方波一般是先将某口线输出高电平，延迟一段时间后再输出低电平。通过改变延迟时间可以改变单片机的输出频率。单片机的延时主要有两种方式，即软件延时和使用定时/计数器延时。其中软件延时不是很精确，而电子琴电路由于每个音符的频率值要求比较严格，因此我们选用定时/计数器延时。简易的电子琴系统主要是采用 AT
5、89C51 单片机，单片机工作于 12MHZ 的时钟频率，使用其定时/计数器 T0，工作模式为 1，设计 2*4 键盘矩阵，设置成 8 个音，可随意弹奏想要表现的音乐，因为单片机产生的音频脉冲没有足够的驱动能力，所以用三极管放大电路实现音频的放大，保证扬声器能产生所要实现的音符声音。4.1.2 设计方法设计方法方案一：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 9 个按键和扬声器。定时器按设置的定时参数产生中断，由于定时参数不同，就会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后，就会发出不同音调。方案二： 程序可分如下： 初始化模块、判断按键模
6、块、键值处理模块、音乐处理模块、中断模块、0 处理模块、表单模块。 初始化模块：对 8279 键盘的部分进行初始化和中断初始化。 键值处理模块：用 8279 的状态字来判断它是否按键（FIFORAM 不能清除已处理的数据，但 8279 的状态字会发生相应改变） 。输入的键值与 1-8 的物理值 01H-08H 进行比较，如果与其中某个数相等，则跳到 1-8 的键值处理模块；如果是 9 或者 A，则跳到音乐处理模块。如果输入是 0，则跳到 0 处理模块。结尾跳到初始化模块 。 音乐处理模块：专门处理音乐中的 1-8 的发音。它们发音不同是因为波的频率不同，所以要发出不同的音，只要实现发出的波的频
7、率不同即可。于是，可通过定时的方法来中断产生不同的方波。可把 1-8 的定时初值放在一个表单内。 中断模块：T0 中断是为键值处理模块服务；T1 中断是为音乐处理模块服务。 0 处理模块：在音乐处理过程中，按下 0 则音乐暂停，此时可如其他按键（包括音乐按键） 。当再按下 0 键时，则最近继续的音乐中断。表单模块：TAB 音符表单存放 1-8 的 ASCII 码值；FREQUENCY 音符初值表单存放 1-8 音符的中断初值；DAT、DAT1 分别存放两首歌曲相应的中断初值和节拍等信息。方案三：用可控硅制作电子琴。将 220V 交流电经变压器降压，再经过整流、滤波，获得+13.5V 直流电压。
8、将单向可控硅 SCR 和电阻、电容组成驰张振荡器电路。但该设计方案制作成本高且复杂。 由单片机控制的电子琴，单片机工作于 12MHZ 时钟频率，使用- 5 -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 11 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。通过讨论，与同学交流
9、，上网查资料得出方案一较优，故选方案一做！4.2 方案选择方案选择4.2.1 单片机的选择单片机的选择AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k 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 80C51 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，AT89S51 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S51 具有如下特点：40 个引脚，4k Byte
10、s 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（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S51 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。
11、4.2.2 扬声器的选择扬声器的选择- 6 -扬声器是一种把电平转变为声信号的换能器件，扬声器和性能对音质的高低音响很大。扬声器的主要性能指标有：灵敏度、频率响应、额定功率、额定阻抗、指向性以及失真度等参数。1、额定功率扬声器的功率有标称功率和最大功率之分。标称功率称额定功率、不失真功率。它是指扬声器在额定不失真范围内容许的最大输入功率，在扬声器的商标、技术说明书上标注的功率即为该功率值。最大功率是指扬声器在某一瞬间所能承受的峰值功率。为保证扬声器工作的可靠性，要求扬声器的最大功率为标称功率的 23 倍。2、额定阻抗扬声器的阻抗一般和频率有关。额定阻抗是指音频为 400Hz 时，从扬声器输入端
12、测得的阻抗。它一般是音圈直流电阻的 1.21.5 倍。一般动圈式扬声器常见的阻抗有4、8、16、32 等。3、频率响应给一只扬声器加上相同电压而不同频率的音频信号时，其产生的声压将会产生变化。一般中音频时产生的声压较大，而低音频和高音频时产生的声压较小。当声压下降为中音频的某一数值时的高、低音频率范围，叫该扬声器的频率响应特性。理想的扬声器频率特性应为 2020KHz，这样就能把全部音频均匀地重放出来，然而这是做不到的。每一只扬声器只能较好地重放音频的某一部分。4、失真扬声器不能把原来的声音逼真地重放出来的现象叫失真。失真有两种：频率失真和非线性失真。频率失真是由于对某些频率的信号放音较强，而
13、对另一些频率的信号放音较弱造成的，失真破坏了原来高低音响度的比例，改变了原声音色。而非线性失真是由于扬声器振动系统的振动和信号的波动不够完全一致造成的，在输出的声波中增加一新的频率成分。5、指向特性用来表征扬声器在空间各方向辐射的声压分布特性，频率越高指向性越狭，纸盆越大指向性越强。扬声器的种类很多，按其换能原理可分为电动式、静电式、电磁式、压电式等几种，后两种多用于农村有线广播网中，按频率范围可分为低音扬声器、中音扬声器，这些常在音箱中作为组合扬声器使用。在本次试验作品中使用电磁式扬声器。- 7 -4.2.34.2.3 电解电容电解电容电解电容是电容的一种，金属箔为正极（铝或钽） ，与正极紧
14、贴金属的氧化膜（氧化铝或五氧化二钽）是电介质，阴极由导电材料、电解质（电解质可以是液体或固体）和其他材料共同组成，因电解质是阴极的主要部分，电解电容因此而得名。同时电解电容正负不可接错。电解电容器通常是由金属箔（铝/钽）作为正电极，金属箔的绝缘氧化层（氧化铝/钽五氧化物）作为电介质，电解电容器以其正电极的不同分为铝电解电容器和钽电解电容器。铝电解电容器的负电极由浸过电解质液（液态电解质）的薄纸/薄膜或电解质聚合物构成；钽电解电容器的负电极通常采用二氧化锰。由于均以电解质作为负电极（注意和电介质区分） ，电解电容器因而得名。电解电容器特点一：单位体积的电容量非常大，比其它种类的电容大几十到数百倍。电解电容器特点二：额定的容量可以做到非常大，可以轻易做到几万 f 甚至几 f（但不能和双电层电容比） 。电解电容器特点三：价格比其它种类具有压倒性优势，因为电解电容的组成材料都是普通的工业材料，比如铝等等。制造电解电容的设备也都是普通的工业设备，可以大规模生产，成本相对比较低。常见的日系电解电容以 Nippon Chemi-con(黑金刚） 、Nichicon（尼吉康） 、Rubycon（红宝石） 、Matsushita(松下电器，从 2005 年改为 Panasonic)、Hitachi（日立） 、ELNA（埃尔纳，俗称依娜）为代表，台系电容则以 LELON（立隆）
