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1、 本科生毕业论文（设计）系（院）电子工程系 专业 电子信息工程 论文题目:基于51单片机的电子琴设计学生姓名 指导教师 班 级 学 号 完成日期： 年 月基于单片机的微型电子琴设计 XXX电子工程系 电子信息工程 摘要电子琴的设计以AT89C52单片机为核心控制元件，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，通过制作硬件电路和软件的设计编写，然后进行软硬件的调试运行，最终达到设计电路的乐器演奏、点歌、存储及显示功能。设计中应用中断系统和定时/计数原理控制演奏器发声，对音乐发生所必须确定的音符和节拍分别用程序语言实现。特点是设计思路简单、清晰,成本低。 关键字 AT89C52单片机 电子琴 演奏1
2、 引言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1。电子琴是高科技在音乐领域的一个代表，它是古典文化与现代文明的一个浓缩体。它不但可以帮助我们的音乐教师进行传统音乐文化的教育教学工作，而且由于它又具备现代音乐，特别是电子音乐、电脑音乐的基本结构、特征，因而使我们的教师在进行现代音乐、电子音乐、电脑音乐的教学时，更直接、更简便。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。基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就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
3、的微型化，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。并且可以进行一定的功能扩展。单片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。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。本文主要对使用单片机设计微型电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴统硬件2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。2 设计要求本设计的主要内容是用AT89C52单
4、片机3为核心控制元件，设计一个微型电子琴。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，实现以下功能：(1) 设计一个（44）的键盘4，并将16个键设计成两个八度的音阶对应的16个琴键，可以进行弹奏表演；(2) 演奏的同时数码管会以数字显示当前按键对应的音符；(3) 有音乐存储功能，能自动演奏歌曲。演奏时可选择键盘输入乐曲，自己存入的乐曲或随机存储的乐曲。按播放键能播放5首歌曲，第一首歌曲播放结束，再按播放键播放下一首歌曲。(4) 发光二极管会指示当前按键是否按下。3 方案论证3.1 控制模块选择方案方案一：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
5、得+13.5V直流电压。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。方案二： 采用AT89C51单片机进行控制,由于AT89C51不具备ISP功能，因此Atmel公司已经停产在市面上已经不常见，况且其ROM只有4K在系统将来升级方面没有潜力。方案三：采用AT89C52单片机进行控制，由于其性价比高，完全满足了本作品智能化的要求，它的内部程序存储空间达到8K，使软件设计有足够的内部使用空间并且方便日后系统升级，使用方便，抗干扰性能提高5。 鉴于上述对比与分析，本设计采用方案三 3.2 按键选择方案传统电子琴可以用键盘上的“1”到“A”键演奏从低SO到高DO等1
6、1音。该设计有16个按钮矩阵，设计成16个音，可以实现音阶在中音和高音之间的变换。比传统音阶范围大，弹奏效果好。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘，它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。本设计选择4*4矩阵键盘。4 设计原理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6，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
7、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正确即可。若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（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输出P3.0反相，然后重复计时再反相。就可在P3.0脚上得到此频率的脉冲。 利用AT89C52的内部定时器使其工作计数器模式（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7，例如，频率为523Hz，其周期T1/5231912s，因此只要令计数器计时956s/1s956，每计数956次时将
8、I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。 计数脉冲值与频率的关系式是：N=fi/2/fr 式中，N是计数值；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：TKNKfi/2/fr式中K是单片机的16位定时器最大计数值，K216 =65536；fi是机器频率，fi1MHz，例如低音DO（262Hz）、低音RE（294Hz）、中音DO（523Hz）、中音RE（587Hz）、高音DO（1046Hz）、高音RE（1175Hz）的计数值如下：T65536N65536fi/2/fr655361000000/2/fr65536500000/fr
9、低音DO的T65536500000/26263628低音RE的T65536500000/29463835中音DO的T65536500000/52364580中音RE的T65536500000/58764684高音DO的T65536500000/104665058高音RE的T65536500000/117565110了解音乐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4。在本实验中，单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时
10、/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，根据以上公式，C调的各音符频率与计数值T的对照如下8表4-1 音符频率对照表音符频率（HZ）简谱码（T值）音符频率（HZ）简谱码（T值）低1DO26263628# 4 FA#74064860#1DO#27763731中 5 SO78464898低2RE29463835# 5 SO#83164934#2 RE#31163928中 6 LA88064968低 3 M33064021# 693264994低 4 FA34964103中 7 SI98865030# 4 FA#37064185高 1 DO1046
11、65058低 5 SO39264260# 1 DO#110965085# 5 SO#41564331高 2 RE117565110低 6 LA44064400# 2 RE#124565134# 646664463高 3 M131865157低 7 SI49464524高 4 FA139765178中 1 DO52364580# 4 FA#148065198# 1 DO#55464633高 5 SO156865217中 2 RE58764684# 5 SO#166165235# 2 RE#62264732高 6 LA176065252中 3 M65964777# 6186565268中 4 FA
12、69864820高 7 SI196765283为音符建立一个数据表，单片机通过查表的方式来获得相应的数据。 低音019之间，中音在2039之间，高音在4059之间TABLE1: DW 64021,64103,64260,64400 DW 64524,64580,64684,64777 DW 64820,64898,64968,65030 DW 65058,65110,65157,65178音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表4-2所示）表4-2 曲调值表曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125ms调4/462ms调3/4187ms调3/494ms调2/4250ms调2/4125ms对
13、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。琴键处理程序，根据检测得到按键值，查询音律表，给计时器赋值，发出相应频率的声音。对音调的控制：根据不同的按键，对定时器T1送入不同的初值，调节T1的溢出时间，这样就可以输出不同音调频率的方波。不同音调下各个音阶的定时器。在这个程序中用到了两个定时/计数器来完成的。其中T0用来产生音符频率，T1用来产生音拍9。5 微型电子琴的系统总体原理框图 如图5-1所示，设计出微型电子琴的系统总体原理框图。数码管显示电路AT89C52发音电路44矩阵供电及复位电路晶振电路歌曲播放电路 图5-1微型电子琴系统原理框图6 系统主要硬件电路设计6.1 微
14、型电子琴的Proteus总体设计电路图 电子琴的proteus总体仿真图见图6-1。按下播放键，发光二极管亮一下，系统自动播放预存在内存中的曲子，再按一次播放下一首歌曲，按下复位键，系统复位，停止播放。按下矩阵键盘中的任意键，扬声器发出相应的音符。图6-1 微型电子琴的Proteus总体设计电路图6.2单片机主机系统电路6.2.1 AT89C52单片机简介AT89C52是美国Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机10，片内含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。AT89C52单片机属于AT89C51单片机的增强型
