单片机课程设计 简易电子琴设计.doc

1、1 引 言在电子音乐领域，自从20世纪末期MIDI（乐器数字化接口）推出和逐步规范化后，各种乐器及众多数码音视频产品中采用MIDI技术已逐渐成为一种潮流。但是当前各厂商的电子琴产品通常使用自己设计的专用音源，并且软硬件均不对外公开，阻碍了MIDI技术的交流。作者在开发基于MIDI模块的音乐发生器的过程中，进行了用单片机控制通用MIDI音源模块的相关功能制作电子琴的实践，制作出具有8个按键的 MIDI电子琴，该琴支持单音和复音弹奏，单片机以标准的MIDI波特率传送信息，通过串口连接蜂鸣器，从而获得优美的乐音。 1.1电子琴概述键盘乐器，采用半导体集成电路，对乐音信号进行放大，通过扬声器产生音响。

2、发音音量可以自由调节。音域较宽，和声丰富，甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。它还可模仿多种音色，甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音（如人声，风雨声等）。另外，电子琴在独奏时，还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏，适合于演奏节奏性较强的现代音乐。另外，电子琴还安装有混响、回声、延长音、震音和颤音等多项功能装置，表达各种情绪时运用自如。电子琴是电声乐队的中坚力量，常用于独奏主旋律并伴以丰富的和声。还常作为独奏乐器出现，具有鲜明时代特色。但电子琴的局限性也十分明显：旋律与和声缺乏音量变化，过于协和、单一；在模仿各类管、弦乐器时，音色还不够逼真，模仿提琴类乐器的音色时，失真度更大，还

3、需要不断改进。电子琴的演奏有较大一部分是通过自动和弦伴奏来配合完成的，在音乐中和弦的连接推动了旋律地进行，不同的和声连接，形成了不同的音乐色彩。1.2 电子琴技术状况 本次设计提出了用AT89C51单片机为核心控制元件,设计一个简易的电子琴. 本方案以AT89C51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.根据使用者的操作随意弹奏想要表达的音乐。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，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

4、来产生这样方波频率信号。1.3 本设计任务利用所给键盘的1，2，3，4，5，6，7，8八个键，能够发出8个不同的音调，并且要求按下按键发声，松开延时一段时间停止，中间再按别的键则发另一音调的声音。当系统扫描到键盘上有键被按下，则快速检测出是哪一个键被按下，然后单片机的定时器被启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出相应的音调。如果在前一个按下的键发声的同时有另一个键被按下，则启用中断系统，前面键的发音停止，转到后按的键的发音程序，发出后按的键的音。2 总体方案论证与设计本系统采用单片机AT89C51为电子琴的控制核心，系统主要包括播放模块、按键控制模块。下面对各

5、模块的设计逐一进行论证比较。2.1 播放模块播放模块是喇叭构成。它几乎不存在噪声，音响效果较好。而且由于所需驱动功率较小，且价格低廉，所以，被广泛应用。 2.2 按键控制模块电子琴设有8个按键，其中7个作为音符输入，另外1个作为模式转换按键，实现用户自弹作曲。7个按键分别代表7个音符，包括中音段的全部音符。通过软硬件设计，模式转换按 键触发外部中断，中断使程序跳转，实现模式转换，启动电子琴。然后通过查询电子琴所按下的按键，读取电子琴输入状态，跳转到对应的程序人口，实现自编歌曲。当需要取消电子琴编曲功能时，再次按下模式转换按键引起外部中断即可退出电子琴功能而返回原 来按键播放处。2.3 总体硬件

6、组成框图按键控制模块播放模块 喇叭中心控制模块 AT89C51 按 键 状 态 图2-1 总体硬件组成框图 3 系统硬件设计 为使该模块化电子琴控制系统具有更加方便和灵活性，我们对系统的硬件做了精心设计。硬件电路包括中心控制模块、播放模块、按键控制模块三大模块。3.1 中心控制模块的硬件设计本次设计中中心控制模块是采用AT89C51单片机来控制整个系统。其中P1口作为输入口，连接蜂鸣器驱动电路，而P2口连接按键控制电路， 从而实现播放音乐的功能。3.2 播放模块的硬件设计如下图所示,播放模块其实就是喇叭,它接到P1.0口上当有按键按下时,它就会发出声音.图 3-1 播放模块硬件连接图3.3 按

7、键控制模块的硬件设计在P.2口十连有8个按键并加有8个拉电阻.它们一端接5伏电源,一端接地.在仿真时,只要有一个键被按下,并被单片机扫描到,则会使播放器发出声音. 图 3-2按键控制连接图图3-2按键控制电路图4 系统的软件设计软件是该电子琴控制系统的重要组成部分，在系统的软件设计中我们也才用了模块化设计，将系统的各部分功能编写成子模块的形式，这样增强了系统软件的可读性和可移植性。4.1 下位机软件流程本系统中下位机（单片机89C51）的主要功能就是实现音乐播放功能。其主程序流程如图4-1所示。图4-1 软件程序流程图4.2上位机软件 本系统的上位机软件主要是编辑电子琴播放状态的内容，在设计中

8、采用汇编语言编写了电子琴控制系统控制和播放内容的程序。 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP INT_T0 ORG 0100HMAIN: 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 STAR

9、TKEY1: CJNE R0,#0FEH,KEY2 ;K1键按下 MOV 30H,#0FBH ;设置音阶1 MOV 31H,#0E9H LJMP SET_TIMERKEY2: CJNE R0,#0FDH,KEY3 ;K2键按下 MOV 30H,#0FCH ;设置音阶2 MOV 31H,#5CH LJMP SET_TIMERKEY3: CJNE R0,#0FBH,KEY4 ;K3键按下 MOV 30H,#0FCH ;设置音阶3 MOV 31H,#0C1H LJMP SET_TIMERKEY4: CJNE R0,#0F7H,KEY5 ;K4键按下 MOV 30H,#0FCH ;设置音阶4 MOV

10、31H,#0EFH LJMP SET_TIMERKEY5: CJNE R0,#0EFH,KEY6 ;K5键按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶5 MOV 31H,#045H LJMP SET_TIMERKEY6: CJNE R0,#0DFH,KEY7 ;K6键按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶6 MOV 31H,#92H LJMP SET_TIMERKEY7: CJNE R0,#0BFH,KEY8 ;K7键按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶7 MOV 31H,#0D6H LJMP SET_TIMERKEY8: CJNE R0,#7FH,NOKEY ;K8按下 MOV

11、 30H,#0FDH ;设置音阶8 MOV 31H,#0FBHSET_TIMER: SETB TR0 ;发声 SJMP STARTNOKEY: CLR TR0 ;无键按下 SJMP STARTINT_T0: ;T0中断服务程序 MOV TH0,30H ;定时器赋初值 MOV TL0,31H CPL P1.0 ;输出方波 RETI END5 系统调试与测试结果分析5.1 使用的仪器仪表 单片机仿真器KEILC蜂鸣器 LS15.2 系统调试根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。由于在系统设计中采用模块设计法，所以方便对各电路模块功能进行逐级测试：中心控制模块

12、的调试，音乐播放模块的调试，按键控制模块的调试等，最后将各模块组合后进行整体测试。5.2.1硬件调试对各个模块的功能进行调试，主要调试各模块能否实现指定的功能。5.2.2软件调试 软件调试采用单片机仿真器KEILC及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误。5.2.3硬件软件联调 将调试好的硬件和软件进行联调，主要调试系统的实现功能。5.3 测试结果此次系统设计结果较好，分别播动8个按键会发出8种高低不同的声音，如果送入音乐程序，则会播放歌曲。总结 经过两周的忙碌,我的电子琴终于仿真成功.虽然失败了几次,但经过老师对硬件连接图的纠正,自己又调整.了程序最后终于方仿真成功.心情很激动,一方

13、面:觉得很有成就感;另一方面:收获很大,：不但锻炼了编程的能力，而且通过编程对硬件的整个流程了解了。在仿真过程中，我犯了两个低级错误：一个是用了没有模型的元件，另一个是喇叭可以不用驱动就能发出声音。经老师提醒，我改正了连接图。结果成功了。用单片机控制播放模块和按键控制模块制作出的电子琴，结构简单，可靠性高，并且价格低廉，具有实用的价值。这种电子琴能够支持单音和复音弹奏，如果与高品质的音源芯片连接，音质更可与高档电子琴相媲美。参考文献1 张毅刚，彭喜元。单片机原理与应用M（十）北京：高等教育出版社，2007.102 张毅刚。MCS-51单片机应用设计M。哈尔滨。哈尔滨工业大学出版,19993 李

14、广弟。单片机基础M。北京：北京航天航空大学出版社，20014 杨振江。智能仪器与数据采集系统的新器件及应用M。西安：西安电子科技大学出版社，20015 彭介华.电子技术课程设计指导J.北京:高等教育出版社,1997.附录2 电子琴仿真图 图6-1 电子琴仿真电路图附录1 源程序 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP INT_T0 ORG 0100HMAIN: 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

15、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 STARTKEY1: CJNE R0,#0FEH,KEY2 ;K1键按下 MOV 30H,#0FBH ;设置音阶1 MOV 31H,#0E9H LJMP SET_TIMERKEY2: CJNE R0,#0FDH,KEY3 ;K2键按下 MOV 30H,#0FCH ;设置音阶2 MOV 31H,#5CH LJMP SET_TIMERKEY3: CJNE R0,#0FBH,KEY4 ;

16、K3键按下 MOV 30H,#0FCH ;设置音阶3 MOV 31H,#0C1H LJMP SET_TIMERKEY4: CJNE R0,#0F7H,KEY5 ;K4键按下 MOV 30H,#0FCH ;设置音阶4 MOV 31H,#0EFH LJMP SET_TIMERKEY5: CJNE R0,#0EFH,KEY6 ;K5键按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶5 MOV 31H,#045H LJMP SET_TIMERKEY6: CJNE R0,#0DFH,KEY7 ;K6键按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶6 MOV 31H,#92H LJMP SET_TIMERKEY7: CJNE R0,#0BFH,KEY8 ;K7键按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶7 MOV 31H,#0D6H LJMP SET_TIMERKEY8: CJNE R0,#7FH,NOKEY ;K8按下 MOV 30H,#0FDH ;设置音阶8 MOV 31H,#0FBHSET_TIMER: SETB TR0 ;发声 SJMP STARTNOKEY: CLR TR0 ;无键按下 SJMP STARTINT_T0: ;T0中断服务程序 MOV TH0,30H ;定时器赋初值 MOV TL0,31H CPL P1.0 ;输出方波 RETI END15