数字电子琴的设计.doc
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1、 单片机课程设计-数字电子琴设计目录【摘要】课设题目:简易电子琴的设计一、 引言1.1 电子琴设计的背景1.2 电子琴设计的意义1.3 电子琴设计的目标二、方案比较以及选择2.1 控制模块选择方案2.2 按键选择方案三、硬件设计及说明3.1系统组成及总体框图3.2元件简介3.2.1 AT89S523.2.2 LM3863.2.3 LED数码管3.3显示电路3.4 各功能模块原理图3.4.1 AT89S52模块电路原理图3.4.2键盘扫描模块电路原理图3.4.3数码管显示模块电路原理图3.4.4音频处理模块电路原理图1四、软件设计34.1 音乐相关知识34.2如何用单片机实现音乐的节拍34.3如
2、何用单片机产生音频脉冲34.4系统总体功能流程图4五、系统调试75.1硬件调试75.2 软件调试7六、课程设计总结以及心得体会7七、参考文献8附录1:元器件清单8附录2:主要电路原理图9附录3:程序清单21【摘要】 随着电子技术的发展,电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作,因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣,电子技术与音乐的结合不断加深。由此而产生的电子琴在这种形势下,因其体积小,易于携带,经济适用,对初学者,尤其对识谱的人来说是很容易弹奏的,一首简单的曲子灵感好的人甚至不用很多的练习和教师的指导就能很快的弹奏出来。是一般家庭都能承受得了的经济投入,而且电子琴键盘操作直
3、观易于掌握。这样就强烈地激发了学习者的学习兴趣,迅速地提高了电子琴的普及率。电子琴使用简单。深受广大音乐爱好者推崇。作为电子专业的学生,掌握电子琴的制作是很好检验我们所学知识应用。它所包含的知识基本上覆盖我们的模拟电子技术基础、数字电子技术基础、EDA技术、电子线路、单片机基础以及接口技术课程的重要章节。虽然我们不能设计出很复杂的电子琴,主要是考虑到设备以及成本等一系列问题,因此我打算设计并制作一个简易的电子琴。采用集成电路设计,基于AT89S52单片机设计一款简易的电子琴,采用4*4距阵键盘,鉴于传统电子琴可以用键盘上的“k0”到“k16”键演奏从低So到高DO等16个音,从而可以用来弹奏喜
4、欢的乐曲。【关键字】:电子琴 单片机 AT89S52课设题目:数字电子琴的设计【摘要】 微型电子琴的设计以AT89S52单片机作为系统的核心控制部分,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。可以用它来弹奏和播放乐曲。特点是设计思路简单、清晰,成本低。 【关键词】 单片机 电子琴 AT89S52一、 引言1.1 电子琴设计的背景随着电子科技的飞速发展,电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作,因此开发本系统希望能够给人们多
5、带来一点生活上的乐趣。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。鉴于传统电子琴可以用键盘上的“k0”到“k16”键演奏从低So到高DO等16个音,从而可以用来弹奏喜欢的乐曲。1.2 电子琴设计的意义该设计具有以下优点:(1)可以随意弹奏想要表达的音乐;(2)制作简单,成本低。 (3)比传统电子琴功能更完善。1.3 电子琴设计的目标由于本设计主要用于人们娱乐方面,因此在设计上尽量使其安全以及简单易操作。其次,在这次设计可行性上进行
6、分析如下:1、经济可行性:所谓经济可行性,即在这次设计上需要投入资金的多少,由于课程设计是提高我们的动手能力以及资金有限。因此在经济上必须能够承受,比较理想化的对于我们课程设计来说是不可行的。通过分析后,无论是在器件价格或是常见度上均是可行的。2、技术可行性:技术可行性主要是分析技术条件上是否能够顺利开展并完成课程设计的主要问题,硬件、软件能否满足设计者的需要等。通过分析各种软件环境,硬件仿真环境等均已经具备。综上所述,本系统设计目标已经明确,在经济与技术上均可行,因此本系统的开发是完全可行的。二、方案比较以及选择2.1 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
7、,再经过整流、滤波,获得+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AT89S52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。 选择方案:鉴于上述对比与分析,本设计采用方案三 2.2 按键选择方案传统电子琴可以用键盘上的“1”到“
8、A”键演奏从低SO到高DO等11音。该设计有16个按钮矩阵,设计成16个音,可以实现音阶在低音4-高音5之间。比传统音阶范围大,弹奏效果好。三、硬件设计及说明 3.1系统组成及总体框图硬件设计的任务是根据总体设计要求,在选择的机型的基础上,具体确定系统中所要使用的元器件,设计出系统的原理框图、电路原理图。该设计要实现一种由单片机控制的电子琴,单片机工作于12MHZ时钟频率,使用其定时/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
9、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。本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。 按键音频功放电路单片机AT89S52扬声器LED显示电路图3-1 系统结构图3.2元件简介3.2.1 AT89S52 功能特性:AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允
10、许程序存储器在系统可编程,亦适于 常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能: 8k字节Flash,256字节RAM, 32 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,一个6向量2级中断结构,全双工串行口, 片内晶振及时钟电路。另外,AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作,支持2种软件可选择节电模式。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
11、被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52。主要性能:与MCS-51单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作:0Hz33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。3.2.2 LM386 LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大 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
12、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3-2 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
13、电路如下:图3-3 放大器增益=20(最少器件) 图3-4 放大器增益=50 图3-5 低频提升放大器3.2.3 LED数码管本次课程设计的显示电路采用LED数码管显示,LED(Light-Emitting Diode)是一种外加电压从而流过电流并发出可见光的器件。LED是属于电流控制器件,使用时必须加限流电阻。LED有单个LED和八段LED之分,也有共阴和共阳两种。常用的七段显示器的结构如图下图所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器(如图b所示),阴极连在一起的称为共阴极显示器(如图c所示)。1位显示器由八个发光二极管组成,其中七个发光二极管ag控制七个笔画(段)的亮或暗,另一个控
14、制一个小数点的亮和暗,这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少,字符的开头有些失真,但控制简单,使用方便。此外,要画出电路图,首先还要搞清楚他的引脚图的分布,在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来。 (a)外形 (b)共阳极 (C)共阴极图3-6 数码管引脚3.3显示电路本次课程设计的显示电路采用LED数码管显示,由于 LED是属于电流控制器件,使用时必须加限流电阻。通过单片机查表得出数码管显示编码,传送给数码管显示,以此来实现按键与显示程序的一致性。3.4 各功能模块原理图3.4.1 AT89S52模块电路原理图单片机主程序模块通过对键盘扫描程序信号的读取,在
15、通过对应的表,取出数码管显示编码和定时器初始值以产生不同的声音信号。在这一过程中,对数码管编码是直接赋值,对声音信号则是通过中断程序进行控制。图3-7 AT89S52模块电路原理图3.4.2键盘扫描模块电路原理图对键盘扫描电路的扫描方式有行扫描法和线反转法,在此次程序编写中,采用行扫描法,通过在p20p23上循环送出0扫描信号,p24p27输入按键上的高低电平信息给单片机,经处理程序,判断出是哪个开关按下,并送主程序以实现不同功能。图3-8 键盘扫描模电路原理图键盘扫描模电路实际图3.4.3数码管显示模块电路原理图数码管显示模块核心是共阳级数码管,通过来自单片机I/O口的电平高低来点亮和熄灭数
16、码管上的发光二极管,通过单片机送来的数码管显示编码可以在数码管上显示数字和字符,使应用人员可以很容易的理解按键按下所对应的音符。图3-9 数码管显示模块电路原理图数码管显示模块电路实际图3.4.4音频处理模块电路原理图 由于单片机驱动能力不够,在处理音符信号时,需加功率放大装置,因LM386芯片具有低功耗、高增益的特点,这合适单片机低功耗输出,所以加装LM386音频信号放大器对信号进行放大。图3-10 音频处理模块电路原理图音频处理模块电路实际图四、软件设计 本软件设计关键是要实现一种由单片机控制的简单音乐发生器,它由16个音节组成的的键盘,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
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