简易电子琴单片机课程设计

湖南人文科技学院课程设计报告课程名称:单片机原理及应用课程设计设计题目：电子琴设计系别：通信与控制工程系专业：电子信息工程班级：09级电子信息工程二班学生姓名:田蓁儒付艳辉学号:0940921709409215起止日期:2011年12月19日~2011年12月31日指导教师:田汉平谭周文教研室主任：侯海良指导教师评语：指导教师签名：年月日成绩评定项目权重成绩田蓁儒付艳辉1、设计过程中出勤、学习态度等方面0.22、课程设计质量与答辩0.53、设计报告书写及图纸规范程度0.3总成绩教研室审核意见：教研室主任签字：年月日教学系审核意见：主任签字：年月日-1-摘要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。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。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。本文的主要内容是用AT89C52单片机为核心控制元件，设计一个电子琴。以单片机作为主控核心，与键盘、蜂鸣器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有16个按键和蜂鸣器。本文主要对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴统硬件组成。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。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弄正确即可。关键词:AT89C52芯片；8255A芯片；蜂鸣器；矩阵键盘；音阶-2-目录摘要............................................................-1-1概述..........................................................-3-1.1电子琴技术状况.........................................-3-1.2任务与要求.............................................-3-1.3主要芯片简介............................................-3-1.3.1AT89C52芯片介绍...................................-3-1.3.28255A芯片介绍.....................................-4-2系统总体方案及硬件设计........................................-5-2.1系统总体方案............................................-5-2.2总体硬件组成框图........................................-6-2.2.1子系统模块一.....................................-7-2.2.2子系统模块二.....................................-7-2.2.3子系统模块三.....................................-8-2.2.4AT89C51复位模块...................................-9-2.2.5AT89C52晶振模块.................................-9-3软件设计......................................................-9-3.1软件设计总流程图流程...................................-10-3.2软件程序..............................................-10-4课程设计体会.................................................-11-5致谢.........................................................-12-参考文献.......................................................-13-附1源程序代码...............................................-15-附2系统原理图..............................................-21--3-1概述1.1电子琴技术状况本次设计提出了用AT89C52单片机为核心控制元件，设计一个简易的电子琴.本方案以AT89C52单片机作为主控核心，与键盘、蜂鸣器等模块组成核心主控制模块在主控模块上设有4*4个按键和蜂鸣器。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来产生这样方波频率信号。1.2任务与要求实现电子琴发声控制系统；要求电路实现如下功能：4*4键盘组成16个按钮，可以随意弹奏想要表达的音乐。设置一个开始键，一个结束键，一个重复键，通过按重复键可以完成之前音乐的重放。说明：单片机的工作时钟频率为12MHz。1.3主要芯片简介1.3.1AT89C52芯片介绍AT89C52（图1-1）为8位低功耗单片机，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和GND（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软-4-件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）定义为双向8位三态I/O接口，它既可以作为通用I/O接口，又可作为外部扩展时的数据总线及低8位地址总线的分时复用口；P1端口（1~8脚）定义为准双向I/O接口，内部具有上拉电阻；P2端口（21~28脚）定义为8位准双向I/O接口，内部具有上拉电阻，可直接连接外部I/O设备，同时与地址高8位复用；P3端口（10~17）定义为8位准双向I/O接口，内部具有上拉电阻，它是双功能复用口，每个引脚可驱动4个TTL负载。图1-1AT89C52图1-28255A芯片1.3.28255A芯片介绍8255A（图1-2）是一片使用单一+5V电源的40脚双列直插式大规模集成电路。它的通用性强，使用灵活，通过它CPU可直接与外设相连接。8255A在使用前要写入一个方式控制字，选择A、B、C三个端口各自的工作方式，共有三种：方式0：基本的输入输出方式，即无须联络就可以直接进行的I/O方式。其中A、B、C口的高四位或低四位可分别设置成输入或输出。方式1：选通I/O,此时接口和外围设备需联络信号进行协调，只有A口和B口可以工作在方式1，此时C口的某些线被规定为A口或B口与外围设备的联络信号，余下的线只有基本的I/O功能，即只工作在方式0.方式2：双向I/O方式，只有A口可以工作在这种方式，该I/O线即可输入又可输出，此时C口有5条线被规定为A口和外围设备的双向联络-5-线，C口剩下的三条线可作为B口方式1的联络线，也可以和B口一起方式0的I/O线。8255A是一个并行输入、输出器件，具有24个可编程设置的I/O口，包括3组8位的I/O为PA口、PB口、PC口，又可分为2组12位的I/O口：A组包括A口及C口高4位，B组包括B口及C组的低4位。2系统总体方案及硬件设计本系统采用单片机AT89C52为电子琴的控制核心，系统主要包括按键弹奏模块、音乐播放模块。下面对各模块的设计逐一进行论证比较。总电路图见附页二。2.1系统总体方案2.1.1定时/计数器的设计和状态字定义：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P3.3反相，然后重复计时再反相。就可在P3.3引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，例如，频率为523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令计数器计时956μs/1μs＝956，每计数956次时将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：T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr例如：设K＝65536，fi＝1MHz，求中音DO（261Hz）。T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr，中音DO的T＝65536－500000/523＝64580。-6-单片机12MHZ晶振，中音符与计数T0相关的计数值如表所示：音符频率（HZ）简谱码（T值）音符频率（HZ）简谱码（T值）中1DO26263628中5SO74064860中2RE27763731中6LA78464898中3MI29463835中7XI83164934中4FA31163928高1DO88064968用单片机播放音乐，或者弹奏电子琴，实际上是按照特定的频率，输出一连串的方波。为了输出合适的方波，首先应该知道音符与频率的关系。2.2总体硬件组成框图图2-1总体硬件组成框图实验中每按下一个琴键，单片机能够检测到键盘的按键，并根据按键的位置，按键发声蜂鸣器中心控制模块AT89C52按键控制模块键盘弹奏开始键停止键播放键音乐播放蜂鸣器-7-通过程序来控制，使喇叭发出不同频率（音调）的声音，声音延迟一段时间，等到按键放开之后，声音停止。然后再继续扫描,看是否有键按下。如此循环，即可实现基本的琴键功能。2.2.1子系统模块一琴键模块如图2-2所示，利用AT89C52单片机的P0端口及P2端口与8255连接。图2-2键盘电路图2.2.2子系统模块二播放模块是蜂鸣器构成。蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流-8-图2-3发声模块电路图电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。而且由于所需驱动功率较小，且价格低廉，所以，被广泛应用。2.2.3子系统模块三电子琴设有8个按键，分别代表8个音符，包括中音段的全部音符。通过软硬件设计，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，实现各种琴键的声音。矩阵键盘模块图如下：图2-