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標(biāo)題: 電子琴設(shè)計論文 [打印本頁]

作者: SUPER張 時間: 2018-6-28 16:56
標(biāo)題: 電子琴設(shè)計論文
1 引言
1.1 目的和意義
單片微型計算機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬第四代電子計算機，它具有高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。因此，單片機的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項重大課題。
電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用AT89S51單片機為核心控制元件，設(shè)計一個電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有16個按鍵和揚聲器。
本文主要對使用單片機設(shè)計簡易電子琴進行了分析，并介紹了基于單片機電子琴統(tǒng)硬件組成。利用單片機產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏想要表達的音樂。并且本文分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理及各模塊的程序的調(diào)試來詳細闡述。本系統(tǒng)是簡易電子琴的設(shè)計，按下鍵盤矩陣中的按鍵會使揚聲器播放對應(yīng)的音符。通過設(shè)計本系統(tǒng)可了解單片機的基本功能。對單片機的了解有一個小的飛躍。
1.2 本系統(tǒng)主要研究內(nèi)容
1.由4X4組成16個按鈕矩陣，設(shè)計成16個音對應(yīng)音樂音符。
2.每按一個鍵，單片機檢測按下的那個鍵并查表查找相應(yīng)的音符，輸出到音頻處理模塊驅(qū)動喇叭發(fā)出音符。
3.設(shè)計控制器的硬件電路原理圖，合理選擇元器件；編寫使用說明書，說明使用方法。
4.設(shè)計在實驗板上實現(xiàn)該功能的程序并進行調(diào)試。
1.3 主要芯片簡介
AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。
AT89S51具有如下特點：40個引腳（引腳圖如圖1-2所示），4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。
此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。
2 系統(tǒng)分析
2.1 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)只要以51單片機為主控核心，與矩陣鍵盤、揚聲器一起組合而成。具體如下：

圖一電路方框圖
2.2 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)掃描鍵盤矩陣、顯示按鍵、揚聲器發(fā)出對應(yīng)音符。
4X4行列式鍵盤識別及顯示原理如下：
組成鍵盤的按鍵有機械式、電容式、導(dǎo)電橡膠式、薄膜式多種，但不管什么形式，其作用都是一個使電路接通與斷開的開關(guān)。目前微機系統(tǒng)中使用的鍵盤按其功能不同，通常可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種基本類型。
編碼鍵盤：鍵盤本身帶有實現(xiàn)接口主要功能所需的硬件電路。不僅能自動檢測被按下的鍵，并完成去抖動、防串鍵等功能，而且能提供與被按鍵功能對應(yīng)的鍵碼（如ASCII碼）送往CPU。所以，編碼鍵盤接口簡單、使用方便。但由于硬件電路較復(fù)雜，因而價格較貴。
非編碼鍵盤：鍵盤只簡單地提供按鍵開關(guān)的行列矩陣。有關(guān)按鍵的識別、鍵碼的確定與輸入、去抖動等功能均由軟件完成。目前微機系統(tǒng)中，一般為了降低成本大多數(shù)采用非編碼鍵盤。
鍵盤接口必須具有去抖動、防串鍵、按鍵識別和鍵碼產(chǎn)生4個基本功能。
（1）去抖動:每個按鍵在按下或松開時，都會產(chǎn)生短時間的抖動。抖動的持續(xù)時間與鍵的質(zhì)量相關(guān)，一般為5—20ms。所謂抖動是指在識別被按鍵是必須避開抖動狀態(tài)，只有處在穩(wěn)定接通或穩(wěn)定斷開狀態(tài)才能保證識別正確無誤。去抖問
題可通過軟件延時或硬件電路解決。
（2）防串鍵：防串鍵是為了解決多個鍵同時按下或者前一按鍵沒有釋放又有新的按鍵按下時產(chǎn)生的問題。常用的方法有雙鍵鎖定和N鍵輪回兩種方法。雙鍵鎖定，是當(dāng)有兩個或兩個以上的按鍵按下時，只把最后釋放的鍵當(dāng)作有效鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼。N鍵輪回，是當(dāng)檢測到有多個鍵被按下時，能根據(jù)發(fā)現(xiàn)它們的順序依次產(chǎn)生相應(yīng)鍵的鍵碼。
（3）被按鍵識別：如何識別被按鍵是接口解決的主要問題，一般可通過軟硬結(jié)合的方法完成。常用的方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法兩種。行掃描法的基本思想是，由程序?qū)︽I盤逐行掃描，通過檢測到的列輸出狀態(tài)來確定閉合鍵，為此，需要設(shè)置入口、輸出口一個，該方法在微機系統(tǒng)中被廣泛使用。線反轉(zhuǎn)法的基本思想是通過行列顛倒兩次掃描來識別閉合鍵，為此需要提供兩個可編程的雙向輸入/輸出端口。
（4）鍵碼產(chǎn)生：為了從鍵的行列坐標(biāo)編碼得到反映鍵功能的鍵碼，一般在內(nèi)存區(qū)中建立一個鍵盤編碼表，通過查表獲得被按鍵的鍵碼。
用AT89S51的并行口P3接4×4矩陣鍵盤，以P3.0－P3.3作輸入線，以P3.4－P3.7作輸出線.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
3.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計
本系統(tǒng)由鍵盤矩陣、揚聲器這幾個部分組成，揚聲器發(fā)出對應(yīng)音符。硬件總體設(shè)計圖如下：

圖二電路原理圖
3.2子系統(tǒng)（模塊）一
矩陣掃描揚聲器發(fā)出對應(yīng)音符模塊如下：

圖三矩陣掃描揚聲器
3.3子系統(tǒng)（模塊）二
矩陣鍵盤模塊圖如下：

圖四矩陣鍵盤
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計
本系統(tǒng)的軟件流程圖如下：

圖五軟件流程圖
4.2子系統(tǒng)
一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當(dāng)然對于單片機來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機的定時/計數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系正確即可。
利用AT89C51的內(nèi)部定時器使其工作計數(shù)器模式（MODE1）下，改變計數(shù)值TH0及TL0以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階，例如，頻率為523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令計數(shù)器計時956μs/1μs＝956，每計數(shù)956次時將I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。
計數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式(如式2-1所示)是：
N＝fi÷2÷fr 2-1
式中，N是計數(shù)值；fi是機器頻率（晶體振蕩器為12MHz時，其頻率為1MHz）；fr是想要產(chǎn)生的頻率。
其計數(shù)初值T的求法如下：
T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr
例如：設(shè)K＝65536，fi＝1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的計數(shù)值。
T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr
低音DO的T＝65536－500000/262＝63627
中音DO的T＝65536－500000/523＝64580
高音DO的T＝65536－500000/1046＝65059
本系統(tǒng)按鍵發(fā)出對應(yīng)音符模塊軟件流程圖如下：

圖六音符模塊軟件流程圖

5 系統(tǒng)使用說明
5.1 系統(tǒng)安裝及配置說明
5.1.1       系統(tǒng)運行環(huán)境
WINDOWS XP PROTEUS 7.1 SP2  Keil uv3 2.12
5.1.2       系統(tǒng)安裝及配置
安裝Protues 和keil uVsision3。
5.2 系統(tǒng)操作說明
（1）Keil下編譯，產(chǎn)生目標(biāo)HEX文件，Proteus下Programme Files選擇產(chǎn)生的HEX文件，點擊運行開始模擬。
（2）按任意鍵盤，揚聲器發(fā)出相應(yīng)的音符。

6 結(jié)論
本次的課程設(shè)計，使關(guān)于51系列單片機的，在平時課程的學(xué)習(xí)中，我們僅限于理論知識的講解，即使知識是很扎實的，實際應(yīng)用并不是這樣的。開始時我也覺得自己的理論知識已經(jīng)夠了，但當(dāng)我拿到課題時，在腦海里想的是非常好的，但真正編程和控制時，理論和實際結(jié)合不到一起，甚至于51芯片的使用我都感覺很迷茫，還是經(jīng)過搜集大量資料才將理論與實際結(jié)合到一起了。通過這次課程設(shè)計，我們學(xué)到了不少課本上沒有的知識，也鍛煉了自己的動手能力，將以前學(xué)過的零散的知識串到一起。經(jīng)過我們長時間的設(shè)計及調(diào)試，本系統(tǒng)基本能實現(xiàn)按下鍵盤矩陣中的按鍵會使數(shù)碼管顯示當(dāng)前按鍵，揚聲器播放對應(yīng)的音符。但由于仿真系統(tǒng)原因，本設(shè)計音頻效果不是很好。不足之處有：1.可彈奏的音符數(shù)較少，只能在一定范圍內(nèi)滿足用戶需要。可通過改進鍵盤識別模塊和發(fā)生模塊來增加其復(fù)雜度。2.音量不可調(diào)。
通過這次課程設(shè)計——電子琴設(shè)計，使我又重新開始復(fù)習(xí)了匯編語言，因為匯編語言是前段時間學(xué)習(xí)的，從學(xué)完就再也沒用過，所以開始很陌生，我又找了有關(guān)資料來了解，才有了一點眉目。剛開始以為可以用匯編很容易就寫出來，但是用匯編時才發(fā)現(xiàn)原來都不怎么熟練，編了一會程序發(fā)現(xiàn)只有一種感覺——舉步維艱啊！對于單片機，我們課本學(xué)習(xí)的是80C51，但是這次做課程設(shè)計用的是89C51，這樣不僅使我們掌握了80C51，而且對89C51也有了一定的了解了，在課堂上學(xué)習(xí)的都理論的，跟實際永遠有一定的差距，不實踐就不會發(fā)現(xiàn)問題。通過這次課程設(shè)計使我把課堂上學(xué)習(xí)的東西都用到了實踐中，例如：定時/計數(shù)器的應(yīng)用與中斷。學(xué)習(xí)的時候不怎么理解，但是在實踐中應(yīng)用了以后就自然了解了。這次課程設(shè)計使我受益匪淺，而且都是實際的東西。
通過本次設(shè)計實驗，使我對所學(xué)51系列的單片機從理論知識到實踐硬件的應(yīng)用以及匯編語言知識的回顧，更加熟悉了89C51單片機的每一個引腳的輸出和各項功能，而且對硬件電路的布線以及焊接能力有了很大的進步。我們的綜合設(shè)計主要涉及硬件和軟件兩方面的內(nèi)容，通過這些我們的硬件和軟件開發(fā)能力都獲得了提高。首先硬件方面，基本了解了電子產(chǎn)品的開發(fā)流程和所要做的工作；基本掌握了Proteus繪制原理圖的方法，并設(shè)計了一個單片機最小系統(tǒng)。通過開發(fā)板的設(shè)計和硬件搭建的過程，使我們對51系單片機的接口有了更深層次的理解，熟悉了一些單片機常用的外圍電路引腳和連接方法，如LED數(shù)碼管，鍵盤等。并且我們學(xué)會了分析問題解決問題的能力，加深了對所學(xué)理論知識的理解和運用。我們的動手能力得到了很大的提高，創(chuàng)新意識得到了鍛煉。

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