课程设计（论文）基于单片机及PC机的电子琴设计.doc

基于单片机及 PC机的电子琴设计论文 摘 要 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AT89S51 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、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，亦可以通过上位机进行操作，达到单片机板上按键相同的效果。本系统运行稳定，人机界面友好其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。 Abstract Electronic organ is a modern electronic music technology and the product is a new type of keyboard instruments. It played an important role in modern music. SCM has powerful control functions and flexible programming characteristics. It has converged with modern peoples lives, become an irreplaceable part. The main content is AT89S51 control of the core components, design of a electronic organ. SCM as a host to the core, with the keyboard, speaker and other core modules. In the main control module has 16 keys and a speaker. The system is steady, its simple hardware circuits, software functions, reliability of control system and high cost performance is its advantages. It also has certain practical and reference value.1 前言.- 3 -1.1 课题研究背景.- 3 -1.2 课题的原理.- 3 -1.3 研究的目的和意义.- 3 -2 系统硬件设计.- 4 -2.0 整机原理和PCB图.- 4 -2.1 51单片机电路模块框图.- 5 -2.2 稳压直流电源设计.- 6 -2.3 矩阵键盘电路.- 6 -2.4 串口通信电路设计.- 7 -2.5 显示电路设计.- 9 -3 系统程序设计.- 10 -3.1 主程序流程图.- 10 -3.2 电子琴音乐的发声原理.- 11 3.3 音乐发声程序流程图.- 11 -4 小结.- 12 -1 前 言1.1 课题研究背景 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。 目前，基于单片机的微控制器已广泛应用于家电控制、通讯、工业控制、智能仪器仪表、金融电子等许多领域。 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AT89S51 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、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。 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。1.2 课题的原理 本声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线不断的输出“高”“低”电平，则在该口线上就能产生一定频率的方波，将该方波接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出波形的频率，从而改变音调。 PC机通过VB编写友好的人机界面，使用户可以很方便的控制单片机系统及其发音。单片机与PC机基于串口通信，稳定可靠。用户亦可以通过鼠标即可在电脑屏幕上点击相应按钮，单片机依据相应的按钮定义发音。1.3 研究的目的和意义 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系统硬件组成。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。 本系统 ，优化了电子琴的控制方法，充分体现了电脑作为智能控制终端的优势 。用单位LED 显示发音值，蜂鸣器发音。4X4矩阵键盘，作为电子琴的琴键。系统整机设计简洁，精练。2 系统硬件设计2.0 整机原理 PCB图2.1单片机电路模块框图 本电路采用基于MCS-51单片机，用LM032L进行显示的硬件设计方法，电路硬件模块图如下：2.2 稳压直流电源设计本系统设计为 5V 直流稳压电源给系统供电，AC220 市电经 220V9V 变压器变压，然后经桥式整流电路，再经电容滤波电路，经 7805 稳压管稳压，再进行二次滤波，输出较稳定的5V电压，给本系统供电。本系统在实际制作过程中，基于成本考虑，本设计未做电源这一部分，而是用 USB 连接线，代替了电源的制作。因电脑现已非常普及，从电脑的 USB 口取5V电源，亦非常方便。2.3矩阵键盘电路键盘通过与单片机 AT89C52 接口 如图所示，用单片机的并行口P2接44矩阵键盘，以P2.0P2.3作输入线，以P2.4P2.7作输出线；在数码管上显示每个按键的“0F”序号。对应的按键的序号排列如图所示矩阵按键部分由16个轻触按键按照4 行4 列排列，连接到JP50端口。将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。这种键盘外围元件少，扩充灵活，而且功耗低。 键盘的硬件电路如图所示：由图可以看出，该键盘为 4行 4列（44）共16个键，使用 8条I/O口作为控制线，其中P2.0、P2.1、P2.2、P2.3为扫描线，P2.4-P2.7作为列回复线。其工作原理是：首先使P2.4-P2.7为低电平，P2.0、P2.1、P2.2、P2.3为高电平，读取P2.4P2.7的状态并存放在某个存储器的低4位中，此时高4位置零。然后使P2.4P2.7为高电平，P2.0、P2.1、P2.2、P2.3为低电平，读取P2.0、P2.1、P2.2、P2.3的状态并存放在某个存储器的高4位，而低 4位为低电平。最后，将这两个存储器存放的数值取逻辑后，再判断其结果产生按键的键值。2.4 串口通信电路设计 串口通信原理图串口通信简介 RS232串口针脚定义 9针接口针脚定义： Pin 1 CD Received Line Signal Detector (Data Carrier Detect) Pin 2 RXD Received Data Pin 3 TXD Transmit Data Pin 4 DTR Data Terminal Ready Pin 5 GND Signal Ground Pin 6 DSR Data Set Ready Pin 7 RTS Request To Send Pin 8 CTS Clear To Send Pin 9 RI Ring Indicator 9芯 信号方向来自 缩写 描述 1 调制解调器 CD 载波检测 2 调制解调器 RXD 接收数据 3 PC TXD 发送数据 4 PC DTR 数据终端准备好 5 GND 信号地 6 调制解调器 DSR 通讯设备准备好 7 PC RTS 请求发送 8 调制解调器 CTS 允许发送 9 调制解调器 RI 响铃指示器 串口通信的原理及意义 串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到电脑端，而且也能实现电脑对单片机的控制，比如你可以把写入单片机的数据码显示在电脑上，如可以使用一个按键，当按下它时使某一个字母如：AA，通过单片机的串口将它发送到电脑上显示，起到仿真器的某些功效，站长在开发数据采集设备时就是通过串口来检查数据正确与否的。 51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第 5脚的GND、第2脚的RXD、第 3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第 9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。 为了能够在电脑端看到单片机发出的数据，我们必须借助一个WINDOWS软件进行观察，这里我们利用一个免费的电脑串口调试软件。 点击这里可以下载并运行这个串口调试软件这是一个绿色的软件，无需安装，可以直接在当前位置运行这个软件。软件界面如上图，我们先要设置一下串口通讯的参数，将波特率调整为4800，勾选十六进制显示。串口选择为COM1，当然将网站提供的51单片机实验板的串口也要和电脑的COM1连接，将烧写有以下程序的单片机插入单片机实验板的万能插座中，并接通51单片机实验板的电源，这时只要按下K1一次，在串口调试助手软件的接收区界面中就会增加一个“AF”字符，表示单片机向电脑发送“AF”字符成功。2.5 显示电路设计显示原理图设计LED是一种较为常用的发光元件。目前以LED 为发光元件而研制的显示屏应用可作为实时工业控制系统中的远距离实时信息显示器，对高要求的工艺流程进行实时显示。数码管显示控制原理 单片机P0口段控，数码管的公共脚接地。目前，LED显示器的主要形式有两种，一种是能够显示各种字符、汉字和图像信息的阵列式LED。另一种则是只能显示09这10个阿拉伯数字及少数几个英文字母的数码式LED，即八段数码管。尽管阵列式LED从功能上来说完全取代数码式LED，但由于前者的成本造价要比后者高得多，实现方法要比后者复杂，故在很多场合还经常用到数码式LED。本设计采用的是0.36的数码管。因为AT89C52单片机管脚的驱动能力有限，加470 欧姆的上拉电阻驱动。3 系统程序设计3.1 主程序流程图3.2 电子琴音乐的发声原理 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，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。 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 P1.0 反相，然后重复计时再反相。就可在P1.0引脚上得到此频率的脉冲。 利用 AT89C51 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 T1/5231912s，因此只要令计数器计时 956s/1s956，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(如式4-1所示)是： Nfi2fr 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： T65536N65536fi2fr 例如：设K65536，fi1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音 DO（1046Hz）的计数值。 T65536N65536fi2fr6553610000002fr65536500000/fr 低音DO的T65536500000/26263627 中音DO的T65536500000/52364580 高音DO的T65536500000/104665059 单片机12MHZ 晶振，高中低音符与计数 T0相关的计数值。3.3 音乐发声程序流程图