[音樂]基于51單片機簡易電子琴

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1 課題背景 單片微型計算機室大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，屬于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。他的應(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AT89S52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8個按鍵，和一個復(fù)位按鍵。 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硬件的組成。利用單片機產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏要表達的音符。并且分別從原理圖，主要芯片，個模塊原理及各莫奎的程序的調(diào)試來詳細闡述。 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，構(gòu)成我們想演奏的那首曲目。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)生這樣的方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系編寫正確就可以達到我們想要的曲目。 2 任務(wù)要求與總體設(shè)計方案 2.1 設(shè)計任務(wù)與要求 利用所給鍵盤的1，2，3，4，5，6，7，8八個鍵，能夠發(fā)出7個不同的音調(diào)，而且有一個按鍵可以自動播放歌曲，要求按鍵按下時發(fā)聲，松開延時一小段時間，中間再按別的鍵則發(fā)另外一音調(diào)的聲音，當(dāng)系統(tǒng)掃描到鍵盤按下，則快速檢測出是哪一個按鍵被按下，然后單片機的定時器啟動，發(fā)出一定頻率的脈沖，該頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動電路放大濾波后，就會發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)。如果在前一個按下的鍵發(fā)聲的同時有另一個按鍵被按下，則啟動中斷系統(tǒng)。前面的發(fā)音停止，轉(zhuǎn)到后按的鍵的發(fā)音程序。發(fā)出后按的鍵的音調(diào)。 2.2 設(shè)計方案 2.2.1 播放模塊 播放模塊是由喇叭構(gòu)成，它幾乎不存在噪聲，音響效果較好，而且由于所需驅(qū)動功率較小，且價格低廉，所以，被廣泛應(yīng)用。 2.2.2 按鍵控制模塊 電子琴設(shè)有8個按鍵，其中7個作為音符輸入，另外一個作為模式轉(zhuǎn)換按鍵，實現(xiàn)用戶存放的自動播放歌曲。7個按鍵分別代表7個音符，包括中音段的全部音符，通過軟硬件設(shè)計，模式轉(zhuǎn)換按鍵觸發(fā)外部中斷，中斷使程序跳轉(zhuǎn)，實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，啟動電子琴。然后通過查詢電子琴所按下的按鍵，讀取電子琴輸入狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的程序入口，實現(xiàn)自編歌曲的。 2.3 總體硬件組成框圖 該設(shè)計方案是通過按鍵隨意按下所要表達的音符，作為電平送給主體電路，中央處理器通過識別，解碼輸出音符，在揚聲器中發(fā)出有效的聲音。通過這樣可以不斷的彈奏我們想要的音符或者是音調(diào)，電路由復(fù)位電路，指示燈電路，和功能按鍵電路組成，通過功能鍵可以選擇播放音樂或者彈奏音節(jié)，硬件主要有下面幾個部分組成。 功 能 選 擇 (彈奏/播放) 喇叭發(fā)出聲音 音頻放大 AT89S52單片機 鍵盤輸入 圖2-1電子琴硬件設(shè)計框圖 用P2口的高四位和P2口的第四位作為按鍵的接口，用P1口做信號輸出口。 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 為了使電子琴的控制系統(tǒng)更加的方便、靈活以及穩(wěn)定性，我們對系統(tǒng)硬件進行了簡約和優(yōu)化，使硬件更加的實用，更加的人性化，硬件電路包括中心控制模塊、播放模塊、按鍵控制模塊、復(fù)位按鍵模塊四大類。 3.1 中心控制模塊的硬件設(shè)計 這次設(shè)計的中心控制模塊是采用AT89S52單片機來控制整個系統(tǒng)。其中P2口作為輸入口，P1口為信號輸出口，P1.0連接音響驅(qū)動電路。 3.2 聲音播放模塊的硬件設(shè)計 如下圖所示，為聲音的播放模塊，它接到P1.0口上，當(dāng)有按鍵按下時，它通過AT89S52中心控制芯片的識別后發(fā)出相應(yīng)的音符。 圖3-1音頻放大電路 3.3 按鍵控制模塊和復(fù)位電路模塊的硬件設(shè)計 在P2口連接有8個按鍵開關(guān)加8個拉電阻，它們一端接5伏電源，一端接地。只要有一個按鍵被按下，并被單片機掃描到，則會播放發(fā)出音符。 圖3-2上圖為按鍵復(fù)位電路 圖3-3上圖為按鍵電路 4 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計 4.1 電子琴主要電路及其芯片 在電子琴主要電路設(shè)計中，我們采用了AT89S52單片機芯片，其特點及管腳封裝如下介紹一般。 At89s52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 端口引腳 第二功能 P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時/計數(shù)器0) P3.5 T1(定時/計數(shù)器1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。 RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。 上圖為AT89S52芯片的管腳圖 4.2 音頻功放電路LM386芯片 電子琴的功放電路采用了LM386芯片，使用AT89S52驅(qū)動音頻放大芯片工作，以達到我們想要輸出的音頻效果。 LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大 器,主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少,電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容,便可將電壓增益調(diào)為任意值,直至 200。輸入端以地位參考,同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半,在6V電源電壓下,它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合。 圖4-1為LM386管腳封裝圖 。 LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少喝和諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。 4.3 揚聲器 揚聲器是一種把電平轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘柕膿Q能器件，揚聲器和性能對音質(zhì)的高低音響很大。 揚聲器的種類很多，按其換能原理可分為電動式、靜電式、電磁式、壓電式等幾種，后兩種多用于農(nóng)村有線廣播網(wǎng)中，按頻率范圍可分為低音揚聲器、中音揚聲器，這些常在音箱中作為組合揚聲器使用。在本次試驗作品中使用電磁式揚聲器 圖4-2為所使用的揚聲器實物圖 軟件是該電子琴控制系統(tǒng)的重要組成部分，在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中我們也用了模塊設(shè)計，將系統(tǒng)的各部分功能編寫成子模塊的形式，這樣增強了系統(tǒng)軟件的可讀性和可移植性。 4.4 系統(tǒng)軟件流程 識別按鍵功能 開始 T0初始化并開中斷允放T0中斷 按鍵按下成功否 根據(jù)按鍵功能，裝入音符T值到T0中 啟動T0工作 停止T0工作 圖4-3軟件設(shè)計流程圖 本系統(tǒng)軟件中還要是編輯電子琴播放狀態(tài)的內(nèi)容，在設(shè)計中采用匯編語言編寫了電子琴控制系統(tǒng)控制和播放內(nèi)容的程序。源程序參考附錄一 主要程序： MAIN: MOV SP,#60H ;初始化堆棧指針 MOV 30H,#00 ;定時器初值清零 MOV 31H,#00 MOV P1,#0FFH ;設(shè)置P1口為輸入模式 MOV TOMD，#01H ;設(shè)置定時器0為工作模式1 SETB ET0 ;開定時器0中斷 SETB EA ;開總中斷 CLR TR0 ;關(guān)閉定時器0 在程序編寫中多次采用了判斷指令，來掃描按鍵的按下，然后把相應(yīng)的音符傳送到指定的內(nèi)存空間，使其相應(yīng)的按鍵對應(yīng)相應(yīng)的音符。源程序參考附錄一。 5 電路的仿真和調(diào)試 Proteus的ISIS事一款Labcenter出品的電路分析實物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和IC，并支持單片機，元件庫齊全，使用方便，可以給我們做電路設(shè)計提供方便快捷的仿真效果，讓我們事半功倍。 目前支持的單片機類型有：680以及各種外圍芯片0系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、HC11系列。 圖5-1電路仿真圖 5-1電子琴仿真圖 把程序燒進單片機，進行仿真沒有問題，證明電路原理圖和程序可以使用。 實物圖參考附錄二，在腐蝕焊接過程中應(yīng)該多注意燙印板子時應(yīng)盡量的小心，把該補的線都補好，等板子上的油路晾干后再進行腐蝕，這樣可以盡量避免短線的發(fā)生。 該作品的音量的大少由可調(diào)電阻器來調(diào)節(jié)，實物圖如下所示 2 圖5-2可調(diào)電阻器 由于音頻功放電路采用了LM386芯片，使得音頻放大更加的穩(wěn)定和沒有雜音，進一步達到了實驗?zāi)康睦硐胄Ч? 在此之前，本實驗組功放電路曽一度采用簡單的三極管NPN9013放大電路來播放聲音，其仿真圖如下所示： 圖5-3NPN9013功放電路 仿真雖然成功，但是在做完板子調(diào)試的時候性能及其不穩(wěn)定，音響效果也很差，聲音大小無法調(diào)節(jié)，最后通過詢問老師以及同學(xué)，最后采用了LM386芯片的音頻放大電路，最終達到了實驗所要的目的。 在作品板的調(diào)試過程中，本作品的復(fù)位電路的高電平和單片機沒有接好，在一開始的調(diào)試中就遇到了難題，最終在檢驗板子和檢測中找出問題，并以解決，最終達到了實驗的目的。 總 結(jié) 將以調(diào)試好的程序燒進AT89S52芯片，再放到電路板中，按下按鍵就可以發(fā)出相應(yīng)的音。本次試驗通過制作電子琴，將幾個模塊換呢好的融合起來，對使用單片機設(shè)計簡易電子琴進行了分析，并接受了基于單片機電子期硬件組成。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。說明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，于是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)系弄正確即可，然后我們利用功放電路來將音樂聲音放大，同時同股溝顯示模塊來確知自己所彈的音符。 通過這次實訓(xùn)設(shè)計，我感覺收獲了很多：通過這次的單片機實訓(xùn)，我加深了對單片機系列知識及其系統(tǒng)的認(rèn)識。這個設(shè)計題目并不怎么新穎，但從中體現(xiàn)到了個系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的過程，足以讓我們受益匪淺。 在這次的實訓(xùn)中，讓我更進一步的提高了動手能力，也重新復(fù)習(xí)了一次單片機的程序編程能力，在這期間，讓我更加深刻了體會到了匯編程序的思路，加強了對編程能力的理解和對相應(yīng)資料的查閱。 謝 詞 在這次實訓(xùn)過程中，能夠得以順利的完成，是所有曾經(jīng)指導(dǎo)過我的老師，幫助過我的同學(xué)，成功是你們的幫助和鼓勵成果。在這里我要對你們表示深深的謝意！ 首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師，李靜老師，莫容老師，在實訓(xùn)過程中，提供了許多寶貴的建議，老師淵博的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不惓的高尚師德，樸實無華、平易近人的人格魅力對我影響深遠。不僅使我樹立了遠大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。 參考資料 [1]劉樂喜.微機計算機接口技術(shù)及應(yīng)用[M].華中科技大學(xué)出版社. [2]石東海.單片機數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通.[M].西安電子科技大學(xué)出版社. [3]謝自美等.電子線路設(shè)計、實驗、測試.[M].華中科技大學(xué)出版社 [4]長德，李華，李東，MC51/98系列單片機原理與應(yīng)用。[M].機械工業(yè)出版社. 附錄一 音樂類 MOV P1,#0FFH MOV TMOD,#01H SETB ET0 SETB EA CLR TR0 START: MOV R3,P2 CJNE R3,#0FFH,KEY1 CLR TR0 SJMP START KEY1: ;按鍵 1 ,P2.0 CJNE R3,#0FEH,KEY2 MOV 30H,#0FBH MOV 31H,#0E9H MOV @R0,#0FBH ;將音階存放到R0，R1對應(yīng)的地址中 MOV @R1,#0E9H INC R0 INC R1 LJMP SET_TIMER KEY2: ;按鍵2 ,P2.1 CJNE R3,#0FDH,KEY3 MOV 30H,#0FCH MOV 31H,#5CH MOV @R0,#0FCH MOV @R1,#5CH INC R0 INC R1 LJMP SET_TIMER KEY3: ;按鍵3 ,P2.2 CJNE R3,#0FBH,KEY4 MOV 30H,#0FCH MOV 31H,#0C1H MOV @R0,#0FCH MOV @R1,#0C1H INC R0 INC R1 LJMP SET_TIMER KEY4: ;按鍵4 ,P2.3 CJNE R3,#0F7H,KEY5 MOV 30H,#0FCH MOV 31H,#0EFH MOV @R0,#0FCH MOV @R1,#0EFH INC R0 INC R1 LJMP SET_TIMER KEY5: ;按鍵5 ,P2.4 CJNE R3,#0EFH,KEY6 MOV 30H,#0FDH MOV 31H,#045H MOV @R0,#0FDH MOV @R1,#045H INC R0 INC R1 LJMP SET_TIMER KEY6: ;按鍵6 ,P2.5 CJNE R3,#0DFH,KEY7 MOV 30H,#0FDH MOV 31H,#92H MOV @R0,#0FDH MOV @R1,#92H INC R0 INC R1 LJMP SET_TIMER KEY7: ;按鍵7 ,P2.6 CJNE R3,#0BFH,KEY8 MOV 30H,#0FDH MOV 31H,#0D6H MOV @R0,#0FDH MOV @R1,#0D6H INC R0 INC R1 LJMP SET_TIMER KEY8: ;按鍵8，P2.7,用來進入音樂自動播放 《生日快樂》 CJNE R3,#7FH,NOKEY LCALL YYBF ;調(diào)用音樂自動播放程序 LJMP SET_TIMER SET_TIMER: SETB TR0 LJMP START NOKEY: CLR TR0 LJMP START INT_T0: MOV TH0,30H MOV TL0,31H CPL P1.0 RETI YYBF: CLR P1.1 numtim equ 20h gewei equ 21h shiwei equ 22h scanled equ 23h org 1000h jmp YYstart org 001bh jmp tim0 org 1100h YYstart: mov tmod,#00010000b setb ea setb et1 mov numtim,#01h mov r6,#2h YYstart0:mov 40h,#00h next: mov a,40h mov dptr,#table movc a,@a+dptr mov r2,a jz end0 anl a,#0fh mov r5,a mov a,r2 swap a anl a,#0fh jnz sing clr tr1 jmp d1 sing: dec a mov 22h,a rl a mov dptr,#table1 movc a,@a+dptr mov th1,a mov 21h,a mov a,22h rl a inc a movc a,@a+dptr mov tl1,a mov 20h,a setb tr1 d1:lcall delay inc 40h jmp next end0:clr tr1 djnz r6, YYstart0 jmp main tim0:push acc push psw mov tl1,20h mov th1,21h cpl p1.0 ;聲音頻率輸出口P1.0 pop psw pop acc reti delay: mov r7,#02h d2: mov r4,#180 d3: mov r3,#248 djnz r3,$ djnz r4,d3 djnz r7,d2 djnz r5,delay ret table1: dw 64260,64400,64524,64580 dw 64684,64777,64820,64898 dw 64968,65030,65058,65110 dw 65157,65178,65217 table:db 82h,01h,81h,94h,84h db 0b4h,0a4h,04h db 82h,01h,81h,94h,84h db 0c4h,0b4h,04h db 82h,01h,81h,0f4h,0d4h db 0b4h,0a4h,94h db 0e2h,01h,0e1h,0d4h,0b4h db 0c4h,0b4h,04h db 00 LYBF1: MOV 30H,@R0 MOV 31H,@R1 INC R0 INC R1 CLR P0.0 ;調(diào)試用 SETB TR0 LCALL DELAY1 CLR TR0 LJMP LYBF1 RET DELAY1: MOV R4,#25 LOOP1: MOV R5,#248 DJNZ R5,$ DJNZ R4,LOOP1 RET END 附錄二 作品實物圖 電子琴主要電路原理圖 LM386音頻放大電路