简易电子琴的设计.doc
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简易电子琴的设计.doc
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湖北师范学院教育信息与技术学院2011级信息工程专业综合课程设计(三)
HUBEINORMALUNIVERSITY
综合课程设计
(三)
IntegratedCurriculumDesign(3)
所在院系
教育信息与技术学院
专业名称
信息工程
班级
1102
题目
简易电子琴的设计
指导教师
成员
完成时间
2014年1月2日
I
一、设计任务及要求:
设计任务:
简易电子琴的设计
要求:
(1)设计一个简易电子琴;
(2)利用定时器产生do,re,mi...7个音符的低中高频率,共16个
音阶信号;
(3)用LED灯指示相应琴键按下;
(4)能控制播放或暂停播放固定曲目。
指导教师签名:
2014年1月3日
二、指导教师评语:
指导教师签名:
2014年1月3日
三、成绩
验收盖章
2014年1月6日
1
目录
1设计目的 1
2设计思路 1
3硬件设计 1
3.1单片机控制模块 2
3.2按键模块 3
3.3数码管显示模块 3
3.4发声模块 5
4软件设计 6
4.1音乐相关知识 6
4.2音乐播放原理 7
4.3系统总体功能流程图 7
4.44*4键盘扫描流程图 8
5系统调试 9
5.1Keil软件的使用 9
5.2软件调试 10
6电路仿真与分析 10
6.1仿真结果显示 10
6.2分析总结 12
参考文献 13
附件 14
1
1
简易电子琴设计
1设计目的
(1)熟悉Proteus仿真软件的使用,了解各元件的功能及作用。
(2)熟悉AT89C52单片机的基本结构、引脚功能、存储器结构等基本知识,以及熟悉一般设计过程。
(3)掌握74LS247芯片的引脚功能及使用方法,以及掌握电路的基本调试能力。
(4)掌握Keil软件的使用方法,以及如何创建文件和编写程序。
(5)利用Proteus仿真软件构建电路图,使用AT89C52单片机,Keil软件设计简易电子琴。
2设计思路
本次设计采用Proteus单片机仿真平台对简易电子琴进行设计。
本设计系统结构图如图1中所示,共有4个模块,其分别为单片机控制模块、按键模块、数码管显示模块和发声模块。
在Proteus中完成硬件的设计,同时采用Keil开发平台软件设计程序,最终实现简易电子琴的设计。
本电子琴既可以弹奏曲子,又可播放设定的曲目。
图1系统结构图
3硬件设计
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。
电子琴是现代电子技术与音乐结合的产物,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,它已经融入现代人们的生活中,成为不可替代的一部分。
本设计是以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、数码管等模块组成核心主控制模块。
可细分为单片机控制模块,按键模块,数码管显示模块和发声模块共4个模块。
3.1单片机控制模块
采用AT89C52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。
由AT89C52单片机组成的控制模块如图2所示。
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
图2单片机控制模块
3.2按键模块
组成键盘的按键有机械式、电容式、导电式、导电橡胶式薄膜式多种,但不管什么形式,其作用都是一个使电路接通与断开的开关。
目前微机系统中使用的键盘按其功能不同,通常可分为编码键盘和非编码键盘两种基本类型。
编码键盘:
键盘本身带有实现接口主要功能所需的硬件电路。
非编码键盘:
键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。
在此我们选择非编码键盘。
键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。
按键的闭合与否反应在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平。
为了确保单片机对一次按键动作只确认一次按键有效,必须消除键盘抖动所带来的影响。
在此我们采用软件延时来消除按键抖动,其基本思路是:
在检测到有建按下时,该键所对应的行线为低电平,执行一段延时为10ms的子程序后,确认该行线电平是否仍为低电平,如果仍为低电平,则确认该行确实有键按下。
当按键松开时,行线的低电平变为高电平,执行一段延时10ms的子程序后,检测该行线为高电平,说明按键确实已经松开。
键盘可分为两类:
非编码键盘和编码键盘。
常见的非编码键盘有两种结构:
独立式键盘和矩阵式键盘。
在此选择非编码键盘中的矩阵式键盘。
按键模块如图3所示。
矩阵式键盘又称行列式键盘,用于按键数目较多的场合。
它由行线和列线组成,一组为行线,另一组为列线,按键位于行、列的交叉点上。
由于矩阵式键盘中行、列线为多键共用,各按键所在的行、列的电平,因此各按键彼此将相互影响,所以必须将行、列线信号配合才能确定闭合键的位置。
图3按键模块
3.3数码管显示模块
常见的LED数码管为“8”字型的,共计8段。
每一段对应一个发光二极管。
这种数码管显示器有共阳极和共阴极两种。
在此选择共阳极LED数码管。
LED数码管的段码为表1所示。
表18段LED段码
显示字符
共阳极段码
显示字符
共阳极段码
0
C0H
8
80H
1
F9H
9
90H
2
A4H
A
88H
3
B0H
B
83H
4
99H
C
C6H
5
92H
D
A1H
6
82H
E
86H
7
F8H
F
8EH
LED数码管有静态显示和动态显示两种显示方式,在此根据需要选择静态显示方式。
所谓静态显示就是指无论多少位LED数码管,同时处于显示状态。
LED数码管处于静态显示方式时,各位的共阳极连接在一起并接+5V;每位的段码线(a~dp)分别与一个8位的I/O口锁存器输出相连。
静态显示方式的显示无闪烁,亮度都较高,软件控制比较容易。
利用AT89C52单片机的P2端口的P2.0-P2.7连接到两个七段显示译码器74LS247上,且各译码器连接一个七段数码管,数码管的公共端接地。
在数码管上可显示0-9数字。
数码管显示模块如图4所示。
在此用到74LS247七段显示译码器。
输出端(QA~QG)为低电平有效,可直接驱动指示灯或共阳极LED。
当要求输入0~15时,消隐输入(BI)应为高电平或开路,对于输出0时还要求脉冲消隐输入(RBI)为高电平或开路。
当BI为低电电平,不管其它输入端状态如何,QA~QG均为截止态。
当RBI和地址端(A~D)均为低电平,并且灯测试(LT)为高电平时,QA~QG均为截止态,脉冲消隐输出(RBO)为低电平。
当BI为高电平开路时,LT的低电平可使QA~QG为低电平。
图4数码管显示模块
3.4发声模块
了解音乐的一些基本知识后可知,产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐,对于单片机而言,产生不同频率有脉冲非常方便,可以利用它的定时/计数器来产生这样的方波频率信号,因此,需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率,以及单片机定时计数的关系。
在本实验中,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,在此情况下,C调的各音符频率与计数值T的对照如下表:
表2音符频率与计数值T的对照表
音符
频率(HZ)
计数值(T值)
音符
频率(HZ)
计数值(T值)
低1DO
262
63628
#4FA#
740
64860
#1DO#
277
63737
中5SO
784
64898
低2RE
294
63835
#5SO#
831
94934
#2RE#
311
63928
中6LA
880
64968
低3MI
330
64021
#6LA#
932
64994
低4FA
349
64103
中7SI
968
65030
#4FA#
370
64185
低1DO
1046
65058
低SO
392
64260
#1DO#
1109
65085
#5SO#
415
64331
高2RE
1175
65110
低6LA
440
64400
#2RE#
1245
65134
#6LA#
466
64463
高3MI
1318
65157
低7SI
494
64524
高4FA
1397
65178
中1DO
523
64580
#4FA#
1490
65198
#1DO#
554
64633
高5SO
1568
65217
中2RE
587
64633
#5SO#
1661
65235
#2RE#
622
64884
高6LA
1760
65252
中3MI
659
64732
#6LA#
1865
65268
中4FA
698
64820
高7SI
1967
65283
T的值决定了TH0和TL0的值,其关系为:
TH0=T/256,TL0=T%256
工作原理:
当矩阵键盘有键按下时,读取相应按键的键值,在音节数组中读出音节频率,定时器T0中断使得P3_7产生该该频率的音调。
发声模块如图5所示。
图5发声模块
4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户的弹奏,通过扬声器将音乐播放出来。
4.1音乐相关知识
乐音听起来有的高,有的低,这就叫音高,音高是由发音物体振动频率的高低决定的,频率高声音就高,频率低声音就低,不同音商的乐音是用C、D、E、F、G、A、B表示的,这7个字母就是乐音的音名,它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,这是唱曲时乐音的发音,所以叫唱名。
音持续时间的长短即时值,一般用拍数表示,休止符表示暂停发音。
一首音乐是由许多不同的音符组成的,而每个音符对应着不同的频率,这样就可以利用不同频率的组合,加以与拍数对应的延时,构成音乐。
4.2音乐播放原理
要想播放出一首曲子,了音符以外,节拍也是音乐的关键组成部分。
节拍实际上就是音持续时间的长短,在单片机系统中可以用延时来实现,如果1/4拍的延时是0.4秒,则1拍的延时是1.
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