./簡易電子琴設計1緒論1.1課題的背景和目的在信息技術急速發展的今天,計算機科學日新月異。而單片機作為計算機科學的一個分支,在微機控制領域得到長足的發展。隨著單片機的發展與科學技術的提高,單片機已經成為人類生產生活中不可缺少的工具。現在,單片機的應用已經滲透到我們生活的各個領域,幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置、飛機上各種儀表的控制、計算機的網絡通訊與數據傳輸、工業自動化過程的實時控制和數據處理、廣泛使用的各種智能IC卡、民用豪華轎車的安全保障系統、錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制,以及程控玩具、電子寵物等等,這些都離不開單片機。更不用說自動控制的機器人、智能儀表、醫療器械了。

單片機要解決的問題多數是仍是老問題,新穎之處是比以前用較少的元件。尤其是設計邏輯關系復雜的控制系統,過去用通用的邏輯門集成電路芯片將需要幾十片甚至上百片,而現在只用幾片就能夠實現,而且方便靈活,做設計修改或改動功能時,只消改寫軟件原文件重寫芯片,免去了在硬件線路上大動干戈的苦差事。減少芯片個數主要是靠單片機的可編程性和高度集成化。使開發周期更短,制造成本更低,用電更省和可靠性更高。要求用各種邏輯門芯片實現的邏輯電路,可以用一片單片機芯片加上相應的控制軟件就可以實現領域。該次的畢業設計課題是基于單片機基礎上的簡易電子琴設計。主要是用單片機的I/O端口的原理控制并制作的電子琴,設計出相應的琴鍵使之發出聲音。通過做這次畢業設計能使我對單片機知識的應用更為熟練一些,對單片機的興趣也將大大的增加,也能在這方面做出相應的成就。1.2國外研究狀況技術工藝,是衡量一個企業是否具有先進性,是否具備市場競爭力,是否能不斷領先于競爭者的重要指標依據。隨著我國電子琴市場的迅猛發展,與之相關的核心生產技術應用與研發必將成為業企業關注的焦點。了解國外電子琴生產核心技術的研發動向、工藝設備、技術應用及趨勢對于企業提升產品技術規格,提高市場競爭力十分關鍵。國外對電子琴的研究都很深也很廣泛,在電子琴領域也都取得了很多令人可喜的研究成果。如省雙排鍵電子琴教學研究中心,曾多次被評為市甲級辦學單位,多年來一直以培養優秀的音樂人才為教學宗旨,先后向國家重點音樂學院輸送了大批雙排鍵音樂人才,為我國雙排鍵音樂事業的發展起到了積極的推動作用。1.3課題的研究方法本課題是基于51系列單片機基礎上的簡易電子琴設計。該畢業設計要求設計出高、中、低音調的21個琴鍵,并使這21個琴鍵能發出聲音。所知道的是演奏音樂即是對音符和節拍的控制。音符對應不同的聲音頻率,節拍則是音符持續的時間。用單片機對這兩個參數實行控制方便且操作簡單。用定時器T0控制音符,用單片機的某個I/O端口<在這里我們選用的是P3.0>輸出音頻脈沖,脈沖的頻率由T0控制,是之對應1--7的高、中、低音。用延時程序來實現對節拍的控制。假設1個節拍為0.8秒,則1/4拍為0.2秒。以此做延時程序,使其延時為DELAY=1個節拍=0.2秒,則其它節拍就是DELAY的倍數,該倍數作為DELAY的延時程序。鍵盤是計算機系統必不可少的輸入設備,鑒于該次設計的按鍵數目比較多,接成線性鍵盤,這種接法占用的口線相對較多。因此可將鍵盤接成矩陣的形式,該種接法既節省口線有操作起來較方便。在該設計中用P0、P1兩個端口來接成8*8矩陣形式的鍵盤,選用21個琴鍵作為設計中的按鍵,其余的留作備用。且由P3.0輸出的音頻脈沖,經音頻放大器LM386放大,推動喇叭。1.4論文的構成及研究容該畢業設計主要包括封面、畢業設計任務書、中文摘要、英文摘要、目錄、正文、致、參考文獻、附錄。本次設計主要研究用單片機設計簡易電子琴,設計出21個琴鍵使之發出聲音。且每次的按鍵都有一定的延時作用。2設計的主題2.1畢業設計總體方案設計與選擇的論證<1>方案一：單片機的選擇,MCS-51系列單片機有多種型號的產品,如基本型〔51子系列8031、8051、89C51、89S51等,增強型〔52子系列8032、8052、89C52、89S52等。它們的結構基本相同,其主要差別反映在存儲器的配置上。MCS-51增強型單片機的存儲容量是基本型的一倍。在這次設計中我選用的是AT89S51單片機。鍵盤的設計,鍵盤是計算機系統中不可缺少的輸入設備。鍵盤的接法接成線性鍵盤。<2>方案二:單片機仍選用AT89S51單片機,鍵盤接成矩陣形式。由上面兩個方案的比較,選用方案二。因為本次的簡易電子琴設計要求設計出1—7的高、中、低音的21個按鍵,案件的數目較多,所以在這里才有矩陣鍵盤式接法。這種矩陣鍵盤式接法不僅能節省口線也操作起來比較方便。在本次設計中采用P0、P1兩個端口來控制接成8*8矩陣形式的鍵盤。這樣可以接成64個按鍵,選用其中21個按鍵作為本次電子琴設計中的琴鍵,其余的按鍵留作備用。矩陣鍵盤按鍵的狀態同樣需要變成數字量1和0。開關的一端〔列線通過電阻接電源端Vcc,開關的另一端〔行線的接地時通過程序輸出數字0實現的。矩陣鍵盤每個按鍵都有它的行值和列值,行值和列值的組合就是這個按鍵的編碼。矩陣鍵盤的行線和列線分別通過P0和P1這兩個并行接口和CPU實現通信,其中P0口輸出掃描碼,使按鍵逐行動態接地〔稱為行掃描、行值,P1端口輸入按鍵狀態〔稱為回饋信號、列值。由行掃描值和列回饋信號共同構成按鍵編碼。因此采用矩陣式鍵盤,選用方案二是更為合理的選擇。2.2硬件部分的設計和計算定時器的選擇演奏音樂是對音符和節拍兩個參數的控制。音符對應不同的聲音頻率,節拍則是音符持續的時間。單片機對這兩個參數的控制采用以下的方式。MCS-51系列單片機中,89S51單片機有兩個16位的定時/計數器T0、T1。在本次的設計中選用定時器T0,定時器T0由寄存器TH0、TL0組成。它們均為8位寄存器,映射在特殊功能寄存器中,地址為8AH~8DH。它們用于存放定時的初始值。定時器的工作方式工作方式的選擇由單片機部的八位方式控制寄存器TMOD和八位控制寄存器TCON來控制的。89S51單片機的定時器有四種工作方式,且不同的工作方式有不同的工作特點。方式0為13位定時/計數方式,最大計數值為8192個脈沖。方式1與方式0基本相同,唯一的區別在于寄存器的位數是16位的,最大計數值為65535個脈沖,是4種定時方式中計數值最大的方式。方式2是8位自動重裝載的定時方式,最大計數值為256個脈沖。方式3只適合定時器T0。根據上述4種定時方式的比較,在該設計中選用定時方式1。初值的計算如音符1的中音頻率是523,使端口P3.0輸出頻率為523的脈沖即可輸出音符"1"的聲音。其周期T=1/523=0.001912=1912<us>。則定時器T0的定時時間=1912〔us/2=956<us>。選用單片機的晶體振蕩頻率為12MHz,即機器周期MC=1us,由前面選擇的工作方式1,則初始值：T0的初始值=65535-956=64580=FC44H已給出了1——7高、中、低音符的頻率,如：表2.1音符1234567低音頻率〔HZ262293329349392440494中音頻率〔HZ523586658697783879987高音頻率〔HZ1045117113161393156317551971經上面計算初值的處理,得到1—7高、中、低音符不同頻率對應的初值,如：音符1234567低音初值F743HF954HFA0FHFA66HFB03HFB8EHFC08H中音初值FC44HFCAAHFD07HFD31HFD8HFDC6HFE04H高音初值FE2HFDFHFE83HFE98HFEBFHFEE2HFF01H表用延時程序控制節拍按鍵在單片機智能控制系統中常用作為人機交互中輸入信息作用,通過按鍵輸入各種信息,調整各種參數或發出控制指令。按鍵處理是一個很重要的功能模塊。在單片機應用系統中,按鍵主要有兩種形式：〔1直接按鍵〔2矩陣編碼鍵盤。在該畢業設計中采用的是矩陣鍵盤。矩陣鍵盤通過行列交叉按鍵編碼進行識別。通常所用的按鍵為輕觸機械開關,正常情況下按鍵的接點是斷開的,當按下按鈕時,由于機械觸點的彈性作用,按鍵在閉合時不會馬上穩定地接通,在斷開時也不會一下子斷開。因而機械觸點在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動,抖動時間的長短由按鍵的機械特性及操作人員按鍵動作決定,一般為5ms~20ms。按鍵閉合時間的長短由操作人員按壓時間的長短來決定,一般為零點幾秒至數秒不等。在這里假設1拍為0.8秒,則1/4拍為0.2秒。用此做延時程序,使其延時DELAY=1個節拍=0.2秒,則其它節拍就是DELAY的倍數,該倍數作為DELAY的延時常數,按表格方式存儲起來,如：表2.3音符1234567低音延時〔秒0.81.61.2中音延時〔秒0.60.80.611.21.41高音延時〔秒0.811.20.8音頻放大器LM386LM386是一種音頻集成功放,具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點,廣泛應用于錄音機和收音機之中。由P3.0輸出的音頻脈沖,經音頻放大器LM386放大,才能推動喇叭。喇叭是一種電聲元件,其作用是將電信號轉換為聲音,也叫揚聲器。電源選用的電源模塊AC/DC,兩輸入端輸入的是交流220V,兩個輸出端其中一段輸出為+5V<電源端>,另一端的0V〔接地端。硬件方框圖,如：圖2.1鍵鍵盤單片機音頻輸出電源由上面的硬件方框圖可知,鍵盤是輸入設備,也即是本次所設計的簡易電子琴的琴鍵,外界的信息通過鍵盤輸送給單片機。在這里即是通過按下鍵盤上某個按鍵,該鍵值所確定的某音符的頻率,經由單片機處理,由單片機的某個端口輸出對應的該音符的音頻脈沖,輸出端接有喇叭,這樣前面輸出的音頻脈沖經由喇叭發出聲音。這也是用單片機制作簡易電子琴的原理。硬件原理圖,見附錄A元器件明細表,見附錄B2.3軟件部分的設計軟件流程圖,見附錄C程序<1>源程序初始化PULSEEQU10h ；聲音脈沖輸出位〔"1”或"0” TONEHIGHEQU40h ；音調高字節 TONELOWEQU41h ；音調低字節 SPEAKERBITP2.0 ；揚聲器 ORG 0000H ；主程序開始地址 LJMP START；轉移到主程序進行 ORG 000BH；定時器T0中斷入口地址 LJMP TIMER0；轉移到T0中斷子程序進行主程序START:MOVSP,#70h；設置棧底地址 MOVTMOD,#01 ；設置T0工作在方式1, MOVIE,#82H ；開中斷 MLOOP:MOVP1,#0FFH MOVA,P1 CPLA；掃描鍵盤,讀入鍵狀態 JZMLOOP；判斷有無鍵按下 CALLGETKEY；調用按鍵子程序處理 MOVB,A JZMLOOP；=0,<1 ANLA,#8 JNZMLOOP；>8 DECB MOVA,B RLA；A=A*2 MOVB,A MOVDPTR,#TONETABLE MOVCA,A+DPTR MOVTONEHIGH,A MOVTH0,A MOVA,B INCA MOVCA,A+DPTR MOVTONELOW,A MOVTL0,A SETBTR0 MOVP1,#0FFH WAIT:MOVA,P1 CJNEA,#0FFH,WAIT MOVR6,#10 ACALLDELAY CLRTR0 LJMPMLOOP獲取鍵碼子程序 GETKEY: MOVR6,#10 ACALLDELAY；延時去抖動 MOVA,P1 CJNEA,#0FFH,K01；確有鍵按下分析鍵碼 LJMPMLOOP；無鍵按下重新掃描盤 K01:MOVR3,#7；7個鍵 MOVR2,#0；鍵碼的指針 MOVB,A；暫存鍵值 MOVDPTR,#KEYTABLE；DPTR指向鍵值表首元 K02:MOVA,R2 MOVCA,A+DPTR；從鍵值表中取鍵值 CJNEA,B,K04；鍵值比較 MOVA,R2；得鍵碼 INCA AJMP RET1 K04:INCR2 DJNZR3,K02 MOVA,#0FFH；鍵值不在鍵值中,即多鍵按下RET1: RET延時子程序 DELAY:MOVR7,#0 DLOOP: DJNZR7,DLOOP DJNZR6,DELAY RET定時器T0中斷子程序 TIMER0: PUSHPSW；將psw壓入堆棧,斷點 CLRTR0；關T0中斷 MOVTH0,TONEHIGH MOVTL0,TONELOW；重新給T0賦初值 SETBTR0；開T0中斷 MOVC,PULSE MOVSPEAKER,C；輸出聲音 CPLPULSE；將聲音輸出關閉 POPPSW；將psw彈出堆棧斷點 RETI；返回主程序音調數據表 TONETABLE:DW64578,64686,64778,64821DW64898,64968,65029 鍵值表 KEYTABLE:DB0FEH,0FDH,0FBH,0F7H DB0EFH,0DFH,0BFH,07FHEND<2>目標程序0000H02000ELJMP000EH0003HFFMOVR7,A0004HFFMOVR7,A0005HFFMOVR7,A0006HFFMOVR7,A0007HFFMOVR7,A0008HFFMOVR7,A0009HFFMOVR7,A000AHFFMOVR7,A000BH02007FLJMP007FH000EH758170MOVSP,#70H0011H758901MOVTMOD,#01H0014H75A882MOVIE,#82H0017H7590FFMOVP1,#FFH001AHE590MOVA,P1001CHF4CPLA001DH60F8JZ0017H001FH120054LCALL0054H0022HF5F0MOVB,A0024H60F1JZ0017H0026H5408ANLA,#08H0028H70EDJNZ0017H002AH15F0DECB002CHE5F0MOVA,B002EH23RLA002FHF5F0MOVB,A0031H900094MOVDPTR,#0094H0034H93MOVCA,A+DPTR0035HF540MOV40H,A0037HF58CMOVTH0,A0039HE5F0MOVA,B003BH04INCA003CH93MOVCA,A+DPTR003DHF541MOV41H,A003FHF58AMOVTL0,A0041HD28CSETBTR00043H7590FFMOVP1,#FFH0046HE590MOVA,P10048HB4FFFBCJNEA,#FFH,0046H004BH7E0AMOVR6,#0AH004DH1178ACALL0078H004FHC28CCLRTR00051H020017LJMP0017H0054H7E0AMOVR6,#0AH0056H1178ACALL0078H0058HE590MOVA,P1005AHB4FF03CJNEA,#FFH,0060H005DH020017LJMP0017H0060H7B07MOVR3,#07H0062H7A00MOVR2,#00H0064HF5F0MOVB,A0066H9000A2MOVDPTR,#00A2H0069HEAMOVA,R2006AH93MOVCA,A+DPTR006BHB5F004CJNEA,B,0072H006EHEAMOVA,R2006FH04INCA0070H0177AJMP0077H0072H0AINCR20073HDBF4DJNZR3,0069H0075H74FFMOVA,#FFH0077H22RET0078H7F00MOVR7,#00H007AHDFFEDJNZR7,007AH007CHDEFADJNZR6,0078H007EH22RET007FHC0D0PUSHPSW0081HC28CCLRTR00083H85408CMOVTH0,40H0086H85418AMOVTL0,41H0089HD28CSETBTR0008BHA210MOVC,10H008DH92A0MOVP2.0,C008FHB210CPL10H0091HD0D0POPPSW0093H32RETI0094HFCMOVR4,A0095H42FCORLFCH,A0097HAEFDMOVR6,FDH0099H0AINCR2009AHFDMOVR5,A009BH35FDADDCA,FDH009DH82FDANLC,F8H.5009FHC8XCHA,R000A0HFEMOVR6,A00A1H05FEINCFEH00A3HFDMOVR5,A00A4HFBMOVR3,A00A5HF7MOVR1,A00A6HEFMOVA,R700A7HDFBFDJNZR7,0068H00A9H7FFFMOVR7,#FFH2.4試驗方案設計的可行性、有效性以選用設計簡易電子琴的方案具有一定的可行性和有效性。用AT89S51單片機滿足設計電子琴的要求,音頻放大器LM386,喇叭,AC/DC電源模塊都是經過一定的條件選出來用的。矩陣形式的鍵盤能節省口線的使用,并且操作簡單。音符初值的計算和處理都是根據相應的公式來計算的,因此該實驗方案具有可行性和有效性。2.5對本次研究的容及研究成果較全面、較客觀的理論闡述本次研究是用單片機制作簡易電子琴,鍵盤作為琴鍵,輸出端接上喇叭。通過按下鍵盤中的某個按鍵,再由單片機處理后,有單片機某個輸出端口輸出對應的音頻脈沖,利用定時器可發出不同頻率的脈沖,不同頻率的脈沖經喇叭驅動放大濾波后,就會發出不同音調。另外,定時器設置的定時參數產生中斷,這一次終端發出脈沖低電平,下一次反轉發出脈沖高電平,由于定時器參數不同,就會發出不同頻率的脈沖。本次設計中按鍵以此,會發出一定數量的脈沖,松開后有一定的延時,但在延時期間繼續檢測鍵盤,若此時又有鍵按下,若被按下的仍未原鍵則聲音不變。否則鍵盤會譯出被按下的另一個鍵的音調。結論通過本次設計,我懂得了如何解決電路中出現的問題,從而能夠使自己跟很好的學習和掌握一些電路常識。在本次畢業設計中,我又相當于把以前學過的知識重新溫習了一遍,對以前學過的知識加以鞏固。我又對一些電子元件有了進一步的了解,如：電阻、電容、晶體振蕩器、電位器、等。還對一些常用的集成模塊有也有了一些了解。如：電源模塊、AT89S51。在Protel99SE繪制硬件原理圖和電路印制板時也用到了許多知識,也發現有很多的問題需要解決。還有之前上課沒有學到的知識,這些問題我可以去圖書館查些相關的資料,不好的是有些資料不是最新的,參考價值不很大。現在是信息發展的高速時代,網絡的應用很廣泛,這就可以上網查到很多有用的且最新的資料,這些資料都還需要整理篩選出來使用。另外還可以通過同學及指導老師來共同探討和解決問題。這次畢業設計對用Protel99SE繪制硬件原理圖和電路印制版圖的知識得到了更深的鞏固。由于對以前學過的知識掌握的不是很牢固,所以在本次設計中遇到了許多問題,不過經過指導老師及同學的共同探討,最后根據大家掌握的知識和查到的相關的資料,把簡易電子琴順利完成設計。總之,通過這次畢業設計我的確感受到自己還有許多的不足之處,在以后的工作和學習中繼續學習,從而充實自己,并且在本次設計中使我學到了不少的東西,有的是我以前沒有學過的東西,也有的是我以前沒有掌握牢固的知識。我會在日后的開發中深入學習加深研究我會爭取把本系統應用到實際工作中,使之產生商業價值。當今電子技術發展日新月異,我會在以后的研發中加入新技術,使之更趨完善,總之本次畢業設計我的電子研發之路的良好開端。我會以此為挈機,在以后的電子開發工作中取得更好的成績。經過這一階段的畢業設計,我深刻明白了理論知識和社會實踐相結合的重要性,從中得到了以前課本知識所不曾得到的知識,更加明白了如今信息時代電子技能知識的重要性。通過這次的畢業設計,我對自己的動手能力有了一定的信心。面臨著就業。我將充分發揮我的主觀能動性和在學校得到的一切知識。為母校添光加瓦,為自己的前程奮斗！這次的畢業設計我感覺還好,我會利用這次的機會再努力的提高自己的能力。也增強了我對實際工藝技術、電子技術和設備技術等方面的認識,掌握了分析處理的方法,調試、計算等基本技能的訓練,具有一定程度的實際工作能力。面對如此激烈的市場競爭體系,只有努力掌握好電子技能知識方可在競爭中立于不敗之地,我對從事電子產品的開發和研究有興趣。希望能通過以后的不斷努力能獲得更多的工藝和電子技術。增強了我對實際工藝技術、電子技術和設備技術等方面的認識,掌握了分析處理方法,有一定的實際工作能力。作為新時代的我們更應該知道現在的科學發展動向,隨著知識經濟和經濟全球化的來臨,通信技術和電子得到了快速的發展,帶來了產業結構的調整和電子行業工作崗位的變化,電子技術應用型人才需求由操作型、技能型轉向智能型、技術型,向高層次、復合型、綜合性、多樣性發展。作為電子行業的我們更應該了解當前的科學發展,特別是作為電子專業的我們更應該了解這些基本知識,才能在以后的學習和工作中發揮特長。致在這里我首先衷心的感我的導師王質樸老師,本文不論是從選題到完成,還是從理論上的探討到實際問題的解決,無不包含著王老師的心血,并且其他同學的相互鼓勵和幫助為畢業設計的正常進行起到了非常大