1、基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报告 单片机课程设计报告书 小组成员 ：吕梦莎 吴玉凤 学 号： 11213072 11213078 班 级：自动化 1106 指导教师：于振宇 基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报告 基于 AT89C51 的屏幕声光式 可录音 电子琴 北京交通大学 电子信息工程学院 吕梦莎 吴玉 凤 摘要： 本文的主要内容是用 AT89S51 单片机为核心控制元件，通过脉冲触发产生出电子音调，与按键、扬声器、 LCD 显示屏等模块组成控制模块，设计一个电子琴。 该系统运行稳定，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
2、，具有一定的 实用与参考价值。 关键词： AT89C51、脉冲触发、屏幕声光式、录音、播放、演奏、 电子琴 。 基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报告 第一章 引言 1.1 设计背景 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。 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
3、的生活中，成为不可替代的一部分。 本文对 利用 单片机设计简易电子琴进行了分析 ， 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。本系统是简易电子琴的设计，按下 四角自锁开关会使 LCD 显示屏显示当前音符名称、播放的歌曲名称或播放的录音名称，同时扬声器播放 对应的音符 ， LED 闪烁相应的节奏 。通过设 计本系统可熟悉掌握 单片机的基本功能。 1.2 设计任务 1、设计以单片机为核心的 简易 电子琴系统，可随意弹 奏想要表达的音乐； 2、针对要求控制的对象完成程序的编制； 3、硬件软件联调，完成题目所要求的功能； 1.3 设计思路 1、发声 部分设计思路 音乐是由不同频
4、率的声音组成的。 利用程序来控制单处机某个口线的 “高 ”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波。 利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调。于是产生 do,re,mi,fa,so,la,xi 七个音符的变换。 2、显示部分设计思路 考虑到信息的多媒体传播已经成为信息化时代的主流，我们给电子琴设计了LCD 显示器和节拍指示 LED 灯，带来视听双重冲击。 LCD 具有功耗低，显示质量高，数字式接口更加稳定可靠的优点。演示过程中 可显示欢迎语，当前功能，按下的音符名称，当前播放的歌曲名称等 。 第二章 方案论证 采用 AT89C51 单片机作为主控芯
5、片，设置 独立按键 、 扬声器、 LCD 显示屏等外围器件，另外还用到一些简单器件如 NPN 型三极管及电阻等。利用按键实现音符和音调的输入； LCD 显示屏 进行被操作的按键显示；用 PNP 型三极管2N2907 实现低音频功率放大；最后用 扬声 器发音。 主控芯片采用 AT89C51 单片机，它是大规模集 成电路技术发展的产物，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。避免了由于元器件种类、个数繁多，而过于复杂的硬件电路也容易引起系统的精度不高、体积过大等不利因素。同 时具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，由于本设计主要用于 娱乐方面，因此在设计上尽量使其安全以及
6、简单易操作。具有经济可行性、技术可行性、实物应用性。 基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报告 第三章 硬件系统设计 3.1 时钟电路 MCS-51 内部 有一个 用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端输出端 。 本图采用内部时钟 电路，如图 3-1 所示， 通常在引脚 XTALl和 XTAL2 上 跨接石英晶体 X1 和两个补偿电容 C1、 C2 构成自激振荡器 。可以根据情况选择 2 12MHz 频率 之间 的石英晶体，补偿电容通常选择 30pF 左右的瓷片电容。 图 3-1 时钟电路 3.2 复位电路 单片机小系统常采用
7、上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。本实验采用上电自动复位方式，其结构图如图 3-2 所示。 上电复 位要求接通电源后，自动实现复位操作。复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复 位信号。对于 MCS-51 单片机，只要在 RST 复位端接一个电容至 VCC 和一个电阻至 VSS 即可。在加电瞬间， RST 端出现一定时间的高电平，只要高电平保持时间足够长，就可以使 MCS-51 复位。 图 3-2 复位电路 基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报告 3.3 原理框图 本系统有主控芯片 AT89C52、扬声器 、显示模块、按键模
8、块 和晶振复位电路 组成。 图 3-3 原理框图 3.4 显示部分设计 为了让电子琴能够显示出音调，我们另外附加了一个 LCD1602 提供屏幕式音调显示，LCD1602 属于字符型液晶，可以显示字母和 数字等字符 。 LCD1602 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字）。 图 3-4 显示电路 3.5 按键部分设计 3.5.1 键盘设计 键盘可以分为 2 类：独立连接式键盘和矩阵式键盘。本设计采用独立式键盘。 独立式按键是直接用 I/O 口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报
9、告 根 I/O 口线，每个按键的工作不会影响其它 I/O 口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。 独立式按键软件常采用查询式结构。先逐位查询每根 I/O 口线的输入状态，如某一根 I/O 口线输入为低电平， 则可确认该 I/O 口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。由于本程序较为简单，为了使用方便及节省资源，选择独立式键盘。下图为独立式键盘电路图： 图 3-5 独立式键盘电路图 3.5.2 去抖动 键盘编程中主要考虑去抖动的问题。 当测试表明有键被按下之后， 紧接着就进行去抖动处理。因为 按 键是机械开关 结构，由于机械触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开
10、的瞬间会出现电压抖动。为保证键识别的准确，在电压信号抖动的情况下不能进行行状态输入。 为此需进行去抖动处理。去抖动有硬件和软件两种方法。硬件方法就是加去抖动 电路，从 根 本上 避 免 抖 动的 产生。软件消 抖，在第一次 检 测 到有 键 按 下 时，执 行一段延时程序之后，再检测此按键，如果第二次检测结果仍为按下状态， CPU 便 确认此按键己按下，消除了抖动。 本实验采用软件消抖法，在按键按下后，执行一段延时程序。 3.6 发音部分设计 如下图所示，发音电路是由扬声器、三极管、变位器构成。由三极管来驱动扬声器发音的，同时加上变位器实现电阻的可调来 增强驱动电流，提高驱动能力 ，从而调节扬
11、声器的音效 。 基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报告 图 3-6 扬声器电路图 第四章 软件系统设计 4.1 系统分析 4.1.1 系统软件的组成 （ 1）键盘扫描程序：检测是否有按键按下，有按键按下则记录按下键的键值，并跳转至功能转移程序；无按键按下，则返回键盘扫描程序继续检测。 （ 2）功能转移程序：对检测到的按键值进行判断，是琴键则跳转至琴键 处理程序，是功能键则跳转至相应的功能程序，我们设计的功能程序有三种，即音色调节功能、 自动播放乐曲 和录音 的功能。 （ 3）琴键处理程序：根据检测到的按键值，查询音调表，给计时器赋值，使发出相应频率的声音。 （ 4）自动播放歌
12、曲程序：检测到按键按下的是自动播放歌曲功 能键后执行该程序，电子琴会自动播放事先已经存放的歌曲 或录音歌曲 ，歌曲播放完毕之后自动返回至键盘扫描程序，继续等待是否有按键按下。 （ 5）录音程序：检测到按键按下的是录音功能键后执行该程序，跳转到键盘扫描程序，检测是否有键按下，有按键按下则记录按下键值 ，根据检测到的按键值，查询音调表 ， 给计时器赋值，使发出相应频率的声音 并跳转到功能转移程序 。 基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报告 4.1.2 系统总体功能流程图 N N Y Y Y 4.2 参数计算 4.2.1 发音原理 若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（ 1/频
13、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。 4.2.2 音调的确定 音调是唱曲时乐音的发音， 一般依次唱成 DO、 RE、 MI、 FA、 SO、 LA、 SI,开始 初始化 T0 键盘扫描 程序 演奏功能键按下 自动播放键按 下 录音功能键按下 查表得到按键音符频率 播放内部存储的音乐 播放音符 记录音符 查表得到按键音符频率 播放
14、音符 基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报告 即唱成简谱的 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7，相当于汉字“多来米发梭拉西”的读音 。 例如，频率为 523Hz，其周期 T 1/523 1912s，因此只要令计数器计时956s/1s 956，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是： N fi2fr， 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： T 65536 N 65536 fi2fr 例如：设 K 655
15、36， fi 1MHz，求 中 音 DO（ 261Hz） 。 T 65536 N 65536 fi2fr 65536 10000002fr 65536 500000/fr， 中音 DO 的 T 65536500000/523 64580。 由音符的频率值可以计算得出各个音调的计数值，如表 4-1 所示： （叫升记号，表示把音在原来的基础上升高半音， b 叫降记音，表示 在原来的基础上降低半音。） 表 4-1 音调频率与计数初值对照 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
16、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 13
17、18 65157 低7SI 494 64524 高 4FA 1397 65178 中1DO 523 64580 #4FA# 1490 65198 #1DO# 554 64633 高 5SO 1568 65217 中 587 64633 #5SO# 166 65235 基于 AT89C51 的屏幕声光式可录音电子琴 设计报告 2RE 1 #2RE# 622 64884 高 6LA 1760 65252 中3MI 659 64732 #6LA# 1865 65268 中4FA 698 64820 高 7SI 1967 65283 采用查表程序进行查表时，可以为这个音符建立一个表格，有助于 单片机
18、通过查表的方式来获得相应的数据 。 4.2.3 节拍的确定 若要构成音乐 ，光有音调是不够的，还需要节拍，让音乐具有旋律（固定的律动），而且可以调节各个音的快满度。“节拍 ” ,即 Beat，简单说就是打拍子，就像我们听音乐不自主的随之拍手或跺脚。若 1 拍实 0.5s，则 1/4 拍为 0.125s，只要设定延迟时间就可以求得节拍的时间，假设 1 拍为 4DELAY，则 1/4 应为 1DELAY，以此类推，得到如表 4-2 所示的节拍与延迟时间对照表 。休止符表示暂停发音。 表 4-2 1/4 和 1/8 节拍的时间设定 曲调值 DELAY 曲调值 DELAY 调 4/4 125 毫秒 调 4/4 62 毫秒 调 3/4 187 毫秒 调 3/4 94 毫秒 调 2/4 250 毫秒 调 2/4 125 毫秒 4.3 程序设计 4.3.1 播放子程序（包括自动播放存储音乐和按键发音） 本设计共两种播放模式，包括自动播放存储音乐和按键发音。上电后，首先开中断并设定定时器 0 为工作方式 1，当自动播放键按下时，进入中断，根据乐谱在定义的音频数组中查找相应音律，然后给定时器赋初值，即开始播放音乐。当 DO、 RE、 MI、 FA、 SO、 LA、 SI 七种音符键按下时，根据音符值在定义的音频数组中查找相应音律，然后给定时器赋初值，即按键发音。
