1、 模拟电子琴发声控制系统 1 摘要 本设计 是用 AT89S52单片机为核心控制元件，设计一个 模拟 电子琴 发声控制系统 。以单片机作为主控核心，与键盘、扬声器 、 LED 显示器 等模块组成核心主控制模块 。 在主控模块上设有 11 个按键 ，其中 7 个按键控制 7 个音符， 1 个作为功能转换键使用，具有手动随意弹奏和自动播放乐曲的功能 ,另外 3 个按键用来实现高、中、低音的音符发音。下面具体介绍一下单片机各端口的分配功能：单片机的 P2.0-P2.6 为输入端口，用来控制 7 个音符的选择弹奏； P2.7 为功能转换键，它能切换手动随 意弹奏和自动播放乐曲的功能； P2.0-P2.
2、2 为单片机控制电子琴实现弹奏高、中、低的功能切换键； P0 端口通过上拉电阻接到 +5V 上，然后接 LED 共阴数码管； P1.0 为单片机的输出端口，它通过限流电阻 R 与三极管级基极相接，三极管的集电极接有接蜂鸣器。 本设计通过控制单片机定时器的定时时间产生不同频率的音频脉冲，经三极管放大信号后驱动蜂鸣器发出不同音节的声音。要实现 7 个音符的各自的高、中、低音，需要建立三个表，分别 存储高音、中音和低音的频率值；当三个拨码开关中某一个按下，通过软件 选择相应的音频。按下弹奏键就可弹奏出不同的声音。 另外 用软件延时来控制发音时间的长短，来控制节拍。通过把乐谱中的音符和相应的节拍变换为
3、定时常数和延时常数，作为数据表格存放在存储器中。由程序查表得到定时常数和延时常数，分别用来控制定时器产生的脉冲频率和发出该音频脉冲的持续时间，这样就可以实现乐曲的演奏。 为了实现按键的准确判断和完善电子琴发声的效果，本设计采用了软件防抖的方法，有效的解决了按键抖动的问题。另外当按下功能切换键，切换至音乐自动播放功能时，本系统能实现七首歌曲的有选择播放，另附带数码管显示提醒。这 样使得电子琴的功能变的更加强大。 本设计为实物电路板设计开发，报告中详细的阐述了电子琴设计的方法和过程。并经过软硬件的调试，该音乐发生器不但能通过键盘弹奏出很好的音调，而且还可以通过键盘选择播放不同的音乐。除此之外，本电
4、子琴还带有显示功能，能显示哪个按键按下，而且相当准确。 本系统运行稳定，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，具有一定的实用和参考价值。 2 目录 1 概述 3 1.1 引言 3 1.2 设计思路 4 1.3 方案论证 4 2 系统总体方案及硬件设计 4 2.1 系统组成及总体框图 4 2.2 元件介绍 5 2.2.1 AT89S52 5 2.2.2 三极管 5 2.2.3 LED 数码管 6 2.3 按键选择方案 6 2.4 各功能模块原理图 6 2.4.1 AT89S52 模块电路原理图 6 2.4.2 键盘扫描模块电路原理图 7 2.4.3 数码管显示模块电路原
5、理图 7 2.4.4 音频 处理模块电路原理图 7 3 软件设计 8 3.1 音乐相关知识 8 3.2 如何用单片机实现音乐的节拍 8 3.3 如何用单片机产生音频脉冲 8 3.4 系统总体功能流程图 10 4 Proteus 软件仿真 11 4.1 ISIS 软件介绍 11 4.2 仿真图介绍 11 5 系统调试 12 5.1 硬件调试 12 5.2 软件调试 12 6 课程设计体会 12 参考文献 12 附 1： 源程序代 码 22 附 2： 系统原理图 23 3 概述 1.1 引言 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。 目前市场上各种品牌、型号的电子琴有上百种，由
6、几十块的玩具电子琴到几百，几千的学习、演奏用琴真是琳琅满目，电子琴能够模仿各种音色和具有自动伴奏功能，这些是电子琴最基本的特征。档次的高低无非是音色模仿的是否逼真，自动伴奏设计的是否丰富，或者增加了其他制作，编曲功能的。 本 设计 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 7 个 音 符 ，最终可随意弹奏想要表达的音乐。并且本 设计 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。 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
7、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 设计思路 从系统实现的功能上来看，电子琴的设计主要分为手动弹奏乐曲和自动播放音乐两大部分组成。手动弹奏乐曲是根据具体的硬件键盘设置了 7个音符按键，3个高、中、低音模式切换键和 1 个功能转换键，自动播放音乐是在单片机的存储器中通过软件编程的方法放置音乐代码和相关播放程序来实现。 从系统硬件结构上来看，主要使用到 52 系列单片机、 7 个键输入电路、 LED数码管显示电路、扬声器以及电源电路等等。将这些硬件电路有
8、机地结合起来使之满足电子琴设计的基本硬件要求。 从系统软件设计角度来看，将电子琴的设计采用程序模块化设计方法， 将程序分为主程序、键盘扫描程序模块、数码显示模块、转换控制模块、音乐产生模块等等。此外，采用程序设计思想，将中断定时方式与外部按键查询方式相结合，实现手动弹奏乐曲到自动播放音乐的切换。 从音乐产生原理方面来看，通过控制单片机的定时器的定时时间产生不同频率的音频脉冲，经放大后驱动扬声器发出不同音乐的声音。用软件延时来控制发音时间的长短，控制节拍。把音乐的音符和相应的节拍变换为定时常数和延时常数，作为数据表格存放在程序存储器中，由程序查表得到定时常数和延时常数，4 分别用来控制定时器产生
9、的脉冲频率和发出音频脉冲的持 续时间。 因此，我们可以综合上述的不同角度的方案设计原理，主要从软件和硬件两部分进行有计划有步骤的系统分析与设计，最终确立总体的设计方案。 1.3 方案论证 采用 AT89C51 单片机进行控制，由于它不具备 ISP 功能，而且其 ROM 只有4K，系统在将来升级方面没有潜力。 采用 AT89S52 单片机进行控制，由于其性价比高，完全满足了本系统设计的要求，它的内部程序存储空间达 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。 系统总体方案及硬件设计 2.1 系统组 成与总体框图 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机
10、型的基础上，具有确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。 该设计要实现一种有单片机控制的电子琴，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 .该设计具有 11 个音节键盘 ,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，本设计可以实现用户自由弹奏音乐。用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐，因为它 没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大器，本设计采用三极管就可以实现信号放大功能。 基于单片机系统的电子琴的基本
11、结构如图（ 1）所示： 图（ 1） AT89S52弹奏按键 功能切换键 时钟电路 复位电路 扬声器 LED 显示 5 2.2 元件介绍 2.2.1 AT89S52 功能特性： AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器 ,使用 Atmel 公司高密度非易失存储器技术制造 ,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程 ,亦适于常规编程器。在单芯片上拥 有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash,使得AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S
12、52具有以下便准功能： 8k 字节 Flash， 256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2 个数据指针，三个 16 位 定时器 /计数器，一个 6向量 2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM 内 容被保存，振荡器被冻结 ， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52。 主要性能： 与 MCS
13、-51 单片机产品兼容、 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 、 1000 次擦写周期 、 全静态操作： 0Hz 33Hz 、 三级加密程序存储器 、 32个可编程 I/O 口线 、三个 16 位定时器 /计数器八个中断源、全双工 UART 串行通道、低功耗空闲和掉电模式 、 掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识 符。 2.2.2 三极管 晶体三极管也称三极管 ,是通过一定的工艺 ,将两个 PN 结结合在一起的器件 .由于 PN 结之间的相互影响 ,使三极管变现出不同于单个 PN 结的特性而具有电流放大功能 ,从而使 PN 结的应用发生了质的飞跃。 本设计采用了 S80
14、50 三极管，它是小功率、 NPN 型的信号放大器。它的外型与封装如下图所示： 6 2.2.3 LED 数码管 本次设计的显示电路采用 LED 数码管显示， LED（ Light-Emitting Diode）是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。 LED 是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。 LED 有单个 LED 和八段 LED之分，也有共阴和共阳两种。 常用的七段显示器的结构如图下图所示。发光二极管的阳极连在一起的称为共阳极显示器 (如图 b所示 ),阴极连在一起的称为共阴极显示器 (如图 c 所示 )。 1位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管 ag 控制七个笔
15、画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。 此外，要画出电路图，首先还要搞清楚他的引脚图的分布，在了解了正确的引脚图后才能进行正确的字型段码编码。才能显示出正确的数字来。 （ a）外形 （ b）共阳极 (C)共阴极 图 3-6 数码管引脚 2.3 按键选择方案 传统电子琴可以用键盘上的“ 1”到“ A”键演奏从低 So 到高 Do 等 11 音。该设计 有 11个按钮矩阵，设计成 21 个音 阶，可以实现音阶在低音 1-高音 7之间。比传统音阶范围大，弹奏效果好。 2.4 各功能模块原理图 2.4.1 AT
16、89S52 模块电路 原理图 7 2.4.2 键盘扫描模块电路原理图 2.4.3 数码管显示模块电路原理图 2.4.4 音频处理模块电路原理图 8 软件设计 3.1 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
17、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。 3.2 如何用单片机实现音乐的节拍 除了音符以外，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 1.6 秒，只要知道 1/4 拍的延时时间，其余的节拍延时时间就是它的陪数。如果单片机要自己播放音乐，那么必须 在程序设计中考虑到节拍的设置，由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。 对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时 /计数器来完成。音乐的音拍，一个节拍
18、为单位（ C 调）具体如下表： 曲调值 DELAY 曲调值 DELAY 调 4/4 125ms 调 4/4 62ms 调 3/4 187ms 调 3/4 94ms 调 2/4 250ms 调 2/4 125ms 音乐节拍表 3.3 如 何用单片机产生音频脉冲 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。 9 在本设计中，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 : 音符频率与计数值 T 的对照表 T的值决定了 TH0 和 TL0 的值， 其关系为： TH0=T/256， TL0=T%256
