基于单片机的电子琴课程设计报告

基于单片机的电子琴课程设计报告内容摘要：

C接通来实现。 时钟电路设计 图 时钟电路 单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。 通常在引脚 XTALl 和 XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构图中 Y C C2。 可以根据情况选择 6MHz、12MHz或 24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择 30pF左右的瓷片电容。 3 电子琴硬件设计 键盘电路设计 常用的按键有三种：机械触点式按键、导电橡胶式和柔性按键（又称触摸式键盘）。 机械触点式按键是利用 机械 弹性使键复位，手感明显，连线清晰，工艺简单，适合单件制造。 但是触点处易侵入灰尘而导 致接触不良，体积相对较大。 导电橡胶按键是利用橡胶的弹性来复位，通过压制的方法把面板上所有的按键制成一块，体积小，装配方便，适合批量生产。 但是时间长了，橡胶老化而使弹力下降，同时易侵入灰尘。 单片机电子琴课程设计 赵伟 6 柔性按键是近年来迅速发展的一种新型按键，可以分为凸球型和平面型两种。 柔性按键最大特点是防尘、防潮、耐蚀，外形美观，装嵌方便。 而且外形和面板的布局、色彩、键距可按照整机的要求来设计。 但是由于客观条件与经济能力有限，本系统采用机械触点式按键。 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。 图 键盘电路 利用所给键盘的 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8八个键，能够发出 7个不同的音调，而且有一个按键可以自动播放歌曲，要求按键按下时发声，松开延时一小段时间，中间再按别的键则发另外一音调的声音，当系统扫描到键盘按下，则快速检测出是哪一个按键被按下，然后单片机的定时器启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出相应的音调。 如果在前一个按下的键发声的同时有另一个按键被按下，则启动中断系统。 前面的发音停止，转到后按的键的发音程序。 发出后按的键的音调。 单片机电子琴课程设计 赵伟 7 显示电路设计 图 流水灯显示电路 本设计利用 8 个灯对应 8个按键的功能显示，当按下 17按键时对应 7个音调同时对应的小灯闪烁，当按下第 8 个按键时播放歌曲同时小灯轮闪，闪亮的时间等于音调的长短，小灯之间的切换时间为节拍时间，这样就实现了小灯随音乐而跳动闪烁的景象。 使小灯随音乐跳动起来，这就是小灯显示的优点。 串口电路设计 本设计采用 MAX232串口转换芯片其性能特点如下： 符合所有的 RS232C技术指标； 只需要单一 +5V电源供电 ； 片载 电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生 +10V和 10V电压 V+、 V； 功耗低，典型供电电流 5mA； 内部集成 2个 RS232C驱动器 ； 内部集成两个 RS232C接收器 ； 高集成度，片外最低只需 4个电容即可工作。 MAX232 芯片是美信公司专门为电脑的 RS232 标准串口设计的单电源电平转换芯片 ,使用+5v单电源供电。 内部基本上可以分为三部分 ： 第一部分是电荷泵电路。 由 6脚和 4只电容构成。 功能是产生 +12v和 12v两个电源，提供给 RS232串口电平的需要。 单片机电子琴课程设计 赵伟 8 第二部分是数据转换通道。 由 1 1 1 14脚构成两个数据通道。 其中 13脚（ R1IN）、 12脚（ R1OUT）、 11脚（ T1IN）、 14脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8脚（ R2IN）、 9脚（ R2OUT）、 10脚（ T2IN）、 7脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从 11引脚（ T1IN）、 10引脚（ T2IN）输入转换成 RS232数据从 14脚（ T1OUT）、7脚（ T2OUT）送到电脑 DB9插头； DB9插头的 RS232数据从 13引脚（ R1IN）、 8引脚（ R2IN）输入转换成 TTL/CMOS数据后从 12 引脚（ R1OUT）、 9引脚（ R2OUT）输出。 第三部分是供电。 15脚 GND、 16脚 VCC（ +5v）。 下图所示为 MAX232管脚封装图。 图 MAX232 封装引脚图 图 串口电路 电容器应选择 1μF 的电解电容。 单片机电子琴课程设计 赵伟 9 由于 RS232 电平较高，在接通时产生的瞬时电涌非常高，很有可能击毁 MAX232，所以在使用中应尽量避免热插拔。 如图。 发音电路设计 图 扬声器发声电路 本设计采用 9012PNP型三极管， 三极管 9012是一种常用的小功率 PNP型硅管， 在图中，三极管主要是做驱动用的，因为单片机的 IO 口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音，所以我们通过三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音，当 三极 管导通，集电极电流通过蜂鸣器让 蜂鸣器发出声音，当输出低电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，所以就不会发出声音，从而实现单片机控制发声。 4 电子琴软件设计 电子琴发声原理 一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波 频率，也就是说不能象电子琴那样能奏出多种音色的声音。 因此单片机奏乐只需 弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和“节拍”。 音调表示一个音符唱多高的 频率，节拍表示一个音符唱多长的时间。 在音乐中所谓“音调”，其实就是我们 常说的“音高”。 在音乐中常把中央 C 上方的 A 音定为标准音高，其频率 f=440Hz。 当两个声音信号的频率相差一倍时，也即 f2=2*f1时，则称 f2比 f1高一个倍频程 , 单片机电子琴课程设计 赵伟 10 在音乐中 1（ do）与 .1， 2（ re）与 .2„„正好相差一个倍频程，在音乐学中称它 相差一个八度音。 在一个八度音内，有 12个半音。 以 1— i 八音区为例， 12 个 半音是： 1— ＃ ＃ 1— 2— ＃ ＃ 2— 3— 4— ＃ 4，＃ 4— 5 一＃ ＃ 5— 6— ＃ ＃ 6— 7— i。 这 12 个音阶的分度基本上是以对数关系来划 分的。 如果我们只要知道了这十二个音符的音高，也就是其基本音调的频率，我 们就可根据倍频程的关系得到其他音符基本音调的频率。 知道了一个音符的频率后，我们就可以采用通过单片机的定时器定时中断 的方法，将单片机上对应蜂鸣器的 I/O 口来回取反，或者说来回清零，置位，从 而让蜂鸣器发出声音，为了让单片机发出不同频率的声音，我们只需将定时器予 置不同的定时值就可实现。 我们就以本次设计中标准音高 A为例进行演示。 A的频 率 f = 440 Hz,其对应的周期为： T = 1/ f = 1/440 =2272μ s 图 脉冲产生原理图 由图 ,单片机上对应蜂鸣器的 I/O 口来回取反的时间应为： t=T/2=2272/2=1136μ s 这个时间 t 也就是单片机上定时器应有的中断触发时间。 一般情况下，单片机奏乐时，其定时器为工作方式 1，它以振荡器的十二分 频信号为计数脉冲。 设振荡器频率为 f0，则定时器的予置初值由下式来确定： t=12*（ TALL– THL） /f0 式中 TALL = 216 = 65536,THL为定时器待确定的计数初值。 因此定时器的高 低计数器的初值为： TH=THL/256=(TALL– t*f0/12)/256 TL=THL%256=(TALL– t*f0/12)%256 将 t=1136μ s 代入上面两式（注意：计算时应将时间和频率的单位换算一致）， 单片机电子琴课程设计 赵伟 11 即可求出标准音高 A 在单片机晶振频率 f0=12Mhz，定时器在工作方式 1下的定时 器高低计数器的予置初值为： TH440Hz=(65536– 1136*12/12)/256=0XFB TL440Hz=(65536– 1136*12/12)%256=0X90 根据上面的求解方法，我们就可求出其他音 调相应的计数器的予置初值。 音符的节拍我们也可以举例来说明。 在一张乐谱中，我们经常会看到这样的 表达式，如 1=C、 1=G„„ 等等，这里 1=C,1=G表示乐谱的曲调，和我们前面所谈 的音调有很大的关联，、就是用来表示节拍的。 以为例加以说明，它表示乐谱中 以四分音符为节拍，每一小结有三拍。 比如： 图 部分乐谱图 在图 1 、 2 为一拍， 5 为一拍， 6为一拍共三拍。 1 、 2的时长为四分音符的一半，即为八分音符长， 4的时长为八分音符的一半，即为十六分音 符长， 5 的时长为四分音符的一半，即为八分音符长， 6的时长为四分音符长。 一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为 400— 500ms。 我们以一 拍的时长为 400ms 为例，则当以四分音符为节拍时，四分音符的时长就为 400ms， 八分音符的时长就为 200ms，十六分音符的时长就为 100ms。 可见，在单片机上控制一个音符唱多长可采用循环延时的方法来实现。 首先，我们确定一个基本时长的延时程序，比如说以十六分音符的时长为基本延时时间，那么，对于一个音符，如果它为十六分音符，则只需调用一次延时程序，如果它为 八分音符，则只需调用二次延时程序，如果它为四分音符，则只需调用四次延时程序，依次类推。 通过上面关于一个音符音调和节拍的确。