电子琴课程设计论文

单片机课程设计报告题目：电子琴课程设计专业班级：电气工程及其自动化104 完成日期：2012年12月20 日电子琴设计任务书设计要求（一）基本功能1. 实现基本的音符1-7的弹奏和数码显示。

2. 自动弹奏播放一首简单的歌曲。

（二）扩展功能1. 随机弹奏曲子时，可以实时记忆，并可复读（重复播放）。

二．计划完成时间三周1．第一周完成软件和硬件的整体设计，同时按要求上交设计报告一份。

2．第二周完成软件的具体设计和硬件的制作。

3．第三周完成软件和硬件的联合调试。

目录1引言 (1)2 总体设计方案 (1)2.1 设计思路 (1)2.2元件介绍 (2)2.3总体设臵框图 (3)3 设计原理分析 (4)3.1音乐产生的原理 (4)3.2软件的总体设计及程序流图 (6)3.3硬件总体方案及说明 (6)总结与体会 (8)参考文献 (8)附录1 (9)附录2 (10)附录3 (11)基于单片机的电子琴控制系统摘要：在现代各种生活中，电子琴作为一种音乐型玩具广泛用于与人们的日常生活中。

市场上有各种各样的电子琴。

特别是日本产的，音质优美，它是有专门的音乐控制芯片制造的。

由于其价格较贵，无法大面积普及，且功能单一。

用89s51作为主控中心，研制一种简易的微型电子琴，尽可能地体现较好的音质来，是一种可做的尝试。

关键词：电子琴，单片机，矩阵键盘，数码管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。

电子琴是高科技在音乐领域的一个代表，它是古典文化与现代文明的一个浓缩体。

它不但可以帮助我们的音乐教师进行传统音乐文化的教育教学工作，而且由于它又具备现代音乐，特别是电子音乐、电脑音乐的基本结构、特征，因而使我们的教师在进行现代音乐、电子音乐、电脑音乐的教学时，更直接、更简便。

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的生活中，成为不可替代的一部分。

基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就是一个很好的应用方面。

单片机技术使我们可以利用软硬件实现电子琴的功能，从而实现电子琴的微型化，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。

并且可以进行一定的功能扩展。

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。

本文主要对使用单片机设计微型电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴统硬件组成。

利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。

并且本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。

2 总体设计方案2.1设臵思路硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，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16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，并且根据所按键，可以再数码管上显示按键值，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。

本设计可以根据要求把产生的音乐记忆下来。

2.2元件介绍2.2.1 AT89S51AT89S51 为 ATMEL 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片，其内部程序代码容量为4KB。

主要功能列举如下：1、为一般控制应用的 8 位单芯片2、晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12MHz）3、内部程式存储器（ROM）为 4KB4、内部数据存储器（RAM）为 128B5、外部程序存储器可扩充至 64KB6、外部数据存储器可扩充至 64KB7、32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 I/O 的控制8、5 个中断向量源9、2 组独立的 16 位定时器10、1 个全多工串行通信端口11、8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能图1AT89S512.2.2 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S8050三极管，它是小功率、NPN型的信号放大器。

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a~g 控制七个笔画（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2 数码管引脚2.3总体设臵框图基于单片机系统的电子琴的基本结构如图（3）所示：图3 电子琴总体设臵框图AT89S51弹奏按键存储功能 时钟电路 复位电路 喇叭显示3 设计原理分析3.1音乐产生的原理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。

若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率），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AT89s51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，例如，频率为523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令计数器计时956μs/1μs＝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=fi/2/fr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＝K－N＝K－fi/2/fr式中K是单片机的16位定时器最大计数值，K＝216 =65536；fi是机器频率，fi ＝1MHz，例如低音DO（262Hz）、低音RE（294Hz）、中音DO（523Hz）、中音RE（587Hz）、高音DO（1046Hz）、高音RE（1175Hz）的计数值如下：T＝65536－N＝65536－fi/2/fr＝65536－1000000/2/fr＝65536－500000/fr低音DO的T＝65536－500000/262＝63628低音RE的T＝65536－500000/294＝63835中音DO的T＝65536－500000/523＝64580中音RE的T＝65536－500000/587＝64684高音DO的T＝65536－500000/1046＝65058高音RE的T＝65536－500000/1175＝65110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，根据以上公式，C调的各音符频率与计数值T的对照如表1表1 音符频率对照表音符频率（HZ）简谱码（T值）音符频率（HZ）简谱码（T值）低1 DO 262 63628 # 4 FA# 740 64860#1 DO# 277 63731 中 5 SO 784 64898低2 RE 294 63835 # 5 SO# 831 64934#2 RE# 311 63928 中 6 LA 880 64968低 3 M 330 64021 # 6 932 64994低 4 FA 349 64103 中 7 SI 988 65030# 4 FA# 370 64185 高 1 DO 1046 65058低 5 SO 392 64260 # 1 DO# 1109 65085# 5 SO# 415 64331 高 2 RE 1175 65110低 6 LA 440 64400 # 2 RE# 1245 65134# 6 466 64463 高 3 M 1318 65157低 7 SI 494 64524 高 4 FA 1397 65178中 1 DO 523 64580 # 4 FA# 1480 65198# 1 DO# 554 64633 高 5 SO 1568 65217中 2 RE 587 64684 # 5 SO# 1661 65235# 2 RE# 622 64732 高 6 LA 1760 65252中 3 M 659 64777 # 6 1865 65268中 4 FA 698 64820 高 7 SI 1967 65283为音符建立一个数据表，单片机通过查表的方式来获得相应的数据。

低音0－19之间，中音在20－39之间，高音在40－59之间TABLE1: DW 64021,64103,64260,64400DW 64524,64580,64684,64777DW 64820,64898,64968,65030DW 65058,65110,65157,65178音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表2所示）表2 曲调值表曲调值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 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。