基于单片机的微型电子琴系统设计

论文总字数：13526字

目 录

1.绪论 1

1.1设计背景 1

1.2课题研究意义和目标 1

1.3本系统的主要研究内容 2

2.系统总体方案设计 2

2.1系统总体设计 3

2.2系统组成与设计流程 3

3.硬件设计 4

3.1 STC89C51 4

3.2时钟信号的产生 5

3.3按键模块 6

3.4数码管显示模块 7

3.5 流水灯 8

3.6蜂鸣器模块 9

3.7自锁开关和DC电源 9

3.8复位电路 10

3.9整体电路 10

4.程序流程图和软件设计 11

4.1蜂鸣器产生音阶的实现 11

4.2流水灯功能的实现 13

4.3程序流程图 13

5.系统仿真与调试 14

5.1仿真软件 14

5.2仿真步骤与调试图 15

5.3电子琴实物图 17

5.4电子琴使用说明 19

6．总结与展望 19

6.1总结 19

6.2展望 20

参考文献 21

致谢 22

基于单片机的微型电子琴系统设计

耿海波

Abstract

This article use the STC89C51 microcontroller as the main controller, combined with some extension of the peripheral equipment: digital tube, buzzer, ten keys. They constitute a display system. Through the design of software, when press the design scale button, the buzzer can produce Do，Re，Mi，Fa，So，La，Si，Do-h, and digital tube will press on the number of buttons. And designs two independent keys can control the playback of two selected music, when playing music can have the effect of flowing water light, this article choose "only a mother good in the world" and "little star" two songs, making simple electronic organ system function can be successfully implemented. The advantages of this system is running stable, design the circuit is simple, the software is perfect, the most important thing is that the cost is low, so the excellent performance, can be used as a reference.

Keywords：STC89C51; electronic organ; digital tube; separate button

2. 绪论

1.1设计背景

随着社会科学技术的不断发展和完善，单片机虽然被发明出来的时间不长，但它的发展以及到了势不可挡的程度。单片机具有独特的结构，使其具有高可靠性、高集成度、控制性和优良的性能价格比等特点，而且具有较强的控制能力、低电压的要求，所以功耗相对较低。随着单片机功能逐渐地拓展与完善，它的应用范围也日益广泛了起来，已经不仅仅是局限于计算机科学的领域。往小了说，有信用卡、小玩具等等；往大了说，航天器、机器人这些都离开单片机。单片机也可以用于数据收集、远程控制、模糊控制等科技系统。其主要的还是应用于智能化仪器仪表、机电一体化、测控系统以及智能接口等领域。

二十世纪初期的时候，电子技术已经被广泛地应用于社会的各个领域，这当然包括了乐器制造业这一庞大的产业，许多新型的电子乐器也随之诞生。就这样，在美国，一种被称为“电子管风琴”的乐器被发明了出来。名字的由来是因为该乐器的外形以及它的演奏方式都很像管风琴。它的发声是基于电子技术手段，从而能够简单地模仿一些乐器的声音，还能产生新的电子音响，这可能就是今天的电子琴一开始的模样。五、六十年代时期，电子音乐、计算机音乐渐渐步入了蓬勃发展时期^[1]。

单片机与微型电子琴之间就产生了奇妙的化学反应，现在玩具市场庞大，微型电子琴就是其中一种重要的组成部分，单片机技术让我们可以运用相应的知识设计出简易电子琴，能够实现电子琴的微型化，而且功能齐全，价格便宜，还能进行一定的功能扩展。本设计的主要内容就是基于单片机的微型电子琴设计。通过单片机电子琴设计，我们能深入了解单片机和微型电子琴。另外，还需要掌握一些音乐知识。用不同的音阶组成一首乐曲，每一个音阶对应不同的频率，我们要做的就是尝试不同频率的组合，这样就可以完成一首我们想要的歌曲。

1.2课题研究意义和目标

随着社会的发展和进步，现在人们娱乐活动也随之变多了起来，放松的时间日益增多，生活水平提高也促使了音乐成为了人们娱乐的一种重要方式。学习和欣赏音乐可以洗礼精神、陶冶情操，在放松的时候也能提高人们的精神品质和个人素养。而且，随着电视节目上的音乐节目越来越多，如中国好声音、我是歌手、蒙面歌王等节目的热播，爱好音乐的年轻人也在日益增多。而有些乐器的学习难度高，价格还昂贵，很大一批人承担不起这个费用。而像微型电子琴这样的简单的电子乐器价格相对便宜，也好学，可以让爱好者可以买得起。而现在的电子玩具供不应求的市场，我们也可以使微型电子琴做玩具，也是一个很好的商机。比如音乐转盘、音乐童车、音乐芭比娃娃等等。

单片机其实是一个小小的芯片，但这个小小的芯片上却拥有了计算机各个功能部件，以此构成一种单片式的微小型计算机。从上世纪八十年代到现在，单片机迅猛而飞速地发展，应用也随之不断深入，从而产生了各种新技术。这些新技术也被广泛应用于人类生活的各个领域。成为了当今科学技术现代化中不可或缺的重要工具。

微型电子琴的出现已经有一百多年了，经过一个世纪的发展，它的功能日益完善，制造起来也非常简单，运用现代化技术可以使它的音色会更加逼真。现在电子琴市场非常庞大，各类元件制作的电子琴非常之多，而且，儿童对这类电子琴产品有着很高的要求，很大的需求。本次设计的是一种比较廉价、可靠性好的微型电子琴，当然因为成本略低，它的音色并不是很好，然而因为用单片机作为主控制器，该系统拥有更高的稳定性，更多的音阶产生。所以基于市场推广的应用价值，制作了这么一类微型电子琴，它的成本不高，而且可靠性好、功能强。通过按键来让它控制产生音阶，这种设计主要的消费者还是一些儿童和小孩，因为它有它的局限性。当然这类设计能够根据自己的要求对系统功能进行拓展，满足自己对这方面的需求。

本次策划用单片机制作微型电子琴当作选中的题目，其目标是从平时的一些微小处着手，将理论与实验两者相结合，从而可以在在实验中发现自己的不足，这样对单片机的认识也会更深入，掌握一些单片机芯片的应用也会更加熟练，使理论和实验相得益彰，使自己对单片机有了一个飞跃式的认识。

1.3本系统的主要研究内容

这篇文章从电子琴的出现以及发展出发，介绍了一些特别时间段国际上研究电子琴的成果，详细地探究了各类微型电子琴的制作和原理，而且提出了一种设计微型电子琴的优化方案，系统的核心控制部分用 STC89C51 型号单片机，然后对硬件和软件进行调试和运行，最后实现了对电路的设计，对仪器的性能、显示和存储。本设计采用单片机控制定时/计数器T0产生的方波频率信号，每个尺度对应不同频率的信号，分别由相应的按钮控制。要求的音阶是通过单片机生成的相应频率来得到，最后可任意的弹奏需要弹奏的乐曲。在控制器的设计中，该仪器的声音是用来中断系统和定时/计数器的原则，它可以用来播放和播放音乐。这次策划的思路清楚、简单、廉价，改进了微型电子琴的掌控方法，极致表现了电脑作为智能控制终端的好处。

本次策划目标是微型电子琴，要符合成本低、功能好的原则，制定以下主要研究内容：

1. 电子琴设计方案的选择。
2. 掌握STC89C51相关的基础知识、音乐和微型电子琴的一些相关知识，并研究如何将STC89C51做出微型电子琴的设计。
3. 系统硬件的电路设计。
4. 系统软件设计。
5. 系统仿真与测试。
6. 利用单片机做出实物。
7. 系统总体方案设计

2.1系统总体设计

本次设计的系统分成两个部分，第一是八个按键控制电子琴演奏八个音阶，第二个则是两个独立按键控制音乐播放。

软件部分采用C语言来编写，时钟信号则是靠晶振电路来产生，并控制频率，将每个音阶的频率转换成简谱码（T值）编写在C语言程序中。

设计出简单的小键盘，以STC89C51芯片为最小系统控制电路，该功能是由八个按键控制播放，用蜂鸣器来发出这八个不同音阶和音乐，一个普通的共阳极数码管依照按下的按键的不同来显示不同的数字。并且额外增加两个按键用来播放两首歌曲，还设计了8个LED组成流水灯，当音乐播放时会有流水灯效果。这样，我们可以完成简单的八个音阶按键和两个音乐播放按键。

本次设计需要达到的要求有以下几点：

1. 两个按键按下，可以发出两首选定音乐的旋律；
2. 八个按键分别控制八个音阶的产生；
3. 电子琴能准确地播放准确的音阶；
4. 数码管能显示相应按键的数字。
5. 流水灯在播放音乐的时候会触发；

如上，可画出相应的总体框架图，如图1所示。

图1 总体框架图

2.2系统组成与设计流程

本次策划用STC89C51单片机为主控的中心，搭配八个音阶控制按键、两个音乐播放按键、一位八段数码管、DC电源插口、自锁开关以及LED流水灯来构成。另外配合一些器件如：三极管、电解电容、瓷片电容、无源晶振以及若干电阻。

本次设计的流程是先选择相应器件，构建电路，然后编写C语言程序，之后运用proteus和keil软件来仿真调试，确认无误后，做出微型电子琴实物，再进行测试，测试成功，完成本次设计。设计制作流程图如图2所示。

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