基于單片機的電子琴及音樂播放器的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 聲器發出的聲音就會亂七八糟，不成音樂。按下鍵盤的一支鍵，就等于接通一只開關，只允許某一種頻率的信號通過到放大器里去，揚聲器就發出一個音來。這樣，按照一定的演奏規律來按鍵，就能奏出美妙的音樂來。電源的任務是給各部分供電。 下面進一步介紹振蕩器和分頻器的工作原理。振蕩器一般用 LC 電感三點振蕩電路。如果忽略晶體管、電阻等因素的影響，則它的振蕩頻率 f 可由下式決定 ： 振蕩頻率 f 公式只要適 當選擇電感 L 和電容 C 的數值，就可以得到所需要的信號頻率。分頻器是一個雙穩態電路，即晶體管 BG1導通、 BG2截止和 BG1截止、 BG2導通兩種穩定狀態。如果在它的輸入端輸入一個信號脈沖，它就翻轉一次，即由一種穩態迅速變成另一種穩態，再輸入一個信號脈沖，它又會翻轉一次，還原成起始的穩態。這樣，在它的輸入端輸入兩個信號脈沖時，在它的輸出端就得到一個信號脈沖。就是說，輸出信號頻率比輸入信號頻率低一半，好像用 2除過一樣，所以叫二分頻 。 電子琴使用二分頻電路是音階規律的需要。音樂中的基本音階的頻率是按照一定規律排列的，以 C 調為例，音階中各音之間的頻率（單位為赫茲）關系是 ： 音階中各音之間的頻率關系說明一個音的頻率剛好是比它低八度音的頻率的兩倍。所以，只要把一個音的頻率除以 2就得到比它低八度的一個音的頻率。實現這一點就需要使用二分頻電路。這樣，只要振蕩器產生一個標準音的頻率信號，如高音 “1”的信號，通過二分頻就產生中音 “2”的頻率，再一次二分頻就產生低音 “1”的頻率了。如果按照鍵盤上最高音組的頻率制作七個振蕩器，并將得到的七個音階信號分別二分頻，便可得到低八度的一組音階信號；再次二分頻，就可得到再低八度的一組音階信號。依此類推， 最后，就能得到鍵盤上所有的音階信號了。不過，實際上需要制作 12個振蕩器和更多的分頻器，因為一組鍵盤中還有五支黑鍵 [12] 。 畢業設計（論文） 5 振 蕩 器電 源分 頻 器鍵盤放 大 器揚 聲 器 圖 2 1 電子琴的原理框圖 音樂播放器的原理 音樂 播放器是利用數字信號處理器 DSP（ Digital Sign Processer）來完成處理傳輸和解碼 音樂 文件的任務的。 DSP 掌管隨身聽的數據傳輸，設備接口控制，文件解碼回放等活動。 DSP 能夠在非常短的時間里完成多種處理任務，而且此過程所消耗的能量極 少 （這也是它適 合于便攜式播放器的一個顯著特點）。 首先將歌曲文件從內存中取出并讀取存儲器上的信號 → 到解碼芯片對信號進行解碼 → 通過數模轉換器將解出來的數字信號轉換成模擬信號 → 再把轉換后的模擬音頻放大 → 低通濾波后到耳機輸出口，輸出后就是我們所聽到的音樂了 [14] 。 基于單片機的電子琴及音樂播放器的設計 6 主 控 芯 片L C D 顯示L C D 顯示 控 制器功 能 鍵矩 陣U S B 接 口耳 機 放大 器D / A 轉換解 碼 器內 置F L A S HS M C 外置 接 口1 M F L A S H1 . 5 V 電源3 V 電 源電 源 供給 電 路電 源 管理 圖 2 2 音樂播放器的原理框圖 電子琴及音樂播放器 電子琴是現代電子科技與音樂結合的產物，是一種新型的鍵盤樂器，而音樂播放器也深深的融入人們的平常生活中，它們在現 代音樂扮演者重要的角色。 但略感遺憾的是電子琴只可以彈奏卻不能隨意的播放喜歡的歌曲，而音樂播放器 除了選擇歌曲和顯示歌名外，絕大部分播放器沒有諸如隨意彈奏樂曲、樂曲節奏跳動顯示等功能。正是基于 向多功能 方向 出發，提出 這種電子琴和 音樂播放器的設計方案 。 設計方案選擇 設計電子琴音樂播放器有很多種設計方法，方案也是多種多樣的。由于大規模集成電路數字芯片的高速發展，各種數字芯片品種多樣，導致對模擬數據的采集部分的不一致性，進而又使對數據的處理和顯示的方式的多樣性。而同時單片機技術也在同時發展，在不同領域應用廣泛 。所以在設計前應比較兩種方案的優劣，做到最佳選擇。 1． 由可控硅制作電子琴 這種設計方案是將 220V 的交流電經變壓器降壓，再經過整流、濾波，獲得 +的直流電壓。將單向可控硅 SCR 和電阻電容組成馳張振蕩器電路。從而制作出電子琴。 2．由單片機做主控芯片 這種方案是 基于 AT89S52 單片機的電子琴和音樂播放器的設計。 它是以AT89S52 單片機為核心 ， 并輔有一些外圍器件 ， 采用匯編語言編寫程序 ， 實現多功能音樂播放 ， 歌曲自動循環播放和使用琴鍵自編曲目功能 。 此外 ， 彩燈顯示歌曲節奏 ， 按鍵跳轉到喜愛曲目 ， 液晶 顯示當前播英文曲目 。系統初始化后，進入默認播放功能。開始從第一首曲目開始循環播放。如果啟動中斷，判斷是否為模式切換。如果是，則進入自編曲電子琴功能，實現自彈自編。如果不是，則繼續循環播放內設音樂。播放過程中如果出現跳選曲目，則進入相應的曲目程序。 采用可控硅制作電子琴的制作成本高且復雜。采用 AT89S52 單片機進行控制，由畢業設計（論文） 7 于其性價比高，完全滿足了本次設計智能化的要求，它的內部程序存儲空間達到8K，使軟件設計有足夠的內部使用空間，使用方便，抗干擾性能提高。 基于上述比較，該設計中采用單片機作為 主控芯片來完成設計。 基于單片機的電子琴及音樂播放器的設計 8 第 3 章 系統硬件設計 系統總體框圖 本次設計的 整個硬件電路是由中心控制、播放、選曲、顯示、電子琴和彩燈等模塊組成。該硬件系統框圖如圖 31 所示 。 中 心 控 制 模 塊A T 8 9 S 5 2播 放 模 塊彩 燈 模 塊8 按 鍵 電 子 琴模 塊液 晶 顯 示模 塊5 首 音 樂 的 選擇 按 鈕自 彈 音 樂 和 歌 曲 自動 播 放 轉 換 按 鈕 圖 3 1 硬件系統設計框圖 一個稍復雜的系統不可能只有硬件電路，軟件設計在單片機系統設計中也占有很重要的位置。 軟件部分的設計在很大程度上受限于硬件電路的設計，兩者只有 相輔相成才能完成一個系統應有的功能，各個模塊之間必須有適當的連接才能達到軟件部分所需實現的功能。 中心控制模塊 單片機在該設計中主要起主控作用，處理數據，后驅動顯示電路顯示，有著不可替代的功用。 單片機的選擇 在這一設計中，我們涉及到了一個關鍵系統模塊 ： 單片機系統模塊，而目前單片機的種類是很繁多的，主要有主流的 8 位單片機和高性能的 32 位單片機，結合本設計各方面因素， 8 位單片機對于本設計已經是綽綽有余了，但將用哪一種類 8 的單片機呢。 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統，具有一個完整計算機所需要的大部分部件： CPU，內存，總線系統等。而目前常用的單片機的 8 位有 51 系列單片機、AVR 單片機、 PIC 單片機。 AT89S52 為 ATMEL 所生產的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K在系統可編程 Flash 存儲器。 在設計中選擇單片機 AT89S52 作為系統的核心控制部件，原因是因為 AT89S52 的功能全部兼容 MCS51。完全 滿足設計需要，實現整個 系 統控 制 。 畢業設計（論文） 9 AT89S52 引腳說明 一、 AT89S52 主要 功能列舉如下： 擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統可編程 Flash 晶片內部具時鐘振蕩器（傳統最高工作頻率可至 12MHz） 內部程序存儲器（ ROM）為 8KB 內部數據存儲器（ RAM）為 256 字節 32 個可編程 I/O 口線 8 個中斷向量源 三個 16 位定時器 /計數器 三級加密程序存儲器 全雙工 UART 串行通道 二、 AT89S52 各引腳功能介紹： E A / V P31X119X218R E S E T9RD17WR16I N T 012I N T 113T014T115P 10/ T1P 11/ T2P 123P 134P 145P 156P 167P 178P 0039P 0138P 0237P 0336P 0435P 0534P 0633P 0732P 2021P 2122P 2223P 2324P 2425P 2526P 2627P 2728P S E N29A L E / P30T X D11R X D10 A T 8 9S 5 2 圖 3 2 AT89S52 引腳排列圖 VCC： AT89S52 電源正端輸入，接 +5V。 VSS：電源地端。 XTAL1：單芯片系統時鐘的反相放大器輸入端。 XTAL2：系統時鐘的反相放大器輸出端，一般在設計上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統就可以動作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 20PF 的小電容，可以使系統更穩定，避免噪聲干擾而死機。 RESET： AT89S52 的重置引腳，高電平動作，當要對晶片重置時，只要對此引腳電平提升至高電平并保持兩個機器周期以上的時間， AT89S51 便能完成系統重置的各項動作，使得內部特殊功能寄存器之內容均被設成已知狀態，并且至地址 0000H 處開始讀入程序代碼而執行程序。 EA/Vpp： EA為英文 External Access的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動作，也就是說當此引腳接低電平后，系統會取用外部的程序代碼（存于外部 EPROM中）來執行程序。因此在 8031 及 8032 中， EA 引腳必須接低電平，因為其內部無程序基于單片機的電子琴及音樂播放器的設計 10 存儲器空間。如果是使用 8751 內部程序空間時，此引腳要 接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至 8751 內部 EPROM 時，可以利用此引腳來輸入 21V 的燒錄高壓（ Vpp）。 ALE/PROG： ALE 是英文 Address Latch Enable的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號。AT89S52 可以利用這支引腳來觸發外部的 8 位鎖存器（如 74LS373），將端口 0 的地址總線（ A0～ A7）鎖進鎖存器中，因為 AT89S52 是以多工的方式送出地址及數據。平時在程序執行時 ALE 引腳的輸出頻率約是系統工作頻率的 1/6，因此可以用來驅動其他周邊晶片的時基輸入。此外在燒錄 8751 程序代碼時，此引腳會被當成程序規劃的特殊功能來使用。 PSEN：此為 Program Store Enable的縮寫，其意為程序儲存啟用，當 8051 被設成為讀取外部程序代碼工作模式時（ EA=0），會送出此信號以便取得程序代碼，通常這支腳是接到 EPROM 的 OE腳。 AT89S52 可以利用 PSEN 及 RD 引腳分別啟用存在外部的 RAM 與 EPROM，使得數據存儲器與程序存儲器可以合并在一起而共用 64K 的定址范圍。 PORT0（ ～ ）：端口 0 是一個 8 位寬的開路汲極（ Open Drain） 雙向輸出入端口，共有 8 個位， 表示位 0， 表示位 1，依此類推。其他三個 I/O 端口（ PP P3）則不具有此電路組態，而是內部有一提升電路， P0 在當做 I/O 用時可以推動 8個 LS 的 TTL 負載。如果當 EA 引腳為低電平時（即取用外部程序代碼或數據存儲器），P0 就以多工方式提供地址總線（ A0～ A7）及數據總線（ D0～ D7）。設計者必須外加一鎖存器將端口 0 送出的地址栓鎖住成為 A0～ A7，再配合端口 2 所送出的 A8～ A15 合成一完整的 16 位地址總線，而定址到 64K 的外部存儲器空間。 PORT2（ ～ ）：端口 2 是具有內部提升電路的雙向 I/O 端口，每一個引腳可以推動 4 個 LS 的 TTL 負載，若將端口 2 的輸出設為高電平時，此端口便能當成輸入端口來使用。 P2 除了當做一般 I/O 端口使用外，若是在 AT89S52 擴充外接程序存儲器或數據存儲器時，也提供地址總線的高字節 A8～ A15，這個時候 P2 便不能當做 I/O 來使用了。 PORT1（ ～ ）：端口 1 也是具有內部提升電路的雙向 I/O 端口，其輸出緩沖器可以推動 4 個 LS TTL 負載，同樣地若將端口 1 的輸出設為高電平，便是由