单片机的多功能电子琴控制系统设计
摘 要本课题对当前大量电子琴相关产品的普遍性能做了一个总体调查后发现，在使用性能以及产品成本方面还有一段很大的空间可以上升，尤其是在功率消耗方面，因此本文选用了AT89C51单片机来作为控制器芯片，结合了LCD1602液晶屏、无源蜂鸣器等核心器件，设计了一款可以实现人工演奏和自动演奏等功能的电子琴控制系统，在软件上使用了C语言进行程序代码编写，经过了大量的仿真测试得出系统中软硬件实现了良好的兼容，并且系统实现了课题预期确立的所有功能指标。将这款电子琴控制系统投入批量生产，可以改善市场上现有产品的总体性能，并能够快速赢得消费用户的青睐。
目录
一、 引言 1
（一） 电子琴的发展背景 1
（二） 电子琴控制系统的国内外发展背景 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 系统主控芯片的选取 3
（二） AT89C51单片机简要介绍 3
（三） 无源蜂鸣器介绍 4
（四） LCD1602液晶屏简介 5
三、 硬件系统设计 7
（一） 电子琴系统的硬件结构框图设计 7
（二） 蜂鸣器输出音符原理 7
（三） AT89C51单片机最小系统设计 8
（四） 电声转换电路设计 9
（五） 电子琴系统键盘电路设计 10
（六） 液晶屏电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 电子琴系统的软件工作流程设计 12
（二） 4*4键盘按键检测流程设计 13
（三） 液晶屏显示流程设计 14
五、 硬件调试与安装 16
总 结 20
参考文献 21
致 谢 22
附录一 原理图 23
附录二 元件列表 24
附录三 程序 25
引言
电子琴的发展背景
电子琴指的是内部能够通过微控制器进行乐理分析并且进行音符自动构造的一类“电子仪器”之所以称它为电子仪器是因为它的内部结构符合电子仪器的内部结构要求，如其内部主要的模块为一块
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
功能强大、具有音频信号分析、处理和输出的微处理器芯片（通常为DSP、FPGA或者单片机芯片），微处理器芯片周围分布着大量的存储器、音频采集模块、音频合成模块以及大量的滤波器和放大器等。电子琴的出现是对钢琴的一种冲击，由于钢琴在生产和制作上全部采用精密的机械结构来实现，为保证钢琴的质量和弹奏效果，所采用的材料也多为上等材质，因此其成本的压缩空间很少，而电子技术以及微处理器技术的飞速发展所带来的技术革命和商业革命，使得大量新型智能电子仪器涌入市场，由于这些电子仪器具有批量生产和生产成本低廉等标签，因此在投入市场后不得不说是对具有相似功能的传统物品的一种严重冲击，电子琴就是这么一种典型电子器件。然而电子琴虽然造价远低于钢琴，但是具有“乐器之王”称号的钢琴的也不是那么容易就遭到慘灭性打击的，在大多数场合钢琴的地位还是不能够完全被电子琴所替代，然而使用电子琴进行弹奏和歌曲伴奏在越来越多的大型演唱会和音乐厅得到了普及，其独特的音色以及超强的模仿能力逐渐赢得了越来越多音乐爱好者的青睐，尤其是其舞台表现效果，是其他乐器所实现不了的。本课题将设计一款采用51单片机作为主控核心的电子琴控制系统，它的系统内部构架与大多数电子琴一样，然而目前绝大多数电子琴在功耗以及性价比等方面存在很大的改进空间，尤其是电子琴内部微处理器对静态工作模式的检测方式上存在明显的缺陷，不能够及时的将电子琴控制系统引导进入休眠模式，使其在开机之后长期处于高功率的工作模式，持续的工作和热量产生对于内部器件无疑是一种损伤，而随着微处理器技术的飞速发展，32位处理器的普及和大量使用正在不断地解决这个问题，32位微处理器不但在处理速度上优于目前电子琴系统内部的处理器芯片，而且其功耗以及多种休眠模式可以使得单片机系统能够在工作和休眠模式之间灵活切换，使得电子琴控制系统在不工作时快速进入静态模式，降低功耗，而在唤醒后，能够立即进入正常的工作状态。
电子琴控制系统的国内外发展背景
根据一份2016年的行业研究报告显示，电子琴在电子乐器中的市场占有率正在逐年上涨，受其舞台表现力所吸引以及不可替代性，越来越多的音乐人对电子琴提出了更苛刻的要求和表现性能，受电子琴市场不断壮大的影响，越来越多的企业和研究小组不断加大研究经费对高端电子琴的研究和设计，前不久美科乐器推出了一款他们最新研制的电子琴，这款电子琴除具有绝大多数电子琴所具有的基本功能外，在音频处理上引入了DSP模块，该模块能够实现对弹奏者在弹奏时产生的不合理音符和节奏进行处理和修正，使得演奏效果大大提升。
本文主要研究内容
本文选用了目前在市场上和大学单片机教学中使用最为广泛，并且受到一致好评的51单片机作为主要控制芯片，以此作为核心芯片，设计了一款能够实现人工演奏和自动演奏两种模式的单片机自动控制系统，通过对硬件系统以及软件系统的构建，轻松地实现了毕业设计初期设立的所有指标和性能。
下列为本课题将要研究和设计的内容：
设计AT89C51单片机最小系统，实现对其他模块的驱动；
设计LCD1602液晶屏电路，实现对音符以及乐曲名的显示；
设计4*4规格键盘电路，并通过动态扫描法实现驱动；
设计无源蜂鸣器电路，实现电声转换；
具有人工演奏和自动演奏两种模式，在人工演奏下，使用者通过按下键盘来选择音符输出；在自动演奏模式下，选择出乐曲名后，系统可自动播放该乐曲。
方案选择及元器件介绍
系统主控芯片的选取
为了实现本文所有的设计指标，必须得对控制系统的主控器芯片进行一个全方位的考核，这不仅仅涉及到它的性能和功能等方面，还要对它外形封装以及管脚数量等情况进行仔细对比。通过对目前微处理器市场上多款常用的器件查阅和学习，最终从中选择出了430单片机以及51单片机两种器件进行全面对比，从而选择出其中一个来进行控制系统的设计。
所谓430单片机指的是TI公司在二十世纪初推出的一种以低功耗为主要特点的控制器芯片，在当时它的低功耗性能达到了单片机市场上的最高水平，该公司的测试人员通过一个新鲜柠檬产生的酸性电压来对430单片机进行供电，使其进入了正常的工作状态，并且柠檬的酸性汁液发出的电量足以使其维持工作达到一小时以上。该低功耗特性使得MSP430单片机迅速赢得了许许多多手持设备设计者的青睐，由于手持设备多是通过电池供电，并且许多外形轻巧的手持设备或者玩具都是通过干电池供电，而干电池的电压最多达到3V左右，许多以5V电压供电的单片机就不适用于这种设备中，而以3.3V供电的430单片机则能轻松工作，这就是430单片机的优势，经过了十几年的发展和优化，430单片机已经形成了多个种类以适用于不同用户，其中F2系列以集成功能模块多、价格低廉赢得了最多的使用者，尤其是学生用户，不但有利于他们学习低功耗的概念，更能使得他们通过配置F2为数不多的寄存器来更快地熟悉430单片机，因此本文若采用F2系列430单片机，那么不但能够使得系统具有低功耗的特点，更能够通过430单片机丰富的配置来使得最终系统取得非常小的外形体积。
目录
一、 引言 1
（一） 电子琴的发展背景 1
（二） 电子琴控制系统的国内外发展背景 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 系统主控芯片的选取 3
（二） AT89C51单片机简要介绍 3
（三） 无源蜂鸣器介绍 4
（四） LCD1602液晶屏简介 5
三、 硬件系统设计 7
（一） 电子琴系统的硬件结构框图设计 7
（二） 蜂鸣器输出音符原理 7
（三） AT89C51单片机最小系统设计 8
（四） 电声转换电路设计 9
（五） 电子琴系统键盘电路设计 10
（六） 液晶屏电路设计 11
四、 软件系统设计 12
（一） 电子琴系统的软件工作流程设计 12
（二） 4*4键盘按键检测流程设计 13
（三） 液晶屏显示流程设计 14
五、 硬件调试与安装 16
总 结 20
参考文献 21
致 谢 22
附录一 原理图 23
附录二 元件列表 24
附录三 程序 25
引言
电子琴的发展背景
电子琴指的是内部能够通过微控制器进行乐理分析并且进行音符自动构造的一类“电子仪器”之所以称它为电子仪器是因为它的内部结构符合电子仪器的内部结构要求，如其内部主要的模块为一块
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
功能强大、具有音频信号分析、处理和输出的微处理器芯片（通常为DSP、FPGA或者单片机芯片），微处理器芯片周围分布着大量的存储器、音频采集模块、音频合成模块以及大量的滤波器和放大器等。电子琴的出现是对钢琴的一种冲击，由于钢琴在生产和制作上全部采用精密的机械结构来实现，为保证钢琴的质量和弹奏效果，所采用的材料也多为上等材质，因此其成本的压缩空间很少，而电子技术以及微处理器技术的飞速发展所带来的技术革命和商业革命，使得大量新型智能电子仪器涌入市场，由于这些电子仪器具有批量生产和生产成本低廉等标签，因此在投入市场后不得不说是对具有相似功能的传统物品的一种严重冲击，电子琴就是这么一种典型电子器件。然而电子琴虽然造价远低于钢琴，但是具有“乐器之王”称号的钢琴的也不是那么容易就遭到慘灭性打击的，在大多数场合钢琴的地位还是不能够完全被电子琴所替代，然而使用电子琴进行弹奏和歌曲伴奏在越来越多的大型演唱会和音乐厅得到了普及，其独特的音色以及超强的模仿能力逐渐赢得了越来越多音乐爱好者的青睐，尤其是其舞台表现效果，是其他乐器所实现不了的。本课题将设计一款采用51单片机作为主控核心的电子琴控制系统，它的系统内部构架与大多数电子琴一样，然而目前绝大多数电子琴在功耗以及性价比等方面存在很大的改进空间，尤其是电子琴内部微处理器对静态工作模式的检测方式上存在明显的缺陷，不能够及时的将电子琴控制系统引导进入休眠模式，使其在开机之后长期处于高功率的工作模式，持续的工作和热量产生对于内部器件无疑是一种损伤，而随着微处理器技术的飞速发展，32位处理器的普及和大量使用正在不断地解决这个问题，32位微处理器不但在处理速度上优于目前电子琴系统内部的处理器芯片，而且其功耗以及多种休眠模式可以使得单片机系统能够在工作和休眠模式之间灵活切换，使得电子琴控制系统在不工作时快速进入静态模式，降低功耗，而在唤醒后，能够立即进入正常的工作状态。
电子琴控制系统的国内外发展背景
根据一份2016年的行业研究报告显示，电子琴在电子乐器中的市场占有率正在逐年上涨，受其舞台表现力所吸引以及不可替代性，越来越多的音乐人对电子琴提出了更苛刻的要求和表现性能，受电子琴市场不断壮大的影响，越来越多的企业和研究小组不断加大研究经费对高端电子琴的研究和设计，前不久美科乐器推出了一款他们最新研制的电子琴，这款电子琴除具有绝大多数电子琴所具有的基本功能外，在音频处理上引入了DSP模块，该模块能够实现对弹奏者在弹奏时产生的不合理音符和节奏进行处理和修正，使得演奏效果大大提升。
本文主要研究内容
本文选用了目前在市场上和大学单片机教学中使用最为广泛，并且受到一致好评的51单片机作为主要控制芯片，以此作为核心芯片，设计了一款能够实现人工演奏和自动演奏两种模式的单片机自动控制系统，通过对硬件系统以及软件系统的构建，轻松地实现了毕业设计初期设立的所有指标和性能。
下列为本课题将要研究和设计的内容：
设计AT89C51单片机最小系统，实现对其他模块的驱动；
设计LCD1602液晶屏电路，实现对音符以及乐曲名的显示；
设计4*4规格键盘电路，并通过动态扫描法实现驱动；
设计无源蜂鸣器电路，实现电声转换；
具有人工演奏和自动演奏两种模式，在人工演奏下，使用者通过按下键盘来选择音符输出；在自动演奏模式下，选择出乐曲名后，系统可自动播放该乐曲。
方案选择及元器件介绍
系统主控芯片的选取
为了实现本文所有的设计指标，必须得对控制系统的主控器芯片进行一个全方位的考核，这不仅仅涉及到它的性能和功能等方面，还要对它外形封装以及管脚数量等情况进行仔细对比。通过对目前微处理器市场上多款常用的器件查阅和学习，最终从中选择出了430单片机以及51单片机两种器件进行全面对比，从而选择出其中一个来进行控制系统的设计。
所谓430单片机指的是TI公司在二十世纪初推出的一种以低功耗为主要特点的控制器芯片，在当时它的低功耗性能达到了单片机市场上的最高水平，该公司的测试人员通过一个新鲜柠檬产生的酸性电压来对430单片机进行供电，使其进入了正常的工作状态，并且柠檬的酸性汁液发出的电量足以使其维持工作达到一小时以上。该低功耗特性使得MSP430单片机迅速赢得了许许多多手持设备设计者的青睐，由于手持设备多是通过电池供电，并且许多外形轻巧的手持设备或者玩具都是通过干电池供电，而干电池的电压最多达到3V左右，许多以5V电压供电的单片机就不适用于这种设备中，而以3.3V供电的430单片机则能轻松工作，这就是430单片机的优势，经过了十几年的发展和优化，430单片机已经形成了多个种类以适用于不同用户，其中F2系列以集成功能模块多、价格低廉赢得了最多的使用者，尤其是学生用户，不但有利于他们学习低功耗的概念，更能使得他们通过配置F2为数不多的寄存器来更快地熟悉430单片机，因此本文若采用F2系列430单片机，那么不但能够使得系统具有低功耗的特点，更能够通过430单片机丰富的配置来使得最终系统取得非常小的外形体积。
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