1、燕山大學本科畢業設計答辯簡易型掌上電子琴的系統設計簡易型掌上電子琴的系統設計答辯人： 指導老師：目錄 課題背景及研究意義 總體設計思路 簡易型電子琴的硬件設計 簡易型電子琴的軟件設計二十世紀初，隨著現代科技的進步，電子技術被廣泛地應用到社會各個領域，樂器制造業也不可避免地受其影響，誕生了許多新興的電子樂器。五、六十年代，電子音樂、計算機音樂逐漸進入蓬勃發展時期。1959年，世界第一臺全晶體管雙排鍵電子琴（Electone）“D-1”在日本誕生了世界上第一臺雙排鍵電子琴電子琴是一種集趣味性和實用性為一體的鍵盤樂器，其本質上是一種電子合成器。電子琴的聲音帶與鋼琴相比，更具有電子風格，更適合搖滾和流

2、行樂的表達。目前市面上電子琴的產品極為豐富，國外產品以CASIO和YAMAHA公司的產品最為暢銷。國內方面相關行業起步較晚，其中吟飛、華星等國產品牌廠商已經推出了具有世界一流水準的產品。隨著單片機的發展，各種小型電子產品的核心控制成本得到了顯著的降低，簡易電子琴系統就是以單片機為核心部件設計的一個簡易的電子琴。我選單片機電子琴這個選題的目的在于通過從日常生活中的細微之處著手，將所學的理論知識與實踐更好的結合起來，在設計制作電子琴的過程中，更加熟練的掌握單片機的應用，在更深刻的理解理論知識的同時鍛煉提高自己的動手實踐能力，使理論和實際能夠相得益彰。為此，本論文擬提出一套能夠實現樂曲演奏及燈光顯示

3、功能的簡易型掌上電子琴系統，并選用相應的硬件實現。掌握單片機STM8S105的工作原理及編程方法；掌握矩陣型鍵盤編程方法；掌握定時/計數器的工作原理；掌握1602顯示屏的工作原理及編程方法掌握音頻放大器LM386的編程方法及工作原理； 設計一種掌上電子琴的簡約型系統，實現電子琴基本音符的彈奏功能； 音頻放大器使用LM386模塊，掌握其工作原理及編程方法； 發生模塊使用板載小型揚聲器; 鍵盤模塊使用4*4矩陣鍵盤，確定不同鍵的鍵值，16個鍵發出16個音符，另外提供一個復位鍵。 顯示模塊使用1602液晶模塊，實現必要的界面射擊，顯示當前按下鍵符，當按下鍵符后對應顯示0F。 實現幾種燈光特效。本系統

4、主要實現三個功能：音樂播放、電子琴演奏和數字顯示。音樂播放部分：本設計就是用單片機STM8S105的兩個定時器控制，在引腳上輸出方波周期信號，產生其對應頻率的樂音，通過矩陣式鍵盤的按鍵產生不同的音符，數字顯示部分：用于配合發音部分的功能，進行簡單的展示和人機交互，是系統和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，提供更加友好的功能。電子琴演奏部分：實際上就是把彈奏的每個按鍵的所對應的值處理后送給單片機，然后在單片機內把處理后的數字當作指針指向所對應的音符，從而發出對應的聲音。程序主流程如圖所示，采用模塊化設計。包括主邏輯模塊、定時器模塊、I/O模塊、矩陣鍵盤掃描模塊、數碼管顯示模塊、發聲模塊。右圖為該

5、簡易型掌上電子琴的邏輯流程圖，其運行狀態大致可劃分為三種狀態：初始化狀態、待機狀態以及執行狀態。開始開始待機待機執行執行STM8系列是意法半導體公司生產的8位單片機，STM8S屬于其標準系列。其為高級STM8內核，具有3級流水線的哈佛結構。與51系列單片機相比，具備更強更豐富的功能，TIM1TIM4、ADC、SPI、BEEP等。可以從初期就接觸到各種功能模塊的學習，在了解外設的同時深入掌握CPU的結構與功能。矩陣鍵盤的列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當按鍵沒有按下時，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一

6、旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態就可得知是否有鍵按下。液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。1602液晶顯示器是一種字符型顯示模塊，即專門用于顯示字母、數字、符號等內容的點陣式LCD。1602LCD分為背光式和非背光式兩種，控制器為HD44780，帶背光的要比不帶背光的厚一些，然而實際使用中并無差別。LM386是美國國家半導體公司生產的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少，電壓增益內置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至200。輸入端以地

7、位參考，同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態功耗僅為24mW，使得LM386特別適用于電池供電的場合。程序的編寫采用C語言，基于ST官方函數庫來實現。這樣有助于提高程序的可移植性，且通過結構體、枚舉類型、指針變量等將各個模塊的資源進行了整合與統一，使得函數庫結構清晰，增加了程序的可讀性。STM8S的I/O口較少，當外部按鍵較多時，為減少接口占用，通常將按鍵排列成矩陣形式，在每條水平線和垂直線交叉處通過一個按鍵加以連接。在軟件中可以采用逐行掃描或者高低電平轉換法識別按下的按鍵。逐行掃描法實現容易，邏輯清晰。將4位接口循環輸出0值，然后讀取高4位值，若哪一位上有輸出，即

8、可根據前4位的狀態確定具體是哪一個鍵被按下。在實現過程中，還要考慮去抖動和連續按鍵判定等問題。1.鍵盤防抖在讀取到鍵碼以后，延時一定的時間，如果能再次讀取到鍵碼則被認為是有效按鍵動作，否則為無效動作。通過這樣的邏輯判斷可以有效去除抖動。2.初始化對PC1.PC2.PE5引腳設置為開漏輸出模式，對PA6.PA5.PA4端口設置為輸入模式，完成鍵盤功能的初始化。3.防止串鍵根據電子琴的工作特點，在主邏輯中取得返回值以后，通過邏輯判斷選擇8種按鍵執行動作，同一時間只能有一個按鍵動作被執行，不會發生串鍵。1602液晶模塊內部的字符發生存儲器（CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有

9、：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。 1.液晶屏初始化將RS和R/W置0，依次寫入初始化指令，設置顯示屏的顯示模式、開顯示、清屏。2.函數封裝將1602寫入數據的指令寫為獨立的函數，并預留出參數接口。這樣在調用時可以直接使用指令+參數的模式，減少了編程工作量，使程序清晰易懂。此外，還將清屏指令單獨作為函數，方便調用。3.功能設計1602內置了可以識別英文字符和日文片假名字符的功能，因此在編程時直接寫入數據即可。要實現中文顯示或圖片顯示，需要通過取模軟件進行相關的代碼轉換。音持續時間的長短即時值，一般用拍數表示，休止符表示暫停發音。 一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應著不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數對應的延時，構成音樂。了解音樂的一些基本知識后可知，產生不同頻率的音頻脈沖即能產生音樂，對于單片機而言，產生不同頻率有脈沖非常方便，可以利用它的定時/計數器來產生這樣的方波頻率信號，因此，需要弄清楚音樂中的音符和對應的頻率，以及單片機定時計數的關系。彩燈控制是單片機最基