ATmega16电子琴的设计与实现.doc

简易电子琴的设计与实现

2011年10月16日

目 录
摘要…………………………………………………………………………3
引言…………………………………………………………………………3
1、 方案的设计与论证…………………………………………………… 3
1.1芯片选择………………………………………………………… 3
1.2电源控制模块…………………………………………………… 3
1.3功放模块……………………………………………………………3
1.4键盘输入模块………………………………………………………4
2、系统框图和仿真图………………………………………………………4
3、各模块的设计与论证……………………………………………………5
3.1中央处理器MCU…………………………………………………… 5
3.2 4x4键盘……………………………………………………………5
3.3功放模块…………………………………………………………… 6
4、程序流程图………………………………………………………………7
5、总结………………………………………………………………………8
6、源程序……………………………………………………………………8

摘 要：本设计设计了一种基于ATmega16 的电子琴, 该电子琴由用 C语言控制核心部件和适当的外围电路构成, 可从琴键上进行演奏也可自动进行乐曲演奏,实验验证了该设计的正确性。
关键词：电子琴;乐曲演奏；自动演奏；ATmega16
引言：进入21世纪后，由于电子技术及计算机技术的迅猛发展，新型电子产品的更新换代速度越来越快。以单片机为核心构成的智能化产品具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未有的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有领地。
本作品是基于单片机控制系统的简易电子琴，可实现通过按键控制，发出1、2、3、4、5、6、7……等十六个音符。该电子琴亦能够自动演奏乐曲，也可手动进行乐曲选择；实验验证了该设计的正确性。
1、方案的设计和论证
1.1芯片选择
方案一：核心芯片：atmega16单片机
优点：对于atmega16的使用较熟悉，基本功能实现比较容易。
缺点：I/O口多，配置起来容易出错。
方案二：核心芯片：8051单片机
优点：I/O口配置较为方便，芯片价格便宜。
缺点：使用汇编语言编程，较为繁琐，况且队员汇编语言知识薄弱。
通过比较，结合自身的知识，选择方案一。

1.2电源控制控制模块
方案一：外置开关电源，其优点是电路设计比较简单。
方案二：运用晶体管的开关功能设计电源开关控制电路，通过向单片机输入外部中断来使得单片机自动控制电源的关断。
为使设计简便，采用方案一。

1.3功放模块
方案一：采用LM386芯片对对输出的音乐信号进行放大，其优点是电路简单，稳定性强；
方案二：采用TDA2822芯片放大音乐信号，但是TDA2822在单电源供电下，工作不是很稳定。
考虑到稳定性因素，选用方案一

1.4键盘输入模块
方案一：采用矩阵键盘（N×M），每个按键占据行列的一个交点，需要的I/O口数目是N+M,容许的最大键数是N×M。
方案二：采用独立式按键新型键盘，但占用硬件资源较多。
为了节省资源，选择方案一。

2、系统框图和仿真图
基于ATmega16电子琴系统的硬件总体结构图如图1所示，主要包括中央处理器MCU、，功放模块、键盘模块。

图1

3、各模块的设计与论证
3.1中央处理器MCU

图2
中央处理器选用的是ATMega16，如图2所示。
PB0～PB7用于连接键盘输入；PD5用于音律PWM的输出；PA0连接自动演奏按钮。
单片机输出频率CTC不同的信号来产生各种音符，将歌曲各个音符的转化成相应的数字信号，存放在单片机程序寄存器中，当播放音乐时，程序从该寄存器里读取数据，然后以CTC信号的模式传给功放电路，实现放音乐的功能。
3.2 4x4键盘

图3
键盘与接PB口连接，见图3。
键盘的工作原理： 按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V 电源上。无按键按下时，行线处于高电平的状态， 而当有按键按下时， 行线电平与此行线相连的列 线电平决定。

3.3 功放模块

图4

这里的功放模块采用了传统的LM386芯片，采用该芯片是因为LM386具有自身功耗低, 电压增益可调整, 电源电压范围大, 外接元件少和总谐波失真小等优点,尤其是在增益为20DB时使用的外围原件极少。具体的单路连接如下图4所示。
4、程序流程图

5、总结
经过一翻辛苦努力，终于搞定了电子琴了。这个过程中团队合作让我们收获很多。两个同学一起做，不可能每个同学对每项内容都了解得很透彻，需要知识互补。另外，遇到困难的时候不能指望让一个同学独自解决，团队合作不崇尚单打独斗。

6.源程序（部分）
//端口初始化
void port_init(void)
{
PORTA = 0xFF;
DDRA = 0x00;
PORTB = 0xFF;
DDRB = 0xF0;
PORTC = 0x00;
DDRC = 0x00;
PORTD = 0x20;
DDRD = 0x20;
}

//****************************************

void init_devices(void)
{
CLI(); //禁止所有中断
MCUCR = 0x00;
MCUCSR = 0x80;//禁止JTAG
GICR = 0x00;
port_init();
//timer1_init();
SEI();//开全局中断
}
//****************************************
void delay_ms(uint ms)
{
uint i,j;
for(i=0;i<ms;i++)
{for(j=0;j<1141;j++);}
}

//****************************************
void show_music1(void) //猎人进行曲
{
uint ii,y1,y2,y3;
uint music1[]={ -2,500,100,1,200,400,
1,150,0,2,150,0,3,150,0,4,150,0,5,150,400,
3,200,50,3,200,50,2,200,50,5,200,50,2,200,50,5,200,50,
3,150,0,4,150,0,3,150,0,2,150,0,1,150,50,-2,150,50,1,150,400,
1,150,0,2,150,0,3,150,0,4,150,100,5,150,400,
3,200,50,3,200,50,2,200,50,5,200,50,7,200,50,6,200,50,5,200,800
};

for(ii=0;ii<96;ii+=3)
{
y1=music1[ii];
y2=music1[ii+1];
y3=music1[ii+2];
OCR1AH = voice_H_rate[y1+9];
OCR1AL = voice_L_rate[y1+9];
TCCR1A = 0x40;
TCCR1B = 0x09;//启动定时器
delay_ms(y2-1);
if(y3!=0) //判断歌曲是否停顿
{
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0x00;//停止定时器
}
delay_ms(y3);
}
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0x00;//停止定时器
}
//****************************************
void show_music2(void) //两只老虎
{
uint ii,y1,y2,y3;
uchar music2[]=
{1,200,100,2,150,100,3,200,100,1,400,1000,
1,200,100,2,150,100,3,200,100,1,400,1000,
3,200,100,4,200,100,5,500,200,
3,200,100,4,200,100,5,500,200,
5,100,50,6,100,50,5,100,50,4,100,50,
3,200,100,1,200,2000,
5,100,50,6,100,50,5,100,50,4,100,50,
3,200,100,1,200,2000,
2,200,100,-2,400,1000,1,400,4000,
2,200,100,-2,400,1000,1,400,4000
};
for(ii=0;ii<(sizeof(music2));ii+=3)
{
y1=music2[ii];
y2=music2[ii+1];
y3=music2[ii+2];
OCR1AH = voice_H_rate[y1+9];
OCR1AL = voice_L_rate[y1+9];
TCCR1A = 0x40;
TCCR1B = 0x09;//启动定时器
delay_ms(y2);
if(y3!=0) //判断歌曲是否停顿
{
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0x00;//停止定时器
}
delay_ms(y3);
}
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0x00;//停止定时器
}
//****************************************
void show_music3(void) //小星星
{
uint ii,y1,y2,y3;
uint music3[]={1,200,400,1,200,400,5,200,400,5,200,400,
6,200,400,6,200,400,5,400,800,
4,200,400,4,200,400,3,200,400,3,200,400,
2,200,400,2,200,400,1,400,800,
5,200,400,5,200,400,4,200,400,4,200,400,
3,200,400,3,200,400,2,400,1000,
5,200,400,5,200,400,4,200,400,4,200,400,
3,200,400,3,200,400,2,400,800,
1,200,400,1,200,400,5,200,400,5,200,400,
6,200,400,6,200,400,5,400,800,
4,200,400,4,200,400,3,200,400,3,200,400,
2,200,400,2,200,400,1,400,800};

for(ii=0;ii<126;ii+=3)
{
y1=music3[ii];
y2=music3[ii+1];
y3=music3[ii+2];
OCR1AH = voice_H_rate[y1+9];
OCR1AL = voice_L_rate[y1+9];
TCCR1A = 0x40;
TCCR1B = 0x09;//启动定时器
delay_ms(y2);
if(y3!=0) //判断歌曲是否停顿
{
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0x00;//停止定时器
}
delay_ms(y3);
}
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0x00;//停止定时器
}
//****************************************
void show_music4(void) //祝你生日快乐
{
uint ii,y1,y2,y3;
uchar music4[]= {5,20,50,5,20,100,6,50,0,5,50,200,8,50,0,7,60,100,
5,20,50,5,20,100,6,50,0,5,50,200,9,50,0,8,60,100,
5,20,50,5,20,100,12,50,0,10,50,100,8,40,0,7,40,0,6,70,100,
11,20,50,11,20,100,10,50,0,8,50,0,9,60,100,8,60,200};
for(ii=0;ii<(sizeof(music4));ii+=3)
{
y1=music4[ii];
y2=music4[ii+1];
y3=music4[ii+2];
OCR1AH = voice_H_rate[y1+2];
OCR1AL = voice_L_rate[y1+2];
TCCR1A = 0x40;
TCCR1B = 0x09;//启动定时器
delay_ms(y2*10);
if(y3!=0) //判断歌曲是否停顿
{
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0x00;//停止定时器
}
delay_ms(y3);
}
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0x00;//停止定时器
}
//****************************************

void show_select(uint n)
{

}
//****************************************
uchar scan_key(void)
{

uchar i,j,in,ini,inj;
uchar find=0;
for(i=0;i<4;i++)
{
PORTB=act[i];
delay_ms(10);
in=PINB;
in=in<<4;
in=in|0x0f;
for(j=0;j<4;j++)
{
if(act[j]==in)
{
find=1;
inj=3-j;
ini=i;
}
if(act[j]==in)break;
}
if(act[j]==in)break;
}
if(find==0)
return 16;
return (ini*4+inj);
}

//****************************************
void main(void)
{
uchar c;
uint n;
init_devices();
n=0;
while(1)
{
if(PINA==0xFE)
{delay_ms(10);
if(PINA==0xFE)
{
for(n=0;n<5;n++);
n=(rand())%5;
if(n==1)
{show_music1();}
if(n==2)
{show_music2();}
if(n==3)
{show_music3();}
if(n==4)
{show_music4();}
}
}
PORTB = 0x0F;
DDRB = 0xF0;
if(PINB!=0x0F)
{
c=scan_key();
if(c!=16)
{
OCR1AH = voice_H_rate[c];
OCR1AL = voice_L_rate[c];
TCCR1A = 0x40;
TCCR1B = 0x09;//启动定时器
while(c!=16)
{
if(PINB!=key_if_keep[c])
c=scan_key();
}
}
}
TCCR1A = 0x00;
TCCR1B = 0x00;//停止定时器
}
}