基于單片機的電子琴控制系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u5658摘要 19867第1章緒論 265851.1課題背景 264911.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3314621.3課題的研究內(nèi)容 412576第2章系統(tǒng)總體設(shè)計 4187662.1設(shè)計要求 4117442.2單元電路設(shè)計 58131方案二：USB供電 713952第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計 929553.1單片機簡介 9259413.2驅(qū)動發(fā)聲電路 1079733.3按鍵電路 11262053.4晶振電路 1351603.5OLED顯示 137198第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 15156584.1軟件設(shè)計思想 15103514.2音樂的產(chǎn)生 15204334.3系統(tǒng)程序設(shè)計 1924776第5章電路調(diào)試 2242215.1PCB制作 22127405.2硬件調(diào)試 23297385.3綜合調(diào)試 2421497第6章總結(jié)與展望 26129226.1總結(jié) 2611126.2展望 2720751參考文獻 27摘要電子琴是音樂和科技相結(jié)合的產(chǎn)物，它在人們?nèi)粘Ｉ钪谐蔀榱艘环N非常重要的樂器，結(jié)合單片機強大的控制功能和靈活實現(xiàn)編程的特性，更是成為不可取代的存在。本次設(shè)計的電子琴大體上可以把它劃分為硬件設(shè)計電路和軟件設(shè)計兩個組成部分，其中主要的硬件電路是采用stm32單片機作為主控芯片，輔以外圍的各種擴展電路如蜂鳴器、按鍵、顯示等元件，形成一個完全采用可編程控制的顯示處理系統(tǒng)；軟件設(shè)計部分是通過芯片內(nèi)部的一個可以改變PWM的信號和輸出頻率的定時器，使用蜂鳴器和延時方式對發(fā)出的信號以及音調(diào)的頻率進行控制，從而使得信號能發(fā)出不同的聲音和節(jié)拍，就可以演奏出音樂。該電子琴共設(shè)有10個按鍵，使用者可以直接播放或演奏自己喜歡的音樂。關(guān)鍵詞：電子琴；單片機；音符；頻率第1章緒論1.1課題背景電子樂器的快速發(fā)展和現(xiàn)代科技息息相關(guān)，電子技術(shù)正在逐步改善現(xiàn)代人們的日常生活和工作。由于現(xiàn)今我國玩具市場需求量很大，而電子琴作為新興的一種樂器，就是其中很好的一個應(yīng)用方面。電子琴的歷史并非像中國一些傳統(tǒng)樂器那么悠久，它到今天僅有幾十年的歷史。在二十世紀五十年代，日本人發(fā)現(xiàn)了電子琴的特別之處，果斷買斷電子琴技術(shù)，開始大批量的對電子琴進行生產(chǎn)，并且逐漸生產(chǎn)出各式各樣的電子琴，不久電子琴出現(xiàn)在藝術(shù)教育行列之中，電子琴風(fēng)靡全世界。電子琴在二十多年前才出現(xiàn)在我國的教育行列之中，目前在我國常見的電子琴主要有兩種:一種是帶有手提和腳鍵盤的立式電子琴;另外一種就是用來普及有關(guān)音樂教學(xué)的便攜式電子琴。這兩種類型的電子琴都在能模仿其他樂器以及大自然中的聲音以外，可以發(fā)出自己特有的聲音。電子琴還在音樂教育中具有其獨到之處。從這些年考級人數(shù)增長的變化就可以看出其發(fā)展的勢頭。電子琴需求量逐年攀高的原因主要有三個方面：一是它的價格便宜，一般工薪階層能夠承受得起；二是它豐富多變的聲調(diào)，一下子就能夠深深地抓住每個小孩子的眼球；三是音樂和藝術(shù)教育方面，在素質(zhì)教育中音樂教育已經(jīng)成為一種重要的手段，被越來越多的人所認識，其中許多人并不是非要走專業(yè)道路，而是對大多數(shù)人來說它是一種很好的選擇，所以使用電子琴的人也越來越多?，F(xiàn)在市面上所存在的一些新型電子琴不管是它的音色還是節(jié)奏，甚至是一些其他的音樂功能都進行了極大的改善。樂器的音色和節(jié)奏均增加上調(diào)了幾百種，功能配置方面的不足也都進行了改善提高，其優(yōu)勢繼續(xù)發(fā)展?，F(xiàn)在由于電子琴在現(xiàn)實中的使用方面更為簡單易操作，因此被廣泛地應(yīng)用于教育意義和教學(xué)內(nèi)容上。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀雖然單片機誕生的歷史不是很長，但它們的發(fā)展十分迅猛，在集成程度、功能、速率、可靠性、應(yīng)用場景等方面都朝著更高層次發(fā)展?，F(xiàn)在這種單片機被廣泛應(yīng)用于電氣與控制設(shè)備、工程自動化的儀器、圖像與測量設(shè)備、運輸能力、信號與處理設(shè)備、現(xiàn)代武裝兵器、醫(yī)療設(shè)備、商務(wù)和家用電器等多個領(lǐng)域。計算機方面的技術(shù)在科技生活中應(yīng)用極其廣泛，絕大多數(shù)的軟件設(shè)計是利用多媒體技術(shù)完成的，模擬電子琴的設(shè)計和制作也離不開這一技術(shù)，因此隨著計算機技術(shù)的發(fā)展模擬電子琴技術(shù)也在不斷的進步。電子琴也是電子樂器的一種，隨著電子多媒體技術(shù)的發(fā)展以及各種軟件程序的不斷改良，電子琴的更新速度也隨之增加，憑借其簡單便捷的的使用界面得到了眾多電子琴藝術(shù)愛好者的贊賞，而且它的功能基本達到了真實的完整的電子琴的水平。因此，通過微機計算機的控制設(shè)計實現(xiàn)的多功能玩具類電子琴受到各界的廣泛的關(guān)注以及喜愛[3]。電子琴在我國傳統(tǒng)現(xiàn)代音樂中已經(jīng)是一種完全不可能被替代的伴奏樂器，它是現(xiàn)代科學(xué)與傳統(tǒng)音樂的巧妙結(jié)合。由于這種新型單片機本身具備了非常強大的控制處理功能和靈活且多樣化的應(yīng)用編程語言實現(xiàn)設(shè)計的能力[1]，所以本設(shè)計的主要研究內(nèi)容是基于新型單片機的一種玩具電子琴。以stm32單片式主機為設(shè)計核心的音頻控制器，與按鍵、顯示器、蜂鳴式發(fā)聲器等組合構(gòu)成了一個核心控制模塊，可用于快速實現(xiàn)對音樂的播放。在音樂播放工作模式下，由帶有核心控制模塊的單片機自動控制各個模塊進行音頻協(xié)同驅(qū)動運轉(zhuǎn)，放音控制設(shè)備耳機或驅(qū)動揚聲器放出音樂；在音頻電子琴播放模式中，從音樂信號產(chǎn)生的工作原理角度看，是通過單片機定時器程序?qū)γ}沖信號進行調(diào)頻控制，定時器控制脈沖發(fā)出的次數(shù)和具體發(fā)音持續(xù)的時間來控制每個節(jié)拍，把音頻節(jié)拍音符和其相應(yīng)的節(jié)拍脈沖轉(zhuǎn)化為定時頻率常數(shù)和延時頻率常數(shù)，做成一個音頻數(shù)據(jù)表格一并存放到程序的數(shù)據(jù)存儲器中，分別被程序用來實時檢測和控制定時器所驅(qū)動產(chǎn)生的節(jié)拍脈沖工作頻率和發(fā)出來的音頻節(jié)拍脈沖的連續(xù)工作時間，產(chǎn)生不同頻率的脈沖輸出，經(jīng)過放大后，由按鍵輸入的脈沖信號通過stm32單片機控制并驅(qū)動蜂鳴器便能夠發(fā)出不同的樂音[16]。在stm32單片機上面所進行開發(fā)設(shè)計的電子琴中，每個具有各種功能不同的軟件程序與硬件之間既“獨立”又“協(xié)作”，在電子琴信號連接器收到一個信號指令后，立即開始運行相應(yīng)的軟件程序，從而實現(xiàn)電子琴所設(shè)計的各項常用音樂控制功能，也就可以控制電子琴各種音樂的正常演奏和播放。1.3課題的研究內(nèi)容本課題集中于多功能玩具電子琴的研究，實現(xiàn)電子琴演奏和自動的應(yīng)用功能，主要研究內(nèi)容如下部分：（1）通過查閱文獻，了解玩具電子琴的國內(nèi)外情況和存在的問題，確定課題的主要方向和研究重點；（2）根據(jù)設(shè)計要求確定系統(tǒng)的總體設(shè)計；（3）熟悉手動彈奏、自動演奏預(yù)存樂曲和簡譜碼顯示功能的工作原理，根據(jù)設(shè)計要求繪制系統(tǒng)硬件電路圖、PCB圖，最終實現(xiàn)電子琴的設(shè)計；（4）在音樂播放與演奏中，掌握音調(diào)高低與頻率的關(guān)系。研究生成樂理中各個音階的基礎(chǔ)理論和設(shè)計思路；（5）編寫程序，完成軟件部分的設(shè)計；（6）制作實物，并進行實物驗證和調(diào)試。第2章系統(tǒng)總體設(shè)計2.1設(shè)計要求本課題將設(shè)計一種多功能玩具電子琴，它可以實現(xiàn)手動演奏、自動演奏預(yù)存的樂曲及簡譜代碼顯示等功能。主要任務(wù)和目標(biāo)：可以預(yù)存至少5首歌曲，并且能夠選擇是演奏歌曲還是自動播放歌曲；在播放音樂的時候，能夠直接實現(xiàn)樂譜的顯示，可以重置和暫停；通過按鍵實現(xiàn)電子琴彈奏功能；完成外圍電路設(shè)計，包括音樂曲目的顯示電路設(shè)計、按鍵電路設(shè)計、功放控制電路等，完成器件的選型，繪制系統(tǒng)硬件工作原理框圖、PCB電路示意圖；完成硬件組成部分的焊接和安裝調(diào)試，測試該硬件的可靠性，總結(jié)需要加強和改善的地方，使所設(shè)計的電子琴實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。2.2單元電路設(shè)計2.2.1單片機的選擇方案一：stm32系列單片機是一款價格較低實用功能較強的單片機。其內(nèi)核與一般的嵌入式軟件相比，擁有的外部設(shè)備更為先進，具有串行外設(shè)數(shù)據(jù)接口以及通用的異步收發(fā)傳輸器等，在主要功能方面它的性能更高、成本更低、設(shè)計功耗更低，在功耗和系統(tǒng)集成度方面也有著突出的特點，同時其簡潔的整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)點再加上強大的處理功能，使它的應(yīng)用頗為廣泛。stm32單片機特性：具有ARM32位的CPU，最高工作頻率為72MHz；片上集成32-512KB的Flash存儲器，6-64KB的SRAM存儲器；2.0-3.6V的電源供電和接口電壓，4-16MHz的晶振，內(nèi)部40kHz的RC振蕩電路，用于CPU時鐘的PLL，用于RTC可校準(zhǔn)的32kHz晶振；系統(tǒng)采用串行調(diào)試SWD與JTAG接口模式；最多可以同步提供112個的快捷I/O端口，11個定時器，13個通訊接口。利用stm32f103t8u6單片機實現(xiàn)這次的設(shè)計，它擁有多個外部中斷，四個定時器，其中一個高級定時器，三個通用定時器，具有PWM輸出的模式，共36個引腳，除基本的輸入輸出功能之外還有復(fù)用功能，其外部裝置功能強大，是一種能夠方便使用且功能很強大的單片機，同時還可以直接對相關(guān)的寄存器件進行操作。方案二：51單片機從控制硬件到應(yīng)用軟件有它自己的位處理操作系統(tǒng)。它能夠?qū)纹瑱C內(nèi)信號的實時傳送、放置、清零、檢測等這些特殊功能寄存器進行實時處理，其處理對象是位。對位數(shù)據(jù)不僅具有實時處理功能并且可以進行各種邏輯上的計算，這一功能被廣泛使用，已經(jīng)極其完善。并且單片機內(nèi)具有雙重地址功能的地址區(qū)間存在于ram區(qū)，其使用較為靈活，這一地址區(qū)間給使用者工作提供了巨大的方便。但51單片機與其他更多的八位單片機相同都不具備乘法運算的功能，如若需要進行一個乘法運算時，則需要編寫一個子程序并對其進行調(diào)試，才能得知是否可以進行運算使用，十分不便。運用51單片機設(shè)計制造電子琴是通過控制I/O口輸出高電平和低電平的頻率，從而控制蜂鳴器發(fā)出不同的音調(diào)。51單片機的一些缺點：因單片機功能缺少，若想實現(xiàn)該功能則需要對設(shè)計的硬件以及軟件部分進行擴展，這樣就增大了設(shè)計的負擔(dān)。雖然I/O引腳的工作方式使用簡便，但在高電平條件下工作沒有任何輸出功率，雙數(shù)據(jù)指針運行速度慢；保護性能非常差，很容易直接損傷整個芯片。兩種單片機相比較后可以發(fā)現(xiàn)：因stm32系列單片機有豐富的庫函數(shù)可以直接調(diào)用，并且其內(nèi)部資源也比51單片機多，所以在程序編寫上比51系列單片機更加的省力省時，還能有更多的選擇；51系列單片機雙數(shù)據(jù)指針等的數(shù)據(jù)運行緩慢，51單片機最高工作頻率可達40MHz,而stm32最高工作頻率可以達到72MHz；利用51單片機進行編寫時只需要配置寄存器就可以完成，stm32單片機要打開相應(yīng)的時鐘后才能開始工作，stm32效率更高、執(zhí)行速度更快、功能更強大(豐富的外設(shè)、多個管腳、可重映射的管腳功能)等。兩種不同解決方案相比，51單片機雖然本身價格便宜，但是其功能簡單，I/O口少，而stm32具有36個引腳，并且其定時器分別具有PMM輸出的模式，可以更加方便對蜂鳴器的發(fā)聲進行控制。本次電子琴的設(shè)計中總共包括10個按鍵，發(fā)光器件，蜂鳴器等，需要的I/O口比較多。因此選用I/O口較多的stm32f103t8u6來作為控制芯片。2.2.2顯示部分方案一：LED價格低廉，操作方便，控制容易，布板省時，使用得當(dāng)非常地引人注目。但是顯示的信息不太直觀，往往只能起到單純的裝飾作用。方案二：LCD可以較好的顯示所要表達的內(nèi)容，直觀明了。但是接線比較復(fù)雜，需要的驅(qū)動多，還需要輸入比較多的內(nèi)容來生成字符，增加了難度，花費較多的時間。方案三：OLEDOLED是有機發(fā)光二極管，且是自發(fā)光，每個像素都可以單獨開啟或關(guān)閉，在厚度、可彎曲程度、色彩、單獨點亮、耗電程度幾個方面相比LCD都更有優(yōu)勢。為了顯示的內(nèi)容更加清晰直觀，達到預(yù)期效果，選擇使用方案三。2.2.3按鍵部分方案一：獨立式按鍵優(yōu)點：是一個利用I/O口直接進行連接的獨立式鍵盤，每個按鍵都配備了與其相應(yīng)的I/O口進行對應(yīng)，編程簡單容易操作，實現(xiàn)方便。缺點：I/O口數(shù)量有限，沒有辦法接太多的按鍵，而本系統(tǒng)不需要用戶調(diào)整太多的參數(shù)，采用獨立式按鍵會使操作變得簡單。方案二：利用PA口接成鍵盤。(用附加鍵增加原放音鍵的功能)優(yōu)點：利用I/O口能得到更多的按鍵，可使操作界面變得簡單，接線相對更短，經(jīng)過精心設(shè)計，不但不用擔(dān)心飛線，還能減少空間。操作也方便，并且因為給了同一個鍵雙重定義，是在不增加按鍵的情況下使功能更多，節(jié)省了大量資源。缺點：軟件處理比獨立按鍵復(fù)雜。根據(jù)自己實際需求，需要的按鍵不是特別多，所以綜合考慮后，認為方案一為更佳方案。2.2.4音頻部分方案一：蜂鳴器。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。缺點：聲音有些難聽。方案二：三極管+喇叭。優(yōu)點：比較來說，它的接線不太復(fù)雜，便于安裝和調(diào)試，發(fā)出的聲音相比更優(yōu)。缺點：三極管很容易設(shè)計出現(xiàn)問題，并且不是很穩(wěn)定。方案三：LM386+喇叭優(yōu)點：音質(zhì)比較好，用了比較專門的音頻功放，穩(wěn)定性也更好。缺點：必須學(xué)習(xí)功放的相關(guān)知識，其接線復(fù)雜，由于對元件較陌生成功率會低一些。比較之后，采用方案二。2.2.5端口供電方案一：電池+二極管降壓優(yōu)點：非常容易實現(xiàn)。缺點：穩(wěn)定性不高，電壓比標(biāo)準(zhǔn)值大一些。方案二：USB供電優(yōu)點：穩(wěn)定性好。缺點：帶負載能力不強。方案三：穩(wěn)壓電源優(yōu)點：帶負載的能力強，電壓穩(wěn)定，效率高。缺點：產(chǎn)品制造成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)困難大，維修不便。結(jié)合實物的具體情況和需求，選擇方案二USB供電就可以滿足要求，所以采用方案二。

第3章系統(tǒng)的硬件設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)過程主要是首先經(jīng)過隨意按下電子琴任意按鍵所發(fā)出的聲音，作為輸入信號傳遞給主控板上的控制電路，然后信號通過中央處理器的識別解碼，接著輸出音符，其次蜂鳴器接收到這一音符信號便中可以發(fā)出聲音，最后由于音符信號的不同蜂鳴器發(fā)出的音調(diào)也就不同，這樣就可以演奏出音樂了。具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計框圖如下，詳見圖1。圖1系統(tǒng)整體框圖3.1單片機簡介stm32f103系列的微處理器，擁有72MHzCPU的運行速度和高達1MB的閃存。其中包括電動機控制的外圍裝置，以及USB全速接口。stm32系列32位閃存微控制器在工作時功率低、電壓低，并且結(jié)合了極好的實時功能，封裝類型系列可用于嵌入式應(yīng)用。MCU體系架構(gòu)是一個易于實際應(yīng)用的stm32平臺，可以用于各種應(yīng)用領(lǐng)域。stm32系列產(chǎn)品離不開cortex-m3體系架構(gòu)的各種功能，包括為了傳達和提高改善性能而自行配置的指令，更好地編碼密度，對于中斷能更快速地做出響應(yīng)，所有都與最前沿的工業(yè)功耗技術(shù)相互接合。采用的stm32f103t8u6單片機的引腳如圖2所示。圖2單片機引腳圖3.2驅(qū)動發(fā)聲電路3.2.1電路原理驅(qū)動發(fā)聲電路是整個電路設(shè)計中十分重要的組成部分，它承擔(dān)著把單片機產(chǎn)生的音頻信號在進行放大之后進行輸出作用。而在所設(shè)計的這個控制發(fā)聲電路中，主要包括9012和蜂鳴器。9012是一種小體積功率的放大管，屬于PNP型的三極晶體管，最大集電極的電流0.5A，耗散功率0.6W。對于三極管的管腳進行判斷則可以采用下列方法：（1）判斷三極管的基極。對于PNP型三極管，用黑表筆接其中的任意一個電極，紅表筆接另外兩個電極中的任意一個，隨后將紅黑表筆對調(diào)連接，這樣就分別得到兩組阻值，如果兩組的阻值都基本相同，就可以確定對調(diào)前，基極(B)是紅表筆接的電極，反之，如果得到的兩組測量值差值較大，說明對調(diào)前紅表筆接的不是基極，這樣就需要用同種方式對第三個電機進行測試。（2）判斷三極管的發(fā)射極(E)和集電極(C)。測量發(fā)射極和集電極之間的電阻阻值，然后對調(diào)表筆再次進行測試，兩次如果兩次測量的結(jié)果不相同，則測量得到的的電阻值較小的應(yīng)是發(fā)射極，另一個是集電極。對于NPN型三極管，方法與PNP管類似，只是紅、黑表筆的作用相反。在測量發(fā)射極、集電極間電阻時，由于基極開路時三極管的擊穿電壓很小，就很容易出現(xiàn)發(fā)射結(jié)擊穿的現(xiàn)象。3.2.2發(fā)聲音調(diào)變化原理蜂鳴器主要為無源和有源蜂鳴器兩種，此次選用的是有源蜂鳴器。有源蜂鳴器的工作發(fā)聲原理為電流流過線圈，線圈周圍產(chǎn)生磁場，在磁場的驅(qū)動作用下薄膜發(fā)生震蕩，從而發(fā)出的聲音。需要注意的是由于單片機I/O口的輸出電流和放大電流均不大，因此通過其傳遞給蜂鳴器的放大電平并不能使蜂鳴器被驅(qū)動，因此想要實現(xiàn)驅(qū)動蜂鳴器則需要在蜂鳴器中添加一個具有放大電流功能的裝置。如圖3所示。蜂鳴器的負極與地相連，正極與三極管的集電極相連，三極管的基級與單片機的引腳之間通過限流電阻相連，當(dāng)單片機的引腳為高電平輸出時，三極管不工作，線圈中不再有電流通過，蜂鳴器也就不會發(fā)聲。例如，當(dāng)一個單片機引腳向蜂鳴器輸出一個低電平時，三極管則會導(dǎo)通狀態(tài)，經(jīng)過蜂鳴器的電流而形成了一個回路，便能夠產(chǎn)生聲音。因此可通過編程控制引腳的電平來控制蜂鳴器發(fā)聲[4]。圖3發(fā)聲電路蜂鳴器聲音發(fā)生變化主要是通過PWM輸出高低電平不同的頻率，經(jīng)頻率進行轉(zhuǎn)換實現(xiàn)音調(diào)的變化。因為PWM頻率信號不同,音調(diào)也不相同,所以在此次設(shè)計中采用了定時器控制PWM頻率的方式。3.3按鍵電路按鍵電路是單片機在電子琴系統(tǒng)中最為重要的輸入裝置，它在系統(tǒng)中起著將輸入信號直接傳遞給單片機的重要功能。所以當(dāng)按鍵被輸入到程序內(nèi)部時，我們應(yīng)該做到以下幾點：一是檢測有沒有按鍵按下。(通過對高低電平兩種狀態(tài)進行檢測，確認按鍵的狀態(tài)）二是判斷什么按鍵按下的；三是完成按鍵處理的任務(wù)。從電路或軟件的角度應(yīng)該解決的問題：（1）消除抖動。由于接觸點的彈性運動作用，按鍵在按下和松開的時候會產(chǎn)生抖動（震蕩），抖動持續(xù)的時間是由其各種機械特性決定，一般為5-10ms。抖動過程會產(chǎn)生的信號波動致使CPU誤解引起誤處理，所以需要消除抖動的影響。一般來說，按鍵消抖有軟件消抖和硬件消抖兩種消除方式，按鍵數(shù)量較少的情況適用于硬件消抖動，硬件消抖的方式無法處理鍵數(shù)量比較多的情況，這種情況下就需要采用軟件消抖的方式。采用軟件延時是軟件消抖常用的方法，當(dāng)系統(tǒng)掃描到有按鍵按下時，就會進行相應(yīng)的處理，消除抖動的影響[13]。（2）串鍵防護。串鍵是指同時有一個以上的按鍵按下，它們會引發(fā)CPU的錯誤反饋。通常所采用的方法是設(shè)置單個鍵按下有效，多個鍵同時按下是無效的。（3）連續(xù)點擊(連擊)問題。連擊就是按下一次按鍵會產(chǎn)生多次按下按鍵的效果。對于按鍵釋放進行處理，讓一次按鍵僅執(zhí)行一次按鍵的功能(無論一次按鍵所持續(xù)時間是多少，僅采集一次數(shù)據(jù))。為了對這部分控制電路進行綜合設(shè)計，使單片機能最合理地應(yīng)用端口，決定采用獨立式按鍵，按鍵中全部都是采用上拉電阻,當(dāng)使用者沒有按下按鍵時,單片機相連接的另外一端輸出信號就是高電平,當(dāng)使用者按下按鍵時,輸出的信號是低電平,采用掃描方法是通過低電平逐步掃描。根據(jù)這樣的設(shè)計思路,設(shè)計出了按鍵控制電路框圖如下圖4所示。圖4按鍵電路3.4晶振電路晶振一般全稱為晶體諧振器，其主要作用在于產(chǎn)生原始的時鐘頻率，這個頻率在經(jīng)過頻率發(fā)生器的放大或者縮小后就變成了不同的總線頻率。晶振屬于機電電子元件，是利用一些電損耗很小的石英晶體經(jīng)過切磨削工藝加工后，引線加工制造而成。這種晶體本身具有一個很重要的物理學(xué)特征，是給它一次通電后，它自然而然地就會對其內(nèi)部環(huán)境產(chǎn)生一種非常機械性的振蕩，反之，如果給它一種非常強的機械振蕩力，它又可能會對其內(nèi)部產(chǎn)生一次電，這樣的物理學(xué)特性又被稱我們稱為機電效應(yīng)。根據(jù)這種類型的石英離子晶體的機電諧波效應(yīng)，大致認為我們可以把它等效為一個能夠產(chǎn)生電磁諧波振蕩的回路，即諧振回路。在電路中的一個主要應(yīng)用是把它們都當(dāng)成了一個電磁諧振的回路，因為對石英晶體的損耗很小，作為振蕩器使用時，可以直接產(chǎn)生十分穩(wěn)定的振蕩頻率；作為濾波器使用時，可以得到非常穩(wěn)定和陡削的帶通或有帶阻率的曲線。在本系統(tǒng)中，采用了12MHz晶振電路，如圖5所示。圖5晶振電路3.5OLED顯示有機電致發(fā)光器件(OLED)是一種具有低電壓、高電流的雙注入式晶體發(fā)光器件。在這個結(jié)構(gòu)中，電子傳輸層輸出電子，空穴注入層來提供空穴[6]，在發(fā)射層和傳導(dǎo)層的交界處，空穴和電子在外加電場驅(qū)動下，克服器件界面上的勢壘，分別由陽極和陰極注入到OLED中，兩種載流子在電場的作用下遷移到有機層發(fā)生復(fù)合，產(chǎn)生激子，激子發(fā)生遷移，將能量以輻射衰減的方式釋放能量，使OLED發(fā)光。光的顏色取決于發(fā)射層有機物分子的類型，如果在同一片OLED上放幾種有機薄膜，就可以構(gòu)成彩色顯示器。施加電流的大小由光的亮度或強度決定，顯示器承受的電流越大，其發(fā)光的亮度就越高。其原理圖如圖6所示。圖6OLED發(fā)光器件OLED的優(yōu)點：核心層厚度小得多；制作工藝相對簡單，制造成本更低；組成為全固態(tài)結(jié)構(gòu)，所以抗震動性強，可實現(xiàn)柔軟顯示；OLED可以自身發(fā)光，所以相比液晶顯示器其亮度更高，對比度更大，色彩效果更加豐富；需要電壓低，基本上沒有視角問題，而且顯示畫面不失真；快速響應(yīng)的特性；發(fā)光轉(zhuǎn)化效率高；環(huán)保效益更佳。能夠安全觸摸，屬于經(jīng)典的綠色照明源；OLED器件單個像素可以很小，十分適合應(yīng)用在微型的顯示設(shè)備中。

第4章系統(tǒng)的軟件設(shè)計4.1軟件設(shè)計思想本系統(tǒng)設(shè)計主要是選用stm32單片機為系統(tǒng)的主控芯片，和外圍的擴展電路如蜂鳴器、按鍵、顯示等元件，共同組成一個采用可編程控制的顯示系統(tǒng)。利用定時器進行控制，能夠分別發(fā)出不同輸出頻率的信號脈沖，然后經(jīng)過蜂鳴器驅(qū)動濾波電路分別進行小波放大和高頻濾波后，就能夠發(fā)出不同頻率的音調(diào)。通過按下不同的鍵盤可發(fā)出不同的音調(diào)，從而可以達到音樂編曲的目的。根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計，可將軟件管理系統(tǒng)可劃分為主程序、定時計數(shù)式中斷程序、時間調(diào)節(jié)或者是定鬧設(shè)置程序三個模塊，并且在進行程序設(shè)計的過程中，增加了一些提高軟件抗干擾能力的措施。4.2音樂的產(chǎn)生4.2.1音符與頻率每一個音階在一個單片機上都有自己所對應(yīng)的頻率,音階不同相對應(yīng)的頻率也不同,所以一首由不同的音階所構(gòu)成的單片機音樂也可以說是由許多不同的頻率信號共同組合在一起構(gòu)成的。想要充分地利用單片機表達一首好的音樂,就必須需要使用其內(nèi)部的定時計數(shù)器功能來產(chǎn)生各種頻率方波信號,由于單片機產(chǎn)生各種頻率方波信號十分便捷,因此我們只需把所有構(gòu)成音樂的聲道中各個音階和頻率所對應(yīng)的關(guān)系都弄清楚即可?，F(xiàn)在以單片機12MHz的晶振輸出頻率變化為例，首先給出了高、中、低音符和晶振頻率之間的變化關(guān)系，具體見下面的表1。為聲調(diào)相應(yīng)的音符信息設(shè)置一個表格，有助于單片機檢測時從表格中快速獲取和分析處理相應(yīng)的信息。表1音符與頻率音符頻率/Hz音符頻率/Hz音符頻率/Hz低音1（DO）262中音1（DO）523高音1（DO）1046低音1#（DO#）277中音1#（DO#）554高音1#（DO#）1109低音2（RE）低音2#（RE#）低音3（MI）低音4（FA）低音4#（FA#）低音5（SO）低音5#（SO#）低音6（LA）低音6#（LA#）低音7（SI）294311330349370392415440466494中音2（RE）中音2#（RE#）中音3（MI）中音4（FA）中音4#（FA#）中音5（SO）中音5#（SO#）中音6（LA）中音6#（LA#）中音7（SI）587622659698740784831880932988高音2（RE）高音2#（RE#）高音3（MI）高音4（FA）高音4#（FA#）高音5（SO）高音5#（SO#）高音6（LA）高音6#（LA#）高音7（SI）11751245131813971480156816611760186519764.2.2單片機如何產(chǎn)生音頻脈沖想要使得能夠精確地產(chǎn)生一個數(shù)字音頻的脈沖,只需要通過計算得出某個數(shù)字音頻的脈沖持續(xù)周期(1/頻率),再將這個數(shù)字音頻的脈沖持續(xù)周期除以2,就是半個數(shù)字音頻周期的脈沖持續(xù)時間。每當(dāng)一個計時工作停止后就把引腳進行一次反相，然后重復(fù)進行計時引腳再反相，這樣就可以從引腳上獲取這個特定頻率的信號脈沖。利用特殊功能寄存器,通過編寫的程序來控制一個單片機內(nèi)部的定時器,使其能夠正常地工作在一個計數(shù)器的模式下,可以通過改變計算得出的各種計數(shù)值信號來自動產(chǎn)生不同頻率的信號,從而自動地產(chǎn)生不同的聲音。假如頻率是587Hz，其周期，所以只要讓計數(shù)器計時次，每次計數(shù)滿852次將I/O引腳反相，就能夠得到中音RE的計數(shù)值[7]。計數(shù)脈沖值和頻率之間的關(guān)系公式：(4-1)式中，N—計數(shù)值；fi—機器頻率(晶振為12MHz時，頻率為1MHz)；fr—需要產(chǎn)生的頻率。計數(shù)值T的計算結(jié)果如下：(4-2)例如：設(shè)fi=1MHz，求低音RE(294Hz)、中音RE(587Hz)、高音RE(1175Hz)的計數(shù)值T。(4-3)低音RE：(4-4)中音RE：(4-4)高音RE：(4-5)12MHz晶振的單片機，高、中、低頻音符和計數(shù)器之間相應(yīng)的計數(shù)值，詳見下表2所示。

表2音符與計數(shù)值音符計數(shù)值音符計數(shù)值音符計數(shù)值低音1（DO）低音1#（DO#）低音2（RE）低音2#（RE#）低音3（MI）低音4（FA）低音4#（FA#）低音5（SO）低音5#（SO#）低音6（LA）低音6#（LA#）低音7（SI）636286373163835639286402164103641856426064331644006446364524中音1（DO）中音1#（DO#）中音2（RE）中音2#（RE#）中音3（MI）中音4（FA）中音4#（FA#）中音5（SO）中音5#（SO#）中音6（LA）中音6#（LA#）中音7（SI）643806463364684647326477764820648606489864934649686599465030高音1（DO）高音1#（DO#）高音2（RE）高音2#（RE#）高音3（MI）高音4（FA）高音4#（FA#）高音5（SO）高音5#（SO#）高音6（LA）高音6#（LA#）高音7（SI）6505865085651106513465157651786519865217652356525265268652834.2.3節(jié)拍的產(chǎn)生對于音調(diào)的自動控制:根據(jù)不同的按鍵,對定時器輸出一個不同的初值,調(diào)節(jié)定時器的溢出時間,這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對于不同的音調(diào)頻率上的方波進行輸出。不同聲調(diào)下的各個音階上的定時器。在此次程序中使用到兩個定時/計數(shù)器進行操作是很簡單的[2]。其中一個是用來確定產(chǎn)生聲樂的音符頻率,一個是用來確定產(chǎn)生聲樂的節(jié)奏。音樂的節(jié)拍以c調(diào)一個的節(jié)拍作為計量單位，如下表3所示。表3曲調(diào)值表1/4節(jié)拍的時間1/8節(jié)拍的時間曲調(diào)值4/43/42/4DELAY125ms187ms250ms曲調(diào)值4/43/42/4DELAY62ms94ms125ms4.3系統(tǒng)程序設(shè)計按照設(shè)計的目標(biāo)和要求，讓CPU在編寫好的程序中運行，然后將CPU執(zhí)行的操作按照編程順序?qū)懺诜娇蚶?，并用帶指向的直線把程序框連接起來，顯示出CPU執(zhí)行的工作過程，把這種用方框表示出CPU操作過程的圖稱為程序框圖或程序流程圖。（1）主程序流程。如圖7。圖7主程序流程圖通過檢測判斷是否有按鍵被按下，是則繼續(xù)識別該鍵的鍵值并跳轉(zhuǎn)到功能程序；否則回到按鍵掃描繼續(xù)檢測。對被檢測到的按鍵值進行判斷，如果是音鍵就跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的音鍵處理程序；如果是功能鍵就跳轉(zhuǎn)到功能處理程序。此次設(shè)計的功能程序有自動播放樂曲功能、暫停功能和重置功能。通過檢測到的按鍵值，查找音符表然后給定時器賦值，再發(fā)出相應(yīng)頻率的聲音。（2）彈奏音樂的流程1）按鍵識別和處理按鍵識別每個按鍵都有一個值,就是我們可以通過對按鍵值進行識別,然后再通過接口與cpu之間進行信號通訊。每個按鍵的工作狀態(tài)都會被分別轉(zhuǎn)化為兩個相應(yīng)的數(shù)字量"0"和"1",開關(guān)則是通過一個相應(yīng)的電阻器來連接到vcc,而且它們的工作接地則都是通過在應(yīng)用程序中所需要輸入的兩個數(shù)字"0"來進行實現(xiàn)。通過接口與cpu進行通信。每個按鍵的工作狀態(tài)都會被分別轉(zhuǎn)化為兩個數(shù)字量"0"和"1",開關(guān)則通過一個電阻來連接vcc,而且它們的接地則是通過在應(yīng)用程序中所輸入的數(shù)字"0"來實現(xiàn)。按鍵處理程序的其中一個任務(wù)就是:首先確定哪個鍵被按下,判斷什么時候才會被按下,鍵它的作用是什么;同時還需要要消除按鍵按下的時候和松開時的抖動情況。I/O口輸出掃描,使按鍵逐行動態(tài)接地并輸入按鍵狀態(tài),并且由掃描值和回饋信號共同去識別按鍵,通過軟件程序獲得按鍵的功能使用[8]。2)按鍵彈奏的流程.如下圖8。圖8彈奏的流程圖（3）播放存儲音樂的流程圖9自動播放的流程圖

第5章電路調(diào)試5.1PCB制作5.1.1原理圖設(shè)計電路原理圖的設(shè)計流程，如圖10所示。圖10原理圖設(shè)計的基本流程5.1.2電路板設(shè)計1.PCB布局與布線基礎(chǔ)元件的布局不但會影響PCB的美觀，而且也會影響到電路的運行性能，所以在設(shè)計時要特別注意規(guī)劃。電路板布線時也要遵循其基本原則。2.制作元件封裝與創(chuàng)建封裝庫不同的元件之間可以共用一個或多個封裝，也就是我們可以使用不同的單片機進行封裝，因此畫印制電路板時，不僅需要知道元件的名稱，還需要知道它的封裝形式。在軟件AltiumDesigner自帶的封裝庫中，包含了豐富多樣的元件封裝類型，但是由于各種新器件和特殊器件的出現(xiàn)，使得軟件自帶的封裝庫中也不能保證找到所有封裝形式，所以需要自己制作元件封裝。其封裝庫具體流程如圖11。最后建立的封裝圖見附錄1。圖11元件封裝制作流程5.2硬件調(diào)試5.2.1電路的檢查硬件測試主要是對單片機部件進行調(diào)試。在進行通電前,確認各種電路中元器件按照電路圖所示安裝正確,并且不會出現(xiàn)短路或者斷路等情況,這些都是進行通電操作的第一步,也可以說是很重要的一步。在對硬件電路測試進行通電前，首先要確認各種電路中元器件按照電路圖所示安裝正確,并且不會出現(xiàn)短路或者斷路等情況,這些都是進行通電操作的第一步,也可以說是很重要的一步。該部分主要采用萬用表進行測量，其可以檢測出電路中的各種問題，主要體現(xiàn)在焊點與焊點之間的短接，焊點的美觀度等，確保不會出現(xiàn)開路和短路的情況。如果檢查電路無誤后就可以通電。觀察電路板上線路是否出線虛焊漏感等情況，在確認電路板焊接無誤后進行下一步檢測OLED發(fā)光器件顯示部分及音頻變換電路的軟硬件進行調(diào)試。5.2.2測試顯示模塊對顯示模塊的測試，主要是為了驗證顯示模塊是否能在按下自動播放按鍵后，蜂鳴器發(fā)出聲音時，OLED能顯示出相應(yīng)的數(shù)字。具體測試的步驟如下：首先，檢測所有焊接到電路板上的線路連接有無任何錯誤，有沒有出現(xiàn)虛焊、漏焊等缺陷的地方,在確認了電路板的連接、焊縫都不存在任何問題后再開始進行下一步。然后，接通了電源后，電源指示燈點亮，按下任一個音階的按鍵后揚聲器會自動發(fā)出一個與對應(yīng)的聲音數(shù)碼管會自動顯示一個與對應(yīng)聲音的數(shù)字。系統(tǒng)正常運行，電子琴的通電狀態(tài)良好。最后，按下自動播放按鍵，觀察OLED是否可以顯示出與蜂鳴器發(fā)聲相對應(yīng)的數(shù)字，如果可以顯示出正確的數(shù)字就說明測試成功。如果沒有成功，就需要檢查編程中是否有錯誤。5.2.3測試播放模塊對于播放模塊進行測試,主要目的就是為了檢查播放模塊能夠在按一個鍵之后就能夠播放出與其相應(yīng)的聲音。測試步驟詳細說明如下:首先，檢測所有焊接到電路板上的線路連接都有無任何錯誤,有沒有出現(xiàn)虛焊、漏焊等缺陷的地方,在確認了電路板的連接、焊縫都不存在任何問題后再開始進行下一步。然后，接通系統(tǒng)電源，打開開關(guān)，蜂鳴器就會發(fā)出DO到SI的音階。最后，按下?lián)P聲器鍵盤上的任何一個音階聽取蜂鳴器器發(fā)出是否會有相應(yīng)的聲音階，如果正確地發(fā)出這個聲音階將被認為說明測試成功。如果若未成功,需要在程序中檢查是否存在錯誤進行修改完善。當(dāng)按下任意音量鍵時，若蜂鳴器可以播放出對應(yīng)音節(jié)則說明音節(jié)測試成功，如果沒有成功，就需要檢查編程是否存在錯誤，然后繼續(xù)進行完善。5.3綜合調(diào)試對各部分模塊調(diào)試完成后，還需要再對硬件進行整體調(diào)試。在沒有通電情況下，硬件電路的情況如圖12所示。圖12未通電情況下電子琴實物圖然后接通電源，打開開關(guān)，電源指示燈亮起藍光，按下自動播放的音鍵后，蜂鳴器發(fā)出相應(yīng)的音階，OLED顯示出對應(yīng)音階的數(shù)字。在系統(tǒng)正常工作下，電子琴通電狀態(tài)下的情況如圖13。圖13通電狀態(tài)下電子琴實物經(jīng)過測試，系統(tǒng)可以正常工作，任務(wù)書中需要的功能基本能夠?qū)崿F(xiàn)，電子琴符合設(shè)計的要求。

第6章總結(jié)與展望6.1總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一個多功能玩具電子琴。在設(shè)計的過程中，要學(xué)會元件的選擇和使用，stm32單