200901020434管琴华毕业设计正文

基于单片机的电子琴设计 3.7 声音输出电路的设计

在单片机应用系统中，关于声音的输出，能够发声的器件无非就是蜂鸣器和喇叭。 对两者之间进行比较。

1、蜂鸣器利用压电陶瓷片的压电效应或电磁效应发声，直流电阻无限大，交流阻抗也很大；对于动圈喇叭，普通的是永磁场中的线圈带动纸盆振动发声，直流电阻几乎是0，交流阻抗一般几欧到十几欧。

2、蜂鸣器需要较大的电压来驱动，但电流很小，功率也很小，动圈喇叭需要较大的电流来驱动，但电压并不很高，功率很大。

3、蜂鸣器频率特性差，谈不上音质，仅仅能响，但是动圈喇叭便可以讲究一定的音质。

结合设计要求，并综上，选择喇叭比较合适。

电路原理图的设计如图3-8所示，以下是对各个元器件的选择简单说明。

图3-8 声音输出电路原理图

根据课题研究的要求并综合以上三点的分析，这里采用动圈式喇叭即可。关于驱动考虑到输出的信号量和输出的信号量之间的关系，这里采用的三极管实际上是一个电流控制器件，对电流有放大作用。在基极输入一个小的基极电流Ib ，集电极就有一个Ic=β*Ib电流。P=U*I电压不变，电流增大所以功率也增大。图3-8所示是单个三极管组成的简单驱动电路。由于是数字信号输入，三极管工作在饱和状态，只起到开关作用。在处理单片机软件时，一定要保证在不发声的时候使三极管处于截止，防止三极管导通后直流电压直接流过喇叭烧毁音圈。

为了保护喇叭工作状态的稳定，考虑驱动电流问题以及电流过大烧坏喇叭的问题，加入继电器保护电路。继电器工作电流比较大，所以要用个三极管来驱动，它是一个小

15

基于单片机的电子琴设计 功率开关，单片机引脚输出低电平。当输入为0V时，三极管饱和，从而使继电器线圈有电流流过，继电器吸合；相反，当输入为+VCC时，三极管截止，继电器释放。主要是模拟蜂鸣器输出电路，用继电器及驱动来输出外部驱动喇叭发出声音，对喇叭有一定的保护作用。

在仿真调试中，其工作原理：仿真软件用高低电平信号来来控制，与实际的开发板有所不同，喇叭的正极接到VCC（＋5V）电源上面，喇叭的负极接到三极管的发射极E，三极管的基级B经过限流电阻R1后由单片机的P3.7引脚控制，当P3.7输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，喇叭不发声；当P3.7输出低电平时，三极管导通，这样喇叭的电流形成回路，发出声音。因此，可以通过程序控制P3.7脚的电平来使喇叭发出声音和关闭。

16

基于单片机的电子琴设计

第4章 软件设计

根据课题研究的内容及要实现的功能，采用Keil软件进行软件设计，所包含的内容包含主程序、键盘扫描程序、延时以及中断程序的设计。

4.1 工作原理

一般说来，单片机要完成奏乐的功能只需要弄清楚两个概念，即：音调和节拍，音调表示一个音符唱多高的频率，节拍表示一个音符唱多长的时间。

1、关于音调：

在音乐中所谓“音调”，其实就是我们常说的“音高”。在音乐中常把中央C上方的A音定为标准音高，其频率f=440Hz。当两个声音信号的频率相差一倍时，也即f2=2f1时，则称f2比f1高一个倍频程, 在音乐中1（do）与1，2（来）与2??正好相差一个倍频程，在音乐学中称它相差一个八度音。在一个八度音内，有12个半音。以1—i八音区为例， 12个半音是：1—＃1、＃1—2、2—＃2、＃2—3、3—4、4—＃4，＃4—5、5一＃5、＃5—6、6—＃6、＃6—7、7—i。这12个音阶的分度基本上是以对数关系来划分的。只要知道了这十二个音符的音高，也就是其基本音调的频率，可根据倍频程的关系得到其他音符基本音调的频率。

根据音调的频率值来产生音频脉冲，只要计算出某一音频的周期（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期的时间，利用定时器计时这个半周期时间，采用单片机的定时器来定时中断，每当计时到后就将将单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反，或者说来回清零，置位，从而让蜂鸣器发出声音，要让单片机发出不同频率的声音，不同的音调，只需将定时器予置不同的定时值就可实现。

一个频率所对应的定时器的定时值，以中音DO为例，其频率f =523Hz，其对应的周期示意图如下4.1所示。

T = 1/ f = 1/523 =1912μs

t 图4-1 周期表示示意图

T ..由上图4-1单片机上可知，对应喇叭的I/O口来回取反的时间为：

17

基于单片机的电子琴设计 t=T/2=1912/2=956μs

t就是单片机上定时器应有的中断触发时间，在定时956μs后将I/O（P3.7）取反，就可得到中音DO。其它的音调的确定，通过类似的道理一样可通过获取定时时间来得到音调信号。

单片机奏乐，采用其定时/计数器0，工作方式1模式，它以振荡器的十二分频信号为定时脉冲，机器周期等于12乘以时钟周期（节拍），时钟振荡器频率为12MHz，则定时器的予置初值由下式来确定：

t=（T–Tx）*Tm

在模式1下，T=216=65536，Tx为定时器待确定的计数初值，Tm为机器周期，因此定时器的高低计数器的初值为：

Tx?216?fosct 12fosc为时钟频率，将t=956μs代入上面两式（注意：计算时应将时间和频率的单位换算一致），即可求出中音DO，则定时器/计数器在定时器的工作方式1下的定时初值为 ：

TDO?65536?12000?0.956?64580

12根据上面的求解方法，我们就可求出其他音调相应的计数器的予置初值。 C调个音符频率与计数值T的对照表如下表4-1所示。

表4-1 音符频率与计数初值T对照表

音符 低DO 低RE 低M 低FA 低SO 低LA 低SI 中DO 中RE 中M 中FA 频率（Hz） 262 294 330 349 392 440 494 523 587 659 698 T值 63628 63835 63021 64103 64260 64400 64524 64580 64684 64777 64820 音符 中SO 中LA 中SI 高DO 高RE 高M 高FA 高SO 高LA 高SI 频率（Hz） 784 880 988 1046 1175 1318 1397 1568 1760 1967 T值 64898 64968 65030 65058 65110 65157 65178 65217 65252 65283 2、关于节拍：

18