数字信号处理课程设计虚拟电子琴概论

数字信号处理课程设计

题目：虚拟电子琴设计

、

学院：电气工程

班级:

学号：

指导老师：

教师职称：教授讲师

电气工程学院《课程设计》任务

课程名称：“单片机原理及应用——数字信号处理”课程设计

基层教学单位：电气工程学院指导教师：谢平杜义昊

目录

第1章摘要 (4)

第2章系统总体设计方案 (5)

2.1 参数 (5)

2.2 正弦信号的实现 (6)

2.3 设计过程 (7)

2.4 控制界面设计...........................7.

2.5 matlab编程.........................................................

第3章实际应用 (13)

第7章课设心得及总结 (14)

参考文献 (14)

一．摘要

随着社会的发展进步，音乐逐渐成为我们生活中很重要的一部分，有人曾说喜欢音乐的人不会向恶。我们都会抽空欣赏世界名曲，作为对精神的洗礼。本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。我们对于电子琴如何实现其功能，如声音强弱控制、节拍器、自动放音功能等等也很好奇。

电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。

本文的主要内容是用MCS51单片机为核心控制元件，利用Matlab设计基于虚拟琴键的信号发生器设计一个电子琴。以单片机作为主控核心，，在主控模块上设有7个按键和扬声器。用matlab设计操作界面，借助串口与单片机模块联系起来，控制单片机蜂鸣器发出七个音，并对音阶各项参数进行分析。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价。特别是新型智能手机就可以运用此款功能。

二．系统总体设计方案

2.1 参数

均值：

对于一个随机变量来说，均值是一个很重要的数值特征。粗略的说，就是来描述一个群体的平均水平。其严格的数学定义非常的简单，就是一个随机变量关于概率测度的积分。这样的积分在测度轮或者实分析里是没有什么直观的解释的。而在概率论里却成为了一个群体的主要指标。在此处，均值表示肌电信号的平均水平。

标准差：

标准差（Standard Deviation），也称均方差（mean square error），是各数据偏离平均数的距离的平均数，它是离均差平方和平均后的方根，用σ表示。标准差是方差的算术平方根。标准差能反映一个数据集的离散程度。平均数相同的，标准差未必相同。其求解公式如下：

最大值：D=max(data);

最小值：E=min(data);

方差：

方差是各个数据与平均数之差的平方的平均数。在概率论和

数理统计中，方差（英文Variance ）用来度量随机变量和其数学期望（即均值）之间的偏离程度。在许多实际问题中，研究随机变量和均值之间的偏离程度有着很重要的意义。其求解公式如下：

峰峰值:

在定的时间范围内，正向与负向峰值之差。

2.2、正弦信号的实现

Matlab 程序提供了常用的各种基本信号的生成函数。本设计中主要应用正弦信号，直接调用matlab 提供的函数。

正弦信号的数学表达式如下（2.1）所示

)2sin(ϕπ+=ft A y （2.1）

其中：A 为幅值；f 为频率；ϕ为相位。

在matlab 中，将时间变量离散化并构成一个一维数组，如下式（2.2）所示

0.1:1

:0s

f t = （2.2）

其中：s f 为采样频率。

相应的正弦波信号的数字信号表达式如下（2.3）

)2sin()(ϕπ+∆=∆t fn A t n y

2.3设计过程

第一，设计7种不同频率的信号发生器对应七种不同的音调；

第二，对这七种不同频率的信号进行时域和频域分析，计算一些参数值进行对比；

第三，使用GUI 界面，设计虚拟电子琴界面，其中包括时域和频域图形显示模块，频率，幅值等参数显示模块，虚拟琴键模块等。

2.4控制界面设计

主要分成三部分：第一为波形显示区，显示相应音频信号的时域和频域波形；第二为按键区，用于虚拟琴键实际操作；第三为参数显示区，通过调用matlab 中函数，计算相应的参数值，进行分析和对比。

虚拟琴键的信号发生器设计界面如下

点相应的键，会产生频域时域波形和相应的技术指标

2.5matlab编程

当GUI界面创建完成之后，点击运行即可自动生成包含各个控件回调函数在内的m文件。Matlab对于编辑文本，按钮等空间的相应都是通过自动调用相应的回调函数来实现的。回调函数即在一定的操作下自动执行的指令代码。

1 matlab对串行口编程控制主要分为四个步骤。

1）创建串口设备对象并设置其属性

2）打开串口设备对象

3）读/写串口操作

4）关闭并清除设备对象

function []=dtmf_series(Key)

ss=serial('com1'); %创建串口1设备对象ss

ss.BaudRate=2400;%波特率为2400b/s

ss.DataBits=8;%通讯数据格式为8位数据位

ss.Parity='none';%无奇偶校验位

ss.StopBits=1;%1位停止位

ss.TimeOut=60;%设置一次读或写操作最大完成时间60s

ss.DataTerminalReady='off';%数据终端准备

ss.RequestToSend='off';%请求发送

ss.FlowControl='none';%流量控制