基于單片機的16鍵電子琴

1、 成績課程論文題 目： 基于單片機的16鍵電子琴 學生姓名： 董翠影 學生學號： 系 別： 電氣信息工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程 年 級： 10級（2）班 任課教師： 權(quán)循忠 電氣信息工程學院制2012年11月基于單片機的16鍵電子琴學生：董翠影指導老師：權(quán)循忠電氣信息工程學院：10級電子信息工程（2）班摘要：本論文設(shè)計一個基于單片機的簡易電子琴。我們對于電子琴如何實現(xiàn)其功能，如音色選擇、聲音強弱控制、節(jié)拍器、自動放音功能等等也很好奇。電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已經(jīng)融入現(xiàn)代人們的

2、生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用AT89C51單片機為核心控制元件，設(shè)計一個電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有16個按鍵和揚聲器。本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其優(yōu)點是硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等，具有一定的實用和參考價值。本文主要對使用單片機設(shè)計簡易電子琴進行了分析，并介紹了基于單片機電子琴系統(tǒng)硬件組成。利用單片機產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏想要表達的音樂。并且本文分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理及各模塊的程序的調(diào)試來詳細闡述。 一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應(yīng)著不同的頻率，這

3、樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當然對于單片機來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機的定時/計數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。關(guān)鍵詞：AT89S51單片機 音色 節(jié)拍器 自動放音 1 總體設(shè)計1.1系統(tǒng)硬件連線 系統(tǒng)硬件連線如圖1-1所示，發(fā)生模塊，鍵盤模塊，及LED顯示模塊連接如圖1-11.把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0端口用導線連接到“音頻放大模塊”區(qū)域SPK IN端口上；2.把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.0P3.7端口用8芯排線連接到“4X4行列式鍵盤”區(qū)域中的C1C4R1R4端口上；3.把“單片

4、機系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0/AD0P0.7/AD7端口用8芯排線連接到“四路靜態(tài)數(shù)碼顯示模塊”區(qū)域中的任一個ah端口上；要求：P0.0/AD0對應(yīng)著a，P0.1/AD1對應(yīng)著b，P0.7/AD7對應(yīng)著h。1.2 主要芯片簡介1.2.1 AT89S51簡介AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，

5、功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S51具有如下特點：40個引腳（引腳圖如圖1-2所示），4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停

6、止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。圖1-2 管腳圖1.2.1.1 主要功能特性 兼容MCS-51指令系統(tǒng) 32個雙向I/O口 2個16位可編程定時/計數(shù)器 全雙工UART串行中斷口線 2個外部中斷源 中斷喚醒省電模式 看門狗（WDT）電路 靈活的ISP字節(jié)和分頁編程 4k可反復(fù)擦寫ISP Flash ROM 4.5-5.5V工作電壓 時鐘頻率0-33MHz 128*8bit內(nèi)部RAM 低功耗空閑和省電模式 3級加密位 軟件設(shè)置空閑和省電功能1.2.2 LM386LM386是美國國家半導體公司生產(chǎn)的音頻功率放

7、大器，主要應(yīng)用于低電壓消費類產(chǎn)品。LM386特性：（1）靜態(tài)功耗低，約為4mA，可用于電池供電；（2）工作電壓范圍寬，4V-12V或5V-18V；（3）外圍元件少；（4）電壓增益可調(diào)，20-200；（5）低失真度。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中。圖1-3 音頻放大器電路1.2.3 LED數(shù)碼管圖1-4 7段數(shù)碼管數(shù)碼管（如圖1-4所示）使用條件：a、段及小數(shù)點上加限流電阻b、使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定c、使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動

8、態(tài)：平均電流 4-5mA 峰值電流 100mA上面這只是七段數(shù)碼管引腳圖，其中共陽極數(shù)碼管引腳圖和共陰極的是一樣的。數(shù)碼管使用注意事項說明：（1）數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；（2）焊接溫度：260度；焊接時間：5S（3）表面有保護膜的產(chǎn)品,可以在使用前撕下來。2 硬件設(shè)計內(nèi)容2.1 4X4行列式鍵盤識別及顯示組成鍵盤的按鍵有機械式、電容式、導電橡膠式、薄膜式多種，但不管什么形式，其作用都是一個使電路接通與斷開的開關(guān)。目前微機系統(tǒng)中使用的鍵盤按其功能不同，通常可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種基本類型。 編碼鍵盤：鍵盤本身帶有實現(xiàn)接口主要功能所需的硬件電路。不僅能自動檢測被按下的鍵，并

9、完成去抖動、防串鍵等功能，而且能提供與被按鍵功能對應(yīng)的鍵碼（如ASCII碼）送往CPU。所以，編碼鍵盤接口簡單、使用方便。但由于硬件電路較復(fù)雜，因而價格較貴。 非編碼鍵盤：鍵盤只簡單地提供按鍵開關(guān)的行列矩陣。有關(guān)按鍵的識別、鍵碼的確定與輸入、去抖動等功能均由軟件完成。目前微機系統(tǒng)中，一般為了降低成本大多數(shù)采用非編碼鍵盤。 鍵盤接口必須具有去抖動、防串鍵、按鍵識別和鍵碼產(chǎn)生4個基本功能。（1）去抖動:每個按鍵在按下或松開時，都會產(chǎn)生短時間的抖動。抖動的持續(xù)時間與鍵的質(zhì)量相關(guān)，一般為520mm。所謂抖動是指在識別被按鍵是必須避開抖動狀態(tài)，只有處在穩(wěn)定接通或穩(wěn)定斷開狀態(tài)才能保證識別正確無誤。去抖問題

10、可通過軟件延時或硬件電路解決。（2）防串鍵：防串鍵是為了解決多個鍵同時按下或者前一按鍵沒有釋放又有新的按鍵按下時產(chǎn)生的問題。常用的方法有雙鍵鎖定和N鍵輪回兩種方法。雙鍵鎖定，是當有兩個或兩個以上的按鍵按下時，只把最后釋放的鍵當作有效鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼。N鍵輪回，是當檢測到有多個鍵被按下時，能根據(jù)發(fā)現(xiàn)它們的順序依次產(chǎn)生相應(yīng)鍵的鍵碼。（3）被按鍵識別：如何識別被按鍵是接口解決的主要問題，一般可通過軟硬結(jié)合的方法完成。常用的方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法兩種。行掃描法的基本思想是，由程序?qū)︽I盤逐行掃描，通過檢測到的列輸出狀態(tài)來確定閉合鍵，為此，需要設(shè)置入口、輸出口一個，該方法在微機系統(tǒng)中被廣泛使用。線反轉(zhuǎn)

11、法的基本思想是通過行列顛倒兩次掃描來識別閉合鍵，為此需要提供兩個可編程的雙向輸入/輸出端口。（4）鍵碼產(chǎn)生：為了從鍵的行列坐標編碼得到反映鍵功能的鍵碼，一般在內(nèi)存區(qū)中建立一個鍵盤編碼表，通過查表獲得被按鍵的鍵碼。用AT89S51的并行口P1接44矩陣鍵盤，以P1.0P1.3作輸入線，以P1.4P1.7作輸出線；在數(shù)碼管上顯示每個按鍵的“0F”序號。圖1-5 鍵盤識別模塊2.1.1 系統(tǒng)硬件連線設(shè)計鍵盤模塊硬件連線如圖1-5所示：（1）把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P3.0P3.7端口用8芯排線連接到“4X4行列式鍵盤”區(qū)域中的C1C4R1R4端口上；（2）把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0/AD0P0

12、.7/AD7端口用8芯排線連接到“7段數(shù)碼顯示模塊”區(qū)域中的任一個ah端口上；要求：P0.0/AD0對應(yīng)著a，P0.1/AD1對應(yīng)著b，P0.7/AD7對應(yīng)著h。2.1.2 按鍵掃描（1）44矩陣鍵盤識別處理，每個按鍵有它的行值和列值，行值和列值的組合就是識別這個按鍵的編碼。矩陣的行線和列線分別通過兩并行接口和CPU通信。每個按鍵的狀態(tài)同樣需變成數(shù)字量“0”和“1”，開關(guān)的一端（列線）通過電阻接VCC，而接地是通過程序輸出數(shù)字“0”實現(xiàn)的。（2）鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無鍵按下，判斷哪一個鍵按下，鍵的功能是什么；還要消除按鍵在閉合或斷開時的抖動。兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)

13、接地，另一個并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號共同形成鍵編碼而識別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能。電路圖如下圖1-6 行列式鍵盤電路2.1.3 I/O并行口直接驅(qū)動LED顯示LED顯示模塊如圖1-7所示，利用AT89S51單片機的P0端口的P0.0P0.7連接到一個七段數(shù)碼管的ah的筆段上，數(shù)碼管的公共端接地。在數(shù)碼管上循環(huán)顯示07數(shù)字，時間間隔0.2秒。圖1-7 電路原理圖系統(tǒng)板上硬件連線：（如圖1-7所示） 把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P0.0/AD0P0.7/AD7端口用8芯排線連接到“七段數(shù)碼顯示模塊”區(qū)域中的任一個數(shù)碼管的ah端口上；要求：P0.0/AD0與a相連，P0.1/A

14、D1與b相連，P0.2/AD2與c相連，P0.7/AD7與h相連。3軟件設(shè)計內(nèi)容3.1 LED數(shù)碼 （1）LED數(shù)碼顯示原理: 七段LED顯示器內(nèi)部由七個條形發(fā)光二極管和一個小圓點發(fā)光二極管組成，根據(jù)各管的極管的接線形式，可分成共陰極型和共陽極型。 LED數(shù)碼管的ga七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不以發(fā)亮，不同亮暗的組合就能形成不同的字形，這種組合稱之為字形碼，下面給出共陰極的字形碼表（如表1所示）表1-1 字形碼表“0”3FH“8”7FH“1”06H“9”6FH“2”5BH“A”77H“3”4FH“b”7CH“4”66H“C”39H“5”6DH“d”5EH“6”7DH“E”79

15、H“7”07H“F”71H（2)由于顯示的數(shù)字09的字形碼沒有規(guī)律可循，只能采用查表的方式來完成我們所需的要求了。這樣我們按著數(shù)字09的順序，把每個數(shù)字的筆段代碼按順序排好！建立的表格如下所示：TABLEDB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH。3.2 音樂產(chǎn)生的方法3.2.1 原理一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當然對于單片機來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機的定時/計數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系正確即

16、可。若要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（1/頻率），再將此周期除以2即為半周期的時間。利用定時器計時半周期時間，每當計時終止后就將P1.0反相，然后重復(fù)計時再反相。就可在P1.0引腳上得到此頻率的脈沖。 利用AT89C51的內(nèi)部定時器使其工作計數(shù)器模式（MODE1）下，改變計數(shù)值TH0及TL0以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階，例如，頻率為523Hz，其周期T1/5231912s，因此只要令計數(shù)器計時956s/1s956，每計數(shù)956次時將I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。 計數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式(如式1-1所示)是： Nfi2fr （1-1）式中，N是計數(shù)值；fi是機器頻率（

17、晶體振蕩器為12MHz時，其頻率為1MHz）；fr是想要產(chǎn)生的頻率。其計數(shù)初值T的求法如下： T65536N65536fi2fr 例如：設(shè)K65536，fi1MHz，求低音DO（262Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的計數(shù)值。 T65536N65536fi2fr655362fr65536/fr 低音DO的T65536/26263627 中音DO的T65536/52364580 高音DO的T65536/104665059單片機12MHZ晶振，高中低音符與計數(shù)T0相關(guān)的計數(shù)值如表1-2所示表1-2 音符頻率表音符頻率（HZ）簡譜碼（T值）音符頻率（HZ）簡譜碼（T值）低1D

18、O26263628# 4 FA#74064860#1DO#27763731中 5 SO78464898低2RE29463835# 5 SO#83164934#2 RE#31163928中 6 LA88064968低 3 M33064021# 693264994低 4 FA34964103中 7 SI98865030# 4 FA#37064185高 1 DO104665058低 5 SO39264260# 1 DO#110965085# 5 SO#41564331高 2 RE117565110低 6 LA44064400# 2 RE#124565134# 646664463高 3 M131865

19、157低 7 SI49464524高 4 FA139765178中 1 DO52364580# 4 FA#148065198# 1 DO#55464633高 5 SO156865217中 2 RE58764684# 5 SO#166165235# 2 RE#62264732高 6 LA176065252中 3 M65964777# 6186565268中 4 FA69864820高 7 SI196765283我們要為這個音符建立一個表格，單片機通過查表的方式來獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)低音019之間，中音在2039之間，高音在4059之間 TABLE: DW 0, 63628, 63835, 64021,

20、 64103, 64260, 64400, 64524, 0, 0 DW 0, 63731, 63928, 0, 64185, 64331, 64463, 0, 0, 0 DW 0, 64580, 64684, 64777, 64820, 64898, 64968, 65030, 0, 0 DW 0, 64633, 64732, 0, 64860, 64934, 64994, 0, 0, 0 DW 0, 65058, 65110，65157, 65178, 65217, 65252, 65283, 0, 0 DW 0, 65085, 65134, 0, 65198, 65235, 65268,

21、 0, 0, 0 DW 03.2.2 程序框圖音樂發(fā)聲程序框圖如圖1-8所示:T0中斷入口重裝T0初值P1.0取反中斷返回圖1-8音樂發(fā)聲程序框圖 按鍵程序框圖如圖1-9所示：P3=0xfd有鍵按下嗎延時10m確定有鍵按下嗎根據(jù)當前狀態(tài)識別按鍵值P3=0xfe有鍵按下嗎延時10m確定有鍵按下嗎根據(jù)當前狀態(tài)識別按鍵值P3=0xfb有鍵按下嗎延時10m確定有鍵按下嗎根據(jù)當前狀態(tài)識別按鍵值有鍵按下嗎延時10m確定有鍵按下嗎根據(jù)當前狀態(tài)識別按鍵值P3=0xf7圖1-9按鍵程序框圖4 全文總結(jié)通過這次設(shè)計，我學到了不少課本上沒有的知識，也鍛煉了自己的動手能力，將以前學過的零散的知識串到一起。首先在設(shè)計剛

22、開始的調(diào)研階段，我學會了怎么通過各種方式查詢相關(guān)的資料。通過對這些資料的學習，我大致了解了單片機的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢，認識到目前單片機方面的各種各樣的發(fā)展，和它們之間的競爭。了解了單片機方面的先進技術(shù)，這些都為我的未來的學習指明了方向。我的設(shè)計主要涉及硬件和軟件兩方面的內(nèi)容，通過這些我的硬件和軟件開發(fā)能力都獲得了提高。首先硬件方面，基本了解了電子產(chǎn)品的開發(fā)流程和所要做的工作。基本掌握了Protel99SE原理圖的方法，并設(shè)計了一個單片機最小系統(tǒng)。通過開發(fā)板的設(shè)計和硬件搭建的過程，使我對51系單片機的接口有了更深層次的理解，熟悉了一些單片機常用的外圍電路引腳和連接方法，如LED數(shù)碼管，鍵

23、盤等。在軟件方面，通過串行口調(diào)試工具的開發(fā)，使我加深了對累封裝的理解，熟悉了51系列單片機內(nèi)部的寄存器和編程規(guī)則，以及如何控制外圍電路。參考文獻1 陳明熒8051單片機課程設(shè)計實訓教材M北京：清華大學出版社，2003年9月2 徐新艷單片機原理、應(yīng)用與實踐M北京：高等教育出版社，2005年3月3 吳金戌，沈慶陽，郭庭吉8051單片機實踐與應(yīng)用M第一版北京：清華大學出版社，2002年4 吳金戌，沈慶陽，郭庭吉，8051單片機實踐與應(yīng)用M清華大學出版社，20015 趙亮,侯國銳.單片機C語言編程與實例M.北京:人民郵電出版社,2003. 附錄1；仿真圖附錄2；#include#define ucha

24、r unsigned char#define uuint unsigned intuchar temp;uchar num;uchar i,j;unsigned char STH0;unsigned char STL0;sbit P3_4=P34;sbit P3_5=P35;sbit P3_6=P36;sbit P3_7=P37;sbit P1_0=P10;sbit dula=P26;sbit wela=P27;unsigned int code tab=64021,64103,64260,64400, 64524,64580,64684,64820,64898,64968,65030, 65

25、058,65110,65157,65178;unsigned char code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71;void delay() unsigned char i, j; for(i=110;i0;i-) for(j=110;j0;j-);void display(uchar aa)dula=1;P0=tableaa-1;dula=0;uchar keyscan()P3=0xfe;temp=P3;temp=temp&0xf0;while(tem

26、p!=0xf0)delay();temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)temp=P3;switch(temp)case 0xee:num=1;break;case 0xde:num=2;break;case 0xbe:num=3;break;case 0x7e:num=4;break; temp=P3; P1_0=P1_0; P0=tablenum; STH0=tabnum/256; STL0=tabnum%256; TR0=1; temp=temp & 0x0f; while(temp!=0xf0)temp=P3;temp=temp&0xf0; TR

27、0=0;P3=0xfd;temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)delay();temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)temp=P3;switch(temp)case 0xed:num=5;break;case 0xdd:num=6;break;case 0xbd:num=7;break;case 0x7d:num=8;break; temp=P3; P1_0=P1_0; P0=tablenum; STH0=tabnum/256; STL0=tabnum%6; TR0=1; temp=temp & 0x0f;while(temp!=0xf0)temp