基于.單片機(jī)的16鍵電子琴的設(shè)計(jì)

...wd......wd......wd...單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)評(píng)語(yǔ)：考勤10分守紀(jì)10分過(guò)程30分設(shè)計(jì)報(bào)告30分辯論20分總成績(jī)(100)專業(yè)：自動(dòng)化班級(jí)：姓名:學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：xx交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2015年12月30日基于單片機(jī)的16鍵電子琴一、電子琴設(shè)計(jì)的目的、要求與設(shè)計(jì)方法1.1設(shè)計(jì)目的現(xiàn)代樂(lè)器中，電子琴是高新科技在音樂(lè)領(lǐng)域的一個(gè)代表，表達(dá)了人類電子技術(shù)和藝術(shù)的完美結(jié)合。電子琴自動(dòng)伴奏的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，以及鮮明的強(qiáng)弱規(guī)律、隨人設(shè)置的速度要求，都更便于人們由易到難、深入淺出的準(zhǔn)確掌握歌曲節(jié)奏和樂(lè)曲風(fēng)格，對(duì)其節(jié)奏的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性訓(xùn)練能起到非常大的作用。1.2設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)主要是用AT89C52單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)微縮版的電子琴。單片機(jī)與按鍵構(gòu)成主控制模塊，在主控制模塊上設(shè)置有9個(gè)按鍵，分別達(dá)成不同目標(biāo)。本系統(tǒng)主要為了完成電子琴的三大功能：電子琴?gòu)椬嗪鸵魳?lè)播放及錄音。1.3電子琴設(shè)計(jì)方法1.3.1設(shè)計(jì)工具表1軟件簡(jiǎn)介軟件名稱設(shè)計(jì)作用KeiluVision4編寫(xiě)程序與編譯PROTEUS繪制硬件電路圖、數(shù)字仿真MicrosoftVisio繪制程序流圖與框圖1.3.2設(shè)計(jì)思路(1)功能按鍵觸發(fā)外部中斷，以完成不同曲目的的切換。(2)設(shè)置定時(shí)器產(chǎn)生不同頻率的方波，I/O口輸出，經(jīng)功放后揚(yáng)聲器發(fā)聲。(3)采用4×4矩陣鍵盤(pán)彈奏16個(gè)音〔低XI到高DO〕。電子琴的設(shè)計(jì)方案及原理2.1設(shè)計(jì)總體方案本系統(tǒng)采用AT89C52為主控芯片。輸入電路有16個(gè)琴鍵按鍵，通過(guò)按鍵隨意按下所要表達(dá)的音符，作為電平送給主體電路，中央處理器通過(guò)識(shí)別，解碼輸出音符，在揚(yáng)聲器中發(fā)出有效的聲音。1個(gè)音樂(lè)按鍵用于播放音樂(lè)和切換歌曲，通過(guò)按鍵觸發(fā)中斷，重置定時(shí)器初值，于另一個(gè)揚(yáng)聲器中發(fā)出有效音響。總設(shè)計(jì)框圖如以下圖1所示。單單片機(jī)時(shí)鐘復(fù)位電路時(shí)鐘復(fù)位電路數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路琴鍵控制電路琴鍵控制電路音頻播放電路音頻播放電路音樂(lè)切換電路音樂(lè)切換電路圖1基于單片機(jī)的電子琴電路原理框圖2.2發(fā)聲原理利用AT89C52的內(nèi)部定時(shí)器使其工作計(jì)數(shù)器模式〔MODE1〕下，改變計(jì)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T＝1/523＝1912μs，因此只要令計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)956μs/1μs＝956，每計(jì)數(shù)956次時(shí)將I/O反相，就可得到中音DO〔523Hz〕。

計(jì)數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式是：

N＝fi÷2÷fr。式中，N是計(jì)數(shù)值；fi是機(jī)器頻率〔晶體振蕩器為12MHz時(shí)，其頻率為1MHz〕；fr是想要產(chǎn)生的頻率。

電子琴的硬件設(shè)計(jì)基于單片機(jī)AT89C51的電子琴電路由琴鍵控制電路、數(shù)碼管顯示電路、音頻播放電路、時(shí)鐘-復(fù)位電路、音樂(lè)切換電路和電源電路六局部所構(gòu)成。3.1琴鍵控制電路琴鍵控制電路作為人機(jī)聯(lián)系的輸入局部，也是間接控制數(shù)碼顯示和音頻功放的重要組成局部。鍵盤(pán)按照連接方式可以分為獨(dú)立式和矩陣式鍵盤(pán)兩類。3.1.1矩陣式鍵盤(pán)如圖2所示為4X4矩陣式鍵盤(pán)電路，由一個(gè)4X4的行、列構(gòu)造可以構(gòu)成一個(gè)16個(gè)按鍵鍵盤(pán)。

矩陣中無(wú)按鍵按下時(shí)，行線為高電平；當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平?jīng)Q定。列線的電平如果為低，則行線電平為低；列線的電平如果為高，則行線的電平也為高，這是識(shí)別按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。圖2矩陣式鍵盤(pán)3.1.2獨(dú)立式鍵盤(pán)

獨(dú)立式鍵盤(pán)的特點(diǎn)是一鍵一線，各鍵相互獨(dú)立，每個(gè)鍵各接一條I/O口線，通過(guò)檢測(cè)I/O輸入線的電平狀態(tài)，可判斷出被按下的按鍵。

3.1.3

方案比較

表2鍵盤(pán)類型比較鍵盤(pán)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)獨(dú)立式電路簡(jiǎn)單，編程簡(jiǎn)單占用I/O口線多矩陣式占用I/O口線較少編程比較復(fù)雜由于此次設(shè)計(jì)的琴鍵控制電路需要16個(gè)按鍵，故單純從I/O口線的占用的角度比較，獨(dú)立式需要占用16條I/O口線，而矩陣式卻只需8條。應(yīng)選擇矩陣式鍵盤(pán)電路比較合理。3.2數(shù)碼管顯示電路LED〔Light

Emitting

Diode〕發(fā)光二極管縮寫(xiě)。LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管構(gòu)成的。常見(jiàn)的LED數(shù)碼管為“8〞字型的，共計(jì)8段。一般來(lái)說(shuō)分共陽(yáng)極和共陰極兩種接法。3.2.1LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示方式即無(wú)論多少位LED數(shù)碼管，同時(shí)處于顯示狀態(tài)。如果送往各個(gè)LED數(shù)碼管所顯示字符的段碼一經(jīng)確定，則相應(yīng)I/O口鎖存器鎖存的段碼輸出將維持不變，直到送入另一個(gè)字符的段碼為止。3.2.2LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示

靜態(tài)顯示方式就是無(wú)論在任何時(shí)刻只有一個(gè)LED數(shù)碼管處于顯示狀態(tài)，即單片機(jī)采用“掃描〞方式控制各個(gè)數(shù)碼管輪流顯示。

3.3.3方案比較

對(duì)于以上兩種數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路的的優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。由于靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式的顯示無(wú)閃爍，亮度較高，編程簡(jiǎn)單，加上本次設(shè)計(jì)的數(shù)碼管顯示電路只需要2個(gè)數(shù)碼管，且分別接兩局部管腳，應(yīng)選擇靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式來(lái)顯示數(shù)碼管更為合理。如圖3所示為數(shù)碼管顯示電路，采用靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式和共陽(yáng)極接法。表3數(shù)碼管顯示方式比較驅(qū)動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)靜態(tài)顯示顯示無(wú)閃爍，亮度較高，編程簡(jiǎn)單數(shù)碼管越多，所需的電流越大，電源的要求越高動(dòng)態(tài)顯示電路簡(jiǎn)單，數(shù)碼管越多，優(yōu)勢(shì)越明顯不如靜態(tài)顯示的亮度高，

可能出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象圖3數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路3.3音樂(lè)切換電路通過(guò)按鍵拉低電平，觸發(fā)中斷0。3.4音頻播放電路使用兩個(gè)揚(yáng)聲器，一個(gè)作為琴鍵輸出，一個(gè)作為樂(lè)曲輸出。3.5時(shí)鐘復(fù)位電路3.5.1時(shí)鐘電路時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。

本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式做時(shí)鐘電路。3.5.2復(fù)位電路

在單片機(jī)的實(shí)用系統(tǒng)中，一般有兩種復(fù)位操作形式：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。

上電復(fù)位在單片機(jī)系統(tǒng)每次通電時(shí)執(zhí)行。手動(dòng)復(fù)位在系統(tǒng)出現(xiàn)操作錯(cuò)誤或程序運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)使用。

由于本設(shè)計(jì)的需要，同時(shí)采用這兩種復(fù)位方式。整體電路圖如以下圖4所示。圖4整體硬件設(shè)計(jì)電子琴的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)一般包括硬件局部和軟件局部，一旦硬件確定下來(lái)，軟件要實(shí)現(xiàn)的功能也隨之確定。而為使編程思路清晰，應(yīng)先繪制程序流程圖。

4.1

系統(tǒng)硬件接口定義

表4系統(tǒng)硬件接口定義引腳名接口說(shuō)明備注P0.0~P0.7琴鍵數(shù)碼管與單片機(jī)通信數(shù)碼管顯示電路P2.0~P2.7曲目數(shù)碼管與單片機(jī)通信數(shù)碼管顯示電路P3.2(INT0)外部中斷源輸入端音樂(lè)切換電路P1.0~P1.7矩陣鍵盤(pán)接口琴鍵控制電路P3.0,P3.7控制揚(yáng)聲器音頻播放電路4.2主函數(shù)主函數(shù)流程圖如圖5所示。利用模塊化的思想，主函數(shù)只執(zhí)行初始化函數(shù)、鍵盤(pán)掃碼函數(shù)、音頻處理函數(shù)和數(shù)碼管顯示函數(shù)。圖5主函數(shù)流程圖4.3初始化函數(shù)初始化的流程框圖如圖6所示。該函數(shù)對(duì)所需的I/O口、外部中斷0、定時(shí)器0、定時(shí)器T1以及數(shù)碼管進(jìn)展初始化配置。TMOD=0x11;//T0方式1，T1方式1IP=0x01;//INT0中斷優(yōu)先級(jí)最高EA=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;//允許中斷TR0=0;//關(guān)定時(shí)器0P1=0xbf;//鍵盤(pán)初始化flag=0; //標(biāo)志位置0圖6初始化流程圖4.4數(shù)碼管顯示及音頻處理函數(shù)根據(jù)鍵值掃描函數(shù)讀取的鍵碼，揚(yáng)聲器發(fā)聲并結(jié)合數(shù)碼管顯示出來(lái)。圖7數(shù)碼管顯示流程圖4.5中斷函數(shù)中斷函數(shù)用到了外部中斷和定時(shí)器中斷。外部中斷的流程框圖如圖8所示，當(dāng)按鍵按下時(shí)，外部信號(hào)觸發(fā)外部中斷，執(zhí)行鍵值掃描函數(shù)，讀取對(duì)應(yīng)的鍵值。定時(shí)中斷的流程框圖如圖9所示，定時(shí)器溢出中斷后，進(jìn)展重裝載初值，同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的音頻控制操作。

4.6鍵值掃描函數(shù)將輸入端置為高電平，輸出端置為低電平。這樣，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)，所有的輸入端無(wú)變化，代表無(wú)鍵按下。一旦有鍵按下，則輸入線就受輸出線的影響被拉低，這樣，通過(guò)讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。流程圖如圖10所示。圖8外部鍵盤(pán)中斷流程圖圖9定時(shí)器中斷流程圖圖10鍵值掃描流程圖電子琴的系統(tǒng)仿真5.1局部仿真結(jié)果表5仿真結(jié)果按鍵編號(hào)發(fā)聲音調(diào)數(shù)碼管顯示備注0低XI0，-1中DO1，-2中RI2，-無(wú)播放曲目及停頓1，2，或-重復(fù)按切換音樂(lè)圖11音樂(lè)顯示為“-〞或不顯示的時(shí)候，琴鍵按下DO有效圖12按音樂(lè)鍵，播放音樂(lè)1，琴鍵彈奏無(wú)效5.2調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決電子琴的設(shè)計(jì)并非一帆風(fēng)順，在這期間遇到了很多問(wèn)題，下面談幾個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。首先是數(shù)碼管顯示亂碼的問(wèn)題，原本以為是數(shù)碼管字形碼表的代碼有錯(cuò)，檢查幾遍發(fā)現(xiàn)代碼基沒(méi)錯(cuò)，后來(lái)結(jié)合硬件圖一看，才知道硬件圖中數(shù)碼管是共陽(yáng)極接法，軟件中的數(shù)碼管字形碼表是共陰極的。其二是按鍵引入中斷檢測(cè)時(shí)遇到的問(wèn)題，按音樂(lè)鍵后琴鍵無(wú)法發(fā)聲和顯示，浪費(fèi)了很多時(shí)間，最終發(fā)現(xiàn)是程序的判斷條件有問(wèn)題。其三是揚(yáng)聲器發(fā)出的音調(diào)不對(duì)，甚至沒(méi)有聲音，這個(gè)問(wèn)題后來(lái)還是不能解決，最后放棄了LM386的功放電路，直接接揚(yáng)聲器，但是導(dǎo)致了局部琴鍵發(fā)聲帶雜音。總結(jié)在本次設(shè)計(jì)八路多功能搶答器的課設(shè)過(guò)程中，我利用AT89C52單片機(jī)及外圍接口實(shí)現(xiàn)電子琴，利用單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器定時(shí)和計(jì)數(shù)的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)彈奏和播放的功能，利用Proteus和Keil軟件設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)電路，完成了課設(shè)的任務(wù)。在本次課設(shè)中，我意識(shí)到將理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合的重要性，對(duì)于單片機(jī)這樣的課程，僅僅通過(guò)了解課本上的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,我通過(guò)查資料和搜集有關(guān)文獻(xiàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力，通過(guò)利用軟件仿真和焊接電路，在很大程度上提高了我的動(dòng)手能力。我們?cè)谡n設(shè)的過(guò)程中，遇到了很多問(wèn)題，比方我在仿真的過(guò)程中錯(cuò)把共陰極數(shù)碼管字模當(dāng)作共陽(yáng)極使用，使得數(shù)碼管無(wú)法正常顯示，通過(guò)查資料我明白了共陰極數(shù)碼管是高電平驅(qū)動(dòng)，公共端是負(fù)極，共陽(yáng)極數(shù)碼管是低電平驅(qū)動(dòng)，公共端是正極，類似的問(wèn)題出現(xiàn)了很多，我們通過(guò)一一排查，終于完成了課設(shè)任務(wù)，結(jié)果說(shuō)明，有付出必有收獲，把握重點(diǎn)、攻克難關(guān)，活學(xué)活用對(duì)于結(jié)實(shí)的掌握知識(shí)，是非常有用的。在此次課設(shè)中，我學(xué)到了很多，也通過(guò)不斷糾正自己的錯(cuò)誤，意識(shí)到自身的缺乏，我對(duì)知識(shí)的掌握還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)深層次的理解記憶，我相信這些教訓(xùn)都為我以后的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)，時(shí)刻牢記團(tuán)隊(duì)合作、堅(jiān)持與努力的重要性。參考文獻(xiàn)[1]王思明,張金敏,茍軍年.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2008.[2]馮育長(zhǎng),鄒小兵.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例指導(dǎo)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出社,2004.[3]彭偉.單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.[4]單丹,馬淑云.基于AT89C51單片機(jī)電子琴的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2002.附錄#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//共陽(yáng)極數(shù)碼管UcharcodeLED[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf};sbitbeep=P3^0;ucharkey;//鍵號(hào)sbitbuzzer=P3^7;uchardis_buf;ucharflag;//音符延時(shí)表uintcodeTone_Delay_Table[]={64524,64580,64684,64777,64820,64896,64966,65030,65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283,65316};//音調(diào)與節(jié)拍ucharcodeSong1_Tone[]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,0xff};ucharcodeTime1_Tone[]={1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0xff};ucharcodeSong2_Tone[]={3,5,5,3,2,1,2,3,5,3,2,3,5,5,3,2,1,2,3,2,1,1,0xff};ucharcodeTime2_Tone[]={2,1,1,2,1,1,1,2,1,1,1,2,1,1,2,1,1,1,2,1,1,1,0xff};ucharcodeSong3_Tone[]={1,1,5,5,6,6,5,4,4,3,3,2,2,1,0xff};ucharcodeTime3_Tone[]={1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0xff};//定義按鍵序號(hào)ucharkeyno;//音樂(lè)片段索引，音符索引ucharsong_index=0;uchartone_index=0;//音符指針，延時(shí)指針uchar*tone_pointer,*delay_pointer;//從當(dāng)前數(shù)組中取出音符的位置uchari=0;//毫秒延時(shí)voiddelayms(uintms){ uchart; while(ms--)for(t=0;t<120;t++);}//按鍵產(chǎn)生外部中斷voidKey_Press()interrupt0{ TR0=0; //切換歌曲 song_index=(song_index+1)%3; switch(song_index) { case2:tone_pointer=Song1_Tone; delay_pointer=Time1_Tone; break; case1:tone_pointer=Song2_Tone; delay_pointer=Time2_Tone; break; case0:tone_pointer=0; delay_pointer=0; break; } //重新開(kāi)場(chǎng) i=0; TR0=1; flag=1;}//T0中斷播放voidplay_music()interrupt1{ if(song_index!=0){ TH0=Tone_Delay_Table[tone_index]/256; TL0=Tone_Delay_Table[tone_index]%256; buzzer=~buzzer;} else{buzzer=0;}}/*voidkey_scan(){ uchartemp,k; //高四位置0，放入四行 P1=0x0f; delayms(2); //按鍵后00001111變成0000xxxx，x中1個(gè)為0,3個(gè)仍為1 //以下亦或操作把3個(gè)1變成0，唯一0變成1 temp=P1^0x0f; //判斷按鍵發(fā)生于0-3列的哪一列 switch(temp) { case1:k=0;break; case2:k=1;break; case4:k=2;break; case8:k=3;break; default:return; } //底四位置0，放入四列 P1=0xf0; delayms(2); //按鍵后11110000變成xxxx0000,x為1個(gè)0，三個(gè)仍為1 //高四位移動(dòng)至底四位，唯一0變1，其余為0 temp=(P1>>4)^0x0f; //對(duì)0~3行分別賦起始值0，4，8，12 switch(temp) { case1:k+=0;break; case2:k+=4;break; case4:k+=8;break; case8:k+=12;break; default:return; } keyno=k;}*///矩陣鍵盤(pán)掃描子程序voidkey_scan(void){ uchartemp;P1=0x0F;//低四位輸入delayms(2);//稍稍延時(shí)temp=P1;//讀P1口temp=temp&0x0F;//取低四位temp=~(temp|0xF0);if(temp==1)//檢測(cè)按下的鍵所在的列號(hào)，在第一列key=0;elseif(temp==2)//在第二列key=1;elseif(temp==4)//在第三列key=2;elseif(temp==8)//在第四列key=3;elsekey=16;//否則顯示-P1=0xF0;//高四位輸入delayms(2);temp=P1;//讀P1口temp=temp&0xF0;temp=~((temp>>4)|0xF0);if(temp==1)//檢測(cè)按下的鍵所在的行號(hào)，在第一行key=key+0;elseif(temp==2)//在第二行key=key+4;elseif(temp==4)//在第三行key=key+8;elseif(temp==8)//在第四行key=key+12;elsekey=16;//否則顯示-/*根據(jù)行號(hào)和列號(hào)得到按下的鍵號(hào)*/dis_b