基于51单片机的16键电子琴课程设计报告.docx

1、基于51单片机的16键电子琴课程设计报告单片机原理及系统课程设计评语：考勤10分守纪10分过程30分设计报告30分答辩20分总成绩(100)专业：自动化班级：姓名:学号：指导教师：兰州交通大学自动化与电气工程学院2015年12月30日基于单片机的16键电子琴一、电子琴设计的目的、要求与设计方法1.1设计目的现代乐器中，电子琴是高新科技在音乐领域的一个代表，体现了人类电子技术和艺术的完美结合。电子琴自动伴奏的稳定性、准确性，以及鲜明的强弱规律、随人设置的速度要求，都更便于人们由易到难、深入浅出的准确掌握歌曲节奏和乐曲风格，对其节奏的稳定性和准确性训练能起到非常大的作用。1.2设计要求本设计主要是

2、用AT89C52单片机为核心控制元件，设计一个微缩版的电子琴。单片机与按键构成主控制模块，在主控制模块上设置有9个按键，分别达成不同目标。本系统主要为了完成电子琴的三大功能：电子琴弹奏和音乐播放及录音。1.3电子琴设计方法表1软件简介软件名称设计作用KeiluVision4编写程序与编译PROTEUS绘制硬件电路图、数字仿真MicrosoftVisio绘制程序流图与框图(1)功能按键触发外部中断，以完成不同曲目的的切换。(2)设置定时器产生不同频率的方波，I/O口输出，经功放后扬声器发声。(3)采用44矩阵键盘弹奏16个音（低XI到高DO）。二、电子琴的设计方案及原理2.1设计总体方案本系统采

3、用AT89C52为主控芯片。输入电路有16个琴键按键，通过按键随意按下所要表达的音符，作为电平送给主体电路，中央处理器通过识别，解码输出音符，在扬声器中发出有效的声音。1个音乐按键用于播放音乐和切换歌曲，通过按键触发中断，重置定时器初值，于另一个扬声器中发出有效音响。总设计框图如下图1所示。图1基于单片机的电子琴电路原理框图2.2发声原理利用AT89C52的内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶，例如，频率为523Hz，其周期T1/5231912s，因此只要令计数器计时956s/1s956，每计数956次时将I/O反相，就可得到中

4、音DO（523Hz）。?计数脉冲值与频率的关系式是：? Nfi2fr。式中，N是计数值；fi是机器频率（晶体振荡器为12MHz时，其频率为1MHz）；fr是想要产生的频率。?三、电子琴的硬件设计基于单片机AT89C51的电子琴电路由琴键控制电路、数码管显示电路、音频播放电路、时钟-复位电路、音乐切换电路和电源电路六部分所构成。3.1琴键控制电路琴键控制电路作为人机联系的输入部分，也是间接控制数码显示和音频功放的重要组成部分。键盘按照连接方式可以分为独立式和矩阵式键盘两类。如图2所示为4X4矩阵式键盘电路，由一个4X4的行、列结构可以构成一个16个按键键盘。?矩阵中无按键按下时，行线为高电平；当

5、有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线的电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平也为高，这是识别按键是否按下的关键所在。图2矩阵式键盘独立式键盘的特点是一键一线，各键相互独立，每个键各接一条I/O口线，通过检测I/O输入线的电平状态，可判断出被按下的按键。?表2键盘类型比较键盘类型优点缺点独立式电路简单，编程简单占用I/O口线多矩阵式占用I/O口线较少编程比较复杂由于此次设计的琴键控制电路需要16个按键，故单纯从I/O口线的占用的角度比较，独立式需要占用16条I/O口线，而矩阵式却只需8条。故选择矩阵式键盘电路比较合理。3.2数码管显示电路LED

6、（Light?Emitting?Diode）发光二极管缩写。LED数码管是由发光二极管构成的。常见的LED数码管为“8”字型的，共计8段。一般来说分共阳极和共阴极两种接法。静态显示方式即无论多少位LED数码管，同时处于显示状态。如果送往各个LED数码管所显示字符的段码一经确定，则相应I/O口锁存器锁存的段码输出将维持不变，直到送入另一个字符的段码为止。静态显示方式就是无论在任何时刻只有一个LED数码管处于显示状态，即单片机采用“扫描”方式控制各个数码管轮流显示。?对于以上两种数码管驱动电路的的优缺点比较如表3所示。由于静态驱动方式的显示无闪烁，亮度较高，编程简单，加上本次设计的数码管显示电路只

7、需要2个数码管，且分别接两部分管脚，故选择静态驱动方式来显示数码管更为合理。如图3所示为数码管显示电路，采用静态驱动方式和共阳极接法。表3数码管显示方式比较驱动方式优点缺点静态显示显示无闪烁，亮度较高，编程简单数码管越多，所需的电流越大，电源的要求越高动态显示电路简单，数码管越多，优势越明显不如静态显示的亮度高，?可能出现闪烁现象图3数码管静态显示电路3.3音乐切换电路通过按键拉低电平，触发中断0。3.4音频播放电路使用两个扬声器，一个作为琴键输出，一个作为乐曲输出。3.5时钟复位电路3.5.1时钟电路?时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有

8、两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。?本设计采用内部时钟方式做时钟电路。3.5.2复位电路?在单片机的实用系统中，一般有两种复位操作形式：上电复位和手动复位。?上电复位在单片机系统每次通电时执行。手动复位在系统出现操作错误或程序运行出错时使用。?由于本设计的需要，同时采用这两种复位方式。整体电路图如下图4所示。图4整体硬件设计四、电子琴的软件设计系统功能的实现一般包括硬件部分和软件部分，一旦硬件确定下来，软件要实现的功能也随之确定。而为使编程思路清晰，应先绘制程序流程图。?4.1?系统硬件接口定义?表4系统硬件接口定义引脚名接口说明备注P0.0P0.7琴键数码管与单片机通信数码

9、管显示电路P2.0P2.7曲目数码管与单片机通信数码管显示电路P3.2(INT0)外部中断源输入端音乐切换电路P1.0P1.7矩阵键盘接口琴键控制电路P3.0,P3.7控制扬声器音频播放电路4.2主函数?主函数流程图如图5所示。利用模块化的思想，主函数只执行初始化函数、键盘扫码函数、音频处理函数和数码管显示函数。图5主函数流程图4.3初始化函数初始化的流程框图如图6所示。该函数对所需的I/O口、外部中断0、定时器0、定时器T1以及数码管进行初始化配置。TMOD=0x11;/T0方式1，T1方式1IP=0x01;/INT0中断优先级最高 EA=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;/允许中断T

10、R0=0;/关定时器0P1=0xbf;/键盘初始化flag=0; /标志位置0图6初始化流程图4.4数码管显示及音频处理函数根据键值扫描函数读取的键码，扬声器发声并结合数码管显示出来。图7数码管显示流程图4.5中断函数中断函数用到了外部中断和定时器中断。外部中断的流程框图如图8所示，当按键按下时，外部信号触发外部中断，执行键值扫描函数，读取对应的键值。定时中断的流程框图如图9所示，定时器溢出中断后，进行重装载初值，同时执行相应的音频控制操作。?4.6键值扫描函数将输入端置为高电平，输出端置为低电平。这样，当按键没有按下时，所有的输入端无变化，代表无键按下。一旦有键按下，则输入线就受输出线的影响

11、被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。流程图如图10所示。图8外部键盘中断流程图图9定时器中断流程图图10键值扫描流程图五、电子琴的系统仿真5.1部分仿真结果表5仿真结果按键编号发声音调数码管显示备注0低XI0，-1中DO1，-2中RI2，-无播放曲目及停止1，2，或-重复按切换音乐图11音乐显示为“-”或不显示的时候，琴键按下DO有效图12按音乐键，播放音乐1，琴键弹奏无效5.2调试中出现的问题及解决电子琴的设计并非一帆风顺，在这期间遇到了很多问题，下面谈几个关键的问题。首先是数码管显示乱码的问题，原本以为是数码管字形码表的代码有错，检查几遍发现代码基没错，后来结合硬件图

12、一看，才知道硬件图中数码管是共阳极接法，软件中的数码管字形码表是共阴极的。其二是按键引入中断检测时遇到的问题，按音乐键后琴键无法发声和显示，浪费了很多时间，最终发现是程序的判断条件有问题。其三是扬声器发出的音调不对，甚至没有声音，这个问题后来还是不能解决，最后放弃了LM386的功放电路，直接接扬声器，但是导致了部分琴键发声带杂音。六、总结在本次设计八路多功能抢答器的课设过程中，我利用AT89C52单片机及外围接口实现电子琴，利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理实现对弹奏和播放的功能，利用Proteus和Keil软件设计出实验电路，完成了课设的任务。在本次课设中，我意识到将理论知识与实践相

13、结合的重要性，对于单片机这样的课程，仅仅通过了解课本上的知识是远远不够的,我通过查资料和搜集有关文献，培养了自学能力，通过利用软件仿真和焊接电路，在很大程度上提高了我的动手能力。我们在课设的过程中，遇到了很多问题，比如我在仿真的过程中错把共阴极数码管字模当作共阳极使用，使得数码管无法正常显示，通过查资料我明白了共阴极数码管是高电平驱动，公共端是负极，共阳极数码管是低电平驱动，公共端是正极，类似的问题出现了很多，我们通过一一排查，终于完成了课设任务，结果表明，有付出必有收获，把握重点、攻克难关，活学活用对于牢固的掌握知识，是非常有用的。在此次课设中，我学到了很多，也通过不断纠正自己的错误，意识到

14、自身的不足，我对知识的掌握还没有实现深层次的理解记忆，我相信这些教训都为我以后的学习奠定了良好的基础，时刻牢记团队合作、坚持与努力的重要性。参考文献1王思明,张金敏,苟军年.单片机原理及应用系统设计M.北京:人民邮电出版社,2008.2冯育长,邹小兵.单片机系统设计与实例指导M.西安：西安电子科技大学出社,2004.3彭伟.单片机C语言程序设计实训100例M.北京：电子工业出版社,2009.4单丹,马淑云.基于AT89C51单片机电子琴的设计J.中国高新技术企业，2002.附录#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint/共阳极数

15、码管UcharcodeLED=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf;sbitbeep=P30;ucharkey;/键号sbitbuzzer=P37;uchardis_buf;ucharflag;/音符延时表uintcodeTone_Delay_Table=64524,64580,64684,64777,64820,64896,64966,65030,65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283,65316;/音调与节拍ucha

16、rcodeSong1_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

17、,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;/定义按键序号ucharkeyno;/音乐片段索引，音符索引ucharsong_index=0;uchartone_index=0;/音符指针，延时指针uchar*tone_pointer,*delay_pointer;/从当前数组中取出音符的位置uchari=0;/毫秒延时voiddelayms(uintms) uchart; whil

18、e(ms-)for(t=0;t4)0x0f; /对03行分别赋起始值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;*/矩阵键盘扫描子程序voidkey_scan(void) uchartemp;P1=0x0F;/低四位输入delayms(2);/稍稍延时temp=P1;/读P1口temp=temp&0x0F;/取低四位temp=(temp|0xF0);if(temp=1)/检测按下的键所在的列号，在第一列

19、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;/否则显示-P1=0xF0;/高四位输入delayms(2);temp=P1;/读P1口temp=temp&0xF0;temp=(temp4)|0xF0);if(temp=1)/检测按下的键所在的行号，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;elsek

20、ey=16;/否则显示-/*根据行号和列号得到按下的键号*/dis_buf=LEDkey;/查表得键值/T1中断，发声DORIMI。voidplay()interrupt3 TH1=Tone_Delay_Tablekey/256; TL1=Tone_Delay_Tablekey%256; beep=beep;/主程序voidmain() TMOD=0x11;/T0方式1，T1方式1 IP=0x01;/INT0中断优先级最高 EA=1; ET0=1; ET1=1; EX0=1;/允许中断 TR0=0; P1=0xbf; flag=0; while(1) /if(flag=0) P1=0xf0;/

21、发送扫描码 if(P1!=0xf0)/有键按下 if(song_index!=2&song_index!=1) key_scan(); P0=dis_buf;/键值赋给P0口，显示 TR1=1; else TR1=0;/停止播放 / if(flag=1&song_index!=0) delayms(2); tone_index=tone_pointeri; if(tone_index=0xff) i=0; delayms(2000); continue; TR0=1; delayms(delay_pointertone_index*240); TR0=0; i+; switch(song_index) case2:P2=LED2; break; case1:P2=LED1; break; case0:P2=0xbf; break;