簡易電子琴的設計

1、學院單片機課程設計報告簡易電子琴院 系 物理與電子工程學院 專 業(yè) 自動化 學 生 班 級 2010級3班 姓 名 學 號 10 指導教師單位 指導教師姓名 指導教師職稱 副教授 2013年10月簡易電子琴自動化專業(yè)2010級 指導教師 摘要：隨著電子技術的發(fā)展，電子技術正在逐漸改善著人們的學習、生活、工作，因此開發(fā)本系統希望能夠給人們多帶來一點生活上的樂趣，電子技術與音樂的結合不斷加深。而電子琴就是現代電子科技與音樂結合的產物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現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特性，它已經溶入現代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本系統是以51系列

2、單片機at89c51為主控制器，附有矩陣鍵盤、led顯示管、揚聲器組成。系統完成顯示輸入信息、播放相應音符等基本功能。本系統運行穩(wěn)定，其優(yōu)點是硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統可靠，性價比較高等，具有一定的實用和參考價值。關鍵詞：單片機，at89c51，電子琴 目錄前言隨著電子科技的飛速發(fā)展，電子技術正在逐漸改善著人們的學習、生活、工作，因此開發(fā)本系統希望能夠給人們多帶來一點生活上的樂趣?；诋斍笆袌錾系耐婢呤袌鲂枨罅看?，其中電子琴就是一個很好的應用方面。單片機技術使我們可以利用軟硬件實現電子琴的功能，從而實現電子琴的微型化，可以用作玩具琴、音樂轉盤以及音樂童車等等。并且可以進行一定的功能擴

3、展。鑒于傳統電子琴可以用鍵盤上的“k0”到“k16”鍵演奏從低so到高do等16個音，從而可以用來彈奏喜歡的樂曲。1本系統主要研究內容本系統設計制作一個可演奏的電子琴。綜合應用了兩項設計。（1）鍵盤矩陣識別。即矩陣掃描，顯示當前按鍵。（2）不同頻率音符播放?？梢酝ㄟ^按鍵控制16種發(fā)音。2 系統分析 2.1系統組成本系統只要以51單片機為主控核心，與矩陣鍵盤、揚聲器、led顯示管模塊一起組合而成。具體如圖1所示。鍵盤單片機數碼管蜂鳴器圖1 簡易電子琴的系統組成2.2系統工作原理本系統掃描鍵盤矩陣、顯示按鍵、揚聲器發(fā)出對應音符。4x4行列式鍵盤識別及顯示原理如下：組成鍵盤的按鍵有機械式、電容式、導

4、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。目前微機系統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，并完成去抖動、防串鍵等功能，而且能提供與被按鍵功能對應的鍵碼（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雜，因而價格較貴。 非編碼鍵盤：鍵盤只簡單地提供按鍵開關的行列矩陣。有關按鍵的識別、鍵碼的確定與輸入、去抖動等功能均由軟件完成。目前微機系統中，一般為了降低成本大多數采用非編碼鍵盤。 鍵盤接口必須具有去抖動、防串鍵、按

5、鍵識別和鍵碼產生4個基本功能。 （1）去抖動:每個按鍵在按下或松開時，都會產生短時間的抖動。抖動的持續(xù)時間與鍵的質量相關，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生相應的鍵碼。n鍵輪回，是當檢測到有多個鍵被按下時，能根據發(fā)現它們的順序依次產生相應鍵的鍵碼。 （3）被按鍵識別：如

6、何識別被按鍵是接口解決的主要問題，一般可通過軟硬結合的方法完成。常用的方法有行掃描法和線反轉法兩種。行掃描法的基本思想是，由程序對鍵盤逐行掃描，通過檢測到的列輸出狀態(tài)來確定閉合鍵，為此，需要設置入口、輸出口一個，該方法在微機系統中被廣泛使用。線反轉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；在數碼管上顯示每個按鍵的“0f”序號。

7、總體電路具體原理如圖2所示。模塊初始化發(fā)送掃描碼有鍵按下 下開始掃描鍵盤矩陣顯示按鍵啟動定時器根據key no發(fā)音顯示按鍵延時結束停在播放是否圖2 總體電路原理圖3系統硬件設計3.1系統硬件總體設計本系統由鍵盤矩陣、led顯示管、揚聲器這幾個部分組成，led顯示管顯示當前按鍵，揚聲器發(fā)出對應音符。硬件總體設計圖如圖3所示。圖3 硬件總體設計圖3.2子系統（模塊）一led顯示模塊如圖2-2所示，利用at89s51單片機的p0端口的p0.0p0.7連接到一個七段數碼管的ah的筆段上，數碼管的公共端接電源。矩陣掃描顯示當前按鍵模塊如圖4所示。圖4 矩陣掃描顯示當前按鍵模塊圖3.3子系統（模塊）二對鍵

8、盤掃描電路的掃描方式有行掃描法和線反轉法，在此次程序編寫中，采用行掃描法，通過在p1.0p1.3上循環(huán)送出0掃描信號，p1.4p1.7輸入按鍵上的高低電平信息給單片機，經處理程序，判斷出是哪個開關按下，并送主程序以實現不同功能。鍵盤掃描電路圖如圖5所示。圖5 鍵盤掃描電路圖4軟件設計 本軟件設計關鍵是要實現一種由單片機控制的簡單音樂發(fā)生器，它由16個音節(jié)組成的的鍵盤，用戶可以根據樂譜在鍵盤上進行演奏，音樂發(fā)生器會根據用戶的彈奏，通過揚聲器將音樂播放出來。4.1 音樂相關知識 樂音聽起來有的高，有的低，這就叫音高，音高是由發(fā)音物體振動頻率的高低決定的，頻率高聲音就高，頻率低聲音就低，不同音商的樂

9、音是用c、d、e、f、g、a、b表示的，這7個字母就是樂音的音名，它們一般依次唱成do、re、mi、fa、so、la、si，這是唱曲時樂音的發(fā)音，所以叫唱名。音持續(xù)時間的長短即時值，一般用拍數表示，休止符表示暫停發(fā)音。一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應著不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數對應的延時，構成音樂。七段led顯示器內部由七個條形發(fā)光二極管和一個小圓點發(fā)光二極管組成，根據各管的極管的接線形式，可分成共陰極型和共陽極型。 led數碼管的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。本系統按

10、鍵顯示模塊軟件流程圖如圖6所示。開始模塊初始化有鍵按下待添加的隱藏文字內容2鍵盤掃描顯示按鍵結束是否圖6 按鍵掃描流出圖5系統調試 電路調試是整個系統功能否實現的關鍵步驟，我們將整個調試過程分為三大部分：硬件調試、軟件調試和綜合調試。5.1硬件調試硬件調試主要是針對單片機部分進行調試。在上電前，先確保電路中不在斷路或短路情況，這一工作是整個調試工作的第一步，也是非常重要的一個步驟。在這部分調試中主要使用的工具是萬用表，用來完成檢測電路中是否存在斷路或者短路情況等。注意焊點之間，確保焊點沒有短接在一起，同時注意焊點的美觀，確保沒有開路以及短路的現象出現。在確保硬件電路正常，無異常情況(斷路或短路

11、)方可上電調試，上電調試的目的是檢驗電路是否接錯，同時還要檢驗原理是否正確，在本次設計中，上電調試主要鍵盤單片機控制部分、數碼管點亮部分、和音頻轉換電路硬件調試。1、數碼管led電路調試：接通電源，隨機按下按鈕可以看到數碼管顯示數字。2、鍵盤單片機控制部分調試：上電后，隨機按動鍵盤可以發(fā)現各個按鍵對應的音正確。5.2 軟件調試調試主要方法和技巧：通常一個調試程序應該具備至少四種性能：跟蹤、斷點、查看變量、更改數值。整個程序是一個主程序調用各個子程序實現功能的過程，要使主程序和整個程序都能平穩(wěn)運行，各個模塊的子程序的正確與平穩(wěn)運行必不可少，所以在軟件調試的最初階段就是把各個子程序模塊進行分別調試

12、。設計總結以及心得體會通過這周的單片機課程設計，我學到了不少課本上沒有的知識，而且自己的動手能力也得到了提升。首先，通過對這些資料的學習，我大致了解了單片機的發(fā)展現狀以及未來的發(fā)展趨勢，認識到目前單片機方面的各種各樣的發(fā)展。了解了單片機用途的廣泛性，這些都為我未來的學習和就業(yè)指明了方向。本次課程設計主要涉及硬件和軟件兩方面的內容，通過這次設計，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數碼管，鍵盤等。自己對軟件、硬件的開發(fā)工作有了更多的認識。雖然有很多知識沒有學過，但通過自學還是掌握了一些在課堂上沒有掌握的內容。希望以后能更加努力，把所學的知識應用于實踐。參考文獻1 彭偉.單片機c語言程序設計實訓100例.電子工業(yè)出版社.2009年2 吳運昌模擬電子線路基礎廣州：華南理工大學出版社，2004年3 閻石數字電子技術基礎北京：高等教育出版社，1997年4 李建忠單片機原理及應用西安：西安電子科技大學，2002年5 韓志軍等.單片機應用系統設計m.機械工業(yè)出版社，2004