基于單片機的16鍵電子琴

1、成績推南呼紅爭ft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：1008030208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：董翠彫指導老師：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)代電子科技與咅樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn) 代音斥扮演著重要的角色，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

2、入現(xiàn)代人們的生活屮，成為不可替代的一部分。木文的主要內(nèi)容是用 at89c51單片機為核心控制元件，設計一個電子琴。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)破件組成。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。一首咅樂是許多不同的咅階組成的，而每個

3、咅階對應著不同的頻率，這樣我 們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的咅樂了，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總體設計鍵盤模塊，及l(fā)ed顯示模塊連接如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,丄。_22pt x1!丄c222pfcrystalxtal1po.s 心po i.ad1xtal2p02.a32 p0 3.a33p04'心po.&ad5rstp0 6.ad5 p0.7/a

4、07p2oa8p2.1/a9p2.2a10pscnp2.3'a11al£p2.4,a12eap2.&a13p2.6'a14pinp2.7/a15p3.0.rxdpl.1p3.1.txop12p32'1ntop13p33'1kt1p1.4p3.qt0p15p3.s«t1p1£p3&wrpi.7p3.7w19182-3 士亠土uirof匸qp1圖1t1把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的p1.0端口用導線連接到“音頻放人模塊”區(qū)域 spk in 端口上;2把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的p3. 0-p3. 7端口用8芯排線連接到“4x4行列

5、式 鍵盤”區(qū)域屮的c1-c4 r1-r4端口上；3.把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的po. o/ado-po. 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a-h端口上；要求：po. o/ado對應著a, po. 1/ad1對應著b, ,po. 7/ad7對應著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 bytesisp (in-system programmable)的可反復擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件米用atmel公司的咼密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準mcs-51指令

6、 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tsp flash存儲單 元，功能強大的微型計算機的at89s51可為許多嵌入式控制應用系統(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設計和配置了振蕩頻率可為0hz并可通過軟件設置省電模式。 空閑模式下，cp

7、u暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外屮斷系統(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)，停止芯片其它功能直至外小斷激活 或硬件復位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應不 同產(chǎn)品的需求。19>xtal1po.o/adop0.1/ad1ytai op0.2/ad2do q/aryja 1 au*ru.o.'auop0.4/ad4p0.5/ad5p0.6/ad6rstp0.7/ad7p2.0/a8p2.1/a9p2.2/a10psenp2.3/a11alep2.4/a12eap2.5/a13p2.6/a14p1.0 p1.1p2.7/a15

8、do a/dvnr o.v/nau p3.1/txdp12p1.3p1.4p3.2/int0r 0.0/in i 1p3.4ft0p1.5p1.6p3.5edq qw口ro.o» wn p3.7/rdp1.7189at89c51293031211223 巨25 26273938373635321077j2j314151617u112345678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l；art吊行小斷口線2個外部屮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可反復擦寫isp

9、flash rom4.5-5.5v工作電壓時鐘頻率0-33mhz128*8bit 內(nèi)部 ram低功耗空閑和省電模式3級加密位軟件設置空閑和省電功能1. 2. 2 lm386lm386是美國國家半導體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主耍應用于低電壓消費 類產(chǎn)品。lm386特性:(1) 靜態(tài)功耗低，約為4nia,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i韋i大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應用于錄音機和收音機z屮。u?9

10、l 00lm386c310ur310kr210kv卜圖1-3音頻放大器電路1.2.3 led數(shù)碼管碼管圖1-4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）；動態(tài)：平均電流4-5皿 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硬件設計內(nèi)容2. 1 4x4行列式鍵盤識

11、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)。fi前微機系統(tǒng)中使用的鍵盤按 其功能不同，通?？煞譃榫幋a鍵盤和非編碼鍵盤兩種基木類型。編碼鍵盤：鍵盤本身帶有實現(xiàn)接口主要功能所需的破件電路。不僅能白動檢 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cpuo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(guān)的行列矩陣。有關(guān)按鍵的識別、鍵 碼的確定與輸入、去抖動等功能均出軟件完成。目前微機系統(tǒng)中，一般為了降低 成本人多

12、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個基木功能。（1）去抖動:每個按鍵在按卜或松開時，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520mmo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）防吊鍵：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 的按鍵按卜-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 相應的鍵碼。n鍵輪冋，是當檢測到有多個鍵被按下時，能

13、根據(jù)發(fā)現(xiàn)它們的順序 依次產(chǎn)生相應鍵的鍵碼。（3）被按鍵識別：如何識別被按鍵是接口解決的主耍問題，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)來確泄閉合鍵，為此，需耍設 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)法的基木思想是 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4x4矩陣鍵盤，以p1.0-p1.

14、3作輸入線，以p1. 4 -p1.7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)域屮的p3.0-p3.7端口用8芯排線連接到“4x4行列 式鍵盤”區(qū)域中的c1-c4 r1-r4端口上;（2）把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域屮的p0. 0/ad0-p0. 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a-h端口上；耍求:p0.0/ad0對應著a, p0. 1/ad1對應著b, ,p0. 7/ad7對應著ho2. 1. 2按鍵掃描（1）4x4矩陣鍵盤識別處理，每個按鍵有它的行值和列值

15、，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岀數(shù)字“0”實現(xiàn)的。（2）鍵盤處理程序的任務是：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)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，通過軟件杳表，杳出該鍵的功能。電路圖如下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

16、口的p00-p0. 7 連接到一個七段數(shù)碼管的a-h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0 7數(shù)字，時間間隔0.2秒。t 22m x1ink-crystal年xtal1pcqadorv. 1rv.wala*rstrv./» al/ipsen al£ eap2qa8p2.1a9 p2.i'alo p2.a'a11 p2.4a12 p2.&a13 p2.&a14p2.7.'a15ki.qpi.1 mi m3pm pis pl a pi 7p321mi2p34to pasjtlrjcnrfrjat8&cs1qp1rr匚

17、r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po. o/ado-po. 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a-h端口上；要求：po. o/ado 與a相連,po. 1/ad1與b相連,po. 2/ad2與c相連,po. 7/ad7與h相連。3軟件設計內(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)光二極管纟fl成， 根據(jù)齊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qa 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

18、成不同的字形，這種組合稱z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”7fha ”06h“9”6fh“2"5bh“a”77h“3”4fh7ch“4”66h“c”39h“5”6dh“d”5eh“6”7dii“e”79h“ 7 ”07h“f”71h（2）由于顯示的數(shù)字0 9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 3fii, 06h, 5bi1, 4f1i, 6611, 6d1i, 7di1, 07h, 7fh, 6fho3.

19、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頻率關(guān)系正確即可。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（m0de1）下，改變計數(shù)值 t

20、ho及tlo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=l/523 = 1912 u s,因此只要令計數(shù)器計時956 u s/1 u s = 956,每計數(shù)956次 時將i/o反相,就可得到中音do （523iiz）o計數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式（如式1-1所示）是：n=fi4-24-fr（1-1）式中，n是計數(shù)值；fi是機器頻率（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的求法如卜t = 65536-n=65536-fi4-24-fr例如：設 k = 65536, fi = lmhz,求低咅 do (262hz)、k do (52

21、3hz)、高 音do (1046hz)的計數(shù)值。t = 65536-n = 65536 fi4-24-fr = 65536 1000000 4-2 4-fr = 65536 500000/fr低音 do 的 t=65536 500000/262 = 63627中咅 do 的 t = 65536-500000/523 = 64580高音 do 的 t = 65536 500000/1046 = 65059單片機12mhz晶振，高屮低咅符與計數(shù)to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(iiz)簡譜碼（t值）音符頻率（hz）簡譜碼（t值）低1 do26263628# 4 fa#740

22、64860#1 do#27763731中5 so78464898低2 re29463835# 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 m131865157低7 si49464524高4 fa139765

23、178中1 do52364580# 4 fa#148065198# 1 do#55464633高5 so156865217中2 re58764684# 5 so#166165235# 2 rett62264732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的數(shù)據(jù)低音0 19之間，中音在20-39之間，table: dw0,63628,63835,dw0,63731,63928,dw0,64580,64684,dw0,64633,64732,dw0,6

24、5058,65110,dw0,65085,65134,dw0高音在40-59之間64021, 64103, 64260, 64400,0, 64185, 64331, 64463, 0,64777, 64820, 6489& 64968,0, 64860, 64934, 64994, 0,65157, 6517& 65217, 65252,64524, 0, 00, 065030, 0, 00, 065283, 0, 00, 00, 6519& 65235, 65268, 0,3. 2.2程序框圖音樂發(fā)聲程序框圖如圖1-8所示:to屮斷入口重裝to初值p1.0取反kj中

25、斷返冋z圖1-8音樂發(fā)聲程序框圖按鍵程序框圖如圖1-9所示：根據(jù)當前狀態(tài)識別按鍵值丿根據(jù)當前狀態(tài)識別按鍵值kp3=0xf74全文總結(jié)通過這次設計，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。首先在設計剛開始的調(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，認識到日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。我的設計主要涉及硬件和軟件兩方面的內(nèi)容，通過這些我的駛件和軟件開發(fā) 能力都獲得了提高。首先硬件方面，基木

26、了解了電子產(chǎn)品的開發(fā)流程和所要做的 工作?；菊莆樟?protel99se原理圖的方法，并設計了一個單片機最小系統(tǒng)。 通過開發(fā)板的設計和碩件搭建的過程，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閑電路引腳和連接方法，如led數(shù)碼管，鍵盤等。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單片機課程設計實訓教材m.北京：清華大學出版社,2003年9月. 徐新艷.單片機原理、應用與實踐m.北京：高等教育出版社，2005年3月.吳金戌，沈慶陽，郭庭吉.8051單片

27、機實踐與應用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£7"t" 22pfx1crystallc2nr 22pfu11918>xtal1xtal2rstpoq'ado po 1/ad1 po2/ad2 po3.-ao3 p0.4'ad4 po5ad6 p0 6.-ad6 po 7/ad7qp11(x3939373535343332p2.a*a8p2.1a9 p2.2/a

28、10 p2.3-a11 p2.4va12p2.5/a13p2.&am p2.7/a15at89c5129«psen ale eap3.0.rxd p3,i.nrxp p3.2hrt0 p3.a'nt1p3.4/t0 p35p3.6.wrp3.7-pd 11 12 13 14 15 16 17cr匚r1lchuw附錄2；#include<reg51 .h>#define uchar unsigned char #define uuint unsigned intuchar temp;uchar num;uchar i,j;unsigned char stho

29、; unsigned char stlo;sbit p3_4=p3a4;sbit p3_5=p3a5;sbit p3_6=p3a6;sbit p3_7=p3a7;sbit p1_o=p1ao;sbit dula=p2a6;sbit wela=p2a7;unsigned int code tab= 64021,64103,64260,64400, 64524,64580,64684, 64820,6489&64968,65030, 65058,65110,65157,65178;unsigned char code table=ox3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d

30、,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71;void delay()unsigned char i, j;for(i=110;i>0;i-) for(j=110;j>0;j);void display(uchar aa)dula=l;po=tableaa-l; dula=0;uchar keyscan()p3=0xfe;temp=p3; temp=temp &oxfo;while(temp!=0xf0)delay(); temp=p3; temp=temp&oxfo;while(temp!=0xf0)te

31、mp=p3; switch(temp)case oxee:num=l; break;case 0xde:num=2; break;case oxbe:num=3; break;case 0x7e:num=4; break;temp=p3;p1_o=p1_o;po=tablenum;sth0=tabnum/256;stlo=tabnum %256;tro=1;temp=temp & oxof; while(temp!=oxfo)temp=p3; temp=temp&oxfo; tr0=0;p3=oxfd;temp=p3; temp=temp&oxfl); while(temp!=oxfo)delay();temp=p3;temp=temp &oxfo; while(temp!=oxfo) temp=p3; switch(temp)case 0xed:num=5;break;case 0xdd:num=6;break;case 0xbd:num=7;break;case ox7d:num=8;