基于單片機的簡易電子琴電路設計

1、單片機課程設計任務書題 目: 基于單片機的簡易電子琴電路設計 初始條件：簡易電子琴一般具有彈奏一個自然大調7聲音階的功能。本課程設計，要求用AT89C51等系列芯片實現(xiàn)控制功能，利用按鍵實現(xiàn)音符和音調的輸入；兩位的數(shù)碼管進行被操作的按鍵顯示；用LM386放大電路實現(xiàn)低音頻功率放大；最后用蜂鳴器進行播放“送別”。要求完成的主要任務: 1.設計任務 根據(jù)已知條件，設計并制作一個簡易電子琴。 2.設計要求 （1）基本要求： 具備7個按鍵，能夠分別較準確地彈奏出17八個音符。 選擇電路方案，完成對確定方案電路的設計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇、并畫出總

2、體電路原理圖，闡述基本原理。用EWB或MULTISIM軟件完成仿真，之后制作出相應實物，并按規(guī)定格式寫出課程設計報告書。（2）擴展要求：（在完成基本要求的前提下，學有余力的同學可完成）  能夠彈奏出至少21個音符（三個音階）。  能夠較便捷地完成音階的升降。（用另外三個按鍵開關實現(xiàn)正常、升8度和降8度的切換）。時間安排： 序號階 段 內 容所需時間（周）1方案選擇及電路設計假期進行2制作、編程、調試13撰寫課程設計報告及答辯1合 計2指導教師簽名： 年 月 日 基于單片機的簡易電子琴控制系統(tǒng)設計摘要目的：本設計主要研究基于AT89C52單片機的簡易電子琴

3、設計。方法：它是以單片機作為主控核心，設置鍵盤、蜂鳴器等外圍器件；另外還用到一些簡單器件如：兩位數(shù)碼管，和NPN型三極管及電阻等。利用按鍵實現(xiàn)音符和音調的輸入；兩位的數(shù)碼管進行被操作的按鍵顯示；用NPN型三極管8550實現(xiàn)低音頻功率放大；最后用蜂鳴器進行播放“送別”。結果：本設計硬件部分主要由最小系統(tǒng)，按鍵系統(tǒng)模塊、數(shù)碼管顯示模塊和蜂鳴器模塊組成。其軟件部分主要有主程序模塊、定時中斷程序、定時計數(shù)程序、顯示程序。（1）最小系統(tǒng)：它是單片機應用系統(tǒng)的設計基礎。它包括單片機的選擇、時鐘系統(tǒng)設計、復位電路設計、簡單的I/O口擴展、掉電保護等。（2）按鍵系統(tǒng)模塊：本設計采用10個按鍵，其中7個按鍵用來

4、顯示7個音調，其它3個按鍵可以進行高低中音的切換，并自動播放已存歌曲。（3）數(shù)碼管顯示模塊：SM420562段選端接在單片機的P0口，兩個位選端分別接在P20和P21。（4）蜂鳴器模塊：此電子琴發(fā)音電路是通過三極管驅動蜂鳴器發(fā)音，經(jīng)過上拉電阻提高驅動能力。結論：本次設計首先對單片機設計簡易電子琴仔細分析，接著制作硬件電路和編寫軟件的程序，最后進行軟硬件的調試運行。并且從原理圖，主要芯片，各模塊的原理和各個模塊的程序調試來闡述。利用單片機產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，實現(xiàn)高、中、低共21個音符的發(fā)音和顯示和音樂播放時的控制顯示，并且能自動播放程序中編排的音樂。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其優(yōu)點是硬件電路簡

5、單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比高等，具有一定的使用和參考價值。關鍵詞： 單片機 定時中斷 蜂鳴器 數(shù)碼管 c語言編程1 系統(tǒng)設計本項目所制作的電子琴控制系統(tǒng)是以51單片機為核心的系統(tǒng)，它主要包括模擬信號主控芯片89C52、發(fā)音單元、顯示模塊、按鍵模塊組成。具體方案如圖1-1所示： 89C52單片機發(fā)音單元 按鍵模塊顯示模塊圖1-1 系統(tǒng)模塊采用AT89C52單片機作為主控芯片，設置鍵盤、蜂鳴器等外圍器件，另外還用到一些簡單器件如：兩位數(shù)碼管，和NPN型三極管及電阻等。利用按鍵實現(xiàn)音符和音調的輸入；兩位的數(shù)碼管進行被操作的按鍵顯示；用NPN型三極管8550實現(xiàn)低音頻功率放大；最后用蜂鳴器

6、發(fā)音。2 硬件電路設計2.1顯示部分設計（1）數(shù)碼顯示方式數(shù)碼顯示有靜態(tài)顯示方式與動態(tài)顯示方式兩種。工作在靜態(tài)顯示方式時，數(shù)碼管的位線與電源一直相連，數(shù)碼管中的二極管均處于通電狀態(tài)，即在靜態(tài)工作方式下，顯示電路中數(shù)碼管的位選線是同時選通，而數(shù)碼管的段選線是獨立輸入。工作在動態(tài)顯示方式時，數(shù)碼管的位線在掃描控制電路的控制下按設定順序導通，即電路中的數(shù)碼管是逐個接通電源，數(shù)碼管的段選線以并聯(lián)方式與譯碼電路聯(lián)接，即在動態(tài)工作方式下，數(shù)碼管不是同時導通顯示而是按照設定順序分時導通顯示。 （2）八位數(shù)碼管的結構本次課程設計的顯示電路采用兩位數(shù)碼管進行顯示，由于此設計采用的是共陰極的，使用時不加限流電阻為

7、了顯示字符，要為 LED 顯示器段碼，除了組成8字形的字符的 7段，另加上1個小數(shù)點位，共計8段， 因此提供給 LED 顯示器的顯示段碼為1個字節(jié)。 圖2-1 數(shù)碼管電路2.2按鍵部分設計（1）操作鍵設計常用的按鍵有三種：機械觸點式按鍵、導電橡膠式和柔性按鍵（又稱觸摸式鍵盤）。  機械觸點式按鍵是利用機械彈性使鍵復位，手感明顯，連線清晰，工藝簡單，適合單件制造。但是觸點處易侵入灰塵而導致接觸不良，體積相對較大。  導電橡膠按鍵是利用橡膠的彈性來復位，通過壓制的方法把面板上所有的按鍵制成一塊，體積小，裝配方便，適合批量生產(chǎn)。但是時間長了，橡膠老化而使彈力下

8、降，同時易侵入灰塵。  柔性按鍵是近年來迅速發(fā)展的一種新型按鍵，可以分為凸球型和平面型兩種。柔性按鍵最大特點是防塵、防潮、耐蝕，外形美觀，裝嵌方便。而且外形和面板的布局、色彩、鍵距可按照整機的要求來設計。但是由于客觀條件與經(jīng)濟能力有限，本系統(tǒng)采用機械觸點式按鍵。（2）鍵盤設計鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中是一個關鍵的部件，它能實現(xiàn)向計算機輸入數(shù)據(jù)，傳送命令等功能，是人工干預計算機的主要手段。鍵盤可以分為2類：獨立連接式鍵盤和矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤：單片機系統(tǒng)中，若按鍵較多時，通常采用矩陣式（也稱行列式）鍵盤。矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點上。顯然，在按鍵數(shù)量較

9、多時，矩陣式鍵盤較之獨立式按鍵鍵盤要節(jié)省很多I/O口。矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端，行線通過上拉電阻接到+5V上當無鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)；當有鍵按下時，行、列線將導通，此時，行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這是識別按鍵是否按下的關鍵。獨立連接式鍵盤:獨立式按鍵是直接用I/O口線構成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，然而，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。獨立式按鍵軟件常采用查詢式結構。先逐位查詢每根I/O口線的輸入

10、狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應的按鍵已按下，然后，再轉向該鍵的功能處理程序。由于本程序較為簡單，為了使用方便及節(jié)省資源，選擇獨立式鍵盤。下圖為獨立式鍵盤電路圖： 圖2-2 獨立式鍵盤電路圖(3)去抖動鍵盤編程中主要考慮去抖動的問題。當測試表明有鍵被按下之后，緊接著就進行去抖動處理。因為鍵是機械開關結構，由于機械觸點的彈性及電壓突跳等原因，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動。為保證鍵識別的準確，在電壓信號抖動的情況下不能進行行狀態(tài)輸入。為此需進行去抖動處理。去抖動有硬件和軟件兩種方法。硬件方法就是加去抖動電路，從根本上避免抖動的產(chǎn)生。軟件消抖，在第一次檢測到有

11、鍵按下時，執(zhí)行一段延時程序之后，再檢測此按鍵，如果第二次檢測結果仍為按下狀態(tài)，CPU便確認此按鍵己按下，消除了抖動。2.3發(fā)音部分設計如下圖所示，發(fā)音電路是由蜂鳴器、三極管、上拉電阻構成。由三極管來驅動揚聲器發(fā)音的，同時加上拉電阻增強驅動電流，提高驅動能力。圖2-3 獨立式鍵盤電路圖3 軟件程序設計3.1 系統(tǒng)分析（1）系統(tǒng)軟件的組成 鍵盤掃描程序：檢測是否有按鍵按下，有按鍵按下則記錄按下鍵的鍵值，并跳轉至功能轉移程序；無按鍵按下，則返回鍵盤掃描程序繼續(xù)檢測。 功能轉移程序：對檢測到的按鍵值進行判斷，是琴鍵則跳轉至琴鍵處理程序，是功能鍵則跳轉至相應的功能程序，我們設計的功能程序有兩種，即音色調

12、節(jié)功能和自動播放樂曲的功能。 琴鍵處理程序：根據(jù)檢測到的按鍵值，查詢音調表，給計時器賦值，使發(fā)出相應頻率的聲音。 自動播放歌曲程序：檢測到按鍵按下的是自動播放歌曲功能鍵后執(zhí)行該程序，電子琴會自動播放事先已經(jīng)存放的歌曲，歌曲播放完畢之后自動返回至鍵盤掃描程序，繼續(xù)等待是否有按鍵按。3.2 參數(shù)計算（1）發(fā)音原理若要產(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的內部定時器使其工作計數(shù)器模式（MODE1）下，改變計數(shù)值TH0及

13、TL0以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階。（2） 計算舉例例如，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)脈沖值與頻率的關系式是：Nfi÷2÷fr，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的求法如下：T65536N65536fi÷2÷fr例如：設K65536，fi1MHz，求中音DO（261Hz）。T65536N65536fi÷2÷fr65536100

14、0000÷2÷fr65536500000/fr，中音DO的T65536500000/52364580。（3）計算結果（1）單片機12MHZ晶振，中音符與計數(shù)T0相關的計數(shù)值如表所示：音符頻率（HZ）計數(shù)值（T值）音符頻率（HZ）計數(shù)值（T值）低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763737中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83194934#2RE#31163928中6LA88064968低3MI33064021#6LA#93264994低4FA34964103中7SI96865030#4FA#37064185低1DO104

15、665058低SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#149065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764633#5SO#166165235#2RE#62264884高6LA176065252中3MI65964732#6LA#186565268中4FA69864820高7SI196765283采用查表程序進行查表時

16、，可以為這個音符建立一個表格，有助于單片機通過查表的方式來獲得相應的數(shù)據(jù)：低音019之間，中音在2039之間，高音在4059之間。用單片機播放音樂，或者彈奏電子琴，實際上是按照特定的頻率，輸出一連串的方波。為了輸出合適的方波，首先應該知道音符與頻率的關系。（2）音調數(shù)據(jù)表曲調值DELAY曲調值DELAY調4/4125ms調4/462ms調3/4187ms調3/494ms調2/4250ms調2/4125ms上表中的頻率數(shù)值，有些過多，去掉不常用的黑鍵頻率，只是把白鍵對應的數(shù)據(jù)存放在單片機中，即可滿足絕大部分的應用需求。定義音調數(shù)據(jù)表的程序如下：DW 63628,63835,64021,64103

17、,64260,64400,64524 64580,低音區(qū):1 2 3 4 5 6 7 DW 64580,64671,64777,64820,64898,64968,65030 65058中音區(qū):1 2 3 4 5 6 7 DW 65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283 65312高音區(qū):1 2 3 4 5 6 7把這個數(shù)據(jù)表，放在程序中，需要播音的時候，就從表中取出一個數(shù)據(jù)送到定時器，當定時器溢出中斷的時候，再對輸出引腳取反，那么，在揚聲器中，即可聽到上表中頻率的聲音。3.3程序設計（1） 判斷音階（高中低音）子程序 在軟件設計中采用yinjie代表音

18、階，如下所示音階Yinjie值高2中1低0初始化狀態(tài)為中音（yinjie=1），電路中設計高、低兩個音階鍵。上電后，若無按鍵按下，則為中音模式。若音階鍵被按下，則如下流程圖所示，初始化后進行按鍵掃描，在高音鍵按下，若初始yinjie不為2，則另yinjie=2,進入高音工作模式，若初始yinjie為2，則對yinjie進行初始化，即另yinjie=1,重新進入進入中音工作模式，這樣即實現(xiàn)了高音鍵切換高、中音方式的轉換。同理，用低音鍵實現(xiàn)中、低音的切換。圖3-1 判斷音階（高中低音）子程序（2） 播放子程序（包括自動播放存儲音樂和按鍵發(fā)音）本設計共兩種播放模式，包括自動播放存儲音樂和按鍵發(fā)音。上

19、電后，首先開中斷并設定定時器0為工作方式1，當自動播放鍵按下時，進入中斷，根據(jù)樂譜在定義的音頻數(shù)組中查找相應音律，然后給定時器賦初值，即開始播放音樂。當DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七種音符鍵按下時，根據(jù)音階值（如3.3.1中高中低對應）和音符值在定義的音頻數(shù)組中查找相應音律，然后給定時器賦初值，即按鍵發(fā)音。圖3-2 播放子程序（3）由此可得系統(tǒng)總體功能流程圖 圖3-3 系統(tǒng)總功能流程圖 4 系統(tǒng)仿真與調試4.1硬件調試硬件調試主要是針對單片機部分進行的調試。在上電之前，先確保電路中不存在斷路或短路情況，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

20、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的任務。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(xiàn)象出現(xiàn)。在確保硬件電路正常且無異常情況(斷路或短路)的情況下方可上電調試，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，上電調試主要是檢測單片機控制部分、數(shù)碼管點亮部分、和音頻轉換電路硬件調試。(1)、數(shù)碼管LED電路調試：接通電源，隨機按下按鈕可以看到數(shù)碼管顯示數(shù)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(xiàn)各個按鍵對應的音正確。4.2 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：

21、跟蹤、斷點、查看變量、更改數(shù)值。整個程序是一個主程序調用各個子程序實現(xiàn)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。4.3 仿真結果（任舉一例）圖4-1 低音音符DO仿真圖4.4 結果分析根據(jù)仿真結果可知，本次課程設計能夠準確并徹底的完成設計要求。左側數(shù)碼管可以顯示a、b、c三種結果，分別代表低音、中音和高音。右側數(shù)碼管可以顯示1、2、3、4、5、6、7七個數(shù)字，分別代表DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI七種音符。下面以4.3為例具體進行分析：當系統(tǒng)上電后，若按下低音鍵（如圖P3.6）,，

22、則選定工作方式為低音模式，圖中a即代表低音。P0口連接數(shù)碼管段選端，右側數(shù)碼管顯示的1即代表DO。兩位數(shù)碼管即代表低音DO。5 總結與展望總體來說，此次單片機課程設計使我們收獲良多，雖然課程設計的過程中遇到了很多困難與問題，但我們最終還是完成了設計的任務及要求。具體來說可以分為以下幾點：第一，不夠細心，不夠嚴謹（如因為粗心大意而焊錯線）；第二，因對課本理論的掌握度不夠導致編程出現(xiàn)錯誤；第三，硬件方面，剛開始有的程序模塊不能實現(xiàn)預期的效果，對于有的硬件，在實物制作過程中焊了比較多的排線，同時對于整體各元器件的布局都有很高的要求。不過在向同學請教，各方面都有了不同程度的改善；第四，在做人方面，我認

23、識到，無論做什么事情，只要你足夠堅強，有足夠的毅力和決心，有足夠的挑戰(zhàn)困難的勇氣，就沒有什么辦不到的。這次課程設計中，經(jīng)過我們的努力，在仿真軟件和實物上都實現(xiàn)了高、中、低21個音符的發(fā)聲和音樂的自動播放，使我們有了一定的成就感，也使我們進一步熟悉和掌握了單片機的內部結構和工作原理，了解了單片機應用系統(tǒng)設計的基本方法和步驟, 掌握了單片機仿真軟件Proteus的使用方法和鍵盤、顯示器在的單片機控制系統(tǒng)中的應用，同時也掌握了撰寫課程設計報告的方法?？傊ㄟ^這次課程設計，我們都清楚明白了自己的能力有多深，想提高還得歸于多鍛煉，多動手，多向別人學習。6 參考文獻【1】余發(fā)山、王福忠. 單片機原理及應

24、用技術. 中國礦業(yè)大學出版社.2008年6月第1 版【2】楊凌霄. 微型計算機原理與應用，中國礦業(yè)大學出版社.2008年8月第一版【3】康華光. 電子技術基礎（數(shù)字部分），高等教育出版社.第五版【4】徐志軍,伊廷輝等. EDA技術與PLD設計 人民郵電出版社, 2006年2月第1版【5】李朝青. 單片機原理及接口技術M. 北京：北京航天航空大學出版色，2001.【6】胡漢才. 單片機原理及其接口技術M. 北京：清華大學出版社，2004.附件1：源程序代碼#include<reg52.h> #define keyport P1#define uchar unsigned char#d

25、efine uint unsigned intuchar high,low; /定時器預裝值的高8位和低8位sbit speak=P30;sbit gao=P35;sbit di=P36;sbit zdbf=P37;uchar yinjie=1;uchar time;uchar n=0;uchar bo=0;uchar code fre2= 0x8c,0xf8,0x5b,0xf9,0x15,0xfa,0x67,0xfa,0x90,0xfb,0xae,0xfb,0x0c,0xfc, /低音 0x44,0xfc,0xac,0xfc,0x09,0xfd,0x34,0xfd,0x82,0xfd,0xc

26、2,0xfd,0x06,0xfe, /中音0x22,0xfe,0x56,0xfe,0x85,0xfe,0x9a,0xfe,0xc1,0xfe,0xe4,0xfe,0x03,0xff, /高音 ;void delay(uint );void ITimer0(void);/定時器初始化void key(void);void dtxs(int,int);void song()TH0=high;TL0=low;TR0=1;delay(time*240); void yinyue()uchar code hls= 5,2,2, 3,2,1, 5,2,1, 1,3,4, 6,2,2, 1,3,2, 5,2

27、,4, 5,2,2, 1,2,1, 2,2,1 ,3,2,2 ,2,2,1, 1,2,1 ,2,2,6, 5,2,2, 3,2,1, 5,2,1, 1,3,3, 7,2,1, 6,2,2, 1,3,2, 5,2,4, 5,2,2, 2,2,1, 3,2,1, 4,2,3, 7,1,1, 1,2,6, 6,2,2, 1,3,2, 1,3,4, 7,2,2, 6,2,1, 7,2,1, 1,3,4 ,6,2,1,7,2,1, 1,3,1 ,6,2,1, 6,2,1 ,5,2,1 ,3,2,1, 1,2,1, 2,2,6, 5,2,2, 3,2,1, 1,2,1, 1,3,3, 7,2,1, 6,2

28、,2, 1,3,2, 5,2,4, 5,2,2, 2,2,1, 3,2,1, 4,2,3, 7,1,1, 1,2,6 ;uchar m;n=0; while(n<174) m=hlsn+7*(hlsn+1-1)-1;high=frem1;low=frem0;time=hlsn+2;n=n+3;song(); void main (void)uchar num;ITimer0();speak=0;while(1)key();switch(keyport)case 0xfe:num=1;break;case 0xfd:num=2;break;case 0xfb:num= 3;break; case 0xf7:num= 4;break; case 0xef:num= 5;break; case 0xdf:num= 6;break; case 0xbf:num= 7;break; case 0x7f:num= 8;break; default:num=