基于51單片機(jī)的16鍵電子琴課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告單片機(jī)原理及系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)評(píng)語：考勤10分守紀(jì)10分過程30分設(shè)計(jì)報(bào)告30分答辯20分總成績(100)專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 姓 名: 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2015 年 12 月 30 日2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)代樂器中，電子琴是高新科技在音樂領(lǐng)域的一個(gè)代表，體現(xiàn)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

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：電子琴彈奏和音樂播放及錄音。1.3電子琴設(shè)計(jì)方法1.3.1設(shè)計(jì)工具表1軟件簡介軟件名稱設(shè)計(jì)作用Keil uVision4編寫程序與編譯PROTEUS繪制硬件電路圖、數(shù)字仿真Microsoft Visio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矩陣鍵盤彈奏1

3、6個(gè)音（低XI到高DO）。2、 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)音樂按鍵用于播放音樂和切換歌曲，通過按鍵觸發(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?？傇O(shè)計(jì)框圖如下圖1所示。單片機(jī)時(shí)鐘復(fù)位電路數(shù)碼管顯示電路琴鍵控制電路音頻播放電路音樂切換電路圖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)

4、生不同音階，例如，頻率為523Hz，其周期T1/5231912s，因此只要令計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)956s/1s956，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：  Nfi÷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。 3、 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、音樂切換電路和電源電路六部分所構(gòu)成。3.1琴鍵控制電路琴鍵控制電路作為人機(jī)聯(lián)系的輸入部分，也是

5、間接控制數(shù)碼顯示和音頻功放的重要組成部分。鍵盤按照連接方式可以分為獨(dú)立式和矩陣式鍵盤兩類。3.1.1矩陣式鍵盤如圖2所示為4X4矩陣式鍵盤電路，由一個(gè)4X4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)16個(gè)按鍵鍵盤。 矩陣中無按鍵按下時(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3.1.2獨(dú)立式鍵盤 獨(dú)立式鍵盤的特點(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.

6、3 方案比較 表2鍵盤類型比較鍵盤類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)獨(dú)立式電路簡單，編程簡單占用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。故選擇矩陣式鍵盤電路比較合理。3.2數(shù)碼管顯示電路LED（Light Emitting Diode）發(fā)光二極管縮寫。LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管構(gòu)成的。常見的LED數(shù)碼管為“8”字型的，共計(jì)8段。一般來說分共陽極和共陰極兩種接法。3.2.1LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示 靜態(tài)顯示方式即無論多少位LED數(shù)碼管，

7、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)方式的顯示無閃爍，亮度較高，編程簡單，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，且分別接兩部分管腳，故選擇靜態(tài)驅(qū)動(dòng)方式來顯示數(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)

8、方式和共陽極接法。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)顯示顯示無閃爍，亮度較高，編程簡單數(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音樂切換電路通過按鍵拉低電平，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

9、。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。整體電路圖如下圖4所示。圖4整體硬件設(shè)計(jì)4、 電子琴的軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)一般包括硬件部分和軟件部分，一旦硬件確定下來，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明備注P0.0P0.7琴鍵數(shù)碼管與單片機(jī)通信數(shù)碼管顯示電路P2.0P2.

10、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切換電路P1.0P1.7矩陣鍵盤接口琴鍵控制電路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)行初始化配置。TMOD=0x11; /T0方式1，T1方式1 IP=0x01; /INT0中斷優(yōu)先級(jí)最高EA=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1; /允許中斷 TR0

11、=0; /關(guān)定時(shí)器0P1=0xbf; /鍵盤初始化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。 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)行重裝載初值，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)按鍵沒有按下時(shí)，所有的輸入端無變化，代表無鍵按下。一旦有鍵按下，則輸入線

12、就受輸出線的影響被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(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5、 電子琴的系統(tǒng)仿真5.1部分仿真結(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，-無播放曲目及停止1，2，或-重復(fù)按切換音樂 圖11音樂顯示為“-”或不顯示的時(shí)候，琴鍵按下DO有效 圖12按音樂鍵，播放音樂1，琴鍵彈奏無效5.2調(diào)試中出現(xiàn)的問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題，下面談幾個(gè)關(guān)鍵的問題。首先是數(shù)碼管顯示亂碼的問題，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)

13、現(xiàn)代碼基沒錯(cuò)，后來結(jié)合硬件圖一看，才知道硬件圖中數(shù)碼管是共陽極接法，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)遇到的問題，按音樂鍵后琴鍵無法發(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題。其三是揚(yáng)聲器發(fā)出的音調(diào)不對(duì)，甚至沒有聲音，這個(gè)問題后來還是不能解決，最后放棄了LM386的功放電路，直接接揚(yáng)聲器，但是導(dǎo)致了部分琴鍵發(fā)聲帶雜音。6、 總結(jié)在本次設(shè)計(jì)八路多功能搶答器的課設(shè)過程中，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)

14、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，僅僅通過了解課本上的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,我通過查資料和搜集有關(guān)文獻(xiàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力，通過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)的過程中，遇到了很多問題，比如我在仿真的過程中錯(cuò)把共陰極數(shù)碼管字模當(dāng)作共陽極使用，使得數(shù)碼管無法正常顯示，通過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，共陽極數(shù)碼管是低電平驅(qū)動(dòng)，公共端是正極，類似的問題出現(xiàn)了很多，我們通過一一排查，終于完成了課設(shè)任務(wù)，結(jié)果表明，有付出必有收獲，把握重點(diǎn)、攻克難關(guān)，活學(xué)活用對(duì)于牢固的掌握知識(shí)，是非常有用的。在此次課設(shè)中，我學(xué)到了很多，也

15、通過不斷糾正自己的錯(cuò)誤，意識(shí)到自身的不足，我對(duì)知識(shí)的掌握還沒有實(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,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.中國高新技術(shù)企業(yè)，2002.附錄#include<reg52.h>#define uchar un

16、signed char#define uint unsigned int/共陽極數(shù)碼管Uchar code LED=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf;sbit beep=P30;uchar key; /鍵號(hào)sbit buzzer=P37;uchar dis_buf;uchar flag;/音符延時(shí)表uint code Tone_Delay_Table=64524,64580,64684,64777,64820,64896,64966,65030,65058,6

17、5110,65157,65178,65217,65252,65283,65316;/音調(diào)與節(jié)拍uchar code Song1_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;uchar code Time1_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;uchar code Song2_Tone=3,5,5,3,2,1,2,3,5,3,2,3,5,5,3,2,1,2,3

18、,2,1,1,0xff;uchar code Time2_Tone=2,1,1,2,1,1,1,2,1,1,1,2,1,1,2,1,1,1,2,1,1,1,0xff;uchar code Song3_Tone=1,1,5,5,6,6,5,4,4,3,3,2,2,1,0xff;uchar code Time3_Tone=1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0xff;/定義按鍵序號(hào)uchar keyno;/音樂片段索引，音符索引uchar song_index=0;uchar tone_index=0;/音符指針，延時(shí)指針uchar *tone_pointer,*delay_p

19、ointer;/從當(dāng)前數(shù)組中取出音符的位置uchar i =0;/毫秒延時(shí)void delayms(uint ms)uchar t;while(ms-) for(t=0;t<120;t+);/按鍵產(chǎn)生外部中斷void Key_Press() interrupt 0TR0=0;/切換歌曲song_index=(song_index+1)%3;switch(song_index)case 2:tone_pointer=Song1_Tone; delay_pointer=Time1_Tone; break;case 1:tone_pointer=Song2_Tone; delay_pointe

20、r=Time2_Tone; break;case 0:tone_pointer=0; delay_pointer=0; break;/重新開始i=0;TR0=1;flag=1;/T0中斷播放void play_music() interrupt 1if(song_index!=0)TH0=Tone_Delay_Tabletone_index/256;TL0=Tone_Delay_Tabletone_index%256;buzzer=buzzer;elsebuzzer=0; /*void key_scan()uchar temp,k;/高四位置0，放入四行P1=0x0f;delayms(2);/

21、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1temp=P10x0f;/判斷按鍵發(fā)生于0-3列的哪一列switch(temp)case 1:k=0;break;case 2:k=1;break;case 4:k=2;break;case 8: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0temp=(P1>>4)0x0f;/對(duì)03行分別賦起始值0，4

22、，8，12switch(temp) case 1:k+=0;break;case 2:k+=4;break;case 4:k+=8;break;case 8:k+=12;break;default:return;keyno=k; */矩陣鍵盤掃描子程序void key_scan(void) uchar temp; 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; else if(temp=2) /在第二列 key=1; else if(temp=4) /在第三列 key=2; else if(temp=8) /在第四列 key=3; else key=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; else if(temp=2) /在第二行