单片机课程设计--电子琴.doc

电子信息工程系毕业论文单片机课程设计课题：基于单片机的电子琴制作 专业班级 电信 （2）班 组员 杨志福 洪参亮 张桂榕 许锐敏 魏温龙完成日期5月14号 总体方案1系统设计要求本系统分为两个部分，一个是音乐播放，另一个就是电子琴弹奏。 关于声音的处理，使用单片机C语言，利用定时器来控制频率，而每个音符的符号只是存在我自己定义的表中。具体要求如下： 1.要求达到电子琴的基本功能，可以用弹奏出简单的乐曲。 2.用键盘作出电子琴的按键，每键代表一个音符。 3.各音符按一定的顺序排列，必须符合电子琴的按键排列顺序。 4.固定音乐播放有按键控制：“播放”、“弹奏/停止”。 5.弹奏电子琴时能播放出准确的声音，不弹奏时可以播放内置音乐。2 电子琴系统的组成单片机因体积小、功能强、价格低廉而得到广泛应用。AT89C51单片机设计微型电子琴的方法，仅需AT89C51最小系统，扩展一组矩阵键盘，再接一组发光二极管用来指示电子琴的工作状态。本系统分为两个部分，一个是音乐另一个就是电子琴。音乐播放部分：乐音实际上是有固定周期的信号。本文介绍用AT89C51的两个定时器（如T0，T1）控制，在P3.7脚上输出方波周期信号，产生乐音，通过矩阵键盘按键产生不同的音符，由此操作人员可以随心所欲的弹奏自己所喜爱的乐曲，当不想弹奏时通过按放歌键可以演奏事先存放在单片机中的几首动听的曲子供消遣。当歌曲演奏完时，通过按复位键便可回到初始状态，这样就做出了一台微型电子琴。由于一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。乐曲中，每一音符对应着确定的频率，我们将每一音符的时间常数和其相应的节拍常数作为一组，按顺序将乐曲中的所有常数排列成一个表，然后由查表程序依次取出，产生音符并控制节奏，就可以实现演奏效果。电子琴弹奏部分：实际上就是把每个按键所对应的值经过处理后发给单片机，再在单片机内把数字当作指针指向所对应的音符。3 系统框图该系统通过电子琴按键随意键入所要表达的音符，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。通过这样可以不断的弹奏音乐。嵌入式电路，按键电路，LED显示电路和两个功能键组成，通过功能键可以选择播放音乐。其主要模块由五个部分组成,具体关系如图3-1所示:功能选择 （弹奏/播放）4X4矩阵式键盘音频51单片机AT89C51LED显示图3-1 带存储的电子琴框图上图即为此次设计中的电子琴的硬件结构图，我们运用单片机的最小系统，用P0口的高四位和P0口的低四位作4X4矩阵式按键的接口，用P2口作数码管的接口，用P3.7作信号输出口。4 硬件设计图利用PROTEUS仿真设计的硬件电路图图中的矩阵键盘，从上到下，从左到右，依次为键盘的0-15，在数码管上显示时顺序为0-9和A-F，在按功能键时，图上的两个指示灯会根据功能的不同实现亮/灭状态的切换。在播放内置音乐时，指示灯在一定程度上能指示出曲目的音符。软件设计4.1 整体程序处理流程图 图4-1 整体程序处理流程图 在电子琴开始工作时，系统默认电子琴处于弹奏状态，歌曲选择功能键的目的是赋予矩阵键盘第二功能，即对系统内置的歌曲进行选择，在放歌时能且只能通过弹奏/停止键来结束放歌，选歌时必须先按下歌曲选择功能键，在通过矩阵键盘来选择和切换曲目。4.2 I/O并行口直接驱动LED显示把“AT89C51”区域中的P2.0/A8P2.7/A15端口用8芯排线连接到一位数码管的ah端口上；要求：P2.0/A8与a相连，P2.1/A9与b相连，P2.2/A10与c相连，P2.7/A15与h相连。 表1 字形码表及对应的音符10x3f低 5 SO90x7f中 6 LA20x06低 6 LAA0x6f中 7 SI30x5b低 7 SIb0x77高 1 DO40x4f中 1 DOC0x7c高 2 RE50x66中 2 RED0x39高 3 M60x6d中 3 ME0x5e高 4 FA70x7d中 4 FAF0x79高 5 SO80x07中 5 SO00x71高 6 LA在本设计中，数码管的显示通过 P2=DSY_CODEk 这句语言来查表并输出，实现音符的显示。 4.3 音乐播放设计 一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。 若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率），再将此周期除以2，即为半周期的时间。利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将P3.7反相，然后重复计时再反相。就可在P3.7引脚上得到此频率的脉冲。 利用AT89C51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。其计数初值T的求法如下： T65536N65536fi2fr 例如：设K65536，fi1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。 T65536N65536fi2fr6553610000002fr 65536500000/fr低音DO的T65536500000/26263628中音DO的T65536500000/52364580高音DO的T65536500000/104665058 单片机12MHZ晶振，高中低音符与计数T0相关的计数值如表4-1所示 表4-1 音符频率表音符频率（HZ）简谱码（T值）音符频率（HZ）简谱码（T值）休止00中 4 FA69864820低1DO26263628中 5 SO78464898低2RE29463835中 6 LA88064968低 3 M33064021中 7 SI98865030低 4 FA34964103高 1 DO104665058低 5 SO39264260高 2 RE117565110低 6 LA44064400高 3 M131865157低 7 SI49464524高 4 FA139765178中 1 DO52364580高 5 SO156865217中 2 RE58764684高 6 LA176065252中 3 M65964777高 7 SI196765283我们要为这个音符建立一个表格，单片机通过查表的方式来获得相应的数据 uint code tab= 0，63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524, 64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283 音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表4-2所示） 表4-2 曲调值表曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125ms调4/462ms调3/4187ms调3/494ms调2/4250ms调2/4125ms 对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时/计数器来完成。在这个程序中用到了两个定时/计数器来完成的。其中T0用来产生音符频率，T1用来产生音拍。 图4-3 音频播放流程图4.5 放歌子程序流程图 图4-2 放歌子程序流程图该程序实现的是单首曲目循环播放，无法在程序内部实现歌曲的切换。只能通过外部功能键来实现曲目及功能的切换，是该电子琴设计的一个缺憾。相信如果有更多的时间来进行调试和设计，这个设计会更加好。第六章 结论将程序导入AT89C51芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律。本课题通过制作电子琴，将几个模块很好的融合起来，对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴统硬件组成。利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。说明一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，于是我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可，然后我们利用功放电路来将音乐声音放大，同时通过显示模块来确知自己所弹的音符。通过这次课程设计，我感觉收获了很多：首先，通过实践，加深对单片机系列知识及其系统的认识。这个设计题目并不是新的，但从中能体现到一个系统开发设计的过程，足于让我们受益。第二，通过设计学习到了很多软件的使用。本次设计，软件部分用到了protues进行硬件设计，用keil进行程系编译，用protel进行制板。第三，提高了自己的动手能力。动手在一定程度上反映了一个人的能力，作为当代大学生，社会要求的我们不是只能说而不能做的人才；作为师院的一员，三能人才标准更让我们清醒地认识到，实际动手能力无比重要。从这次实物制作中，我的动手能力提高了。感谢学院给了我们这次实践动手的机会，更感谢我们的老师教育了我们单片机相关知识。 本设计还可以扩展其他功能，比如记忆功能，即可以存储弹奏者所弹奏的音乐且保存，待弹奏完后播放给弹奏者听。还可以做得更加娱乐一点，增加一些彩灯使彩灯随着音调变化而产生不同的样式。 附录 完整程序#include #include #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar STH0; /定时器计数初值uchar STL0; bit FY=0; /放乐曲时FY=1, 电子琴弹奏时FY=0uchar Song_Index=0,Tone_Index=0; /放音乐的参数uchar k, key;sbit SPK=P37;sbit LED1=P10;sbit LED2=P11;uchar code DSY_CODE= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71 ;uchar code Song50= /任意选几首音乐的旋律 1,2,3,1,1,2,3,1,3,4,5,3,4,5,5,6,5,3,5,6,5,3,5,3,2,1,2,1,-1,3,3,3,4,5,5,5,5,6,5,3,5,3,2,1,5,6,5,3,3,2,1,1,-1,3,2,1,3,2,1,1,2,3,2,1,2,3,1,3,4,5,3,4,5,5,6,5,3,5,3,2,1,3,2,1,1,-1,10,10,10,9,10,9,10,9,9,6,6,7,8,9,8,7,6,5,6,-1,10,10,10,9,10,13,12,13,12,12,9,9,10,11,12,11,10,9,8,10,10,-1,13,14,13,12,12,10,12,10,12,9,13,12,10,9,10,10,-1,9,13,13,13,8,13,13,13,13,14,15,14,13,14,13,14,10,10,-1,13,14,13,12,12,10,12,10,12,13,14,13,14,13,14,10,-1,9,13,13,13,8,13,13,13,13,14,15,14,13,13,14,12,13,-1,5,5,10,9,8,5,5,5,5,10,9,8,6,6,6,11,10,9,6,-1,6,12,12,11,9,10,8,5,5,10,9,8,5,5,5,10,9,8,6,-1,6,6,11,10,9,12,12,12,12,13,12,11,9,8,10,10,10,-1,10,10,10,10,12,8,9,10,11,1,11,11,11,10,10,10,10,10,9,9,8,9,12,12,12,11,9,8,-1,13,13,8,13,13,13,13,14,15,14,13,14,13,14,10,10,13,14,13,12,12,10,12,10,12,13,14,13,14,13,14,10,9,13,13,13,8,13,13,13,13,14,15,14,13,13,14,12,13,-1,6,6,11,10,9,12,12,12,12,13,12,11,9,8,10,10,10,10,10,10,10,12,8,9,10,11,11,11,11,11,10,10,10,10,10,9,9,8,9,12,12,12,11,9,8,-1，1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,-1;uchar code Len50= /上面几首音乐的旋律每个音符对应的节拍 1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,1,1,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,2,2,-1,1,1,1,1,1,1,2,1,1,1,1,1,1,1,2,1,1,1,1,1,1,2,2,-1,1,1,2,1,1,2,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,2,1,1,2,1,1,1,1,1,1,1,2,1,1,2,2,-1,1,1,1,1,2,1,1,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,2,-1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,3,1,-1,0,1,1,0,1,1,2,1,1,0,1,1,0,1,1,2,-1,0,1,1,2,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,2,1,-1,0,1,1,0,1,1,2,1,1,0,1,1,0,1,1,4,-1,0,1,1,2,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,4,-1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,-1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,-1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,-1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,-1,1,1,2,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,1,2,1,0,1,1,0,1,1,2,1,1,0,1,1,0,1,1,4,0,1,1,2,0,1,1,0,1,1,0,1,1,0,1,4,-1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,-1.1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,-1;/* 音符与计数值对应表 */uint code tab= 0,63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524, 64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283; void delay1(uint ms) /播放歌曲时实现节拍的延时函数 uchar t; while(ms-) for (t=0;t0;i-);/* 键扫描函数 */uchar getkey(void)uchar scancode,tmpcode;if (P0&0xf0)=0xf0)return(0);scancode = 0xfe;while(scancode&0x10)!=0)/ 逐行扫描P0 = scancode;/ 输出行扫描码if (P0&0xf0)!=0xf0)/ 本行有键按下tmpcode = (P0&0xf0)|0x0f;/* 返回特征字节码，为1的位即对应于行和列 */return(scancode)+(tmpcode);else scancode = (scancode1)|0x01;/ 行扫描码左移一位/* 外部中断0 ,这里是弹唱按键*/void EX0_INT() interrupt 0 FY=0; LED1=1; LED2=0; /* 外部中断1 ,这里是播放按键*/void EX1_INT() interrupt 2 FY=1; LED1=0; LED2=1; /* 定时器0中断服务子程序 */void time0_int(void) interrupt 1 using 0/* 设置计数初值 */ TH0 = STH0; TL0 = STL0; SPK=!SPK; / 反相，产生输出脉冲 P2=DSY_CODEk ;void main(void) LED1=1; LED2=0; P2=0x3f; IE=0x87; TMOD=0x01; IT0=1; IT1=1; while(1) P0 = 0xf0; / 发全0列扫描码if (P0&0xf0)!=0xf0)/ 若有键按下 delay();/ 延时去抖动if (P0&0xf0)!=0xf0)/ 延时后再判断一次，去除抖动影响 key = getkey();/ 调用键盘扫描函数switch(key) / 根据获取的按键位置得到k值 case 0x11:/ 1行1列