基于单片机的16键电子琴

1、成绩推南呼紅爭ft课程论文题 目： 基于单片机的16键电子琴学生姓名：董翠影学生学号：1008030208系别：电气信息工程学院专业：电子信息工程年级：10级（2 ）班任课教师：权循忠电气信息工程学院制2012年11月基于单片机的16键电子琴学生：董翠彫指导老师：权循忠电气信息工程学院：10级电子信息工程（2）班 摘要：本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。我们对于电子琴如何实现其功 能，如音色选择、声音强弱控制、节拍器、自动放音功能等等也很好奇。电子琴是现代电子科技与咅乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。它在现 代音斥扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性， 它已经融

2、入现代人们的生活屮，成为不可替代的一部分。木文的主要内容是用 at89c51单片机为核心控制元件，设计一个电子琴。以单片机作为主控核心，与 键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有16个按键和扬声 器。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠， 性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。本文主要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系统破件组成。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。并且本文分别 从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试來详细阐述。一首咅乐是许多不同的咅阶组成的，而每个

3、咅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咅乐了，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。关键词:at89s51单片机 音色 节拍器自动放音1总体设计键盘模块，及led显示模块连接如1.1系统硬件连线系统硬件连线如图1-1所示，发生模块,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图1t1把“单片机系统”区域中的p1.0端口用导线连接到“音频放人模块”区域 spk in 端口上;2把“单片机系统”区域中的p3. 0-p3. 7端口用8芯排线连接到“4x4行列

5、式 键盘”区域屮的c1-c4 r1-r4端口上；3.把“单片机系统”区域中的po. o/ado-po. 7/ad7端口用8芯排线连接到“四 路静态数码显示模块”区域中的任一个a-h端口上；要求：po. o/ado对应着a, po. 1/ad1对应着b, ,po. 7/ad7对应着h。1. 2主要芯片简介1.2. 1 at89s51 简介at89s51是一个低功耗，高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytesisp (in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件米用atmel公司的咼密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令

6、 系统及80c51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和tsp flash存储单 元，功能强大的微型计算机的at89s51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价 比的解决方案。at89s51具有如下特点:40个引脚(引脚图如图1-2所示),4k bytes flash 片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器(ram) , 32个外部双向输 入/输出(i/o) 口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计 数器,2个全双工串行通信口，看门狗(wdt)电路，片内时钟振荡器。此外,at89s51设计和配置了振荡频率可为0hz并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下，cp

7、u暂停工作，而ram定时计数器，串行口，外屮断系统可继续工 作，掉电模式冻结振荡器而保存ram的数据，停止芯片其它功能直至外小断激活 或硬件复位。同时该芯片还具有pdip、tqfp和plcc等三种封装形式，以适应不 同产品的需求。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图1-2管脚图1. 2. 1. 1主要功能特性兼容mcs-51指令系统32个双向i/o 口2个16位可编程定时/计数器全双工l；art吊行小断口线2个外部屮断源中断唤醒省电模式看门狗(wdt)电路灵活的isp字节和分页编程4k可反复擦写isp

9、flash rom4.5-5.5v工作电压时钟频率0-33mhz128*8bit 内部 ram低功耗空闲和省电模式3级加密位软件设置空闲和省电功能1. 2. 2 lm386lm386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主耍应用于低电压消费 类产品。lm386特性:(1) 静态功耗低，约为4nia,可用于电池供电；(2) 工作电压范围宽,4v-12v或5v-18v；(3) 外围元件少；(4) 电压增益可调,20-200；(5) 低失真度。lm386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压 范i韦i大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机z屮。u?9

10、l 00lm386c310ur310kr210kv卜图1-3音频放大器电路1.2.3 led数码管码管图1-4数码管（如图1-4所示）使用条件：a、段及小数点上加限流电阻b、使用电压：段：根据发光颜色决定；小数点：根据发光颜色决定c、使用电流：静态：总电流80ma （每段10ma）；动态：平均电流4-5皿 峰值 电流100ma上面这只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极 的是一样的。数码管使用注意事项说明：（1）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；（2）焊接温度：260度；焊接时间：5s（3）表面有保护膜的产品，可以在使用前撕下来。2硬件设计内容2. 1 4x4行列式键盘识

11、别及显示组成键盘的按键有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式多种，但不管什么 形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。fi前微机系统中使用的键盘按 其功能不同，通常可分为编码键盘和非编码键盘两种基木类型。编码键盘：键盘本身带有实现接口主要功能所需的破件电路。不仅能白动检 测被按下的键，并完成去抖动、防串键等功能，而且能提供与被按键功能对应的 键码（如ascii码）送往cpuo所以，编码键盘接口简单、使用方便。但由于 硬件电路较复杂，因而价格较贵。非编码键盘：键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。有关按键的识别、键 码的确定与输入、去抖动等功能均出软件完成。目前微机系统中，一般为了降低 成本人多

12、数采用非编码键盘。键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基木功能。（1）去抖动:每个按键在按卜或松开时，都会产生短时间的抖动。抖动的持续时 间与键的质量相关，一般为520mmo所谓抖动是指在识别被按键是必须避开 抖动状态，只有处在稳定接通或稳定断开状态才能保证识別正确无误。去抖问题 可通过软件延时或硬件电路解决。（2）防吊键：防串键是为了解决多个键同时按下或者前一按键没有释放又有新 的按键按卜-时产生的问题。常用的方法有双键锁定和n键轮回两种方法。双键锁 定，是当有两个或两个以上的按键按下时，只把最后释放的键当作有效键并产生 相应的键码。n键轮冋，是当检测到有多个键被按下时，能

13、根据发现它们的顺序 依次产生相应键的键码。（3）被按键识别：如何识别被按键是接口解决的主耍问题，一般可通过软硬结 合的方法完成。常用的方法有行扫描法和线反转法两种。行扫描法的基本思想是, 由程序对键盘逐行扫描，通过检测到的列输出状态来确泄闭合键，为此，需耍设 置入口、输出口一个，该方法在微机系统中被广泛使用。线反转法的基木思想是 通过行列颠倒两次扫描来识别闭合键，为此需要提供两个可编程的双向输入/输 出端口。（4）键码产生：为了从键的行列坐标编码得到反映键功能的键码，一般在内存 区中建立一个键盘编码表，通过查表获得被按键的键码。用at89s51的并行口 p1接4x4矩阵键盘，以p1.0-p1.

14、3作输入线，以p1. 4 -p1.7作输出线；在数码管上显示每个按键的“0f”序号。图1-5键盘识别模块2. 1.1系统硬件连线设计键盘模块硬件连线如图1-5所示：（1）把“单片机系统”区域屮的p3.0-p3.7端口用8芯排线连接到“4x4行列 式键盘”区域中的c1-c4 r1-r4端口上;（2）把“单片机系统”区域屮的p0. 0/ad0-p0. 7/ad7端口用8芯排线连接到“7 段数码显示模块”区域中的任一个a-h端口上；耍求:p0.0/ad0对应着a, p0. 1/ad1对应着b, ,p0. 7/ad7对应着ho2. 1. 2按键扫描（1）4x4矩阵键盘识别处理，每个按键有它的行值和列值

15、，行值和列值的组合 就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和cpu通信。 每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻 接vcc,而接地是通过程序输岀数字“0”实现的。（2）键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码, 使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同 形成键编码而识別按键，通过软件杳表，杳出该键的功能。电路图如下2. 1.3 i/o并行口直接驱动led显示led显示模块如图1-7所示，利用at89s51单片机的p0端

16、口的p00-p0. 7 连接到一个七段数码管的a-h的笔段上，数码管的公共端接地。在数码管上循 环显示0 7数字，时间间隔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图1-7电路原理图系统板上硬件连线：（如图1-7所示）把“单片机系统”区域中的po. o/ado-po. 7/ad7端口用8芯排线连接到 “七段数码显示模块”区域中的任一个数码管的a-h端口上；要求：po. o/ado 与a相连,po. 1/ad1与b相连,po. 2/ad2与c相连,po. 7/ad7与h相连。3软件设计内容3. 1 led数码（1） led数码显示原理：七段led显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管纟fl成， 根据齐管的极管的接线形式，可分成共阴极型和共阳极型。led数码管的qa 七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不以发亮，不同亮暗的组合就 能形

18、成不同的字形，这种组合称z为字形码，下面给出共阴极的字形码表（如表 1所示）表1-1字形码表“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）由于显示的数字0 9的字形码没有规律可循，只能采用查表的方式来完成 我们所需的要求了。这样我们按着数字09的顺序，把每个数字的笔段代码按 顺序排好!建立的表格如下所示:tabledb 3fii, 06h, 5bi1, 4f1i, 6611, 6d1i, 7di1, 07h, 7fh, 6fho3.

19、2音乐产生的方法3.2.1原理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 机來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來产生这 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p1.0 反相，然后重复计时再反相。就可在p1.0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（m0de1）下，改变计数值 t

20、ho及tlo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 t=l/523 = 1912 u s,因此只要令计数器计时956 u s/1 u s = 956,每计数956次 时将i/o反相,就可得到中音do （523iiz）o计数脉冲值与频率的关系式（如式1-1所示）是：n=fi4-24-fr（1-1）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的求法如卜t = 65536-n=65536-fi4-24-fr例如：设 k = 65536, fi = lmhz,求低咅 do (262hz)、k do (52

21、3hz)、高 音do (1046hz)的计数值。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单片机12mhz晶振，高屮低咅符与计数to相关的计数值如表1-2所示表1-2音符频率表音符频率(iiz)简谱码（t值）音符频率（hz）简谱码（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低音0 19之间，中音在20-39之间，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之间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程序框图音乐发声程序框图如图1-8所示:to屮断入口重装to初值p1.0取反kj中

25、断返冋z图1-8音乐发声程序框图按键程序框图如图1-9所示：根据当前状态识别按键值丿根据当前状态识别按键值kp3=0xf74全文总结通过这次设计，我学到了不少课本上没有的知识，也锻炼了自己的动手能力, 将以前学过的零散的知识串到一起。首先在设计刚开始的调研阶段，我学会了怎么通过各种方式查询相关的资 料。通过对这些资料的学习，我大致了解了单片机的发展现状以及未來的发展趋 势，认识到日前单片机方面的各种各样的发展，和它们之间的竞争。了解了单片 机方面的先进技术，这些都为我的未来的学习指明了方向。我的设计主要涉及硬件和软件两方面的内容，通过这些我的駛件和软件开发 能力都获得了提高。首先硬件方面，基木

26、了解了电子产品的开发流程和所要做的 工作。基本掌握了 protel99se原理图的方法，并设计了一个单片机最小系统。 通过开发板的设计和硕件搭建的过程，使我对51系单片机的接口有了更深层次 的理解，熟悉了一些单片机常用的外閑电路引脚和连接方法，如led数码管，键盘等。在软件方面，通过串行口调试工具的开发，使我加深了对累封装的理解，熟悉了 51系列单片机内部的寄存器和编程规则，以及如何控制外围电路。参考文献1陈明荧.8051单片机课程设计实训教材m.北京：清华大学出版社,2003年9月. 徐新艳.单片机原理、应用与实践m.北京：高等教育出版社，2005年3月.吴金戌，沈庆阳，郭庭吉.8051单片

27、机实践与应用m.第一版.北京：清华大学出版 社，2002年.4 吴金戌，沈庆阳，郭庭吉，8051单片机实践与应用m.清华大学出版社，20015 赵亮，侯国锐.单片机c语言编程与实例m.北京:人民邮电出版社,2003.附录1;仿真图£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附录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;