基于单片机的电子琴的制作

1、1概述1.1设计目的通过对简易电子琴的课程设计，进一步加深对微机原理与单片机接口技术、 模拟电子技术、数字电子技术等所学课程的了解和认识。学习把理论知识运用于 实践制作实物，锻炼自己独立动手能力，同时也要学会运用软件仿真，学习分析问题，解决问题的方法和途径。了解电子琴发音原理，提升程序编写和运用的能 力，充分利用自己专业知识，提高对本专业的学习兴趣。1.2设计要求结合单片机AT89C52和所提供元件，设计一个简易电子琴通过按键可以实现 哆来咪发嗦啦嘻7种音阶高低音调的发音，音阶数字的显示，以及歌曲的自动播 放功能。1.3单片机发声原理声音的产生是一种音频振动的效果，振动的频率高则为高音，频率低

2、则为 低音，音频的范围为20Hz200kHz之间，人类耳朵比较容易辨别的声音大概是 200Hz20kHz 般的音响电路是以正弦波信号驱动扬声器，产生悦耳的音乐， 在数字电路里，则是以脉冲信号驱动扬声器以产生声音，同样的频率，脉冲信号或正弦波信号产生的音效，单片机发声是使用定时器产生声音所需频率的方波(脉冲信号)，经放大整形后送杨声器发出一个音， 再按节拍送下一频率的声音， 声音的节拍由延时程序给定，也就是说其发声的原理是：音调由不同的频率产生， 由延时程序产生节拍，由定时器定时产生方波频率，如 1KHZ频率的声音，周期 是1mS正负半周各500卩s,当用6MHZS体，定时方式1时，可计算定时器

3、初值如 下：(216-X) *12/6=500 卩 S, X=65535-250=65285=FF05H2系统总体方案及硬件设计2.1总体方案本设计是为了实现电子琴发声控制系统，结合单片机AT89C52通过控制单片机定时器的定时时间可以产生不同的频率脉冲，再用按键通过高低电平来控制 7个音阶的高低两种音调，并用软件延时程序的调用来控制发音时间的长短。把 音乐的音符和相应的节拍变换为定时常数和延时常数，分别来控制定时器产生的 脉冲频率和发出该脉冲的持续时间，再运用三极管及电阻组成的放大电路来实现 低音平功率的放大，利用蜂鸣器作为发声部件，数码管作为显示部件。因此，可以先用单片机仿真软件Prote

4、us连接设计好电路原理图，再从硬件 与软件两部分进行分析与设计。2.2单片机AT89S52介绍(T2'l P1.0 匚 (T2 EX) P1.1 LP1.2EPl -3 匚P1.4E(MO列 P1.5L (MISOJPi OE SCK P1.7FRSTL RXD P3.0 匚 CTXD1 P3.1 匚 (lN7b> P3.2 匚 .TTTTTi P3 3 匚(TO) P3斗匚 fTl) P3.5 匚 (WR P3-6 匚 rri =3 rc XTAL2C XTAL1 匚GND匚ATOC9S52n vccPD.O |ADQ> 二I Po.t IAD1? 二I P0.2 (AD

5、2：' 二I PO.3 lAD3> 二I PD.4 IAD4? 二I P0.5 AD5J 二I PD.5 |ADf<， 二I PD.7 I AD7i n rxvpp員LE/PRC5?ZIPSEN二I P2.7 (A 15) n P2.6 Al4) P2.5 IA13) 二I P2.4 |A12：I 二I P2.3 IA11) 二I P2.2 lAlOi Zl P2 f IA9J Zl P2.0 I AS :AT89S52 管脚主要功能特性：兼容MCS5指令系统 8k可反复擦写（1000次）Flash ROM 32 个双向 I/O 口 256x8bit 内部 RAM 3个16

6、位可编程定时/计数器中断时钟频率0-24MHZ 2个串行中断可编程UART串行通道 2个外部中断源共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能单片机AT89S52主要管脚的介绍：VCC : AT89S52电源正端输入，接+5V。GND :接地。P0 口： P0 口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL门电流。 当P1 口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存 储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码 输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。在本 设计

7、中，P0端口前四位连接数码管，用于数码管的位寻址。P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8位双向I/O 口，P1 口缓冲器能接 收输出4TTL门电流。P1 口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。在本设计中端口连接数码管用于 发音音符的显示。P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2 口缓冲器可接收， 输出4个TTL门电流，当P2 口被写“ 1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。

8、这是由于 内部上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行 存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“ 1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。在本设计中连 接按键通过高低电平控制7个音阶。P3 口： P3 口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口,可接收输出4个TTL 门电流。当P3 口写入“ 1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入， 由于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL ）这是由于上拉的缘故。在本设 计中连接控制按

9、键。控制高低两个音调以及自动播放乐曲。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST脚两个机器周期的高 电平时间。XTAL1 :反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2 :来自反向振荡器的输出。2.3硬件设计0-0' C-06O-O- c"o-oooor _ s uoorMx二二-WCOOUBCOC nwcDot WO0I口 00口 rj.?电子琴实物图单片机主程序对数码管编码是直接赋值的，而对声音信号则是通过中断程序 进行控制的。先读取键盘扫描程序信号，当系统扫描到键盘上有键被按下，通过 数码管显示编码在数码管上显示音阶数字，此时高电平有效，单片机的定

10、时器被启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲通过三极管放大电路输入到蜂鸣器后， 就会发出相应的音阶声音。如果在前一个按下的键发声的同时有另一个键被按 下，则启用中断系统，前面键的发音停止，转到后按的键的发音程序，发出后按 的键的音阶声音。当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器TO,产生一定频率的脉冲，驱动蜂鸣器，放出乐曲。2.3.1按键接口电路按键接口电路按键接口电路米用独立式键盘，独立式键盘一般是指直接用I/O 口线外接按钮构成，每个键单独占用一根I/O 口线，I/O 口线间的工作状态互不影响。独 立式键盘接口电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一更i/o 口线, 因此，在按键数较

11、多时，I/O 口浪费较大，故只有在按键数量不多时才米用这种 键盘电路。2.3.2显示电路显示电路LED显示器的显示方式采用了动态显示方式，它是把所有显示器的同名字 段互相连接在一起，并把它们连到字形口上，为了防止各个显示器同时显示出相 同的字符，每个显示器的公共端还要受另一组信号控制。2.3.3发音电路发音电路发音电路是由蜂鸣器、三极管、上拉电阻构成，由于蜂鸣器工作电流一般比 较大，以至于I/O 口无法直接驱动，因此要用放大电路增强驱动电流来驱动蜂鸣 器。因为三极管为PNP型，所以当基极接入低电平时。蜂鸣器发声。2.4硬件调试硬件调试主要是针对单片机部分进行的调试。在上电之前，先确保电路中不存

12、在断路或短路情况，这一工作是整个调试工 作的第一步，也是非常重要的一个步骤。在这部分调试中主要使用的工具是万用 表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况的任务。注意焊点之间，确保焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及短路的现象出 现。在确保硬件电路正常且无异常情况（断路或短路）的情况下方可上电调试，上 电调试的目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次设计中， 上电调试主要是检测单片机控制部分、数码管点亮部分、和音频转换电路硬件调 试。1、数码管LED电路调试：接通电源，随机按下按钮可以看到数码管显示数字。2、键盘单片机控制部分调试：上电后，随机按动键盘可

13、以发现各个按键对应 的音正确。3软件设计3.1定时/计数器的计数初值计算（1） 要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/音频）,然后将此周期除以2,即为半周期的时间，利用定时器计时这个半周期时间，每当计时到后就将输出 脉冲的I/O反相,然后重复计时此半周期时间再对I/O 口反相,就可在I/O脚上得 到此频率的脉冲。利用8051的内部定时器使其工作在计数器模式 MODE下,改变 记数值TH0及TL0以产生不同频率的方法。（2）计数初值T与频率的关系公式如下：N=Fi/2/FrN:记数初值Fi : Fi是机器频率（晶体振荡器为12MHz时，其频率为1MHZFr;要产生的频率计数初值T的求法如下

14、：T= 65536 N= 65536 Fi /2/Fr例如：设 K= 65536, F= 1000000= Fi = 1MHZ 求中音 D0 （523HZ，高音的 D0 （1046HZ的记数值。T= 65536 N= 65536- Fi /2/Fr = 65536- 500000/ Fr中音 D0的 T= 65536 500000/523= 64580高音 D0 的 T= 65536 500000/1046= 65059单片机12MH岛振，高中低音符与计数T0相关的计数值如表所示：音符频率（HZ计数值（T值）THTL音符频率（HZ计数值（T值）THTL低1DO26263777F921#4FA#

15、74064913FD91#1DO#27763872F980中5SO78464948FDB4低2RE29463969F9E1#5SO#83164981FDD5#2RE#31164054FA36中6LA88065012FDF4低3MI33064140FA8C#6LA#93265042FE12低4FA34964216FAD8中7SI96865060FE24#4FA#37064291FB23低1DO104665095FE47低SO39264360FB68#1DO#110965120FE60#5SO#41564426FBAA高2RE117565144FE78低6LA44064489FBE9#2RE#12

16、4565166FE8E#6LA#46664547FC23高3MI131865186FEA2低7SI49464603FC5B高4FA139765206FEB6中1DO52364655FC8F#4FA#149065227FECB#1DO#55464704FCC0高5SO156865242FFDA中2RE58764751FCEF#5SO#166165259FEEB#2RE#62264795FD1B高6LA176065274FEFA中3MI65964837FD45#6LA#186565289FF09中4FA69864876FD6C高7SI196765302FF16音符频率表3.2音符的节拍43在一张乐

17、谱中，我们经常会看到这样的表达式，如仁C 4、仁G4 等等, 这里仁C,仁G表示乐谱的曲调，和我们前面所谈的音调有很大的关联，4/4、3/4就是用来表示节拍的。以3/4为例加以说明，它表示乐谱中以四分音符为节拍， 每一小结有三拍。比如：1 2 3 4 5 6其中1、2为一拍，3、4、5为一拍，6为一拍共三拍。1、2的时长为四分 音符的一半，即为八分音符长，3、4的时长为八分音符的一半，即为十六分音符 长，5的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，6的时长为四分音符长。那么 一拍到底该唱多长呢？ 一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为400 500ms。我们以一拍的时长为400ms为例

18、，则当以四分音符为节拍时，四分音 符的时长就为400ms八分音符的时长就为200ms十六分音符的时长就为100ms 可见，在单片机上控制一个音符唱多长可采用循环延时的方法来实现。首先，我们确定一个基本时长的延时程序，比如说以十六分音符的时长为基本延时时间， 那么，对于一个音符，如果它为十六分音符，则只需调用一次延时程序，如果它 为八分音符，则只需调用二次延时程序， 如果它为四分音符，则只需调用四次延 时程序，依次类推。3.3软件设计3.3.1判断音阶（高中低音）子程序在软件设计中采用yinjie 代表音阶，如下图所示音阶Yinjie 值高2中1低0初始化状态为中音(yinjie=1 ),电路中

19、设计高、低两个音阶键。上电后， 若无按键按下，则为中音模式。若音阶键被按下，则如下流程图所示，初始化后 进行按键扫描，在高音键按下，若初始 yinjie 不为2,则另yinjie=2,进入高音 工作模式，若初始yinjie 为2，则对yinjie 进行初始化，即另yinjie=1,重新 进入进入中音工作模式，这样即实现了高音键切换高、中音方式的转换。同理， 用低音键实现中、低音的切换。3.3.2播放子程序本设计共两种播放模式，包括自动播放存储音乐和按键发音。上电后，首先 开中断并设定定时器0为工作方式1，当自动播放键按下时，进入中断，根据乐谱 在定义的音频数组中查找相应音律，然后给定时器赋初值

20、，即开始播放音乐。当DO RE Ml、FA、SO LA、SI七种音符键按下时，根据音阶值(如上表中高中 低对应)和音符值在定义的音频数组中查找相应音律，然后给定时器赋初值，即按键发音。本次课程设计我们准备了三首歌曲。结合DO RE Ml三个音符键，通过键盘扫描确定BEEP®按下，此时再用if语句判断，当按下第一个键时，按照相应 程序乐谱依次读入音节，开始播放第一首歌，此时再通过if语句判断若再按BEEP 键则跳出播放音乐，扬声器停止播放。第二、三首歌曲同理进行播放。通过重复 使用按键不仅节省了原材料，还使得电路结构简单明了。3.3.3程序流程图4 Proteus软件仿真4.1仿真软件

21、Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到 单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的 完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCE设计软件和虚拟模型仿真软 件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、 HC11、 PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR ARM 8086和 MSP43等，2010年又增加了 Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面， 它也支持IAR、Keil和MPLA等多种编译器。Proteus是单片机课堂教学的先进 助手。使用Proteus软件进行

22、单片机仿真设计，是虚拟仿真技术和计算机多媒 体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿真的操作能力。Proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程 形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验 难以达到的效果。它的元器件、连接线路等却和传统的单片机实验硬件高度对应。 这在相当程度上替代了传统的单片机实验教学的功能，例：元器件选择、电路连接、电路检测、电路修改、软件调试、运行结果等。4.2软件调试调试主要方法和技巧：通常一个调试程序应该具备至少四种性能：跟踪、断 点、查看变量、更改数值。整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功

23、能的过 程，要使主程序和整个程序都能平稳运行， 各个模块的子程序的正确与平稳运行 必不可少，所以在软件调试的最初阶段就是把各个子程序模块进行分别调试。4.3仿真结果电路仿真图：G 也皿. pns«M pnjN 初蚀r如04J Y 7 T J -一-u- JPIOT2 fi irrwP12P13P1 *AEQFKMBwee毗哄PZ.IWFZ214.DF73ft11FZ曲UF3S*ai P23.1* FEt»B旳mt邛 F3i PZJZiTE! 冲刘mP3.O1f3A*nFl.TiW3313TTQ2iR3 -T=dc7we4.4结果分析根据仿真结果可知，本次课程设计能够准确并彻

24、底的完成设计要求。左侧数码管 可以显示a、b、c三种结果，分别代表低音、中音和高音。右侧数码管可以显示1、2、3、4、5、6、7七个数字，分别代表 DO RE Ml、FA、SO LA、SI七种音符。下面以4.3为例具体进行分析：当系统上电后，若按下高音键，则选定工作方式为高音模式，图中c即代表高音。P1 口连接数码管段选端，左侧数码管显示 音符对应的数字。5课程设计体会通过本次设计，我们懂得了如何解决课程设计中出现的问题，从而能够使自己更好的学习并掌握一些软件，例如 Keil,Proteus 。在本次设计中，我们又相 当于把以前学过的知识再复习一遍， 对以前学过的知识又加以巩固，它不仅仅让 我

25、们把学过的东西用于实践，更是一种提高能力的最好方法。首先，我们先要焊接电路，在焊接过程中，要设计排版怎样才更加合理工整， 焊接时，要注意焊点和熔锡等等一些焊接技术，而且我们并没有一次性焊接成功， 所以还要学会检测再修整。其次，使用C语言来编译程序。系统的学习函数使用 和单片机的联系，有时还要对一些电子元件有进一步的了解，例如电阻、电容、 二极管和三极管等元件，才好对一些模块的功能进行更具体的认识。最难的就是 将音乐同单片机衔接起来，单片机的发声原理，音乐的音阶与节拍的具体计算和 使用，还有键盘，发音等一些模块的设计，刚开始很不了解，之后通过上网学习， 问问同学，才有了初步的设计思想，这些都是以

26、前从未学过的新知识，新内容， 能够接触到这些，无疑又是一种提高。然后，软件仿真。学习Proteus软件，以前没有接触过这个软件，所以不会使用， 通过课本学习，网上学习以及和同学交 流，才初步掌握该软件的使用方法，尤其是查找元器件不太容易，最后才知道有 个元器件对照表，才解决了这个问题。 所以只有通过一次又一次实践，才能更好 地掌握新知识。总之，每次课程设计都有不同的提高。我们目前已经是大三，还有一年就要 毕业，能够在此之前知道自己的不足之处并提高自己的各方面能力，这都是一种提高。还有就是课程设计是分组合作， 我们同学之间互相帮助，增强团队合作意 识，也是以后适应社会的需要。在本次设计中，我们感

27、受到电子信息工程这个专 业以后所要学习的知识还有很多很多， 社会发展和科技创新发展很快，只有通过 自己的不断学习和提高，才能立足社会之上。因此，课程设计使我们在今后更加踏实学习，努力提高自己！参考文献20011 沈庆阳，郭庭吉编著，8051单片机实践与应用清华大学出版社,2 赵建领编著，51系列单片机开发宝典电子工业出版社，20073 微机原理与单片机接口技术河南理工大学，20124 胡汉才编著，单片机原理及其接口技术清华大学出版社，2004汪道辉编著，单片机系统设计与实践电子工业出版社2005附1源程序代码#in clude<STC.h>#defi ne uchar un sig

28、 ned char#defi ne uint un sig ned int#define k P2/P2A0-P2A6 用来存放 1-7 七个音节sbit gao=P3A6;sbit di=P3A5;sbit BEEP=P3A7;/沪3人7端口连接按键用来控制扬声器工作与否uchar n=0;/n是播放歌曲时用到uchar high,low; /定时器预装值的高 8位和低8位uchar time,s1,L;uchar yinjie=1; yinjie=1，2,3 表示低音，中音，高音sbit speak=P3A2; 戸3人2端口接扬声器code uchar Table=0x40,0x06,0x

29、5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x40; / 数码管 code uchar fayin 2=0xf9,0x21,0xf9,0xe1,0xfa,0x8c,0xfa,0xd8,0xfb,0x68,0xfb,0xe9,0xfc,0x5b, 低音：高八低八0xfc,0x8f,0xfc,0xef,0xfd,0x45,0xfd,0x6c,0xfd,0xb4,0xfd,0xf4,0xfe,0x24,/中音：高八 低八0xfe,0x47,0xfe,0x78,0xfe,0xa2,0xfe,0xb6,0xfe,0xda,0xfe,0xfa

30、,0xff,0x16/高音：高八低八；uchar code Music1=/ 粉刷匠 1441,2,2,2.2.1.4.2.1.3.2.1.2.2.1.5.2.4, 5,2,1,3,2,1,5.2.1.3.2.1.5.2.1.3.2.1, 1,2,2, 2,2,1,4,2,1,3.2.1.2.2.1, 1,2,4, 2,2,1,2,2,1,4,2,1,4,2,1,3.2.1, 1,2,1,5,2,2, 2,2,1,4,2,1,3,2,1,2,2,1,5.2.4, 5,2,1,3,2,1,5,2,1,3,2,1,5,2,1,3,2,1,1.2.2, 2,2,1,4,2,1,3,2,1,2,2,1

31、, 1,2,4；uchar code Music2=/ 小星星 1261,2,1,1,2,1,5,2,1,5,2,1,6,2,1,6,2,1,5,2,2,4,2,1,4,2,1,3,2,1,3,2,1,2,2,1,2,2,1,1,2,2,5,2,1,5,2,1,4,2,1,4,2,1,3,2,1,3,2,1,2,2,2,5,2,1,5,2,1,4,2,1,4,2,1,3,2,1,3,2,1,2,2,2,1,2,1,1,2,1,5,2,1,5,2,1,6,2,1,6,2,1,5,2,2,4,2,1,4,2,1,3,2,1,3,2,1,2,2,1,2,2,1,1,2,2,uchar code Mu

32、sic3=/荷塘月色3691,2,1,1,2,2,6,1,1,5,1,2,6,1,2,1,2,2,1,2,1,2,2,1,3,2,4,2,2,1,2,2,2,1,2,1,2,2,2,2,2,1,5,2,1,5,2,1,3,2,1,3,2,1,2,2,1,3,2,4,1,2,1,1,2,2,6,1,1,5,1,2,5,2,2,3,2,1,2,2,1,3,2,1,2,2,1,1,2,4,2,2,1,2,2,2,1,2,1,2,2,1,2,2,2,3,2,1,2,2,1,1,2,1,6,1,1,2,2,1,1,2,4,1,2,1,1,2,2,6,1,1,5,1,2,6,1,2,1,2,1,1,2,2

33、,2,2,1,3,2,4,2,2,1,2,2,2,1,2,1,2,2,2,2,2,1,5,2,1,5,2,1,3,2,1,3,2,1,2,2,1,3,2,4,1,2,1,1,2,1,1,2,1,6,1,1,5,1,2,5,2,2,3,2,1,2,2,1,3,2,1,2,2,1,1,2,4,2,2,1,2,2,2,1,2,1,2,2,1,2,2,2,3,2,1,2,2,1,1,2,1,6,1,1,2,2,1,1,2,4,3,2,1,5,2,2,5,2,1,5,2,2,5,2,2,6,2,1,5,2,1,3,2,1,2,2,1,1,2,4,6,2,1,1,3,1,6,2,1,5,2,1,3,2,1

34、,2,2,1,1,2,1,6,1,1,2,2,2,2,2,1,3,2,1,3,2,1,2,2,3,3,2,1,5,2,2,5,2,1,5,2,2,5,2,2,6,2,1,5,2,1,3,2,1,2,2,1,1,2,4,6,1,1,1,2,1,6,1,1,5,1,1,2,2,2,3,2,2,1,2,6；/延时函数void delay (un sig ned int x)int a,b;for(a=x;a>0;a-) for(b=1000;b>0;b-);void son g() TH0=high; TL0=low;TR0=1;delay(time*250);void ITimerO(

35、void)TMOD = 0x01;EA=1;ET0=1;TR0=1;使用模式1, 16位定时器/总中断打开/定时器中断打开/定时器开关打开void Play() uchar m,n;n=0;delay(500);播放粉刷匠if(k=0xfe)while (n <144)m=Music1 n +7*(Music1 n+1-1)-1; high=fayi n m0;low=fayi nm1;time=Music1 n+2;n=n+3;son g();if(BEEP=0)break;if(k=Oxfd)播放小星星while (n <126)m=Music2 n +7*(Music2 n+1-1)-1;high=fa