基于单片机的键电子琴专业课程设计方案报告.doc

单片机原理及系统课程设计

评语：

考勤10分
守纪10分
过程30分
设计报告30分
答辩20分
总成绩(100)

专 业： 自动化
班 级：
姓 名：
学 号：
指引教师：

兰州交通大学自动化与电气工程学院
年 12 月 30 日

基于单片机16键电子琴
一、电子琴设计目、规定与设计办法
1.1设计目
当代乐器中，电子琴是高新科技在音乐领域一种代表，体现了人类电子技术和艺术完美结合。电子琴自动伴奏稳定性、精确性，以及鲜明强弱规律、随人设立速度规定，都更便于人们由易到难、进一步浅出精确掌握歌曲节奏和乐曲风格，对其节奏稳定性和精确性训练能起到非常大作用。
1.2设计规定
本设计重要是用AT89C52单片机为核心控制元件，设计一种微缩版电子琴。单片机与按键构成主控制模块，在主控制模块上设立有9个按键，分别达到不同目的。本系统重要为了完毕电子琴三大功能：电子琴弹奏和音乐播放及录音。
1.3电子琴设计办法
1.3.1设计工具
表1软件简介
软件名称
设计作用
Keil uVision4
编写程序与编译
PROTEUS
绘制硬件电路图、数字仿真
Microsoft Visio
绘制程序流图与框图
1.3.2设计思路
(1)功能按键触发外部中断，以完毕不同曲目切换。
(2)设立定期器产生不同频率方波，I/O口输出，经功放后扬声器发声。
(3)采用4×4矩阵键盘弹奏16个音（低XI到高DO）。
二、 电子琴设计方案及原理
2.1设计总体方案
本系统采用AT89C52为主控芯片。输入电路有16个琴键按键，通过按键随意按下所要表达音符，作为电平送给主体电路，中央解决器通过辨认，解码输出音符，在扬声器中发出有效声音。1个音乐按键用于播放音乐和切换歌曲，通过按键触发中断，重置定期器初值，于另一种扬声器中发出有效音响。
总设计框图如下图1所示。

单
片
机

时钟复位电路

数码管显示电路

琴键控制电路

音频播放电路

音乐切换电路

图1基于单片机电子琴电路原理框图

2.2发声原理
运用AT89C52内部定期器使其工作计数器模式（MODE1）下，变化计数值TH0及TL0以产生不同频率办法产生不同音阶，例如，频率为523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因而只要令计数器计时956μs/1μs＝956，每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。 
计数脉冲值与频率关系式是： 
  N＝fi÷2÷fr。
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是想要产生频率。 
三、 电子琴硬件设计
基于单片机AT89C51电子琴电路由琴键控制电路、数码管显示电路、音频播放电路、时钟-复位电路、音乐切换电路和电源电路六某些所构成。
3.1琴键控制电路
琴键控制电路作为人机联系输入某些，也是间接控制数码显示和音频功放重要构成某些。键盘按照连接方式可以分为独立式和矩阵式键盘两类。
3.1.1矩阵式键盘
如图2所示为4X4矩阵式键盘电路，由一种4X4行、列构造可以构成一种16个按键键盘。 
矩阵中无按键按下时，行线为高电平；当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平也为高，这是辨认按键与否按下核心所在。

图2矩阵式键盘
3.1.2独立式键盘 
独立式键盘特点是一键一线，各键互相独立，每个键各接一条I/O口线，通过检测I/O输入线电平状态，可判断出被按下按键。 
3.1.3 方案比较 
表2键盘类型比较
键盘类型
长处
缺陷
独立式
电路简朴，编程简朴
占用I/O口线多
矩阵式
占用I/O口线较少
编程比较复杂
由于本次设计琴键控制电路需要16个按键，故单纯从I/O口线占用角度比较，独立式需要占用16条I/O口线，而矩阵式却只需8条。故选取矩阵式键盘电路比较合理。
3.2数码管显示电路
LED（Light Emitting Diode）发光二极管缩写。LED数码管是由发光二极管构成。常用LED数码管为“8”字型，共计8段。普通来说分共阳极和共阴极两种接法。
3.2.1LED数码管静态显示 
静态显示方式即无论多少位LED数码管，同步处在显示状态。如果送往各个LED数码管所显示字符段码一经拟定，则相应I/O口锁存器锁存段码输出将维持不变，直到送入另一种字符段码为止。
3.2.2LED数码管动态显示  
静态显示方式就是无论在任何时刻只有一种LED数码管处在显示状态，即单片机采用“扫描”方式控制各个数码管轮流显示。 

3.3.3方案比较 
对于以上两种数码管驱动电路优缺陷比较如表3所示。由于静态驱动方式显示无闪烁，亮度较高，编程简朴，加上本次设计数码管显示电路只需要2个数码管，且分别接两某些管脚，故选取静态驱动方式来显示数码管更为合理。如图3所示为数码管显示电路，采用静态驱动方式和共阳极接法。
表3数码管显示方式比较
驱动方式
长处
缺陷
静态显示
显示无闪烁，亮度较高，
编程简朴
数码管越多，所需电流越大，电源规定越高
动态显示
电路简朴，数码管越多，
优势越明显
不如静态显示亮度高， 也许浮现闪烁现象

图3数码管静态显示电路
3.3音乐切换电路
通过按键拉低电平，触发中断0。
3.4音频播放电路
使用两个扬声器，一种作为琴键输出，一种作为乐曲输出。
3.5时钟复位电路
3.5.1时钟电路 
时钟频率直接影响单片机速度，时钟电路质量也直接影响单片机系统稳定性。惯用时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。 本设计采用内部时钟方式做时钟电路。
3.5.2复位电路 
在单片机实用系统中，普通有两种复位操作形式：上电复位和手动复位。 上电复位在单片机系统每次通电时执行。手动复位在系统浮现操作错误或程序运营出错时使用。 由于本设计需要，同步采用这两种复位方式。
整体电路图如下图4所示。
图4整体硬件设计
四、 电子琴软件设计
系统功能实现普通涉及硬件某些和软件某些，一旦硬件拟定下来，软件要实现功能也随之拟定。而为使编程思路清晰，应先绘制程序流程图。 
4.1 系统硬件接口定义 
表4系统硬件接口定义
引脚名
接口阐明
备注
P0.0~P0.7
琴键数码管与单片机通信
数码管显示电路
P2.0~P2.7
曲目数码管与单片机通信
数码管显示电路
P3.2(INT0)
外部中断源输入端
音乐切换电路
P1.0~P1.7
矩阵键盘接口
琴键控制电路
P3.0,P3.7
控制扬声器
音频播放电路

4.2主函数 
主函数流程图如图5所示。运用模块化思想，主函数只执行初始化函数、键盘扫码函数、音频解决函数和数码管显示函数。

图5主函数流程图
4.3初始化函数
初始化流程框图如图6所示。该函数对所需I/O口、外部中断0、定期器0、定期器T1以及数码管进行初始化配备。
TMOD=0x11；//T0方式1，T1方式1
IP=0x01； //INT0中断优先级最高
EA=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1； //容许中断
TR0=0； //关定期器0
P1=0xbf； //键盘初始化
flag=0; //标志位置0

图6初始化流程图
4.4数码管显示及音频解决函数
依照键值扫描函数读取键码，扬声器发声并结合数码管显示出来。

图7数码管显示流程图
4.5中断函数
中断函数用到了外部中断和定期器中断。外部中断流程框图如图8所示，当按键按下时，外部信号触发外部中断，执行键值扫描函数，读取相应键值。定期中断流程框图如图9所示，定期器溢出中断后，进行重装载初值，同步执行相应音频控制操作。 
4.6键值扫描函数
将输入端置为高电平，输出端置为低电平。这样，当按键没有按下时，所有输入端无变化，代表无键按下。一旦有键按下，则输入线就受输出线影响被拉低，这样，通过读入输入线状态就可得知与否有键按下了。流程图如图10所示。

图8外部键盘中断流程图 图9定期器中断流程图

图10键值扫描流程图

五、 电子琴系统仿真
5.1某些仿真成果
表5仿真成果
按键编号
发声音调
数码管显示
备注
0
低XI
0，-

1
中DO
1，-

2
中RI
2，-

无
播放曲目及停止
1，2，或-
重复按切换音乐

图11音乐显示为“-”或不显示时候，琴键按下DO有效

图12按音乐键，播放音乐1，琴键弹奏无效
5.2调试中浮现问题及解决
电子琴设计并非一帆风顺，在这期间遇到了诸多问题，下面谈几种核心问题。一方面是数码管显示乱码问题，原本觉得是数码管字形码表代码有错，检查几遍发当代码基没错，日后结合硬件图一看，才懂得硬件图中数码管是共阳极接法，软件中数码管字形码表是共阴极。其二是按键引入中断检测时遇到问题，按音乐键后琴键无法发声和显示，挥霍了诸多时间，最后发现是程序判断条件有问题。其三是扬声器发出音调不对，甚至没有声音，这个问题日后还是不能解决，最后放弃了LM386功放电路，直接接扬声器，但是导致了某些琴键发声带杂音。
六、 总结
在本次设计八路多功能抢答器课设过程中，我运用AT89C52单片机及外围接口实现电子琴，运用单片机定期器/计数器定期和计数原理实现对弹奏和播放功能，运用Proteus和Keil软件设计出实验电路，完毕了课设任务。
在本次课设中，我意识到将理论知识与实践相结合重要性，对于单片机这样课程，仅仅通过理解课本上知识是远远不够,我通过查资料和收集关于文献，培养了自学能力，通过运用软件仿真和焊接电路，在很大限度上提高了我动手能力。咱们在课设过程中，遇到了诸多问题，例如我在仿真过程中错把共阴极数码管字模当作共阳极使用，使得数码管无法正常显示，通过查资料我明白了共阴极数码管是高电平驱动，公共端是负极，共阳极数码管是低电平驱动，公共端是正极，类似问题浮现了诸多，咱们通过一一排查，终于完毕了课设任务，成果表白，有付出必有收获，把握重点、攻克难关，活学活用对于牢固掌握知识，是非常有用。
在本次课设中，我学到了诸多，也通过不断纠正自己错误，意识到自身局限性，我对知识掌握还没有实现深层次理解记忆，我相信这些教训都为我后来学习奠定了良好基本，时刻紧记团队合伙、坚持与努力重要性。

参照文献
[1] 王思明,张金敏,苟军年.单片机原理及应用系统设计[M].北京:人民邮电出版社,.
[2] 冯育长,邹小兵.单片机系统设计与实例指引[M]. 西安：西安电子科技大学出社,.
[3] 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例[M].北京：电子工业出版社,.
[4] 单丹,马淑云.基于AT89C51单片机电子琴设计[J].中华人民共和国高新技术公司，.

附录
#include<reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
//共阳极数码管
Uchar code LED[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf};
sbit beep=P3^0;
uchar key； //键号
sbit buzzer=P3^7;
uchar dis_buf;
uchar flag;
//音符延时表
uint code Tone_Delay_Table[]=
{64524,64580,64684,64777,64820,64896,64966,65030,65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283,65316};
//音调与节拍
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[]=
{3,5,5,3,2,1,2,3,5,3,2,3,5,5,3,2,1,2,3,2,1,1,0xff};
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};
//定义按键序号
uchar keyno;
//音乐片段索引，音符索引
uchar song_index=0;
uchar tone_index=0;
//音符指针，延时指针
uchar *tone_pointer,*delay_pointer;
//从当前数组中取出音符位置
uchar i =0;
//毫秒延时
void delayms(uint ms)
{
uchar t;
while(ms--) for(t=0;t<120;t++);
}
//按键产生外部中断
void Key_Press() interrupt 0
{
TR0=0;
//切换歌曲
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_pointer=Time2_Tone;
break;
case 0:tone_pointer=0;
delay_pointer=0;
break;
}
//重新开始
i=0;
TR0=1;
flag=1;
}
//T0中断播放
void play_music() interrupt 1
{ if(song_index!=0){
TH0=Tone_Delay_Table[tone_index]/256;
TL0=Tone_Delay_Table[tone_index]%256;
buzzer=~buzzer;}
else{buzzer=0;}
}
/*void key_scan()
{
uchar temp,k;
//高四位置0，放入四行
P1=0x0f;
delayms(2);
//按键后00001111变成0000xxxx，x中1个为0,3个仍为1
//如下亦或操作把3个1变成0，唯一0变成1
temp=P1^0x0f;
//判断按键发生于0-3列哪一列
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);
//按键后11110000变成xxxx0000,x为1个0，三个仍为1
//高四位移动至底四位，唯一0变1，别的为0
temp=(P1>>4)^0x0f;
//对0~3行分别赋起始值0，4，8，12
switch(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;
} */
//矩阵键盘扫描子程序
void key_scan(void)
{ uchar temp;
P1=0x0F； //低四位输入
delayms(2)； //稍稍延时
temp=P1； //读P1口
temp=temp&0x0F； //取低四位
temp=~(temp|0xF0);
if(temp==1) //检测按下键所在列号，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； //否则显示-

P1=0xF0； //高四位输入
delayms(2);
temp=P1； //读P1口
temp=temp&0xF0;
temp=~((temp>>4)|0xF0);
if(temp==1) //检测按下键所在行号，在第一行
key=key+0;
else if(temp==2) //在第二行
key=key+4;
else if(temp==4) //在第三行
key=key+8;
else if(temp==8) //在第四行
key=key+12;
else
key=16； //否则显示-
/* 依照行号和列号得到按下键号 */
dis_buf=LED[key]；//查表得键值
}
//T1中断，发声DO RI MI 。。。。
void play() interrupt 3
{
TH1=Tone_Delay_Table[key]/256;
TL1=Tone_Delay_Table[key]%256;
beep=~beep;
}

//主程序
void main()
{
TMOD=0x11；//T0方式1，T1方式1
IP=0x01； //INT0中断优先级最高
EA=1;
ET0=1;
ET1=1;
EX0=1； //容许中断
TR0=0;
P1=0xbf;
flag=0;
while(1)
{ //if(flag==0){
P1=0xf0;//发送扫描码
if(P1!=0xf0)//有键按下
{
if(song_index!=2&&song_index!=1)
{
key_scan();
P0 = dis_buf； //键值赋给P0口，显示
TR1=1;
}
}
else
{
TR1=0;//停止播放
} //}
if(flag==1&&song_index!=0)
{
delayms(2);
tone_index=tone_pointer[i];
if(tone_index==0xff)
{
i=0;
delayms();
continue;
}
TR0=1;
delayms(delay_pointer[tone_index]*240);
TR0=0;
i++;
switch(song_index)
{
case 2:P2=LED[2];
break;
case 1:P2=LED[1];
break;
case 0:P2=0xbf;
break;
}
}
}
}