单片机简易电子琴优秀课程设计优质报告.doc

山东交通学院

单片机原理课程设计说明书

题目：简易电子琴设计

院(系)别 交通和物流工程学院
专 业 物联网工程
班 级 物联141
学 号
姓 名 解文博
指导老师 侯贻蒙

二○一六年六月

摘 要
本课题关键内容就是用单片机实现简易电子琴设计。本设计关键内容是用AT89C52单片机为关键控制元件并和键盘、扬声器等模块聚城关键主控制模块，利用所给键盘1,2,3,4,5,6,7,8,八个键，能够发出8个不一样音调，而且要求按下按键发声。当系统扫描到键盘上有键被按下，则快速检测出是哪一个键被按下，然后单片机定时器被开启，发出一定频率脉冲，该频率脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出对应音调。假如在前一个按下键发声同时有另一个键被按下，则启用中止系统，前面键发音停止，转到后按键发音程序，发出后按键音调。先依据要求设计硬件电路和编写对应程序，然后进行仿真调试，最终细心焊接硬件电路图，将程序烤入芯片中，最终达成设计目标。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功效完善，控制系统可靠，性价比较高等，含有一定实用和参考价值。

关键词：单片机，按键，音阶，扬声器

1设计目标和意义
单片机（单片微型计算机）是大规模集成电路技术发展产物，含有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠等特点。单片机应用相当广泛，从日常家用电器到航空航天系统和国防军事、尖端武器全部能找到它身影。所以，单片机开发应用已成为高科技和工程领域一项重大课题。 
音乐伴随大家生活水平也逐步提升已经成为了我们生活中很关键一部分，在工作和学习之余，欣赏音乐不仅使身心得到放松，同时也提升大家精神品质和个人素养。现代，爱好音乐年轻人越来越多，也有不少人自己练习弹奏乐器，作为业余爱好和一个放松手段，鉴于部分乐器学习难度大需花费太多精力，且其价格太过于高昂，使得一部分有这种想法人不得不放弃这种想法，而电子琴又是一个新型键盘乐器，它是现代电子科技和音乐结合产物，价格相对廉价，能够满足通常爱好者需求，所以，在现代音乐中饰演着关键角色。 故简易电子琴研制含有一定社会意义。
2 设计系统功效
（1） 利用所给键盘1，2，3，4，5，6，7，8八个键，能够发出8个不一样音调
（2） 当系统扫描到键盘上有键被按下单片机定时器被开启，发出一定频率脉冲，假如在该频率脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出对应音调。
（3） 中间再按别键则发另一音调声音
（4） 前一个按下键发声同时有另一个键被按下，则启用中止系统，前面键发音停止，转到后按键发音程序，发出后按键音调。而且要求按下按键发声，松开延时一段时间停止 

3 硬件系统结构
3.1 总体电路设计
电子琴总体电路分别由单片机最小系统模块、显示模块、按键模块、发音模块四个模块组成。以下图所表示。

图3-1 总体电路设计
3.2 原理图

图3-2 原理图

3.3键盘设计
键盘在单片机应用系统中是一个关键部件，它能实现向计算机输入数据，传送命令等功效，是人工干估计算机关键手段。
键盘能够分为2类：独立连接式键盘和矩阵式键盘。
(1)矩阵式键盘
单片机系统中，若按键较多时，通常采取矩阵式（也称行列式）键盘。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键在行、列线交叉点上。显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多I/O口。
矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关两端，行线经过上拉电阻接到+5V上．当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由和此行线相连列线电平决定。这是识别按键是否按下关键。
(2)独立连接式键盘
独立式按键是直接用I/O口线组成单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键工作不会影响其它I/O口线状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必需占用一根I/O口线，然而，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采取。
独立式按键软件常采取查询式结构。先逐位查询每根I/O口线输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确定该I/O口线所对应按键已按下，然后，再转向该键功效处理程序。因为本程序较为简单，为了使用方便及节省资源，选择独立式键盘。下图为独立式键盘电路图：

图3-3 独立式键盘电路图
键盘编程中关键考虑去抖动问题。当测试表明有键被按下以后，紧接着就进行去抖动处理。因为键是机械开关结构，因为机械触点弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开瞬间会出现电压抖动。为确保键识别正确，在电压信号抖动情况下不能进行行状态输入。为此需进行去抖动处理。去抖动有硬件和软件两种方法。硬件方法就是加去抖动电路，从根本上避免抖动产生。软件消抖，在第一次检测到有键按下时，实施一段延时程序以后，再检测此按键，假如第二次检测结果仍为按下状态，CPU便确定此按键己按下，消除了抖动。
3.4发音模块设计
以下图所表示，发音电路是由蜂鸣器、三极管、上拉电阻组成。由三极管来驱动扬声器发音，同时加上拉电阻增强驱动电流，提升驱动能力。

图3-4 发音电路图

一首音乐是很多不一样音阶组成，而每个音阶对应着不一样频率，这么我们就能够利用不一样频率组合，即可组成我们所想要音乐了，当然对于单片机来产生不一样频率很方便，我们能够利用单片机定时/计数器T0来产生这么方波频率信号，所以，我们只要把一首歌曲音阶对应频率关系正确即可。
4 软件功效实现

4.1 软件系统步骤分析
（1）键盘扫描程序：检测是否有按键按下，有按键按下则统计按下键键值，并跳转至功效转移程序；无按键按下，则返回键盘扫描程序继续检测。
（2）琴键处理程序：依据检测到按键值，查询音调表，给计时器赋值，使发出对应频率声音。
开始

初始化

开启定时器

判定是否按键

N

关闭定时器，无声音发出

Y

键盘扫描，确定按下按键

发出对应音调

图4-1 主程序步骤图

4.2 关键代码实现
4.2.1键盘扫描
unsigned char keys_scan(void)
{ unsigned char Tmp,k=16;
P2=0x0F;
delay_1ms();
Tmp=P2 ^ 0x0F;
switch(Tmp)//确定扫描是哪一列
{ case 1: k=0;break;
case 2: k=1;break;
case 3: k=2;break;
case 4: k=3;break;
default: return 16; //无键按下， 返回
}
P2=0xF0;
delay_1ms();
Tmp=(P2>>4)^0x0F;
switch(Tmp)//确定扫描是那一行
{ case 1: k+=0; break;
case 2: k+=4; break;
case 3: k+=8; break;
case 4: k+=12; break;
default: return 16; //无键按下， 返回
}
return k;
}
4.2.2发声程序
//音符发生中止
void play_tone() interrupt 1
{ TH0=Sound_Temp_TH0;
TL0=Sound_Temp_TL0;
beep=!beep;
}
4.3 其它关键技术
定时器产生音乐原理
利用单片机内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不一样频率方法产生不一样音阶。比如，频率为523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，所以只要令计数器计时956μs/1μs＝956，每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。
计数脉冲值和频率关系式(如式2-1所表示)是：
N＝fi÷2÷fr                         2-1
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是想要产生频率。
其计数初值T求法以下：
T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr
比如：设K＝65536，fi＝1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）计数值。
T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr
低音DOT＝65536－500000/262＝63627
中音DOT＝65536－500000/523＝64580
高音DOT＝65536－500000/1046＝65059

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）
低1　DO
262
63628
# 4 FA#
740
64860
#1　DO#
277
63731
中 5 SO
784
64898
低2　RE
294
63835
# 5 SO#
831
64934
#2 RE#
311
63928
中 6 LA
880
64968
低 3 M
330
64021
# 6
932
64994
低 4 FA
349
64103
中 7 SI
988
65030
# 4 FA#
370
64185
高 1 DO
1046
65058
低 5 SO
392
64260
# 1 DO#
1109
65085
# 5 SO#
415
64331
高 2 RE
1175
65110
低 6 LA
440
64400
# 2 RE#
1245
65134
# 6
466
64463
高 3 M
1318
65157
低 7 SI
494
64524
高 4 FA
1397
65178
中 1 DO
523
64580
# 4 FA#
1480
65198
# 1 DO#
554
64633
高 5 SO
1568
65217
中 2 RE
587
64684
# 5 SO#
1661
65235
# 2 RE#
622
64732
高 6 LA
1760
65252
中 3 M
659
64777
# 6
1865
65268
中 4 FA
698
64820
高 7 SI
1967
65283

采取查表程序进行查表时，能够为这个音符建立一个表格，有利于单片机经过查表方法来取得对应数据：低音0－19之间，中音在20－39之间，高音在40－59之间。用单片机弹奏电子琴，实际上是根据特定频率，输出一连串方波。为了输出适宜方波，首先应该知道音符和频率关系。

5 设计中难点
此次课程对知识要求较为综合，我们用到了单片机，数字电路，单片机各引脚，中止系统原理等知识。在老师帮助下，和自己不停查找资料，慢慢进入状态。我们将编好源程序输入电脑，编译后出现很多错误，这些错误有很多是平时试验碰到过，比如：输入分号格式不正确，零和字母O弄混淆。对于中止程序，运行过程中按键控制不稳定，不能根据预想要求控制中止。键盘编程中关键考虑去抖动问题。 当测试表明有键被按下以后，紧接着就进行去抖动处理。因为键是机械开关结构，因为机械触点弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开瞬间会出现电压抖动。为确保键识别正确，在电压信号抖动情况下不能进行行状态输入。
6 设计结果
当按下键盘1,2,3,4,时，能够发出DO,RE,M,FA四个音调；按5,6,7,8,八个键，能够发出升一调DO,RE,M,FA，假如在前一个按下键发声同时有另一个键被按下，则启用中止系统，前面键发音停止，转到后按键发音程序，发出后按键音调。

7 总结和心得
在为期一周单片机课程设计中，我在增加知识、提升能力同时，产生了很深感慨。从初步定下方案到编出程序，从不停运行排错到调试成功，在整个设计过程中，着实受益匪浅，不仅能够巩固以前所学过知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过东西。  
经过这次课程设计作品制作让我对单片机理论有了愈加深入了解，同时在具体制作过程中我们发觉现在书本上知识和实际应用存在着不小差距，书本上知识很多全部是理想化后结论，忽略了很多实际原因，或包含不全方面，可在实际应用时这些是不能被忽略，我们不得不考虑这方问题，这让我们无法依据书上理论就轻易得到预想中结果，有时结果甚至很差异很大。经过这次设计，我基础掌握了怎样利用keil生成hex文件。经过开发板设计和硬件搭建过程，使我对89c52系单片机接口有了更深层次了解，熟悉了部分单片机常见外围电路引脚和连接方法。我熟悉了89c52系列单片机内部寄存器和编程规则，和怎样控制外围电路。总而言之，经过这次课程设计，我们全部清楚明白了自己能力有多深，想提升还得归于多锻炼，多动手，多向她人学习。
8 参考文件
[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，9月
[2] 徐新艳．单片机原理、应用和实践[M]．北京：高等教育出版社，3月
[3] 张淑清，姜万录等，单片微型计算机接口技术及应用[M]．国防工业出版社，
[4] 冯博琴，微型计算机原理和接口技术[M]．清华大学出版社，
9 附录:系统程序源码
/***********************************************************
试验名称：简易电子琴程序
程序说明：能够实现单独演奏功效，其中按键-8是用于单独演奏
***********************************************************/

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
//本程序是电子琴程序， 能够实现单独演奏功效。 其中， 按键1-8是用于单独演奏

unsigned int code tone_delay_table[]=
{63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,65058,65110};//各音符对应延时表

sbit beep=P3^5;//蜂鸣器位定义

unsigned char Sound_Temp_TH0,Sound_Temp_TL0; //音符定时器初值暂存

void delay_1ms(unsigned int i)
{
while(i--);
}
//延时

//键盘矩阵扫描 //返回按下键值
unsigned char keys_scan(void)
{ unsigned char Tmp,k=16;
P2=0x0F;
delay_1ms();
Tmp=P2 ^ 0x0F;
switch(Tmp)//确定扫描是哪一列
{ case 1: k=0;break;
case 2: k=1;break;
case 3: k=2;break;
case 4: k=3;break;
default: return 16; //无键按下， 返回
}
P2=0xF0;
delay_1ms();
Tmp=(P2>>4)^0x0F;
switch(Tmp)//确定扫描是那一行
{ case 1: k+=0; break;
case 2: k+=4; break;
case 3: k+=8; break;
case 4: k+=12; break;
default: return 16; //无键按下， 返回
}
return k;
}

void main() //主程序
{ unsigned char key_NO=0;

//设置定时器工作方法 3， 和相关开启寄存器
TMOD |= 0x11;//使用模式1，16位定时器，使用"|"符号能够在使用多个定时器时不受影响
ET0 = 1; //定时器中止打开
TR0 = 1; //定时器开关打开
EA = 1; //总中止打开

TH0=tone_delay_table[key_NO]/256;
TL0=tone_delay_table[key_NO]%256;

while(1) {
P2=0xF0;
if(P2!=0xF0)
//当有按键按下时， 需要设置定时器开启
{ key_NO=keys_scan();//调用键盘扫描

if(key_NO<15)//按下那个键， 发出对应音调
{delay_1ms();
if(key_NO<15)
{ Sound_Temp_TH0=tone_delay_table[key_NO]/256;
Sound_Temp_TL0=tone_delay_table[key_NO]%256;
} }

TR0=1;//开启定时器 0， 音符中止
}
else//当没有键按下时， 无声音发出；
{ TR0=0;//关闭定时器

beep=1;

}
delay_1ms();//稍做延时， 能够避免误判定
} }

//音符发生中止
void play_tone() interrupt 1
{ TH0=Sound_Temp_TH0;
TL0=Sound_Temp_TL0;
beep=!beep;
}