基于51单片机的16键电子琴课程设计报告.doc

单片机原理及系统课程设计报告
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:
指导教师：
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2015 年 12 月 30 日
1

基于单片机的16键电子琴
一、电子琴设计的目的、要求与设计方法
1.1设计目的
现代乐器中，电子琴是高新科技在音乐领域的一个代表，体现了人类电子技术和艺术的完美结合。电子琴自动伴奏的稳定性、准确性，以及鲜明的强弱规律、随人设置的速度要求，都更便于人们由易到难、深入浅出的准确掌握歌曲节奏和乐曲风格，对其节奏的稳定性和准确性训练能起到非常大的作用。
1.2设计要求
本设计主要是用AT89C52单片机为核心控制元件，设计一个微缩版的电子琴.单片机与按键构成主控制模块，在主控制模块上设置有9个按键,分别达成不同目标。本系统主要为了完成电子琴的三大功能:电子琴弹奏和音乐播放及录音.
1。3电子琴设计方法
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，以完成不同曲目的的切换。
（2)设置定时器产生不同频率的方波,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、 电子琴的设计方案及原理
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。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,重置定时器初值,于另一个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基于单片机的电子琴电路原理框图
2。2发声原理
利用AT89C52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T＝1/523＝1912μs，因此只要令计数器计时956μs/1μs＝956，每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz). 
计数脉冲值与频率的关系式是： 
 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是想要产生的频率。 
三、 电子琴的硬件设计
基于单片机AT89C51的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部分所构成。
3。1琴键控制电路
琴键控制电路作为人机联系的输入部分，也是间接控制数码显示和音频功放的重要组成部分.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,由一个4X4的行、列结构可以构成一个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的列线的电平决定。列线的电平如果为低，则行线电平为低;列线的电平如果为高,则行线的电平也为高，这是识别按键是否按下的关键所在。
图2矩阵式键盘
3。1。2独立式键盘 
独立式键盘的特点是一键一线,各键相互独立，每个键各接一条I/O口线,通过检测I/O输入线的电平状态,可判断出被按下的按键。 
3。1.3 方案比较 
表2键盘类型比较
键盘类型
优点
缺点
独立式
电路简单,编程简单
占用I/O口线多
矩阵式
占用I/O口线较少
编程比较复杂
由于此次设计的琴键控制电路需要16个按键，故单纯从I/O口线的占用的角度比较，独立式需要占用16条I/O口线，而矩阵式却只需8条。故选择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的.常见的LED数码管为“8”字型的,共计8段。一般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,同时处于显示状态。如果送往各个LED数码管所显示字符的段码一经确定，则相应I/O口锁存器锁存的段码输出将维持不变,直到送入另一个字符的段码为止。
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个LED数码管处于显示状态，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的的优缺点比较如表3所示。由于静态驱动方式的显示无闪烁,亮度较高，编程简单，加上本次设计的数码管显示电路只需要2个数码管，且分别接两部分管脚，故选择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
优点
缺点
静态显示
显示无闪烁，亮度较高，
编程简单
数码管越多,所需的电流越大，电源的要求越高
动态显示
电路简单，数码管越多，
优势越明显
不如静态显示的亮度高， 可能出现闪烁现象
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，一个作为琴键输出,一个作为乐曲输出。
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的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的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 
在单片机的实用系统中，一般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。手动复位在系统出现操作错误或程序运行出错时使用。 由于本设计的需要，同时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、 电子琴的软件设计
系统功能的实现一般包括硬件部分和软件部分，一旦硬件确定下来，软件要实现的功能也随之确定。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
接口说明
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。利用模块化的思想，主函数只执行初始化函数、键盘扫码函数、音频处理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
初始化的流程框图如图6所示。该函数对所需的I/O口、外部中断0、定时器0、定时器T1以及数码管进行初始化配置。
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； //允许中断
TR0=0； //关定时器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数码管显示及音频处理函数
根据键值扫描函数读取的键码，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时器中断.外部中断的流程框图如图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，读取对应的键值.定时中断的流程框图如图9所示，定时器溢出中断后，进行重装载初值，同时执行相应的音频控制操作。 
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，所有的输入端无变化，代表无键按下。一旦有键按下,则输入线就受输出线的影响被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了.流程图如图10所示。
图8外部键盘中断流程图 图9定时器中断流程图
图10键值扫描流程图
五、 电子琴的系统仿真
5。1部分仿真结果
表5仿真结果
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“—”或不显示的时候,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调试中出现的问题及解决
电子琴的设计并非一帆风顺，在这期间遇到了很多问题，下面谈几个关键的问题。首先是数码管显示乱码的问题,原本以为是数码管字形码表的代码有错，检查几遍发现代码基没错，后来结合硬件图一看，才知道硬件图中数码管是共阳极接法，软件中的数码管字形码表是共阴极的。其二是按键引入中断检测时遇到的问题,按音乐键后琴键无法发声和显示，浪费了很多时间，最终发现是程序的判断条件有问题。其三是扬声器发出的音调不对,甚至没有声音,这个问题后来还是不能解决，最后放弃了LM386的功放电路,直接接扬声器，但是导致了部分琴键发声带杂音.
六、 总结
在本次设计八路多功能抢答器的课设过程中，我利用AT89C52单片机及外围接口实现电子琴，利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理实现对弹奏和播放的功能，利用Proteus和Keil软件设计出实验电路，完成了课设的任务。
在本次课设中,我意识到将理论知识与实践相结合的重要性,对于单片机这样的课程，仅仅通过了解课本上的知识是远远不够的,我通过查资料和搜集有关文献，培养了自学能力,通过利用软件仿真和焊接电路，在很大程度上提高了我的动手能力。我们在课设的过程中，遇到了很多问题,比如我在仿真的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，类似的问题出现了很多,我们通过一一排查，终于完成了课设任务,结果表明，有付出必有收获,把握重点、攻克难关，活学活用对于牢固的掌握知识，是非常有用的。
在此次课设中，我学到了很多,也通过不断纠正自己的错误,意识到自身的不足，我对知识的掌握还没有实现深层次的理解记忆，我相信这些教训都为我以后的学习奠定了良好的基础，时刻牢记团队合作、坚持与努力的重要性。
参考文献
［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，2008.
［2］ 冯育长,邹小兵。单片机系统设计与实例指导[M］. 西安:西安电子科技大学出社，2004.
［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，2009。
［4]单丹，马淑云。基于AT89C51单片机电子琴的设计［J].中国高新技术企业,2002.
附录
#include〈reg52。h〉
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
//共阳极数码管
Ucharcode 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的位置
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
//以下亦或操作把3个1变成0，唯一0变成1
temp=P1^0x0f;
//判断按键发生于0—3列的哪一列
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，其余为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） //检测按下的键所在的列号，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） //检测按下的键所在的行号，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-
/＊ 根据行号和列号得到按下的键号 */
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； //允许中断
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（2000）;
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；
｝
}
｝
｝
16