基于ATC的简易电子琴单片机专业课程设计.doc

单片机课程设计

题目名称： 基于单片机可演奏电子琴设计
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摘 要
电子琴是现代电子科技和音乐结合产物，是一个新型键盘乐器。它在现代音乐饰演着关键角色，单片机含有强大控制功效和灵活编程实现特征，它已经溶入现代大家生活中，成为不可替换一部分。本文关键内容是用AT89c51单片机为关键控制元件，设计一个电子琴。以单片机作为主控关键，和键盘、扬声器等模块组成关键主控制模块，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。
Abstract
Electronic organ is a modern electronic music technology and the product is a new type of keyboard instruments. It played an important role in modern music. SCM has powerful control functions and flexible programming characteristics. It has converged with modern people's lives, become an irreplaceable part. The main content is AT89C51 control of the core components, design of a electronic organ. SCM as a host to the core, with the keyboard, speaker and other core modules. In the main control module has 16 keys and a speaker. The system is steady, its simple hardware circuits, software functions, reliability of control system and high cost performance is its advantages. It also has certain practical and reference value.

目录
摘 要 1
Abstract 1
1 系统概述 3
1.1 课程设计目标和意义 3
1.2 本系统关键研究内容 3
1.3 本系统关键研究目标 4
1.4关键芯片介绍 4
2 方案论证 4
2.1 控制模块选择方案 4
2.2 按键模块选择方案 5
3 方案实现 5
3.1系统实现具体方法 5
3.2系统硬件设计 6
3.2.1 系统硬件总体设计 6
3.2.2子系统（模块）一 6
3.2.3子系统（模块）二 7
3.2.4 子系统（模块）三 8
3.3系统软件设计 9
3.3.1系统软件总体设计 9
3.3.2子程序（模块）一：LED显示 9
3.3.3子程序（模块）二:扬声器 10
3.3.4子程序（模块）三：矩阵键盘 11
4 系统调试 12
4.1 Proteus 介绍 12
4.2 keil 介绍 12
4.3 Proteus和Keil联调 13
5 设计心得 14
参考文件 15
附录1： 16

1 系统概述
1.1课程设计目标和意义
单片微型计算机是大规模集成电路技术发展产物，属第四代电子计算机，它含有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛特点。它应用肯定造成传统控制技术从根本上发生变革。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。
电子琴是现代电子科技和音乐结合产物，是一个新型键盘乐器。它在现代音乐饰演着关键角色，单片机含有强大控制功效和灵活编程实现特征，它已经溶入现代大家生活中，成为不可替换一部分。本文关键内容是用AT89S51单片机为关键控制元件，设计一个电子琴。以单片机作为主控关键，和键盘、扬声器等模块组成关键主控制模块，在主控模块上设有16个按键和扬声器。
本文关键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统硬件组成。利用单片机产生不一样频率来取得我们要求音阶，最终可随意弹奏想要表示音乐。而且本文分别从原理图，关键芯片，各模块原理及各模块程序调试来具体叙述。本系统是简易电子琴设计，按下键盘矩阵中按键会使数码管显示目前按键，扬声器播放器对应音符。经过设计本系统可了解单片机基础功效。对单片机了解有一个小飞跃。
1.2 本系统关键研究内容
本系统设计制作一个可演奏电子琴。综合应用了两项设计。
（1）键盘矩阵识别。即矩阵扫描，显示目前按键。
（2）不一样频率音符播放。能够经过按键控制16种发音。
1.3 本系统关键研究目标
本系统设计是为了实现按下矩阵键盘中按键会使数码管显示目前按键，扬声器播放对应音符目标。
1.4关键芯片介绍
AT89c51介绍
AT89c51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)可反复擦写1000次Flash只读程序存放器，器件采取ATMEL企业高密度、非易失性存放技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存放单元，功效强大微型计算机AT89c51可为很多嵌入式控制应用系统提供高性价比处理方案。
    AT89c51含有以下特点：40个引脚（引脚图图1-2所表示），4k Bytes Flash片内程序存放器，128 bytes随机存取数据存放器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中止优先级2层中止嵌套中止，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。
另外，AT89c51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可经过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中止系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保留RAM数据，停止芯片其它功效直至外中止激活或硬件复位。同时该芯片还含有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不一样产品需求。

2 方案论证
2.1 控制模块选择方案
方案一：用可控硅制作电子琴。将220V交流电经变压器降压，再经过整流、滤波，取得+13.5V直流电压。将单向可控硅SCR和电阻、电容组成驰张振荡器电路。但该设计方案制作成本高且复杂。
方案二： 采取AT89C51单片机进行控制，因为其性价比高，完全满足了本作品智能化要求，它内部程序存放空间达成4K，使软件设计有足够内部使用空间而且方便以后系统升级，使用方便，抗干扰性能提升。
选择方案：鉴于上述对比和分析，AT89C51单片机设计微型电子琴方法，仅需AT89C51最小系统，扩展一组矩阵键盘，再接一组发光二极管用来指示电子琴工作状态。所以，本设计采取方案二。
2.2 按键模块选择方案
传统电子琴能够用键盘上“1”到“A”键演奏从低SO到高DO等11音。该设计有16个按钮矩阵，设计成16个音，能够实现音阶在低音4---高音5之间。比传统音阶范围大，弹奏效果好。
3 方案实现
3.1系统实现具体方法
键盘接口必需含有4个基础功效。
（1）去抖动:每个按键在按下或松开时，全部会产生短时间抖动。抖动连续时间和键质量相关，通常为5—20mm。所谓抖动是指在识别被按键是必需避开抖动状态，只有处于稳定接通或稳定断开状态才能确保识别正确无误。去抖问题可经过软件延时或硬件电路处理。
（2）防串键：防串键是为了处理多个键同时按下或前一按键没有释放又有新按键按下时产生问题。常见方法有双键锁定和N键轮回两种方法。双键锁定，是当有两个或两个以上按键按下时，只把最终释放键看成有效键并产生对应键码。N键轮回，是当检测到有多个键被按下时，能依据发觉它们次序依次产生对应键键码。
（3）被按键识别：怎样识别被按键是接口处理关键问题，通常可经过软硬结合方法完成。常见方法有行扫描法和线反转法两种。行扫描法基础思想是，由程序对键盘逐行扫描，经过检测到列输出状态来确定闭合键，为此，需要设置入口、输出口一个，该方法在微机系统中被广泛使用。线反转法基础思想是经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双向输入/输出端口。
（4）键码产生：为了从键行列坐标编码得到反应键功效键码，通常在内存区中建立一个键盘编码表，经过查表取得被按键键码。
用AT89C51并行口P0接4×4矩阵键盘，以P0.0－P0.3作输入线，以P0.4－P0.7作输出线；在数码管上显示每个按键“0－F”序号。
3.2系统硬件设计
3.2.1 系统硬件总体设计
本系统由键盘矩阵、LED显示管、扬声器这多个部分组成，LED显示管显示目前按键，扬声器发出对应音符。硬件总体设计图以下：

图1
3.2.2子系统（模块）一
LED显示模块图2-2所表示，利用AT89c51单片机P0端口P0.0－P0.7连接到一个七段数码管a－h笔段上，数码管公共端接电源。
矩阵扫描显示目前按键模块以下：

图2
3.2.3子系统（模块）二
矩阵扫描扬声器发出对应音符模块以下：

图3
3.2.4 子系统（模块）三
矩阵键盘模块以下：

图4
矩阵式键盘结构和工作原理
在键盘中按键数量较多时，为了降低I/O口占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是经过一个按键加以连接。这么，一个端口（如P1口）就能够组成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区分越显著，比如再多加一条线就能够组成20键键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要键数比较多时，采取矩阵法来做键盘是合理。
　　矩阵式结构键盘显然比直接法要复杂部分，识别也要复杂部分，上图中，列线经过电阻接正电源，并将行线所接单片机I/O口作为输出端，而列线所接I/O口则作为输入。这么，当按键没有按下时，全部输出端全部是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这么，经过读入输入线状态就可得悉是否有键按下了。具体识别及编程方法以下所述。
3.3系统软件设计
3.3.1系统软件总体设计
本系统软件总步骤图以下：

图5
系统总程序见附录1.
3.3.2子程序（模块）一：LED显示
I/O并行口直接驱动LED显示
把“AT89C51”区域中P2.0/A8－P2.7/A15端口用8芯排线连接到一位数码管a－h端口上；要求：P2.0/A8和a相连，P2.1/A9和b相连，P2.2/A10和c相连，……，P2.7/A15和h相连。
表1：

表1 字形码表及对应音符
1
0x3f
低 5 SO
9
0x7f
中 6 LA
2
0x06
低 6 LA
A
0x6f
中 7 SI
3
0x5b
低 7 SI
b
0x77
高 1 DO
4
0x4f
中 1 DO
C
0x7c
高 2 RE
5
0x66
中 2 RE
D
0x39
高 3 M
6
0x6d
中 3 M
E
0x5e
高 4 FA
7
0x7d
中 4 FA
F
0x79
高 5 SO
8
0x07
中 5 SO
0
0x71
高 6 LA
在本设计中，数码管显示经过
P2=DSY_CODE[k]
这句语言来查表并输出，实现音符显示。
具体程序见附录1
3.3.3子程序（模块）二:扬声器
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弄正确即可。
若要产生音频脉冲，只要算出某一音频周期（1/频率），再将此周期除以2，即为半周期时间。利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将P3.7反相，然后反复计时再反相。就可在P3.7引脚上得到此频率脉冲。
利用AT89C51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。
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＝63628
中音DOT＝65536－500000/523＝64580
高音DOT＝65536－500000/1046＝65058
我们要为这个音符建立一个表格，单片机经过查表方法来取得对应数据：uint code Tone_Delay_Table[] =
{ 64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,
64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178 };
具体程序见附录1
3.3.4子程序（模块）三：矩阵键盘
矩阵式键盘按键识别方法：
确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一个“行扫描法”。
　　行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一个最常见按键识别方法，如上图所表示键盘，介绍过程以下。
　　1、判定键盘中有没有键按下 将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线状态。只要有一列电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合键在低电平线和4根行线相交叉4个按键之中。若全部列线均为高电平，则键盘中无键按下。
　　2、判定闭合键所在位置 在确定有键按下后，即可进入确定具体闭合键过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线电平状态。若某列为低，则该列线和置为低电平行线交叉处按键就是闭合按键。
具体程序见附录1
4 系统调试
4.1 Proteus 介绍
ProteusISIS是一款Labcenter出品电路分析实物仿真系统，可仿真多种电路和IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得专业单片机软件仿真系统。
　该软件特点：
　① 全部满足我们提出单片机软件仿真系统标准，并在同类产品中含有显著优势。
　②含有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成系统仿真、RS-232动态仿真、C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真功效；有多种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
　③ 现在支持单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列和多种外围芯片。
　④ 支持大量存放器和外围芯片。总而言之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身仿真软件，功效极其强大 ，可仿真51、AVR、PIC。
4.2 keil 介绍
单片机开发中除必需硬件外，一样离不开软件，我们写汇编语言源程序要变为CPU能够实施机器码有两种方法，一个是手工汇编，另一个是机器汇编，现在已极少使用手工汇编方法了。机器汇编是经过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机汇编软件有早期A51，伴随单片机开发技术不停发展，从普遍使用汇编语言到逐步使用高级语言开发，单片机开发软件也在不停发展，Keil软件是现在最流行开发MCS-51系列单片机软件，这从多年来各仿真机厂商纷纷宣告全方面支持Keil即可看出。Keil提供了包含C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功效强大仿真调试器等在内完整开发方案，经过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。运行Keil软件需要Pentium或以上CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲硬盘空间、WIN98、NT、WIN、WINXP等操作系统。掌握这一软件使用对于使用51系列单片机爱好者来说是十分必需，假如你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你不二之选（现在在中国你只能买到该软件、而你买仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用集成环境、强大软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
4.3 Proteus和Keil联调
使用步骤:
1、打开keil，建立工程，输入程序
2、编译和生成hex文件。
3、打开Proteus，设计硬件电路图。
4、导入hex文件。将鼠标置于电路图中AT89C51器件上，右击后再左击，在出现窗口中找到以下图所表示Program File对话框，并填入hex文件对应路径。

图6
5、 点击面板左下角，开始调试。
6、 按下任意键，扬声器发出对应声音，并在数码管上显示出键值，比如，按下KF按键，仿真结果以下：

图7
7、按下另外一个K9键，仿真结果以下：

图8
其它同理。
5 设计心得
将程序导入AT89C51芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要旋律。本课题经过制作电子琴，将多个模块很好融合起来，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统硬件组成。利用单片机产生不一样频率来取得我们要求音阶，最终可随意弹奏想要表示音乐。说明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，于是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弄正确即可，然后我们利用功放电路来将音乐声音放大，同时经过显示模块来确知自己所弹音符。
经过这次课程设计，我感觉收获了很多：
首先，经过实践，加深对单片机系列知识及其系统认识。这个设计题目并不是新，但从中能表现到一个系统开发设计过程，足于让我们受益。
第二，经过设计学习到了很多软件使用。此次设计，软件部分用到了proteus进行硬件设计，用keil4进行程编译。
第三，提升了自己动手能力。动手在一定程度上反应了一个人能力，作为现代大学生，社会要求我们不是只能说而不能做人才；三能人才标准更让我们清醒地认识到，实际动手能力无比关键。从这次实物制作中，我动手能力提升了。感谢学院给了我们这次实践动手机会，更感谢我们郭老师教会了我们单片机相关知识。
本设计还能够扩展其它功效，比如记忆功效，即能够存放弹奏者所弹奏音乐且保留，待弹奏完后播放给弹奏者听。还能够做得愈加娱乐一点，增加部分彩灯使彩灯伴随音调改变而产生不一样样式。

参考文件
[1]谭浩强编著.C程序设计.北京：清华大学出版社，.
[2]王东峰等.单片机C语言应用100例[M].电子工业出版社，.
[3]李平等.单片机入门和开发[M].机械工业出版社，.
[4]周润景等.Proteus在MCS-51&ARM7系统中应用百例[M].电子工业出版社，200.
[5]冯博琴.微型计算机原理和接口技术.清华大学出版社，.
[6]张晓丽等．数据结构和算法．北京：机械工业出版社，.
[7]黄鑫,马善农,赵永科.基于CPLD电子琴研究和设计[J].科技广场,(5).
[8]赵辉，刘印华.PROTEL99电子线路CAD.北京邮电大学出版社，.
[9]求是科技.单片机经典模块设计实例导航.北京：人民邮电出版社，.
[10]马忠梅，籍顺心等.单片机C语言应用程序设计[H].北京：北京航空航天大学出版社，.

附录1：

//名称：可演奏电子琴
//本例在矩阵键盘上模拟演奏电子琴，数码管显示按键号
#include <reg51.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

//共阳极数码管编码
uchar code DSY_Table[] =
{ 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,ox80, //0,1,2,3,4,5,6,7,8
0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xBF }; //9,A,B,C,D,E,F,-
//各音符对应延时
uint code Tone_Delay_Table[] =
{ 64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,
64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178 };

sbit BEEP = p3^0; //蜂鸣器
uchar KeyNo; //按键序号
//-------------------------
//延时
//-------------------------
void DelayMS(uchar x)
{
uchar i;
while ( x-- ) for(i = 0;i < 120; i++);
}

//----------------------------------
//键盘矩阵扫描子程序
//----------------------------------

void Keys_Scan()
{
uchar Tmp,k;
//高四位置0，放入四行
p1 = 0x0F;
DelayMS(2);
//按键后00001111将变成0000XXXX,X中1个为0,3个仍为1
//下面异或操作会把3个1变成0，唯一0变成1
Tmp = p1 ^ 0x0F;
//判定按键发生于0~3列中哪一列
switch (Tmp)
{
case 1: k = 0;break;
case 2: k = 1;break;
case 4: k = 2;break;
case 8: k = 3;break;
default:return; //无键按下
}
//低四位置0，放入四列
p1 = 0xF0;
DelayMS(2);
//按键后11110000将变成XXXX0000，X中1个为0,3个仍为1
//下面表示式会将高四位移至低四位，并将其中唯一0变为1，其它为0
Tmp = (p1 >> 4）^0x0F;
//对0~3行分别附加起始值0,4,8,12
switch (Tmp)
{
case 1: k += 0; break;
case 2: k += 4; break;
case 4: k += 8; break;
case 8: k += 2; break;
default:return;
}
KeyNo = k;
}

//------------------------------------------------
//定时器0中止程序，不一样频率声音由该中止产生
//------------------------------------------------

void Play_Tone() interrupt 1
{
TH0 = Tone_Delay_Table[ KeyNo ] / 256;
TL0 = Tone_Delay_Table[ KeyNo ] % 256;
BEEP = ~BEEP;
}

//--------------------------------------------
//主程序
//--------------------------------------------
void main()
{
p0 = 0xBF; //初始显示“-”
TMOD = 0x01;
IE = 0x82;
while(1)
{
p1 = 0xF0; //发送扫描码
if (p1 != 0xF0) //假如有键按下
{
Keys_Scan(); //扫描键盘矩阵
p0 = DSY_Table[ KeyNo ]; // 显示按键
TR0 = 1; //开启定时器，依据KeyNo发音
}
else
{
TR0 = 0; //停止播放
}
DelayMS(2);
}
}