「【音乐】基于51单片机的电子琴设计【附原理图、PCB和程序】」

课程设计说明书题 目： 基于单片机的电子琴设计 院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 测控技术与仪器(卓越) 学生姓名： 学 号： 指导教师： 20xx 年 9 月 21 日音乐类目 录1 摘要 12 关键字 13 设计任务及要求 14 方案可行性论证 15 程序框图 26 关键单元电路与程序介绍 36.1 复位与震荡电路 36.2 4x4矩阵键盘 36.3数码管与LED灯 46.4 蜂鸣器 66.5 音乐相关知识 77 调试过程 118 总结与体会 119 参考文献 1110 附录 1210.1 设备与仪器 1210.2 软件 1210.3 原件清单 1210.4原理图与PCB图 1310.5 总程序 1410.6 实物图 31【摘要】：打造一个多功能电子琴，核心是一块单片机。单片机读取键值，为内置定时器赋初值，定时器每溢出一次，驱动蜂鸣器的引脚电平就取反一次，产生相应频率的方波，即音调；设好键值与数码管段码表的对应关系，键按下时，数码管显示对应音调。一首音乐储存在一个表中，表中的数据是音调与节拍，单片机读取音符的音调与节拍，根据音调赋予定时器初值，根据节拍决定定时器工作的时间，也就是蜂鸣器响的时间，一个接一个地读取音符，即可播放一首歌曲。节拍用led灯的点亮个数表示。单片机读取音乐表中的节拍，控制led灯的点亮个数，达到显示节拍的效果。特别要注意的是：该方案采用了两个定时器，T0、T1。T0作为驱动蜂鸣器的定时器，要给予高优先级，不然会被T1干扰，音质变差。【关键字】：单片机、stc89c52、电子琴、C51、keil。【设计任务及要求】：1.通过按键能够发出相应的音符并播放产生乐音，实现演奏；2.演奏的同时可数字显示当前的音调，利于培养乐感3.可以选定播放固定乐曲自动演奏，演奏时LED进行节拍指示；4.在自动演奏和奏乐的过程中按停止键则中断演奏；5.可以选择调节音或小。【方案可行性论证】：本课题采用stc89c52单片机作为核心器件，实现基本的音乐弹奏、音乐播放、音调显示和音乐节拍指示的功能。1. 音乐弹奏：通过程序识别4x4矩阵键盘中按下的键的坐标（x,y），然后根据（x,y）从计数初值表中读取对应的计数初值，赋值给定时器0，定时器产生对应频率的方波，达到播放对应音调的功能。2. 音乐播放：先建立一个包含一首音乐的音调与节拍的表。其中，音调就是0x01(低音、do)、0x12(中音、re)、0x23（高音、mi）之类的数；节拍就是0x02（半拍），0x04（一拍）之类的数。然后，根据音调读取计数初值，再将计数初值赋给定时器T0 - 开启定时器T0 - 读取节拍并延时 - 关闭定时器T0 。这样就发出了一个音，然后再读下一个音的初值与节拍，重复上一个操作即可。（具体实现方法见附录总程序）3. 数码管显示音调： 按键：读出按键坐标（x,y），用if语句来判断（x,y）该给数码管赋什么值，然后从uchar code num 表中读取这个值赋给数码管(例如P0)。 播放歌曲时：读入音调，根据音调的值来判断numi这个表中的i，再把numi赋给P0口。4.led灯的节拍指示：采用定时器1来控制，作为节拍指示。按键时：根据按下的时长来控制led的点亮个数，并且是按一定的时间间隔逐个点亮；释放按键时，led灯按一定的时间间隔逐个熄灭，从而达到一种比较简单的节拍指示效果。播放音乐时：根据音符的节拍，控制点亮到哪一个灯，在点亮那个灯之前，前面的灯逐个等时距点亮。音符结束后，led灯全部一起熄灭。这样，达到了一个精确显示节拍的效果。开始【程序框图】：扫描键盘根据音调给T0赋初值开启T0 T1是否停止播放读下一个音符关闭T0 T1数码管与led数码管显示音调Led指示节拍否按节拍延迟算出音符的音调、节拍是否结束符关闭定时器P0口置0否否是按键是否释放开启定时器，并赋初值，蜂鸣器发声算出定时器初值数码管显示音调识别按键 有矩阵键按下否否播放键按下读取歌曲是是是 【复位与震荡电路】：原件的参数如图所示。C1,C2 可采用30pF 无极性陶瓷电容；C3可采用10F记性电解质电容。值得注意的是，晶振不能随便摸！尤其在通电工作的时候，触摸容易损坏。自从摸过一次后，震荡频率变得不稳定，蜂鸣器声音时好时坏。【4x4矩阵键盘】：键盘扫描的基本思路是：先得出触发按键的“行”，即横坐标x,再得出他的“列”，即纵坐标y。以下是获取横坐标x的代码：uchar key_x() /*P1口高位接纵坐标（P1.7 - P1.4） 低位接横坐标(P1.3 - P1.0)*/ uchar i; P1 = 0x0f; /*有按键按下后 对应按键的横坐标电位被拉低（ 注意低电位引脚不能被高电位引脚抬高，只能是低电位拉低高电位）*/if(P1_0 = 0)delayms(5); /延时5ms 去抖动if(P1_0 = 0)i = 1;else if(P1_1 = 0)delayms(5);if(P1_1 = 0)i = 2;else if(P1_2 = 0)delayms(5);if(P1_2 = 0)i = 3;else if(P1_3 = 0)delayms(5);if(P1_3 = 0)i = 4;elsei = 0;return (i);/0表示按键未按下 获取y的方法与获取x的方法类似，具体可以参考附件总程序。得到触发按键的坐标（x,y）之后，可以通过x,y的值来确定按键的功能。例如 x=1,y=1时（S1按下），可以让数码管显示1：if(x = 1 & y = 1)P0 = led_table1;或者更方便一点：if(x = 1)P0 = led_tabley;就能显示第一行的所有的数了。【数码管与LED灯】：数码管：在本课题中，数码管要显示A - G , 1 - 7, 1. - 7. ,所以段码比较另类。num0的值是没用到的，起占位作用。uchar code num=0x00,/共阴极数码管段选码0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x3d, /a - g0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, /1 - 70x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87 /1. - 7.;编写程序时，要根据实际情况来编写：比如16个按键不能够把低中高音都全部表示完全，只能选取合适的部分。我让第一行的按键 触发低音 4 - 7，第二行触发中音1 - 4，第三行触发中音5 - 7和高音1，第四行触发高音2 - 5。这样设置能弹奏大部分曲目。以下是控制数码管的代码片段：if(x = 1)P0 = num3 + y ; /低音4 - 7else if(x = 2)P0 = num7 + y; /中音1 - 4else if(x = 3)P0 = num11 + y; /中音5 - 7 和 高音 1else if(x = 4)P0 = num15 + y; /高音2 - 5LED灯：因为LED灯要按一定的时间逐个点亮或者逐个熄灭，所以我用定时器1来控制它。定时器1每溢出一次并满足一定条件时flash变量就+1或者-1，然后从led_table这个表中读出相应的数赋给P2口。表：uchar code led_table=0xff,0x7f,0x3f,0x1f,0x0f,0x07,0x03,0x01,0x00;/*发光二极管闪烁表*/代码： if(x != 0 & y != 0 & flash 0 ) /最小减到0 -flash; P2 = led_tableflash;播放音乐时又有所不同：播放音乐时，led灯要精确地显示当前音符的节拍，所以if语句里加了一条限制语句：flash jiepai)代码：if(out = 1 & flash 8 & flash jiepai)/*out =1 表示有歌曲发声时,(flash 0)-flash; P2 = led_tableflash;这样做，就能看得出音符的节拍了。只是，由于led灯的个数有限，所以大于二分音符（2拍）的节拍就无法看到了。因为8个灯全亮才表示二分音符。如果当初采用16个灯的话，就没有这个窘境了。【蜂鸣器】：蜂鸣器采用一个s8550 NPN三极管驱动，一个可变电阻改变音量。三极管的选用要注意放大倍数，放大倍数太小会导致蜂鸣器声音很小。最初采用8050就造成了这个问题。另外，采用P3.0口连接接蜂鸣器是一个错误。因为P3.0、P3.1是烧写程序用到的接口。倘若连接了其他器件，每次调试都要拔下烧写线，很不方便。【音乐相关知识】：【表6.5.1】音符频率对照表音符频率（HZ）简谱码（T值）音符频率（HZ）简谱码（T值）低1DO26263628 0xf88c# 4 FA#74064860#1DO#27763731中 5 SO78464898 0xfd82低2RE29463835 0xf95b# 5 SO#83164934#2 RE#31163928中 6 LA88064968 0xfdc8低 3 M33064021 0xfa15# 693264994低 4 FA34964103 0xfa67中 7 SI98865030 0xfe06# 4 FA#37064185高 1 DO104665058 0xfe22低 5 SO39264260 0xfb04# 1 DO#110965085# 5 SO#41564331高 2 RE117565110 0xfe56低 6 LA44064400 0xfb90# 2 RE#124565134# 646664463高 3 M131865157 0xfe85低 7 SI49464524 0xfc0c高 4 FA139765178 0xfe9a中 1 DO52364580 0xfc44# 4 FA#148065198# 1 DO#55464633高 5 SO156865217 0xfec1中 2 RE58764684 0xfcac# 5 SO#166165235# 2 RE#62264732高 6 LA176065252 0xfee4中 3 M65964777 0xfd09# 6186565268中 4 FA69864820 0xfd34高 7 SI196765283 0xff03音乐类音调、节拍以及编码的确定方法：一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波频率，也就是说不能像电子琴那样能奏出多种音色的声音。因此单片机奏乐只需弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和节拍。其中节拍表示一个音符唱多长的时间。音调的确定：不同音高的乐音是用C、D、E、F、G、A、B来表示，这7个字母就是音乐的音名，它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成简谱的1、2、3、4、5、6、7，相当于汉字“多来米发梭拉西”的读音，这是唱曲时乐音的发音，所以叫“音调”，即Tone。把C、D、E、F、G、A、B这一组音的距离分成12个等份，每一个等份叫一个“半音”。两个音之间的距离有两个“半音”，就叫“全音”。在钢琴等键盘乐器上，CD、DE、FG、GA、AB两音之间隔着一个黑键，他们之间的距离就是全音；EF、BC两音之间没有黑键相隔，它们之间的距离就是半音。通常唱成1、2、3、4、5、6、7的音叫自然音，那些在它们的左上角加上号或者b号的叫变化音。叫升记号，表示把音在原来的基础上升高半音，b叫降记音，表示在原来的基础上降低半音。例如高音DO的频率（1046Hz）刚好是中音DO的频率（523Hz）的一倍，中音DO的频率（523Hz）刚好是低音DO频率（266 Hz）的一倍；同样的，高音RE的频率（1175Hz）刚好是中音RE的频率（587Hz）的一倍，中音RE的频率（587Hz）刚好是低音RE频率（294 Hz）的一倍。1）要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期的时间。利用定时器计时这半个周期时间，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反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。2）利用stc89c52的内部定时器使其工作在计数器模式MODE1下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法。此外结束符和休止符可以分别用代码00H和FFH来表示，若查表结果为00H，则表示曲子终了；若查表结果为FFH，则产生相应的停顿效果。3）例如频率为523Hz，其周期T=1/523=1912us，因此只要令计数器计时956us/1us=956，在每次计数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公式如下：N=Fi2FrN：计算值；Fi：内部计时一次为1us，故其频率为1MHz；4） 其计数值的求法如下：T=65536-N=65536-Fi2Fr例如：设K=65536，F=1000000=Fi=1MHz，求低音DO（261Hz）。中音DO（523Hz）。高音的DO（1046Hz）的计算值T=65536-N=65536-Fi2Fr=65536-10000002Fr=65536-500000/Fr低音DO的T=65536-500000/262=63627中音DO的T=65536-500000/523=64580高音DO的T=65536-500000/1047=650595） C调各音符频率与计数值T的对照表如表1.6.5.2所示。低音频率T参数中音频率T参数高音频率T参数Do2621908229Do523956115Do10465757Do2771805217Do554903108Do11095454Re2941701204Re587852102Re11755151Re3111608193Re62280497Re12454848Mi3301515182Mi65975991Mi13184545Fa3491433172Fa69871686Fa13974343Fa3701351162Fa74067681Fa14804141So3921276153So78463877So15683838So4151205145So83160272So16613636La4401136136La88056868La17603434La4641078129La93253664La18653232Si4941012121Si98850661Si19763030表6.5.2 C调各音符频率与计数值T的对照表节拍的确定：若要构成音乐，光有音调是不够的，还需要节拍，让音乐具有旋律（固定的律动），而且可以调节各个音的快满度。“节拍”,即Beat，简单说就是打拍子，就像我们听音乐不自主的随之拍手或跺脚。若1拍实0.5s，则1/4 拍为0.125s。至于1拍多少s，并没有严格规定，就像人的心跳一样，大部分人的心跳是每分钟72下，有些人快一点，有些人慢一点，只要听的悦耳就好。音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示。休止符表示暂停发音。一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同频率，这样就可以利用不同的频率的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐。了解音乐的一些基础知识，我们可知产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐。对于单片机来说，产生不同频率的脉冲是非常方便的，利用单片机的定时/计数器来产生这样的方波频率信号。因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系。音乐的编码：每个音符采用2个字节。第一个字节表示音调，第二个字节表示节拍。音调字节中，高四位表示低中高音，0表示低音，1表示中音，2表示高音；低四位表示“音调”。比如：0x11表示中音do。节拍字节中，数值i表示代表着延迟i个十六分音符。比如：0x04，表示延时4个16分音符，即延时1个四分之一音符。在以四分音符为一拍的歌曲中，0x04就代表一拍。底下没有横线，右侧也没有横线的数字（音调），就用0x04表示他的延时。底下有一横线：0x02；右侧有一横：0x08;右侧两横：0x0c;右侧三横：0x10；右下角有一点：加上当前延时的一半。由于不同的歌曲有不同的播放速度，即曲速（单位拍每分钟）。所以音乐编码表中的第0和第1元素用来表示曲速。我们可以找到任意歌曲的简谱图，然后根据上述规则编写出单片机识别的简谱表。例如：可以翻译成：uchar code ymt=/玉满堂0x96,0x00, /曲速 0x96表示 150拍/分0x00,0x0a,0x05,0x02,0x15,0x02,0x12,0x02,0x13,0x04,0x13,0x02,0x15,0x02,0x12,0x04,0x12,0x02,0x13,0x02,0x12,0x10,0x13,0x04,0x13,0x02,0x12,0x02,0x13,0x04,0x15,0x02,0x16,0x02,0x15,0x0c,0x13,0x02,0x15,0x02,0x16,0x04,0x16,0x02,0x21,0x02,0x16,0x04,0x15,0x02,0x13,0x02,0x15,0x0c,0x15,0x02,0x16,0x02,0x21,0x04,0x21,0x02,0x22,0x02,0x23,0x04,0x22,0x02,0x21,0x02,0x22,0x10,0x23,0x08,0x15,0x02,0x16,0x02,0x21,0x02,0x22,0x02,0x23,0x04,0x23,0x02,0x22,0x02,0x21,0x06,0x21,0x02,0x16,0x04,0x16,0x02,0x21,0x02,0x16,0x04,0x13,0x04,0x15,0x10,0x16,0x04,0x16,0x02,0x21,0x02,0x16,0x04,0x21,0x02,0x22,0x02,0x23,0x04,0x23,0x02,0x22,0x02,0x21,0x06,0x21,0x02,0x16,0x02,0x21,0x02,0x16,0x02,0x21,0x02,0x22,0x02,0x23,0x02,0x25,0x02,0x23,0x02,0x22,0x0c,0x21,0x02,0x22,0x02,0x23,0x06,0x15,0x02,0x16,0x02,0x21,0x02,0x22,0x02,0x23,0x04,0x23,0x02,0x22,0x02,0x21,0x06,0x21,0x02,0x16,0x04,0x16,0x02,0x21,0x02,0x16,0x02,0x21,0x02,0x15,0x02,0x13,0x02,0x15,0x0c,0x13,0x02,0x15,0x02,0x16,0x04,0x16,0x02,0x21,0x02,0x16,0x04,0x16,0x02,0x21,0x02,0x22,0x04,0x22,0x02,0x23,0x02,0x22,0x04,0x22,0x02,0x23,0x02,0x25,0x02,0x26,0x02,0x23,0x02,0x25,0x02,0x22,0x02,0x23,0x02,0x21,0x02,0x16,0x02,0x21,0x10,0xff;【调试过程】：编写程序阶段，一个功能、一个模块地编写。先写好键盘扫描程序，然后再到数码管显示、蜂鸣器发声、led节拍指示。分部进行，个个击破。【总结体会】：本课题让我更深刻地认识到了单片机这种器件，特别是对单片机里面的定时器收获最多。而且这是我第一次焊双面板，意义不同凡响。有了这次经验，对以后做板子定有深远的影响。制作过程中，感触最深的是解决杂音问题。在弹奏与播放时，蜂鸣器声音不纯，有颤音，影响音乐美感。为此，我煞费苦心，花了很多时间找原因。想到了精简定时器中断程序里的代码和运算，但效果甚微。直到最后，忽然想到了定时器有优先级的说法。试了一下，将控制蜂鸣器的定时器T0设为高优先级。终于问题解决了！而且是如此的简单，但是过程却是又如此的艰辛，让人感觉不太值得。不过，终归是值得的！【参考文献】：单片微机原理、汇编与C51及接口技术（朱定华 戴颖颖 李川香 著）序 号名 称数 量备 注1四脚开关186x6 mm212Mhz晶振1330pF陶瓷电容2410F无极性电容1510K 2.2K电阻 910K x9 ;2.2K x1 6240电阻107NPN 三极管1s85508七段共阴极数码管29无源蜂鸣器110电位器111发光二极管10红色 x8 黄x1 绿 x112排针3排13双面覆铜铜板115x10 cm1440P杜邦线115单片机底座216电源开关117Stc89c52单片机1【附录】：设备与仪器：电脑、单片机开发板（或者单片机烧写器）软件：Keil uVision4 、DXP 09原件清单：原理图与PCB图：总程序：#include#include#define uchar unsigned char #define uint unsigned int#define allsong 4 /歌曲总数 按实际写sbit P1_0 = P10;sbit P1_1 = P11;sbit P1_2 = P12;sbit P1_3 = P13;sbit P1_4 = P14;sbit P1_5 = P15;sbit P1_6 = P16;sbit P1_7 = P17;sbit beep = P30;sbit key_play = P31;uchar x = 0; /*矩阵键盘横坐标 从1开始 0为未按下的标志 */uchar y = 0; /*矩阵键盘纵坐标 从1开始 0为未按下的标志 */uchar flash = 0;/控制led灯显示的变量 */uchar f_l; /*按键发出音调的初值(低位）*/uchar f_h; /高位 uchar song_l;/*歌曲音调的初值（低位）*/uchar song_h;/高位 uchar out = 0;/*声音输出变量 1表示有输出 0表示无输出 */uchar yindiao;/*音调 定义为全局变量 为了在播放时数码管能显示当前音调*/uchar yindiao_h;/音调的高四位uchar yindiao_l;/音调的低四位uchar jiepai;/*节拍（简而言之就是一个音调响的时间长度）*/uchar song_id = 1;/歌曲序号变量uchar temp_id = 1;/歌曲临时序号uint which = 2;/*简谱表里的第几个音 从第2个开始 第0个用来存曲速，第1个占位*/uchar same = 0; /*在暂停时选了同一首歌曲，用于跳出暂停循环*/uchar key_x(); /获取键盘横坐标 函数uchar key_y();/获取键盘纵坐标 函数void play(); /播放歌曲 函数void delayms(uint ms);/延时xx ms 函数void delay(uint pai);/节拍延时 函数void key_check(); /检查按键状态 函数void display(); /数码管显示对应音调 函数void speak();/*按键后 给定时器0赋对应音调的初值 从而发出声音*/uchar choose();/*播放状态下 选歌函数 释放按键后才跳出函数，返回歌曲序号*/uchar choose2();/*暂停状态下 选歌函数 不用释放按键即可跳出函数，返回歌曲序号 */void play();/播放歌曲 函数uchar code num=0x00,/数码管段选码0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x3d, /a - g0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, /1 - 70x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87 /1. - 7.;uchar code led_table=0xff,0x7f,0x3f,0x1f,0x0f,0x07,0x03,0x01,0x00;/*发光二极管闪烁表*/uchar code chuzhi= /音调对应的计数初值 0xff,0xff,/占0位 0xf8,0x8c,/低1 (0x01)a -数码管显示方式 0xf9,0x5b,/ 2 b 0xfa,0x15,/ 3 c 0xfa,0x67,/ 4 d 0xfb,0x04,/ 5 e 0xfb,0x90,/ 6 f 0xfc,0x0c,/低7（0x07）g 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, /*占位 0x08 - 0x0b (8 - 11)*/ 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, 0xff,0xff,/*占位 0x0c - 0x10(12 - 16)*/ 0xfc,0x44,/中1 （0x11） (17) 0xfc,0xac,/ 2 0xfd,0x09,/ 3 0xfd,0x34,/ 4 0xfd,0x82,/ 5 0xfd,0xc8,/ 6 0xfe,0x06,/中7 （0x17） (23) 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, /*占位 0x18 - 0x1b (24 - 27)*/ 0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff, /*占位 0x1c - 0x20 (28 - 32)*/ 0xfe,0x22,/高1 （0x21）1. (33) 0xfe,0x56,/2 2. 0xfe,0x85,/3 3. 0xfe,0x9a,/4 4. 0xfe,0xc1,/5 5. 0xfe,0xe4,/6 6. 0xff,0x03 /高7 （0x27）7. 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