北邮简易电子琴设计与实现

1、电路综合创新自主实验结题成果报告书题目: 简易电子琴的设计和制作 姓 名 学 院 电子工程学院 专 业 电子信息科学与技术 班 级 学 号 指导教师 2015年5月摘 要随着科学技术的不断发展，单片机的应用日益成熟。单片机集成度高、处理功能强大、价格低廉使其在各个领域得到广泛应用。同时电子琴作科学技术与音乐共同发展的产物，在这个电子信息化的时代，为音乐的大众化做出了不可代替的贡献。本文主要介绍一种基于单片机的简易电子琴设计方案。它采用了STC公司出品的一款低功耗、高性能单片机STC89C52芯片作为主控单元，与4*4矩阵键盘、复位电路、LED数码显示器、功放电路、扬声器等组成主控核心模块。文章

2、详细论述了电子琴硬件设计和软件结构设计流程，采用了protel画出原理图，通过Keil编程软件对电子琴进行软件编程，然后进行软硬件的调试运行并将程序烧录到STC89C52芯片中。此系统运行比较稳定，具有硬件设计电路简单、清晰，成本低，软件功能完善，控制系统牢靠，性价比高等优点，具有一定的实用和参考价值。关键词STC89C52单片机；电子琴；矩阵键盘正文第一章 总体方案1、系统设计要求本系统分为两个部分，一个是音乐播放，另一个就是电子琴弹奏。 关于声音的处理，使用单片机C语言，利用定时器来控制频率，而每个音符的符号存储在程序定义的表中。具体要求如下： 1.要求达到电子琴的基本功能，可以用弹奏出简

3、单的乐曲。 2.用键盘作出电子琴的按键，每键代表一个音符。 3.各音符按一定的顺序排列，必须符合电子琴的按键排列顺序。 4.弹奏电子琴时能播放出准确的声音，不弹奏时可以播放内置音乐。2、系统框图该系统通过电子琴按键键入所要表达的音符，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。通过这样可以不断的弹奏音乐。嵌入式电路，按键电路，LED显示电路和功能键组成，通过功能键可以选择播放音乐。其主要模块由五个部分组成,具体关系如图1所示:STC89C52单片机复位电路4*4矩阵键盘时钟电路发声模块显示模块电源电路图1 系统结构组成上图即为此次设计中的电子琴的硬件结构图

4、，我们运用单片机的最小系统，用P0和P3口的低3位作3*7矩阵式按键的接口，用P2口作数码管的接口，用P2.7作信号输出口。3、电子琴系统的组成单片机因体积小、功能强、价格低廉而得到广泛应用。STC89C52单片机设计微型电子琴的方法，仅需STC89C52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的工作状态。本系统分为两个部分，一个是音乐另一个就是电子琴。音乐播放部分：音乐实际上是有固定周期的信号。本文介绍用STC89C52的定时器控制，在P1.3脚上输出方波周期信号，产生乐音，通过矩阵键盘按键产生不同的音符，由此操作人员可以随心所欲的弹奏自己所喜爱的乐曲，当不想弹奏时通过按

5、放歌键可以演奏事先存放在单片机中的几首动听的歌曲。当歌曲演奏完时，通过按复位键便可回到初始状态，这样就做出了一台微型电子琴。由于一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。乐曲中，每一音符对应着确定的频率，我们将每一音符的时间常数和其相应的节拍常数作为一组，按顺序将乐曲中的所有常数排列成一个表，然后由查表程序依次取出，产生音符并控制节奏，就可以实现演奏效果。电子琴

6、弹奏部分：实际上就是把每个按键所对应的值经过处理后发给单片机，再在单片机内把数字当作指针指向所对应的音符。第二章 硬件介绍1、STC89C52STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。图2 stc89c52

7、rc引脚图 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P

8、2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们

9、被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高

10、电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PS

11、EN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，X

12、TAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2、矩阵式键盘的识别和显示在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，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，而是通过一个按键加以连接。这样，10个管脚就可以构成3*7=21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，区别越明显。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。3、电子琴原理图图3 电子琴原理图第三章 软件设计1、整体程序处理在电子琴开始工作时，通过按键选择状态，歌曲选择功能键

13、的目的是赋予矩阵键盘第二功能，即对系统内置的歌曲进行选择，在放歌时能且只能通过弹奏/停止键来结束放歌，选歌时必须先按下歌曲选择功能键，在通过矩阵键盘来选择和切换曲目。2、I/O并行口直接驱动LED显示把“STC89C52”区域中的P2口连接到一位数码管的ah端口上。 表1 字形码表及对应的音符10x3f低 5 SO90x7f中 6 LA20x06低 6 LAA0x6f中 7 SI30x5b低 7 SIb0x77高 1 DO40x4f中 1 DOC0x7c高 2 RE50x66中 2 REd0x39高 3 MI60x6d中 3 MIE0x5e高 4 FA70x7d中 4 FAF0x79高 5 S

14、O80x07中 5 SO00x71高 6 LA3、音乐播放设计一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率），再将此周期除以2，即为半周期的时间。利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后反相，然后重复计时再反相。就可得到此频率的脉冲。利用STC89C52的内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH

15、0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T1/5231912s，因此只要令计数器计时956s/1s956，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：Nfi÷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。其计数初值T的求法如下：T65536N65536fi÷2÷fr例如：设K65536，fi1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。T65536N65536fi&

16、#247;2÷fr655361000000÷2÷fr65536500000/fr低音DO的T65536500000/26263628中音DO的T65536500000/52364580高音DO的T65536500000/104665058 单片机12MHZ晶振，高中低音符与计数T0相关的计数值如表2所示： 表2 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）休止00中 4 FA69864820低1DO26263628中 5 SO78464898低2RE29463835中 6 LA88064968低 3 M33064021中 7 SI9886

17、5030低 4 FA34964103高 1 DO104665058低 5 SO39264260高 2 RE117565110低 6 LA44064400高 3 M131865157低 7 SI49464524高 4 FA139765178中 1 DO52364580高 5 SO156865217中 2 RE58764684高 6 LA176065252中 3 M65964777高 7 SI196765283我们要为这个音符建立一个表格，单片机通过查表的方式来获得相应的数据 uint code tab=0，63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524, 64

18、580,64684,64777,64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283；音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表3所示） 表3 曲调值表曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125ms调4/462ms调3/4187ms调3/494ms调2/4250ms调2/4125ms 对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时/计数器来完成。在这个程序中用到了两个定时/计数器来完成的。其中T0用来产生音符频率，T1用来产生音拍。第四章 制作过程首先制作了简易版本，用NE555谐振电路和LM386功放电路组成建

19、议的可弹奏电子琴，如下图：然后学习单片机知识后用STC89C52单片机制作第二版。其中遇到了矩阵键盘一字排开的问题，焊接比较麻烦。将电路重新设计后解决了问题。最终成果图如下：参考文献1 张毅刚.单片机原理及应用.北京：高等教育出版社，2009.2 何立民.MCS-51单片机应用系统设计.北京:航空航天大学出版社，1998.3 高锋编.单片微机应用系统设计及使用技术.北京：机械工业出版社，2004.4 胡汉才单片机原理及系统设计北京：清华大学出版社，2002.5 郭天祥.十天学习单片机.视频，20076 马忠梅.单片机C语言应用程序设计. 北京:航空航天大学出版社 ,2007.7 徐爱军.单片机

20、高级语言C51应用程序设计.北京：电子工业出版社，1997.【附代码】#include<reg52.h>#define unit unsigned int#define uchar unsigned char#define all 10/函数声明void Init();/初始化函数void Delay(unsigned int c);/毫秒延时函数void Delaybeat(unsigned int c);/节拍延时函数uchar Scanx();/键盘x坐标扫描函数uchar Scany();/键盘y坐标扫描函数void Check();/检查坐标、模式函数void Displ

21、ay();/数码管显示函数void Speak();/播放音符函数uchar Choose(unsigned char i);/选歌函数uchar Choose2(unsigned char i);/暂停下选歌函数void Play();/播放音乐函数/变量定义uchar x;uchar y;unsigned int tempnum;/音乐模式下读取数unsigned int songnum;/歌曲编号unsigned int which;/歌曲内音节编号uchar TH0code;/THO初值uchar TL0code;/TLO初值unsigned int tone_l;/音调低四位unsi

22、gned int tone_h;/音调高四位（低中高音）unsigned int song_l;unsigned int song_h;/引脚定义sbit keyx_1=P24;/矩阵键盘x向控制引脚sbit keyx_2=P25;sbit keyx_3=P26;sbit speaker=P10;/扬声器控制引脚sbit P2_0=P20;/数码管段选sbit P2_1=P21;sbit P2_2=P22;sbit P2_3=P23;sbit mode=P11;/模式指示灯（亮则为播放歌曲模式）/数码管共阴码表定义uchar code table=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x6

23、6,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;uchar code song1=/测试0x78,0x00, /曲速 0x78表示 120拍/分0x01,0x04,0x02,0x04,0x03,0x04,0x04,0x04,0x05,0x04,0x06,0x04,0x07,0x04,0x00,0x04,0x11,0x08,0x12,0x07,0x13,0x06,0x14,0x05,0x15,0x04,0x16,0x03,0x17,0x02,0x00,0x01,0x21,0x01,0x22,0x02,0x23,0x03,0x24,

24、0x04,0x25,0x05,0x26,0x06,0x27,0x07,0x00,0x08,0xff,;/* 主函数*/void main()Init();while(1)mode=1;if(mode=0)/Check();x=1;y=5;Display();Speak(); else if(mode=1)/Check();x=1;y=1;Display();Choose();Play();/* 初始化函数*/void Init()P0=0xff;/将P0口置为1speaker=0;/扬声器初始化IT0=1;/外部中断0边沿触发EX0=1;/外部中断0允许TMOD=0x01;/定时器方式1ET0

25、=1;/开定时器0中断TR0=0;/关闭定时器0EA=1;/开总中断P2_0=0;/数码管全亮1秒P2_1=0;P2_2=0;P2_3=0;P0=0xfe;Delay(1000);P0=0X00;/TH0code=65058/256;/蜂鸣器响1秒/TL0code=65058%256; TR0=1;Delay(1000);TR0=0;/* 毫秒延时函数*/void Delay(unsigned int c)/延时c毫秒unsigned int a,b;for(a=c;a>0;a-)for(b=110;b>0;b-);/* 节拍延时函数*/void Delaybeat(unsigne

26、d int c) /延时c拍unsigned int a;a=570*c;Delay(a);/*/* 键盘x坐标扫描函数*uchar Scanx(uchar i)unsigned char tempx;/x坐标转换为十进制数i=0;P3=0;tempx=100*keyx_1+10*keyx_2+1*keyx_3;while(tempx&111!=111)Delay(5);tempx=100*keyx_1+10*keyx_2+1*keyx_3;while(tempx&111!=111)if(tempx=011)i=1;else if(tempx=101)i=2;else if(t

27、empx=110)i=3;else i=0;return i;/* 键盘y坐标扫描函数*uchar Scany(uchar j)uchar tempy;/P3口的值j=0;keyx_1=0;keyx_2=0;keyx_3=0;tempy=P3;tempy=tempy&0xff;while(tempy!=0xff)Delay(5);/消抖tempy=P3;tempy=tempy&0xff;while(tempy!=0xff)j=0;tempy=P3;switch(tempy)case 0xfd:j=1;while(tempy!=0xfd)break;case 0xfb:j=2;w

28、hile(tempy!=0xfb)break;case 0xf7:j=3;while(tempy!=0xf7)break;case 0xef:j=4;while(tempy!=0xef)break;case 0xdf:j=5;while(tempy!=0xdf)break;case 0xbf:j=6;while(tempy!=0xbf)break;case 0x7f:j=7;while(tempy!=0x7f)break;return j;/* 检查坐标、模式函数*void Check()x=Scanx();y=Scany();*/* 数码管显示函数*/void Display()if(mod

29、e=0)/音符模式if(x=0)P2_0=1;P2_1=1;P2_2=1;P2_3=1;else if(x=1)P2_0=0;P2_1=1;P2_2=1;P2_3=1;if(y=0)P0=0x00;else P0=tabley;else if(x=2)P2_0=1;P2_1=0;P2_2=1;P2_3=1;if(y=0)P0=0x00;else P0=tabley;else if(x=3)P2_0=1;P2_1=1;P2_2=0;P2_3=1;if(y=0)P0=0x00;else P0=tabley;else if(x=4)P2_0=1;P2_1=1;P2_2=1;P2_3=0;if(y=0

30、)P0=0x00;else P0=tabley;else if(mode=1)/音乐模式if(tone_h=0)/低音P2_0=0;P2_1=1;P2_2=1;P2_3=1;P0=tabletone_l;else if(tone_h=1)/中音P2_0=1;P2_1=0;P2_2=1;P2_3=1;P0=tabletone_l;else if(tone_h=2)/高音P2_0=1;P2_1=1;P2_2=0;P2_3=1;P0=tabletone_l;/* 播放音符函数*/void Speak()if(x=1)/低音部分switch(y)case 1:/DOTH0code=63628/256;

31、/置初值TL0code=63628%256;/TH0=TH0code;/TL0=TL0code; TR0 =1;/开定时器0/speaker=speaker;break;case 2:/RETH0code=63835/256;/置初值TL0code=63835%256;TR0=1;/开定时器0break;case 3:/MITH0code=64021/256;/置初值TL0code=64021%256;TR0=1;/开定时器0break;case 4:/FATH0code=64103/256;/置初值TL0code=64103%256;TR0=1;/开定时器0break;case 5:/SOT

32、H0code=64260/256;/置初值TL0code=64260%256;TR0=1;/开定时器0break;case 6:/LATH0code=64400/256;/置初值TL0code=64400%256;TR0=1;/开定时器0break;case 7:/XITH0code=64524/256;/置初值TL0code=64580%256;TR0=1;/开定时器0break;if(x=2)/中音部分switch(y)case 1:/DOTH0code=64580/256;/置初值TL0code=64580%256; TR0=1;/开定时器0break;case 2:/RETH0code

33、=64684/256;/置初值TL0code=64684%256;TR0=1;/开定时器0break;case 3:/MITH0code=64777/256;/置初值TL0code=64777%256;TR0=1;/开定时器0break;case 4:/FATH0code=64820/256;/置初值TL0code=64820%256;TR0=1;/开定时器0break;case 5:/SOTH0code=64898/256;/置初值TL0code=64898%256;TR0=1;/开定时器0break;case 6:/LATH0code=64968/256;/置初值TL0code=64968

34、%256;TR0=1;/开定时器0break;case 7:/XITH0code=65030/256;/置初值TL0code=65030%256;TR0=1;/开定时器0break;if(x=3)/高音部分switch(y)case 1:/DOTH0code=65058/256;/置初值TL0code=65058%256; TR0=1;/开定时器0break;case 2:/RETH0code=65110/256;/置初值TL0code=65110%256;TR0=1;/开定时器0break;case 3:/MITH0code=65157/256;/置初值TL0code=65157%256;T

35、R0=1;/开定时器0break;case 4:/FATH0code=65160/256;/置初值TL0code=65160%256;TR0=1;/开定时器0break;case 5:/SOTH0code=65217/256;/置初值TL0code=65217%256;TR0=1;/开定时器0break;case 6:/LATH0code=65252/256;/置初值TL0code=65252%256;TR0=1;/开定时器0break;case 7:/XITH0code=65282/256;/置初值TL0code=65282%256;TR0=1;/开定时器0break;/* 选歌函数*/uc

36、har Choose(uchar i)uchar j;while(mode=1)i=0;/*x=Scanx();y=Scany();*/if(x=1&&y=1)i=1;else if(x=1&&y=2)i=2;else if(x=1&&y=3)i=3;else if(x=1&&y=4)i=4;else if(x=1&&y=5)i=5;else if(x=1&&y=6)i=6;else if(x=1&&y=7)i=7;else if(x=2&&y=1)i=8;else

37、if(x=2&&y=2)i=9; else if(x=2&&y=3)i=10;else if(x=3&&y=1)/暂停i=11;else if(x=3&&y=2)/上一首i=12;else if(x=3&&y=3)/下一首i=13;if(i=songnum)which=2;else if(i>all&&i<11)i=songnum;else if(i=0)i=songnum;while(1)/*x=Scanx();y=Scany();*/if(x=1)j=y;else if(x=2)j=

38、7+y;else if(x=3)j=14+y;if(x=0|(j>all&&j<11)break;return i;/* 暂停下选歌函数*/uchar Choose2(uchar i)i=0;/*x=Scanx();y=Scany();*/if(x=1&&y=1)i=1;else if(x=1&&y=2)i=2;else if(x=1&&y=3)i=3;else if(x=1&&y=4)i=4;else if(x=1&&y=5)i=5;else if(x=1&&y=6)i

39、=6;else if(x=1&&y=7)i=7;else if(x=2&&y=1)i=8;else if(x=2&&y=2)i=9; else if(x=2&&y=3)i=10;else if(x=3&&y=1)/暂停i=11;else if(x=3&&y=2)/上一首i=12;else if(x=3&&y=3)/下一首i=13;if(i=songnum)which=2;else if(i>all&&i<11)i=songnum;else if(i=0)i

40、=songnum;return i;/* 播放音乐函数*/void Play()unsigned int tone;/音调unsigned int beat;/节拍unsigned int beat2;unsigned int speed;/曲速while(mode=1)while(1)choosenum:tempnum=Choose();if(tempnum=11)/暂停Delay(500);while(1)tempnum=Choose2();if(tempnum=11)/继续播放break;else if(tempnum=12)/暂停中上一首which=2;if(songnum=1)son

41、gnum=all;else -songnum;break;else if(tempnum=13)/暂停中下一首which=2;if(songnum=all)songnum=1;else +songnum;break;else if(tempnum<=all)/暂停中选歌which=2;songnum=tempnum;break;else if(tempnum=12)/上一首 which=2;if(songnum=1)songnum=10;else -songnum; else if(tempnum=13)/下一首 which=2;if(songnum=10)songnum=1;else +songnum; else if(tempnum<=all)/选歌 which=2;songnum=tempnum; nochoose:if(songnum=1)if(song1which=0xff)break;speed=song10;ton