单片机创新实验报告-基于单片机的电子琴电路设计

Liaoning开放实验室项目研究论文题目：基于单片机的电子琴电路设计学院：物理与电子技术学院专业：电子信息工程班级序号：学号：学生姓名：指导教师：2011年12月PAGE16基于单片机的电子琴电路设计学生：指导教师：物理与电子技术学院电子信息工程专业2009级摘要：电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。本文的主要内容是用AT89c51单片机为核心控制元件，设计一个电子琴。以单片机作为主控核心，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，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，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。关键词：电子琴；AT89C51；编程；可控前言随着大规模集成电路的出现和发展，芯片生产厂家把中央处理器CPU，随机存取内存RAM，只读存储器ROM，定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件，集成在一块集成电路芯片（硅片）上，形成芯片级计算机，称为单片微型计算机，直译为单片机。单片机虽只是一个芯片，但从组成和功能上看，它已具有了微机系统的含义，又称微型处理部件MCU（MicroControllerUnit）,单片机商品名称为微控制器单元。虽然单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛，在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。目前单片机已用于工业控制、机电一体化设备、仪器仪表、信号处理、现代兵器、交通能源、商用设备、医疗设备及家用电器等各个领域，随着单片机性能的不断提高，它的应用将会更加广泛。单片机技术发展非常快，所以目前的产品都致力于在功能全面、技术先进、操作简便、安全可靠、价格合理等方面进行仔细研究，精心设计；及时掌握最新的单片机技术，在条件允许的情况下，尽可能地利用最新的单片机技术来研制其应用系统，再利用单片机体积小、价格低、功能强等特点，以保证所设计的产品在未来的一段时间内仍具生命力。在生活和生产的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的身影出现；从简单到复杂，从空中、地面到地下，凡是能想象到的地方几乎都有使用单片机的需求。现在，尽管单片机的应用已经很普遍了，但仍有许多可以用单片机控制而尚未实现的项目，因此，单片机的应用大有可以想象和拓展的空间。单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，有助于提高劳动效率，减轻劳动强度，提高产品质量，改善劳动环境，减少能源和材料消耗，保证安全等。但是，单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益上，更重要的意义还在于：单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件（编程序）方法实现了。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制系统“软化”技术，称之为微控制技术。微控制技术是一种全新的概念，是对传统控制技术的一次革命。随单片机应用的推广普及，微控制技术必将不断发展、日益完善和更加充实。简易电子琴系统就是以单片机为主要元器件设计的一个简易电子琴，这只是单片机应用的一个点，由点及面，希望可以更好的了解和应用单片机技术。之所以以单片机电子琴为选题，目的在于从日常生活能接触到的细微处着手，通过理论与实践的结合，更明确自己的所学所用，也在实践中发现理论的不足，对目前日益广泛应用的单片机有了更加理性化和感性化的认识，使理论和实践相得益彰。通过单片机电子琴这个选题，更深层次的了解了单片机技术，以前只是有理论，实践的机会不是很多，在作单片机电子琴这个选题的过程中，更加熟练的掌握了一些单片机芯片的应用，也解决了很多以前理论和实践脱节的问题，可谓对单片机的认识有了一个小的飞跃。1.总体方案1.1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，而每个音符的符号只是存在我自己定义的表中。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.固定音乐播放有按键控制：“播放”、“弹奏/停止”。5.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。1.2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。AT89C51单片机设计微型电子琴的方法，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：乐音实际上是有固定周期的信号。本文介绍用AT89C51的两个定时器（如T0，T1）控制，在P3.7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放歌键可以演奏事先存放在单片机中的几首动听的曲子供消遣。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。1.3系统框图该系统通过电子琴按键随意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显示电路和两个功能键组成，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3-1所示:图3-1带存储的电子琴框图用P0口的高四位和P0口的低四位作4X4矩阵式按键的接口，用P2口作数码管的接口，用P3.7作信号输出口。2.硬件简介2.1AT89C512.1.1AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3-2所示。2.1.2主要的功能特性_与MCS-51兼容_4K字节可编程闪烁存储器_寿命：1000写/擦循环_数据保留时间：10年_全静态工作：0Hz-24MHz_三级程序存储器锁定_128_8位内部RAM_32可编程I/O线_两个16位定时器/计数器_5个中断源_可编程串行通道_低功耗的闲置和掉电模式_片内振荡器和时钟电路2.1.3管脚功能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。P2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“1P3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AT89C口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（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/PSEN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，XTAL2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。2.1.4芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。2.2矩阵式键盘的识别和显示2.2.1.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，一个端口（如P1口）就可以构成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，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，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，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。具体的识别及编程方法如下所述。2.2.2.矩阵式键盘的按键识别方法确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。1、判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。2、判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。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，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。2.2.3（1）去抖动:每个按键在按下或松开时，都会产生短时间的抖动。抖动的持续时间与键的质量相关，一般为5—20mm。所谓抖动是指在识别被按键是必须避开抖动状态，只有处在稳定接通或稳定断开状态才能保证识别正确无误。去抖问题可通过软件延时或硬件电路解决。（2）防串键：防串键是为了解决多个键同时按下或者前一按键没有释放又有新的按键按下时产生的问题。常用的方法有双键锁定和N键轮回两种方法。双键锁定，是当有两个或两个以上的按键按下时，只把最后释放的键当作有效键并产生相应的键码。N键轮回，是当检测到有多个键被按下时，能根据发现它们的顺序依次产生相应键的键码。（3）被按键识别：如何识别被按键是接口解决的主要问题，一般可通过软硬结合的方法完成。常用的方法有行扫描法和线反转法两种。行扫描法的基本思想是，由程序对键盘逐行扫描，通过检测到的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。线反转法的基本思想是通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的双向输入/输出端口。（4）键码产生：为了从键的行列坐标编码得到反映键功能的键码，一般在内存区中建立一个键盘编码表，通过查表获得被按键的键码。用AT89C51的并行口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的“0－F”序号。2.3LED数码管【数码管的分类】数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。图3-3为2位数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。【数码管的驱动方式】 数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。①静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5*8＝40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。②动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。2.4硬件设计图图中的矩阵键盘，从上到下，从左到右，依次为键盘的0-15，在数码管上显示时顺序为0-9和A-F，在按功能键时，图上的两个指示灯会根据功能的不同实现亮/灭状态的切换。在播放内置音乐时，指示灯在一定程度上能指示出曲目的音符。第四章软件设计3.1整体程序处理流程图图4-1整体程序处理流程图在电子琴开始工作时，系统默认电子琴处于弹奏状态，歌曲选择功能键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。3.2I/O并行口直接驱动LED显示把“AT89C51”区域中的P2.0/A8－P2.7/A15端口用8芯排线连接到一位数码管的a－h端口上；要求：P2.0/A8与a相连，P2.1/A9与b相连，P2.2/A10与c相连，表1字形码表及对应的音符10x3f低5SO90x7f中6LA20x06低6LAA0x6f中7SI30x5b低7SIb0x77高1DO40x4f中1DOC0x7c高2RE50x66中2RED0x39高3M60x6d中3ME0x5e高4FA70x7d中4FAF0x79高5SO80x07中5SO00x71高6LA在本设计中，数码管的显示通过P2=DSY_CODE[k]这句语言来查表并输出，实现音符的显示。3.3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，每当计时终止后就将P3.7反相，然后重复计时再反相。就可在P3.7引脚上得到此频率的脉冲。利用AT89C51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。其计数初值T的求法如下：T＝65536－N＝65536－fi/2/fr例如：设K＝65536，fi＝1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。T＝65536－N＝65536－fi_2_fr＝65536－1000000/2/fr＝65536－500000/fr低音DO的T＝65536－500000/262＝63628中音DO的T＝65536－500000/523＝64580高音DO的T＝65536－500000/1046＝65058单片机12MHZ晶振，高中低音符与计数T0相关的计数值如表4-1所示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uintcodetab[]={0，63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283｝音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表4-2所示）表4-2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。 图4-3音频播放流程图3.5放歌子程序流程图该程序实现的是单首曲目循环播放，无法在程序内部实现歌曲的切换。只能通过外部功能键来实现曲目及功能的切换，是该电子琴设计的一个缺憾。相信如果有更多的时间来进行调试和设计，这个设计会更加好。4.结论将程序导入AT89C51芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律。本课题通过制作电子琴，将几个模块很好的融合起来，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。利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。说明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，于是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，然后我们利用功放电路来将音乐声音放大，同时通过显示模块来确知自己所弹的音符。通过这次课程设计，我感觉收获了很多：首先，通过实践，加深对单片机系列知识及其系统的认识。这个设计题目并不是新的，但从中能体现到一个系统开发设计的过程，足于让我们受益。第二，通过设计学习到了很多软件的使用。本次设计，软件部分用到了protues进行硬件设计，用keil进行程系编译，用protel进行制板。第三，提高了自己的动手能力。动手在一定程度上反映了一个人的能力，作为当代大学生，社会要求的我们不是只能说而不能做的人才；作为海大的一员，三能人才标准更让我们清醒地认识到，实际动手能力无比重要。从这次实物制作中，我的动手能力提高了。感谢学院给了我们这次实践动手的机会，更感谢我们的周老师教育了我们单片机相关知识。本设计还可以扩展其他功能，比如记忆功能，即可以存储弹奏者所弹奏的音乐且保存，待弹奏完后播放给弹奏者听。还可以做得更加娱乐一点，增加一些彩灯使彩灯随着音调变化而产生不同的样式。致谢能够得以顺利完成，是所有曾经指导过我的老师，帮助过我的同学，一直支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！首先，要特别感谢我的指导老师——老师。老师在我毕