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1、简易电子琴设计实验报告指导老师：谭建军老师班 级：0309409姓 名：周 博学 号：030940913 2011-12-7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，它在音乐演奏中已成为不可缺少的一部分。单片机是一个具有功能强大和编程灵活性的控制器，它已广泛应用于现代人们的生活中，扮演着重要的角色。本设计主要是使用AT89C51单片机及单片机C语言，在PROTEUS仿真平台上实现以单片机为核心控制元件的一个具有16个按键的电子琴，同时还增加了音乐播放功能。本文中给出了该系统设计的硬件电路，软件设计等。其次，详细阐述了程序的各个模块和实现过程。本设计具有硬件电路简单、功能
2、完善、控制可靠、运行稳定等特点，具有一定的实用性和参考价值。关键词: 单片机；电子琴；PROTEUS；C语言一、电子琴的相关介绍1，电子琴的应用背景随着电子科技的飞速发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作，因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣。基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就是一个很好的应用方面。单片机技术使我们可以利用软硬件实现电子琴的功能，从而实现电子琴的微型化，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。并且可以进行一定的功能扩展。鉴于传统电子琴可以用键盘上的“k0”到“k16”键演奏从低So到高DO等16个音，从而可以用来弹奏喜欢的乐曲。电子琴是现
3、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。简易电子琴是电声乐队的中坚力量，常用于独奏主旋律并伴以丰富的和声。还常作为独奏乐器出现，具有鲜明时代特色。但电子琴的局限性也是十分明显：旋律与和声缺乏音量变化，过于协和、单一；在模仿各类馆、弦乐器时，音色还不够逼真，模仿提琴类乐器的音色时，失真度更大，还需要不断改进。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
4、键和扬声器。本文主要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。并且本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。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。这次的电子琴是由4*4组成16个按钮矩阵，设计成16个音。然后再用一个音频放大模
5、块来使音乐播出的声音变大。通过这16个键的随意组合可随意弹奏想要表达的音乐，使用很简单。2，本实验中电子琴的设计思路单片机因体积小、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
6、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
7、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。本设计要实现的功能有：由4X4组成16个按钮矩阵，设计成16个音。可随意弹奏想要表达的音乐。详细过程：当系统扫描到键盘上有键子被按下，则快速检测出是那一个键子，然后单片机的定时器被启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出相应的音调。假如在前一个按下的键发声的同时有另一个键被按下，则启用中断系统，前面键的发音停止，转到后按的键的发音程序，发出后按的键的音。二、系统分析1、系统的组成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，
8、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2.1所示。图2.1 系统组成框图本系统的电路基本模块：51单片机中心、矩阵键盘模块、显示模块、发音模块、功能选择模块。2、系统工作原理 工作原理描述如下：打开电子琴电源开关后，电子琴默认为弹奏状态，弹奏显示灯点亮，数码管显示为0。按下矩阵键盘中的任意键，扬声器发相应的音调，数码管显示对应的数字。按下播放按钮，电子琴处于自动播放状态，播放显示灯点亮，此时，按下矩阵键盘中的任意键，扬声器发出存储在单片机内部的对
9、应的乐曲，数码管显示对应的按键数字。再按弹奏/停止键，音乐停止。弹奏显示灯点亮。此时系统又处于弹奏状态。三、系统的硬件设计1、系统硬件总的设计将设计的电子琴硬件部分进行模块化设计，主要分以下模块：（1）矩阵键盘模块：系统采用4*4矩阵键盘。（2）显示模块：系统采用LED显示管显示。（3）功能显示模块：采用发光二极管显示弹奏、播放两种状态。（4）发音模块：采用扬声器发音。（5）控制中心模块：AT89C51单片机。硬件整体电路图如图3.1所示。图3.1 硬件整体电路图2、AT89C51单片机介绍图3.2 AT89C51引脚分布图AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM
10、Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51它是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。AT89C51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。 AT89C51主要特性与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
11、：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32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AT89C51管脚说明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
12、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“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
13、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。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
14、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，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。EA/VPP：当保持低电平时，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，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程
15、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。另外，P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示。l 口管脚 备选功能l P3.0 RXD（串行输入口）l P3.1 TXD（串行输出口）l P3.2 /INT0（外部中断0）l P3.3 /INT1（外部中断1）l P3.4 T0（记时器0外部输入）l P3.5 T1（记时器1外部输入）l P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）l P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）l P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。3、矩阵式键盘的结
16、构与工作原理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，本系统中的矩阵键盘中，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
17、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。矩阵式键盘如图3.3所示。 图3.3 矩阵式键盘4、按键显示模块显示模块如图3.4所示。 图3.45、功能显示模块当按下弹奏/停止功能键时，D1灯点亮，此时，电子琴系统处于弹奏状态；当按下播放键时，D2灯点亮，此时，电子琴系统处于自动播放内置音乐状态。此系统的功能显示模块如图3.5所示 如图3.55、音乐播放设置利用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，
18、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： Nfi2fr 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：T65536N65536fi2fr例如：设K65536，fi1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。T65536N65536fi2fr6553610000002fr65536500000/fr低音DO的T6553650
19、0000/26263628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1 DO26263628中 5 SO78464898低2 RE29463835中 6 LA88064968低 3 M33064021中 7 SI98865030低 4 FA34964103高 1 DO104665058低 5 SO39264260高 2 RE117565110低 6 LA
20、44064400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, 64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178,652
21、17,65252,65283音符的节拍我们可以举例来说明。在一张乐谱中，我们经常会看到这样的表达式，如1=C 、1=G 等等，这里1=C,1=G表示乐谱的曲调， 、就是用来表示节拍的。以为例加以说明，它表示乐谱中以四分音符为节拍，每一小结有三拍。四、系统软件设计1、系统整体程序处理流程图系统整体程序处理流程图4.1所示。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。2、系统整体程序处理流
22、程图系统整体程序处理流程图4.1所示。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、音乐播放设计在音乐播放程序中用到了两个定时/计数器。其中T0用来产生音符频率，T1用来产生音拍。音乐播放流程图如图4.2所示。图4.2 音乐播放流程图4、放歌子程序流程图放歌子程序流程图如下图4.3所示。图4.3 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
23、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。五、实验心得：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。本实验通过制作电子琴，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。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。通过这次实验设计，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。这个设计实验并不是新的，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。最后，我们在以后的学习中要多加注意自己的动手能力，争取在以后的课题实验设计中能够做出更多优秀的作品。
