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1、桂林航天工业学院课程设计报告院（系）：电子信息与自动化学院专业班级:20130901101学生姓名：梁迎旭学号：设计题目：简易电子琴设计完成日期：2015年12月31日指导老师评语：成果（五级记分制）：指导老师（签字）：本设计是用AT89C51单片机为核心限制元件，设计一个模拟电子琴发声限制系统。以单片机作为主控核心，与键盘、蜂鸣器模块组成核心主限制模块。在主控模块上设有8个按键，其中7个按键限制7个音符，1个作为功能转换键运用，具有自动播放乐曲的功能,本设计通过限制单片机定时器的定时时间产生不同频率的音频脉冲，经三极管放大信号后驱动蜂鸣器发出不同音节的声音。为了实现按键的精确推断和完善电子琴
2、发声的效果，本设计采纳了软件防抖的方法，有效的解决了按键抖动的问题。另外当按下功能切换键，切换至音乐自动播放功能时，本系统能实现歌曲的播放，这样使得电子琴的功能变的更加强大。经过软硬件的调试，该音乐发生器不但能通过键盘弹奏出很好的音调，而且还可以通过键盘选择播放不同的音乐。本系统运行稳定，其优点是硬件电路简洁，软件功能完善，限制系统牢靠，性价比较高等，具有肯定的好用和参考价值。关键词：电子琴，单片机，按键，扬声器AbstractThisdesignistouseAT89C51single-chipmicrocomputerasthecorecontrolcomponents,designasi
3、mulatedkeyboardvoicecontrolsystem.Onthemaincontrolmodulehaseightbuttons,amongthem7buttonscontrolsevennotes,using1asafunctionofconversionkey,Thisdesignbycontrollingthesinglechipmicrocomputertimertimingtimeproducesdifferentfrequenciesofaudiopulse,aftertriodeamplifyingsignaldrivebuzzersoundsdifferentsy
4、llables.Thisdesignforthephysicalcircuitboarddesign,development,andreportindetailelaboratedthekeyboarddesignmethodandprocess.Andthroughsoftwareandhardwaredebugging,themusicgeneratornotonlycanplaytheverygoodtonebykeyboard,andcanbecontrolledbythekeyboardselectionplaydifferentmusic.Thissystemrunsstably,
5、itsadvantageishardwarecircuitissimple,softwarefunctionisperfect,thecontrolsystemisreliable,cost-effectivehigher,hascertainpracticalandreferencevalue.Keywords：AT89C52devices,electronicorgan,microcontroller,musicgenerator书目摘要1Abstract2161.1 设计背It与意义6设计背景6设计意义61.2 设计内容62简易电子琴系统62.1 系统设计任务与设计要求6系统设计任务6系
6、统设计要求62. 2系统方案的7限制模块选择方案论证7选择模块论证72. 3系统总体方案73电子琴硬件部分设计82.1 电子琴硬件总体设计83. 2主要硬件部分简介993.2.24*4按健9蜂呜器10发光二级管10时钟振藩电路11复位电路11单片机最小系统124电子琴软件部分设计124.1 系统软件总体设计124.2 2扬声器模块程序：134.3 矩阵模块155系统调试165.1 硬件调试165.2 软件调试16Proteus简介165.2.2Keil简介166总结与体会18参考文献19附录119附录226桂林航天工业学院课程设计任务书设H题目：基于51单片搬）简易电子琴的设计学生姓名梁迎旭课
7、程名称单片机综合设计专业班级自动化一班地点巡天楼408起止时间2015年12月28日一2015年12月31日设计内容简易电子琴设计参数可播放音乐，可记录输入的音符并回放设计进度2015年12月28日：查阅资料2015年12月29日-30日：硬件设计、软件设计、撰写设计报告2015年12月31日：提交报告、验收和答辩设计成果1、实物2、课程报告参考资料2徐爱钧单片机原理运用教程一基于Protrues虚拟仿真电子工业出版社.2009.14张毅刚MCS-51单片机应用设计哈尔滨工业高校出版社20045王静霞.单片机应用技术（C语言版）.北京：电子工业出版社.2009.5说明1.本表应在每次实施前由指
8、导老师填写一式2份，审批后所在系（部）和指导老师各留1份。2.多名学生共用一题的，在设计内容、参数、要求等方面应有所区分。3.若填写内容较多可另纸附后。系（部）分管领导：教研室主任：指导老师:1.1 设计背景与意义1.1.1 设计背景随着社会的发展进步，音乐渐渐成为我们生活中很重要的一部分，有人曾说喜爱音乐的人不会向恶。我们都会抽空观赏世界名曲，作为对精神的洗礼。本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。我们对于电子琴如何实现其功能，如音色选择、声音强弱限制、节拍器、自动放音功能等等也很新奇。单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、
9、稳定牢靠、应用广泛的特点。它的应用必定导致传统的限制技术从根本上发生变革。因此，单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。1.1.2 设计意义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，单片机具有强大的限制功能和敏捷的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不行替代的一部分。本文的主要内容是用AT89S51单片机为核心限制元件，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限制模块，在主控模块上设有16个按键和扬声器。1.2 设计内容本系统设计制作一个可演奏的电子琴。综合应用了两项设计，即键盘矩阵识别和不同频
10、率音符播放。矩阵键盘即矩阵扫描，显示当前按键；不同频率音符播放则可以通过按键限制16种发音。本文主要对运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具体阐述。本系统是简易电子琴的设计。1.3 电子琴系统2.1 系统设计任务与设计要求2.1.1 系统设计任务熟识51单片机集成开发环境，运用C语言编写工程文件；娴熟应用所选用单片机的内部结构、资源，以及软硬件调试设备的基本方法；自行构建基于单片机的最小系统，完成相关硬件电路的设计实现；2
11、.1.2 系统设计要求实现电子琴发声限制系统；要求电路实现如下功能：利用现成电脑音响作为发声部件，21个音符键，实现高音、中音、低音的1、2、3、4、5、6、7的发音。并在存储几首歌曲的内容，可以实现歌曲的自动播放。2.2 系统方案论证2.2.1 限制模块选择方案论证采纳AT89C51单片机进行限制，由于其性价比高，完全满意了本作品智能化的要求，它的内部程序存储空间达到4K,使软件设计有足够的内部运用空间并且便利日后系统升级，运用便利，抗干扰性能提高。鉴于上述对比与分析，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
12、作状态。2.2.2 选择模块论证传统电子琴可以用键盘上的力”到“A”键演奏从低SO到高De）等11音。该设计有16个按钮矩阵，设计成16个音，可以实现音阶在低音4一高音5之间。比传统音阶范围大，弹奏效果好。2.3 系统总体方案音乐是有由不同的音阶组成的，而不同的音阶又是由不同的频率发出的，那么产生不同的频率，就可以发出不同的音乐了。而利用单片机就可以产生不同的频率的方波，因此选择单片机为主来设计。通过程序编写实现单片机输出不同的频率，输出的方波信号再通过接口给扬声器，让其发声。同时电子琴加入Ied用来显示。本设计的主要工作是程序编写，通过程序让电子琴实现音乐演奏，歌曲播放以及记录已按下的音符，
13、并播放，最终通过发光二极管来显示电子琴的工作状态。而硬件主要有单片机最小系统，键盘模块，发声模块，还有一个电源模块。系统方案框图如图2.3所示3电子琴硬件部分设计3.1 电子琴硬件总体设计考虑到实物的难易状况，电子琴的硬件电路分为两部分，一部分有单片机最小系统、扬声器、发光二极管组成，如图3.1.l所示，另外一部分有键盘组成，如图3.1.2所示。实物图见附录2。IIIIIIIhIIIIIII1r-AlZ535TKTAMFAHXSAUP24Ai:QAH力：入KlJtfPZOAIVCCCrPOOAsOMlASl田903A35W4.O90SAD*POIASf图3.1.电子琴硬件总体设计图3.2键盘系
14、统3.2 主要硬件部分简介单片机AT89C51原理图如图3.2.1所示:1UU;I;t,:图3.3单片机原理图A1.EPsenXTA1.2XTA1.lOND21119Ilr6?43O9376rr-1.1.zlr-l-P3ORXDP3ITxEP32gJT0P3311TP34/T0P2.7/A15P2A14P2.5/A13P2.4/A12P23/A11P2.2A10P21.A9P2.GA8po,popo.popo.PoPoAT89C51是一个低电压，高性能CM0S8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器（PENROM）。和128字节的存取数据存储器（RAM）,这种器件采纳ATME1.公司的高
15、密度、不简洁丢失存储技术生产，并且能够与MCS-51系列的单片机兼容。片内含有8位中心处理器和闪耀存储单元，有较强的功能的AT89C51单片机能够被应用到限制领域中。AT89C51供应以下的功能标准：4K字节闪耀存储器，128字节随机存取数据存储器，32个I/O口，2个16位定时/计数器，1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。闲散方式停止中心处理器的工作，能够允许随机存取数据存储器、定时/计数器、串行通信口及中断系统接着工作。3.2.24*4按键4*4按键原理图如图3.2.2所示图3.44*4按键原理图本设计键盘模块采纳4*4矩阵键盘，原理图如图4所示。在键盘中按键数量
16、较多时，为了削减I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图4所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不干脆连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如Pl口）就可以构成4*4=16个按键，比之干脆将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区分越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而干脆用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在键盘中按键数量较多时，为了削减I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。3.2.3 蜂鸣器蜂鸣器原理图如图3.5所示图3.5蜂鸣器原理图蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采纳直流电压供电，广泛应用于计算机，打印机，复印机，报警器，电子玩具，
17、汽车电子设备，电话机，定时器等电子产品中做发声器件。3.2.4 发光二级管发光二极管原理图如图3.6所示发光二极管与一般二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结旁边数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。在本设计中，考虑到发光二极管的所能经过的最大电流，故在每一个发光二极管上面都添加了一个电阻，保证发光二极管可以正常工
18、作。3.2.5 时钟振荡电路时钟振荡电路原理图如图3.7所示C23OPF30PF3333X.PPPPXFXlG4A8WINXP等操作系统。驾驭这一软件的运用对于运用51系列单片机的爱好者来说是特别必要的，假如你运用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不运用C语言而仅用汇编语言编程，其便利易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。Proteus和Keil的联调运用步骤：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
19、中AT89C51器件上，右击后再左击，在出现的窗口中找到如图5.1所示的ProgramFile对话框，并填入hex文件对应的路径。IiWIWwyvJProgramFile:恂阿燕电子琴hex目._hHII.图5.1keiI运用说明图5、点击面板左下角的匚口,起先调试。按下随意键，扬声器发出对应的声音，其中对应的发光二极管亮。例如，按下Kl按键，仿真结果如图5.2所示。（注：在Proteus仿真中，可以不添加单片机最小系统，程序默认有）其他仿真过程的同理。图5.2仿真图6总结与体会本设计基于单片机AT89C51的电子琴电路由琴键限制电路、数码管显示电路、音频功放电路、时钟-复位电路和电源电路五部
20、分所构成。琴键限制电路采纳了8输入与门芯片CD4068B,收集8个独立按键的开关状态信号,并触发单片机的外部中断来处理；而数码管显示电路负责显示按下的琴键所对应的键值；同时，音频功放电路也会播放琴键对应的音调；电源电路为整个电路供应能源。本系统采纳AT89C51为主控芯片，因其精度较高，操作比较敏捷，输入电路和输出电路由芯片来进行处理，电路的系统的稳定性高，功耗小。其中，输入电路有8个独立按键，通过按键随意按下所要表达的音符，作为电平送给主体电路，中心处理器通过识别，解码输出音符，在扬声器中发出有效的声音。电子琴的设计并非一帆风顺，在这期间遇到了许多问题，下面谈几个关键的问题。首先是数码管显示
21、乱码的问题，原本以为是数码管字形码表的代码有错，检查几遍发觉代码没错，后来结合硬件图一看，才知道硬件图中数码管是共阳极接法，软件中的数码管字形码表是共阴极的。其二是按键引入中断检测时遇到的问题，要求8个按键随意键按都触发外部中断0,结果不经思索就选用了一块8输入或门芯片，导致怎么按键盘都无法进入中断函数，于是怀疑是程序有错，奢侈了许多时间，最终发觉是硬件逻辑错误，应当用与门才对。动手在肯定程度上反映了一个人的实力，作为当代高校生，社会要求的我们不是只能说而不能做的人才；更让我们醒悟地相识到，实际动手实力无比重要。从这次实物制作中，我的动手实力提高了。参考文献2徐爱钧单片机原理运用教程一基于Pr
22、oteus虚拟仿真电子工业出版社.2009.14张毅刚MCS-51单片机应用设计哈尔滨工业高校出版社20045王静霞.单片机应用技术(C语言版).北京：电子工业出版社.2009.56黄鑫,马善农,赵永科.基于CP1.D的电子琴探讨与设计J.科技广场,2007(5).7赵辉，刘印华.PROTEUS电子线路CAD.北京邮电高校出版社，2008.8马忠梅，籍顺心等.单片机的C语言应用程序设计H.北京：北京航空航天高校出版社，2007.附录1实例：简易电子琴#include包含51单片机寄存器定义的头文件#defineUCharunsignedchar#defineuintunsignedintsbi
23、tP14=P14;sbitP15=Pl5;sbitP16=P16;sbitP17=Pl7;将P14位定义为P1.4引脚将P15位定义为P1.5引脚将P16位定义为P1.6引脚将P17位定义为P1.7引脚unsignedCharkeyval;/定义变量储存按键值sbitsound=P37;将sound位定义为P3.7unsignedintC;全局变量，储存定时器的定时常数unsignedintf;全局变量，储存音阶的频率ucharcodeSONG_TONE=212,212,190,212,159,169,212,212,190,212,142,159,212,212,106,126,159,16
24、9,190,119,119,126,159,142,159,0);生日欢乐歌节拍表，节拍确定每个音符的演奏长短charcodeSONG_1.ONG=9,3,12,12,12,24,9,3,12,12,12,24,9,3,12,12,12,12,12,9,3,12,12,12,24,0);以下是C调低音的音频宏定义#definel_dao262将“l_dao”宏定义为低音“1”的频率262Hz#definel_re294将宏定义为低音“2”的频率286HZ#definel_mi330将宏定义为低音“3”的频率311Hz#definelfa349将“1也”宏定义为低音“4”的频率349HZ#def
25、ine1.sao392#defmeIJa440#definel_xi494将“I_sao”宏定义为低音“5”的频率392HZ将“l_a”宏定义为低音“6”的频率440Hz将“1xi”宏定义为低音“7”的频率494HZ以下是C调中音的音频宏定义#definedao523#definere587#definemi659#definefa698#definesao784#definela880#definexi987将“dao”宏定义为中音“1”的频率523Hz将“re”宏定义为中音“2”的频率587Hz将“mi”宏定义为中音“3”的频率659Hz将“打”宏定义为中音“4”的频率698Hz将“sao
26、”宏定义为中音“5”的频率784Hz将“la”宏定义为中音“6”的频率880Hz将“xi”宏定义为中音“7”的频率53以下是C调高音的音频宏定义#defineh_dao1046#definehre1175#defineh_mi1318#defineh_fa1397#definehsao1568#defineh_la1760#defineh_xi1967将“h_dao”宏定义为高音力”的频率1046HZ将“h_re”宏定义为高音“2”的频率1174Hz将“h_mi”宏定义为高音“3”的频率1318Hz将宏定义为高音“4”的频率1396Hz将“h_sao”宏定义为高音“5”的频率1567Hz将宏定
27、义为高音“6”的频率1760Hz/将“hxi”宏定义为高音“7”的频率1975HZ函数功能：软件延时子程序/生日歌延时voidDelayMS(uintx)uchart;while(x-)for(t=0;t120;t+);)voiddelay20ms(void)unsignedchari,j;for(i=0;i100;i+)for(j=0;j140;j+)函数功能：节拍的延时的基本单位，延时20OmSvoiddelay()unsignedchari,j;fbr(i=0;i250;i+)for(j=0;j250;j+)；函数功能：输出音频入口参数：F播放函数voidPlayMusicO(uinti
28、=O,j,k;P2=0X80;while(SONG_1.ONGi!=0|SONG_TONEi!=0)播放各个音符，Sc)NGj1.ONG为拍子长度for(j=0;jSONG_1.ONGi*20;j+)(sound=sound;/SONG-TONE延时表确定了每个音符的频率for(k=0;kSONG_TONEi/3;k+);)DelayMS(20);i+；)voidOutput_Sound(void)C=(46083f)*10;TH0=(8192-C)32;T1.0=(8192-C)%32;TRO=I;delay();TRO=O;sound=0;keyval=Oxff;)计算定时常数/可证明这是
29、13位计数器THO高8位的赋初值方法可证明这是13位计数器T1.O低5位的赋初值方法/开定时TO/延时200ms,播放音频关闭定时器关闭蜂鸣器播放按键音频后，将按键值更改，停止播放函数功能：主函数voidmain(void)EA=I;ETO=I;ETl=I;TRl=I;TMOD=OxIO;开总中断定时器TO中断允许/定时器Tl中断允许定时器Tl启动，起先键盘扫描分别运用定时器Tl的模式1,TO的模式0TH1=(65536-500)/256;/定时器Tl的高8位赋初值T1.l=(65536-500)%256;/定时器Tl的高8位赋初值sound=0;P2=0X00;while(l)无限循环swi
30、tch(keyval)casel:f=dao;假如第1个键按下，将中音1的频率给fOutput_Sound();P2=0X01;转去计算定时常数break;case2:仁h_re;假如第2个键按下，将低音7的频率赋给fOutput_Sound();P2=0X02;/转去计算定时常数break;case3:Uh_mi;假如第3个键按下，将低音6的频率赋给fOutput_Sound();P2=0X04;转去计算定时常数break;case4:作h_fa;假如第4个键按下，将低音5的频率赋给fC)UtPU1.SOUnd();P2=0X08;/转去计算定时常数break;case5:Uh_sao假如第
31、5个键按下，将中音5的频率赋给fOutput_Sound();P2=0X10;/转去计算定时常数break;case6:Uha;/假如第6个键按下，将中音4的频率赋给fOutput_Sound();P2=0X20;/转去计算定时常数break;case7:Uh_xi;/假如第7个键按下，将中音3的频率赋给fOutput_Sound();P2=0X40;/转去计算定时常数break;函数功能：定时器TO的中断服务子程序，使P3.7引脚输出音频方波voidTimeO_serve(void)interrupt1using1(TH0=(8192-C)32;/可证明这是13位计数器THO高8位的赋初值方
32、法T1.0=(8192-C)%32;/可证明这是13位计数器T1.O低5位的赋初值方法sound=!sound;/将P3.7引脚取反，输出音频方波)函数功能：定时器Tl的中断服务子程序，进行键盘扫描，推断键位voidtimel_serve(void)interrupt3using2定时器TI的中断编号为3,运用第2组寄存器TRl=O;Pl=OxfD;if(Pl&Oxft)!=OxfO)关闭定时器TO全部行线置为低电平“0”，全部列线置为高电平力”delay20ms();if(Pl&OxfD)!=OxfO)延时一段时间、软件消抖的确有键按下列线中有一位为低电平“0”，说明有键按下Pl=Oxfe;/第一行置为低电平“0”(P1.O输出低电平0”)if(P14=0)/假如检测到接Pl.4引脚的列线为低电平“0keyval=l;可推断是Sl键被按下if(P15=0)/假如检测到接P1.5引脚的列线为低电平“0”keyval=2;可推断是S2键被按下if(P16=0)假如检测到接P1.6弓I脚的列线为低电平“0”keyval=3;可推断是S3键被按下if(P17=0)/假如检测到接P1.7引脚的列线为低电平“0”keyval=4;可推断是S4键被按下Pl=Oxfd;其次行置为低电平“0”(P1.1输出低电平0”)if(P14=0)假如检测到
