根据单片机电子琴设计
.
..
河南理工大学
《单片机应用与仿真训练》设计报告
------基于AT89S52单片机简易电子琴设
计
姓名：
学号：
专业班级：电信08—2班
指导老师：胡治国刘巍
所在学院：电气工程与自动化学院
2011年11月22 日
摘要
设计的主要内容是用AT89S52单片机为核心控制元件，通过脉冲触发产生出电子音调，设计一个简易的电子琴。以单片机作为主控核心，与键盘、蜂鸣器等模块组成控制模块。该系统运行稳定，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，具有一定的实用与参考价值。
关键词：AT89S52；单片机；脉冲触发；电子琴设计
目录
1 概述 (4)
1.1 功能简介 (4)
1.2 功能的实现 (4)
1.3 音乐产生原理 (4)
2 系统总体方案及硬件设计 (6)
2.1 总体方案 (6)
2.2 硬件部分 (6)
2.2.1 矩阵键盘部分 (7)
2.2.2 扬声器接口电路部分 (7)
3 软件设计 (8)
4 Proteus软件仿真 (11)
5 课程设计体会 (12)
参考文献 (12)
附录1 源程序代码 (13)
附录2系统原理图 (27)
1 概述
1.1 功能简介
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。
本简易电子琴的设计可实现的功能如下：程序中预存了一首音乐《月亮代表我的心》，通过一个独立键盘可以实现对该音乐的播放和停止操作的控制。4*4矩阵键盘的16个按键分别对应着16个不同的音符，分为高、低两个八度，当按下某一按键，会发出相应的音调。按下按键时，扬声器会发出声音，松开按键后，扬声器停止发声，按键的时间越长，发声时间越久。连续按下不同的按键，可以实现乐曲的演奏。
1.2 功能的实现
功能的实现部分分为软件和硬件两部分来简介。
1.3 音乐产生原理
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，只需将一首歌的音阶和频率相对应即可。
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P1.0反相，然后重复计时再反相。就可在P1.0引脚上得到此频率的脉冲。
利用AT89S52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(如式2-1所示)是：
N＝fi÷2÷fr 2-1 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 2-2 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＝63627
中音DO的T＝65536－500000/523＝64580
高音DO的T＝65536－500000/1046＝65059
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，音符表见附录一。
音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表2-1所示）
错误!未指定书签。对于不同的曲调我们也可以用单片机的定时/计数器来完成。
程序流程图如图2.5。
2 系统总体方案及硬件设计
2.1 总体方案
本设计采用4*4键盘控制通过程序产生高八度和低八度音律，要考虑到软件和硬件的匹配以及硬件电路焊接时的排版问题，否则建会带来不必要的焊接麻烦，在编程序时要注意仿真与实际电路中可能的不符，
2.2 硬件部分
本设计硬件电路共由以下几部分构成：矩阵键盘部分；扬声器部分；AT89S52主控电路部分；独立按键部分。
2.2.1 矩阵键盘部分
设计中采用AT89S51的并行口P3接4×4矩阵键盘，以P3.0－P3.3作输入线，以P3.4－P3.7作输出线。每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能，在本程序中，当程序检测到有键按下时，将查表使按键值与预存数据表中数据对应，并调用发声程序。
图2.1 矩阵键盘的连接
2.2.2 扬声器接口电路部分
仿真中的扬声器一段接CPU的P2^4口，另一端接高电平。当P2^4口有电平变化时，扬声器被驱动发声。而在实物制作中，这样是难以实现功能的，需要增加模拟电路以除去多余的干扰信号。也可选用集成芯片LM386作为扬声器的驱动芯片。若使用LM386驱动扬声器，通过相应的模拟电路的设计，还可以实现音量的调节。不过，在平时做实物时，我们一般用一个三极管作为放大器，
这次我采用的是8050
图2.2扬声器接口电路
3 软件设计
本设计使用Protues仿真软件进行仿真，在程序设计部分，包括键盘扫描程序，音乐发声程序。程序见附录1。
4*4矩阵键盘是由CPU控制I/O口来实现扫描的。具体程序见附录二主程
序键盘扫描部分。键盘扫描程序流程图如图2.4。
程序首先给P3口赋值，然后读取P3的状态，将读取的状态值同所赋值相比较，如果二者不相同，则说明有键按下，子程序将按键值返回主程序；否则，说明没有键按下，程序继续进行下一次扫描。
本系统的软件流程图如下
图2.3 系统主程序流程
键盘扫描程序流程图
图2.4键盘扫描程序流程图音乐发声程序
图2.5音乐发声程序流程图
4 Proteus软件仿真仿真电路图
5 课程设计体会
将程序烧入芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律。本设计通过制作电子琴，将几个模块很好的融合，对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并了解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。
遇到的问题：在刚刚焊接好后，程序烧入芯片后，发现并不发声，经检查才发现是对键盘没看清楚，将键盘接乱了，另外，在硬件电路修改好后，发现每次按键时会引起蜂鸣器一直响，再按键时有可能会消失，经检查后知道是再每按键件程序后蜂鸣器对应参值没有直接置零。
总之，这是一次动手能力的锻炼，也是一次单片机知识的再回顾，还是对自己细心以及耐心能力的考察。
参考文献
[1] 贾立新、王涌.电子系统设计与实践[M]，清华大学出版社，2008年2月版；
[2] 陶春鸣、陈享成、瓮嘉民.单片机使用技术[M],人民邮电出版社,2008年4月版；
[3] 余发山.单片机原理及应用技术[M]，中国矿业大学出版社，2003年12月版；
[4] 李光飞.单片机课程设计实例指导[M], 航空航天大学出版社，2004年9月版；
[5] 余永权.ATMEL89 系列单片机[M]，北京航空航天大学出版社，2002年4 月版；
[6] 胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术[M]，高等教育出版社，2007年12月版；
[7] 赵润林，张迎辉.单片机原理与应用教程[M]，北京大学出版社，2007年1月版；
[8] 马淑华、王凤文.单片机原理与接口技术[M]，北京邮电大学出版社，2005年10月版；
[9] 李建忠.单片机原理及应用[M]，西安电子科技大学出版社，2002 年5月版；
[10] 杨子文.单片机原理及应用[M],西安电子科技大学出版社，2006 年4月版
附录1 源程序代码
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uint key,i,j,time,m,k;
uchar temp;
uchar STH0,STL0,STH1,STL1;
sbit sw=P2^7;
sbit speaker=P2^4;
sbit P37=P3^7;
sbit P36=P3^6;
sbit P35=P3^5;
sbit P34=P3^4;
//月亮代表我的心数据表
code unsigned char sszymmh[]={ 0,2,1, 5,1,1, 1,2,3, 3,2,1, 5,2,3, 1,2,1, 7,1,3,
3,2,1, 5,2,2, 0,2,1, 5,2,1, 6,2,1, 7,2,2, 1,3,3,
6,2,1, 6,2,1, 5,2,1, 5,2,5, 3,2,1, 2,2,1, 1,2,3,
1,2,1, 1,2,2, 3,2,1, 2,2,1, 1,2,3, 1,2,1, 1,2,2,
2,2,1, 3,2,1,2,2,2, 1,2,1,6,1,2, 2,2,1, 3,2,1, 2,2,5,
};
// 音阶频率表高八位
code unsigned char FREQH[]={
0xF2,0xF3,0xF5,0xF5,0xF6,0xF7,0xF8,
0xF9,0xF9,0xFA,0xFA,0xFB,0xFB,0xFC,0xFC,
//1,2,3,4,5,6,7,8,i
0xFC,0xFD,0xFD,0xFD,0xFD,0xFE,
0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFF,
} ;
// 音阶频率表低八位
code unsigned char FREQL[]={
0x42,0xC1,0x17,0xB6,0xD0,0xD1,0xB6,
0x21,0xE1,0x8C,0xD8,0x68,0xE9,0x5B,0x8F,
//1,2,3,4,5,6,7,8,i
0xEE,0x44, 0x6B,0xB4,0xF4,0x2D,
0x47,0x77,0xA2,0xB6,0xDA,0xFA,0x16,
};
unsigned int code tab[]={ 64103,64260,64400, 64524,64580,64684,64777,
64820,64898,64968,65030,
65058,65110,65157,65178,65217};
void key_music()
{
unsigned char tmp;
P3=0xff;
P34=0;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
tmp = temp;
if(temp!=0x0f)
{
for(i=50;i>0;i--)
for(j=200;j>0;j--);
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
//(temp!=0x0f)
if(temp==tmp)
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
switch(temp)
{
case 0x0e:
key=0;
break;
case 0x0d:
key=1;
break;
case 0x0b:
key=2;
break;
case 0x07:
key=3;
break;
}
//speaker=~speaker; STH1=tab[key]/256; STL1=tab[key]%256;
temp=P3;
temp=temp & 0x0f; while(temp!=0x0f) {TR0=1;
temp=P3;
temp=temp & 0x0f;
}
TR0=0;
speaker = 0;
}
}
P3=0xff;
P35=0;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
tmp = temp;
if(temp!=0x0f)
{
for(i=50;i>0;i--)
for(j=200;j>0;j--);
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
//(temp!=0x0f)
if(temp==tmp)
{
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
switch(temp)
{
case 0x0e:
key=4;
break;
case 0x0d:
key=5;
break;
case 0x0b:
key=6;
break;
case 0x07:
key=7;
break;
}
//speaker=~speaker; STH1=tab[key]/256; STL1=tab[key]%256;
temp=P3;
temp=temp & 0x0f; while(temp!=0x0f) {TR0=1;
temp=temp & 0x0f;
}
TR0=0;
speaker = 0;
}
}
P3=0xff;
P36=0;
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
tmp = temp;
if(temp!=0x0f)
{
for(i=50;i>0;i--)
for(j=200;j>0;j--);
temp=P3;
temp=temp&0x0f;
//(temp!=0x0f)
if(temp==tmp)
{