單片機大作業(yè) 電子琴

1、 信息工程學(xué)院 頁摘 要電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用AT89S51單片機為核心控制元件，設(shè)計一個電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有16個按鍵和揚聲器。本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其優(yōu)點是硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等，具有一定的實用和參考價值。關(guān)鍵詞：AT80c51，單片機音色，節(jié)拍器，自動放音一丶項目概述和要求1.1 項目開發(fā)背景隨著電子科技的飛速發(fā)展，電

2、子技術(shù)正在逐漸改善著人們的學(xué)習(xí)、生活、工作,因此開發(fā)本系統(tǒng)希望能夠給人們多帶來一點生活上的樂趣?；诋?dāng)前市場上的玩具市場需求量大，其中電子琴就是一個很好的應(yīng)用方面。單片機技術(shù)使我們可以利用軟硬件實現(xiàn)電子琴的功能，從而實現(xiàn)電子琴的微型化，可以用作玩具琴、音樂轉(zhuǎn)盤以及音樂童車等等。并且可以進行一定的功能擴展。鑒于傳統(tǒng)電子琴可以用鍵盤上的“1”到“A”鍵演奏從低So到高DO等11個音，從而可以用來彈奏喜歡的樂曲。該設(shè)計將十一個琴鍵改成16個，使電子琴的功能更加完美。不但可以實現(xiàn)對樂曲的演奏，同時還具有存儲音樂、播放歌曲以及顯示按鍵的功能。使該設(shè)計功能更加完善。1.2 項目目的利用AT80C51單片機

3、自帶資源，設(shè)計一款能實現(xiàn)彈奏和帶存儲功能的電子琴。（1）能夠?qū)﹄娮与娐?、電子元器件、印制電路板等方面的知識有進一步的認識，獨立對其進行測試與檢查。（2）熟悉8051單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，合理使用其內(nèi)部寄存器，能夠完成相關(guān)軟件編程設(shè)計工作。（3）為實現(xiàn)預(yù)期功能，能夠?qū)ο到y(tǒng)進行快速的調(diào)試，并能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的功能故障進行分析，及時修改相關(guān)軟硬件。（4）對軟件編程、排錯調(diào)試、焊接技術(shù)、相關(guān)儀器設(shè)備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。1.3設(shè)計要求設(shè)計出15個音符，隨意彈奏，按“0”鍵為音樂休止符，不發(fā)聲，用它時間的長短表示休止時間的長短。用功能鍵轉(zhuǎn)換成歌曲演奏，可播放預(yù)存的音樂。可存儲現(xiàn)場彈奏的音樂

4、。擴充功能：采用LCD顯示信息，開機時有歡迎提示符，播放時顯示歌曲序號（或名稱）。顯示樂曲播放時間或剩余時間。 二丶 系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1電子琴原理 在介紹總體方案之前，先簡單介紹一下電子琴的發(fā)生原理以及如何改變音色的基本原理：聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲, 若能利用程序來控制單片機某個口線不斷輸出“高”“低”電平, 則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的方波, 將該方波接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音, 若再利用程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時間, 就能改變輸出波形的頻率從而改變音調(diào)。樂曲中, 每一音符對應(yīng)著確定的頻率, 下表給出各音符頻率。如果單片機某個口線輸出“高”“低”電平的頻率和某個音符的頻

5、率一樣, 那么將此口線接上喇叭就可以發(fā)出此音符的聲音1。本系統(tǒng)就是根據(jù)此原理設(shè)計, 對于單片機來說要產(chǎn)生一定頻率的方波大致是先將某口線輸出高電平然后延時一段時間再輸出低電平, 如此循環(huán)的輸出就會產(chǎn)生一定頻率的方波, 通過改變延時的時間就可以改變輸出方波的頻率。單片機內(nèi)部有兩個位的定時計數(shù)器T1和T0, 單片機的定時計數(shù)器實際上是個計數(shù)裝置它既可以對單片機的內(nèi)部晶振驅(qū)動時鐘計數(shù)也可以對外部輸入的脈沖計數(shù), 對內(nèi)部晶振計數(shù)時稱為定時器, 對外部時鐘計數(shù)時稱為計數(shù)器。當(dāng)對單片機的內(nèi)部晶振驅(qū)動時鐘計數(shù)時,每個機器周期定時計數(shù)器的計數(shù)值就加, 當(dāng)計數(shù)值達到計數(shù)最大值時計數(shù)完畢并通知單片機的尸比對外部輸入

6、的時鐘信號計數(shù)時, 外部時鐘的每個時鐘上升沿定時計數(shù)器的計數(shù)值就加, 當(dāng)計數(shù)值達到計數(shù)最大值時計數(shù)完畢并通知單片機。因此, 如果知道單片機的機器周期或者外部輸入時鐘信號的周期單片機就可以根據(jù)定時器的計數(shù)值計算出定時的時間。用此方法定時十分準確, 想得到多大的延時時間就可以給定時器賦一定的計數(shù)初值, 定時器從預(yù)先設(shè)置的計數(shù)初值開始不斷增當(dāng)增加到計數(shù)最大值時計數(shù)完畢, 調(diào)整計數(shù)初值的大小就可以調(diào)整定時器定時的時間, 從而達到準確的延時。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)主要由四部分組成：（1）鍵盤：控制系統(tǒng)和演奏音樂（2）揚聲器：發(fā)聲（3）LED：顯示歡迎界面，顯示操作，顯示演奏音樂歌詞（后期開發(fā)計劃）（4）A

7、T80C51：系統(tǒng)控制中心系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。振蕩器振蕩器分頻器電源鍵 盤放大器揚聲器圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3硬件部分總體方案 51單片機P0口通過8155擴展，連接4*8的矩陣鍵盤，作為琴鍵鍵盤和相應(yīng)的功能控制鍵；并P2口一起，與EPROM連接；P0口則接通不通音色的濾波電路，通過程序控制P0口，選通不通的琴聲音色濾波電路，使電子琴發(fā)出不同音色的聲音。硬件電路包括中心控制模塊、播放模塊、按鍵控制模塊三大模塊。其電路圖如圖2-2所示：圖2-2 電子琴電路圖2.4元件清單1） AT80C51 AT80C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Program

8、mable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT80C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT80C51是一種高效微控制器，AT80C51是它的一種精簡版本2。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。本次設(shè)計中中心控制模塊是采用AT80C51單片機來控制整個系統(tǒng)

9、。其中P1口作為輸入口，連接蜂鳴器驅(qū)動電路，而P2口連接按鍵控制電路， 從而實現(xiàn)播放音樂的功能。2） LCD1602LCD1062 在本次中主要用于顯示，有如下特點：顯示質(zhì)量高：由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。數(shù)字式接口：液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。體積小、重量輕：液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。功耗低：相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和

10、驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多3。其硬件原理圖如圖2-3所示。 圖2-3 LCD1062 硬件原理圖3）4X4行列式鍵盤識別及顯示鍵盤接口必須具有去抖動、防串鍵、按鍵識別和鍵碼產(chǎn)生4個基本功能。（1）去抖動：每個按鍵在按下或松開時，都會產(chǎn)生短時間的抖動。抖動的持續(xù)時間與鍵的質(zhì)量相關(guān)，一般為520mm。所謂抖動是指在識別被按鍵是必須避開抖動狀態(tài)，只有處在穩(wěn)定接通或穩(wěn)定斷開狀態(tài)才能保證識別正確無誤。去抖問題可通過軟件延時或硬件電路解決。（2）防串鍵：防串鍵是為了解決多個鍵同時按下或者前一按鍵沒有釋放又有新的按鍵按下時產(chǎn)生的問題。常用的方法有雙鍵鎖定和N鍵輪回兩種方法。雙鍵鎖定，是當(dāng)有兩

11、個或兩個以上的按鍵按下時，只把最后釋放的鍵當(dāng)作有效鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼。N鍵輪回，是當(dāng)檢測到有多個鍵被按下時，能根據(jù)發(fā)現(xiàn)它們的順序依次產(chǎn)生相應(yīng)鍵的鍵碼。（3）被按鍵識別：如何識別被按鍵是接口解決的主要問題，一般可通過軟硬結(jié)合的方法完成。常用的方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法兩種。行掃描法的基本思想是，由程序?qū)︽I盤逐行掃描，通過檢測到的列輸出狀態(tài)來確定閉合鍵，為此，需要設(shè)置入口、輸出口一個，該方法在微機系統(tǒng)中被廣泛使用。線反轉(zhuǎn)法的基本思想是通過行列顛倒兩次掃描來識別閉合鍵，為此需要提供兩個可編程的雙向輸入/輸出端口。 （4）鍵碼產(chǎn)生：為了從鍵的行列坐標(biāo)編碼得到反映鍵功能的鍵碼，一般在內(nèi)存區(qū)中建立一個鍵盤編

12、碼表，通過查表獲得被按鍵的鍵碼4。用 HYPERLINK / AT80c51的并行口P1接44矩陣鍵盤，以P1.0P1.3作輸入線，以P1.4P1.7作輸出線；在數(shù)碼管上顯示每個按鍵的“0F”序號。4）speaker蜂鳴器5）三極管三丶軟件設(shè)計本軟件設(shè)計關(guān)鍵是要實現(xiàn)一種由單片機控制的簡單音樂發(fā)生器，它由16個音節(jié)組成的的鍵盤，用戶可以根據(jù)樂譜在鍵盤上進行演奏，音樂發(fā)生器會根據(jù)用戶的彈奏，通過揚聲器將音樂播放出來。3.1單片機實現(xiàn)音樂一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應(yīng)著不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數(shù)對應(yīng)的延時，構(gòu)成音樂。（1）節(jié)拍設(shè)計除了音符以外，節(jié)拍也是音樂

13、的關(guān)鍵組成部分。節(jié)拍實際上就是音持續(xù)時間的長短，在單片機系統(tǒng)中可以用延時來實現(xiàn)，如果1/4拍的延時是0.4秒，則1拍的延時是1.6秒，只要知道1/4拍的延時時間，其余的節(jié)拍延時時間就是它的陪數(shù)。如果單片機要自己播放音樂，那么必須在程序設(shè)計中考慮到節(jié)拍的設(shè)置，由于本例實現(xiàn)的音樂發(fā)生器是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。對于不同的曲調(diào)我們也可以用單片機的另外一個定時/計數(shù)器來完成。音樂的音拍，一個節(jié)拍為單位（C調(diào)）具體如表3-1：表3-1 音樂節(jié)拍表曲調(diào)值 DELAY曲調(diào)值DELAY調(diào)4/4125ms調(diào)4/462ms調(diào)3/4187ms調(diào)3/494ms調(diào)2/4250ms

14、調(diào)2/4125ms （2）音頻脈沖實現(xiàn)了解音樂的一些基本知識后可知，產(chǎn)生不同頻率的音頻脈沖即能產(chǎn)生音樂，對于單片機而言，產(chǎn)生不同頻率有脈沖非常方便，可以利用它的定時/計數(shù)器來產(chǎn)生這樣的方波頻率信號，因此，需要弄清楚音樂中的音符和對應(yīng)的頻率，以及單片機定時計數(shù)的關(guān)系。在本實驗中，單片機工作于12MHZ時鐘頻率，使用其定時/計數(shù)器T0，工作模式為1，改變計數(shù)值TH0和TL0可以產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號，在此情況下，C調(diào)的各音符頻率與計數(shù)值T的對照如表3-2：表3-2 音符頻率與計數(shù)值T的對照表音符頻率（HZ）計數(shù)值（T值）音符頻率（HZ）計數(shù)值（T值）低1DO26263628#4FA#7406486

15、0#1DO#27763737中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83194934#2RE#31163928中6LA88064968低3MI33064021#6LA#93264994低4FA34964103中7SI96865030#4FA#37064185低1DO104665058低SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#6LA#46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#1490

16、65198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764633#5SO#166165235#2RE#62264884高6LA176065252中3MI65964732#6LA#186565268中4FA69864820高7SI196765283 T的值決定了TH0和TL0的值，其關(guān)系為：TH0=T/256，TL0=T%2563.2軟件框圖及部分代碼（1）總程序簡易流程圖如圖3-1：鍵盤掃描程序鍵盤掃描程序有鍵按下賦鍵值功能鍵地址轉(zhuǎn)移程序取鍵值A(chǔ)17H A1A轉(zhuǎn)至音色調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)至彈奏轉(zhuǎn)自動播放樂曲NYYNN 圖 3-1 總程序簡易流程圖（2）顯示流程圖如圖3-2：開始開始R1

17、=0根據(jù)R1的值查表查表獲得的數(shù)據(jù)送P0延時0.2秒R1=R1+1R1的內(nèi)容=10嗎？圖3-2顯示流程圖C語言源程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intunsigned char code table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f;unsigned char discount;void delay02s(void) unsigned char i, j, k; for(i=20;i0;i-) for(j=20;j0;j-)

18、 for(k=248;k0;k-);void main(void) while(1) for(discount=0;dispcount10;dispcount+) P0=tablediscount; delay02s(); （3）鍵盤識別程序框圖如圖3-3所示：圖3-3 鍵盤識別程序框圖語言源程序#includeunsigned char code table=table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f, 0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77, 0 x7c, 0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71;unsigned char

19、 temp;unsigned char key;unsigned char i,j;void main(void) while(1)P3=0 xff; P3_4=0; temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0 x0f) for(i=50;i0;i-)for(j=200;j0;j-);temp=P3;temp=temp & 0 x0f;if (temp!=0 x0f)temp=P3; temp=temp & 0 x0f;switch(temp)case 0 x0e: key=7; break; case 0 x0d: key=8; break; case 0

20、 x0b: key=9; break; case 0 x07: key=10; break;temp=P3; P1_0=P1_0; P0=tablekey; temp=temp & 0 x0f; while(temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp & 0 x0f; P3=0 xff; P3_5=0; temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0 x0f) for(i=50;i0;i-)for(j=200;j0;j-);temp=P3;temp=temp & 0 x0f; temp=P3; temp=temp & 0 x0f; switc

21、h(temp) case 0 x0e: key=4; break; case 0 x0d: key=5; break; case 0 x0b: key=6;break; case 0 x07: key=11; break; temp=P3; P1_0=P1_0; P0=tablekey; temp=temp & 0 x0f; while(temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp & 0 x0f; P3=0 xff; P3_6=0; temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0 x0f) for(i=50;i0;i-)for(j=200;j

22、0;j-);temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp & 0 x0f; switch(temp)case 0 x0e: key=1;break;case 0 x0d: key=2;break;case 0 x0b: key=3;break;case 0 x07: key=12; break; temp=P3;P1_0=P1_0;P0=tablekey;temp=temp & 0 x0f;while(temp!=0 x0f)temp=P3;temp=temp & 0 x0f;P3=0 xff;P3_7=0;te

23、mp=P3;temp=temp & 0 x0f;if (temp!=0 x0f)for(i=50;i0;i-)for(j=200;j0;j-);temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0 x0f)temp=P3;temp=temp & 0 x0f;switch(temp)case 0 x0e:key=0;break;case 0 x0d:key=13;break;case 0 x0b:key=14;break;case 0 x07:key=15;break;temp=P3; P1_0=P1_0; P0=tablekey; temp=temp & 0 x0f;

24、 while(temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp & 0 x0f;(4)音樂發(fā)聲程序框圖如圖3-4所示:圖3-4 音樂發(fā)聲程序框圖3.3程序設(shè)計說明（1）對聲音的控制對音調(diào)的控制：根據(jù)不同的按鍵，對定時器T1送入不同的初值，調(diào)節(jié)T1的溢出時間，這樣就可以輸出不同音調(diào)頻率的方波。不同音調(diào)下各個音階的定時器對音長的控制：先向定時器T0送入一個固定初值，控制中斷循環(huán)的次數(shù)，從而得到成倍數(shù)關(guān)系的時間間隔。按一拍0.64S計算，取1/16拍為最小間隔，即0.04S，為此設(shè)定T0的初值為63C0。樂譜的編碼規(guī)則：對于每個音符，定義用8位二進制數(shù)表示。其中，最高位為1的字符為結(jié)束

25、符，當(dāng)讀到最高位為1時，停止播放；低3位存儲音階碼，即音階表的列數(shù)，可為000B111B (17和休止符)，休止符表示停頓，不發(fā)音，只有時間長短屬性；第3位和第4位存儲音高碼，即音階表的行數(shù)，可為00B10B；第5位和第6位存儲音長碼，即中斷次數(shù)，可為00B10B。（2）對演奏的控制在手動演奏時，規(guī)定先按音調(diào)鍵，后按音階鍵。每次音階鍵按下時，調(diào)用鍵盤掃描子程序，獲得鍵值，查詢音階表，獲取定時器的計時初值，向喇叭輸入相應(yīng)頻率的驅(qū)動脈沖，發(fā)出相應(yīng)的聲音，若按鍵沒有松開，則一直發(fā)聲；若按鍵松開，則停止發(fā)聲。在自動演奏時，通過選曲鍵來確定要播放的音樂，根據(jù)鍵值查詢曲目表獲取所點歌曲的首地址，依次讀取歌

26、曲的代碼，獲得音階、音調(diào)和音長信息，播放相應(yīng)的音樂。當(dāng)讀到結(jié)束符時，停止播放音樂。四丶 系統(tǒng)調(diào)試與測試結(jié)果分析4.1使用的儀器儀表 單片機仿真器KEILC蜂鳴器 LS14.2系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計中采用模塊設(shè)計法，所以方便對各電路模塊功能進行逐級測試：中心控制模塊的調(diào)試，音樂播放模塊的調(diào)試，按鍵控制模塊的調(diào)試等，最后將各模塊組合后進行整體測試。（1）對各個模塊的功能進行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實現(xiàn)指定的功能。（2）軟件調(diào)試采用單片機仿真器KEILC及微機，將編好的程序進行調(diào)試，主要是檢查語法錯誤。（3）將調(diào)試好的硬件

27、和軟件進行聯(lián)調(diào)，主要調(diào)試系統(tǒng)的實現(xiàn)功能。4.3 測試結(jié)果此次系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果較好，分別發(fā)出8種高低不同的聲音，如果送入音樂程序，則會播放歌曲。五丶源程序程序為：#includeunsigned char code table=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f,0 x77,0 x7c,0 x39,0 x5e,0 x79,0 x71;unsigned char temp;unsigned char key;unsigned char i,j;unsigned char STH0;unsigned char STL0;

28、unsigned int code tab=64021,64103,64260,64400, 64524,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178;void main(void)TMOD=0 x01; ET0=1; EA=1;while(1) P3=0 xff;P3_4=0;temp=P3;temp=temp & 0 x0f;if (temp!=0 x0f)for(i=50;i0;i-) for(j=200;j0;j-); temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0

29、x0f) temp=P3; temp=temp & 0 x0f; switch(temp) case 0 x0e: key=0; break; case 0 x0d: key=1;break; case 0 x0b: key=2; break; case 0 x07: key=3; break; temp=P3; P1_0=P1_0; P0=tablekey; STH0=tabkey/256; STL0=tabkey%6; TR0=1; temp=temp & 0 x0f; while(temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp & 0 x0f; TR0=0; P3=0 x

30、ff; P3_5=0; temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0 x0f) for(i=50;i0;i-) for(j=200;j0;j-); temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp & 0 x0f; switch(temp) case 0 x0e: key=4; break; case 0 x0d: key=5; break; case 0 x0b: key=6; break; case 0 x07: key=7; break; temp=P3; P1_0=P1_0;

31、 P0=tablekey; STH0=tabkey/256; STL0=tabkey%6; TR0=1; temp=temp & 0 x0f; while(temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp & 0 x0f; TR0=0; P3=0 xff; P3_6=0; temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0 x0f) for(i=50;i0;i-) for(j=200;j0;j-); temp=P3; temp=temp & 0 x0f; if (temp!=0 x0f) temp=P3; temp=temp & 0 x0f; swit

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