单片机 电子琴设计报告文档格式.docx

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二．设计原理

电子琴由以下几个部件组成：

单片机89S51、电源、4*4的16个按钮矩阵、音频放大模块、复位模块，数码管，LED显示模块、晶振模块。

（1）AT89S51单片机及其引脚说明

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51

1．主要特性：

·

8031CPU与MCS-51兼容

4K字节可编程FLASH存储器（寿命：

1000写/擦循环）

全静态工作：

0Hz-24KH·

三级程序存储器保密锁定

128*8位内部RAM

32条可编程I/O线

两个16位定时器/计数器

6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）主要管脚说明：

P0口：

P0口为一个8位漏级开路准双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

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。

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。

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。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

P3口引脚

特殊功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读先通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

1.音乐产生的方法

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P0.0反相，然后重复计时再反相。

就可在P0.0引脚上得到此频率的脉冲。

利用AT89S51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÷

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。

fr＝65536－1000000÷

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

单片机12MHZ晶振，高中低音符与计数T0相关的计数值如表2-2所示

表2-2音符频率表

音符

频率（HZ）

简谱码（T值）

低1　DO

262

63628

#4FA#

740

64860

#1　DO#

277

63731

中5SO

784

64898

低2　RE

294

63835

#5SO#

831

64934

#2RE#

311

63928

中6LA

880

64968

低3M

330

64021

#6

932

64994

低4FA

349

64103

中7SI

988

65030

370

64185

高1DO

1046

65058

低5SO

392

64260

#1DO#

1109

65085

415

64331

高2RE

1175

65110

低6LA

440

64400

#2RE#

1245

65134

466

64463

高3M

1318

65157

低7SI

494

64524

高4FA

1397

65178

中1DO

523

64580

1480

65198

554

64633

高5SO

1568

65217

中2RE

587

64684

1661

65235

622

64732

高6LA

1760

65252

中3M

659

64777

1865

65268

中4FA

698

64820

高7SI

1967

65283

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

低音0－19之间，中音在20－39之间，高音在40－59之间

TABLE:

DW0,63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,0,0

DW0,63731,63928,0,64185,64331,64463,0,0,0

DW0,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,0,0

DW0,64633,64732,0,64860,64934,64994,0,0,0

DW0,65058,65110，65157,65178,65217,65252,65283,0,0

DW0,65085,65134,0,65198,65235,65268,0,0,0

DW0 

音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表2-3所示）

表2-3曲调值表

曲调值

DELAY

调4/4

125ms

62ms

调3/4

187ms

94ms

调2/4

250ms

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。

琴键处理程序，根据检测到得按键值，查询音律表，给计时器赋值，发出相应频率的声音。

对音调的控制：

根据不同的按键，对定时器T1送入不同的初值，调节T1的溢出时间，这样就可以输出不同音调频率的方波。

不同音调下各个音阶的定时器。

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。

2.4X4行列式键盘识别及显示

组成键盘的按键有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式多种，但不管什么形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。

目前微机系统中使用的键盘按其功能不同，通常可分为编码键盘和非编码键盘两种基本类型。

编码键盘：

键盘本身带有实现接口主要功能所需的硬件电路。

不仅能自动检测被按下的键，并完成去抖动、防串键等功能，而且能提供与被按键功能对应的键码（如ASCII码）送往CPU。

所以，编码键盘接口简单、使用方便。

但由于硬件电路较复杂，因而价格较贵。

非编码键盘：

键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。

有关按键的识别、键码的确定与输入、去抖动等功能均由软件完成。

目前微机系统中，一般为了降低成本大多数采用非编码键盘。

键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。

（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