基于51单片机的16键电子琴课程设计报告.docx
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单片机原理及系统课程设计报告
单片机原理及系统课程设计
评语：
考勤10分
守纪10分
过程30分
设计报告30分
答辩20分
总成绩（100）
专业：
自动化
班级：
姓名:
学号：
指导教师：
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2015年12月30日
2
基于单片机的16键电子琴
一、电子琴设计的目的、要求与设计方法
1.1设计目的
现代乐器中，电子琴是高新科技在音乐领域的一个代表，体现了人类电子技术和艺术的完美结合。
电子琴自动伴奏的稳定性、准确性，以及鲜明的强弱规律、随人设置的速度要求，都更便于人们由易到难、深入浅出的准确掌握歌曲节奏和乐曲风格，对其节奏的稳定性和准确性训练能起到非常大的作用。
1.2设计要求
本设计主要是用AT89C52单片机为核心控制元件，设计一个微缩版的电子琴。
单片机与按键构成主控制模块，在主控制模块上设置有9个按键，分别达成不同目标。
本系统主要为了完成电子琴的三大功能：
电子琴弹奏和音乐播放及录音。
1.3电子琴设计方法
1.3.1设计工具
表1软件简介
软件名称
设计作用
KeiluVision4
编写程序与编译
PROTEUS
绘制硬件电路图、数字仿真
MicrosoftVisio
绘制程序流图与框图
1.3.2设计思路
（1）功能按键触发外部中断，以完成不同曲目的的切换。
（2）设置定时器产生不同频率的方波，I/O口输出，经功放后扬声器发声。
（3）采用4×4矩阵键盘弹奏16个音（低XI到高DO）。
二、电子琴的设计方案及原理
2.1设计总体方案
本系统采用AT89C52为主控芯片。
输入电路有16个琴键按键，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，中央处理器通过识别，解码输出音符，在扬声器中发出有效的声音。
1个音乐按键用于播放音乐和切换歌曲，通过按键触发中断，重置定时器初值，于另一个扬声器中发出有效音响。
总设计框图如下图1所示。
单
片
机
时钟复位电路
数码管显示电路
琴键控制电路
音频播放电路
音乐切换电路
图1基于单片机的电子琴电路原理框图
2.2发声原理
利用AT89C52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是：
N＝fi÷2÷fr。
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。
三、电子琴的硬件设计
基于单片机AT89C51的电子琴电路由琴键控制电路、数码管显示电路、音频播放电路、时钟-复位电路、音乐切换电路和电源电路六部分所构成。
3.1琴键控制电路
琴键控制电路作为人机联系的输入部分，也是间接控制数码显示和音频功放的重要组成部分。
键盘按照连接方式可以分为独立式和矩阵式键盘两类。
3.1.1矩阵式键盘
如图2所示为4X4矩阵式键盘电路，由一个4X4的行、列结构可以构成一个16个按键键盘。
矩阵中无按键按下时，行线为高电平；当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。
列线的电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平也为高，这是识别按键是否按下的关键所在。
图2矩阵式键盘
3.1.2独立式键盘
独立式键盘的特点是一键一线，各键相互独立，每个键各接一条I/O口线，通过检测I/O输入线的电平状态，可判断出被按下的按键。
3.1.3 方案比较
表2键盘类型比较
键盘类型
优点
缺点
独立式
电路简单，编程简单
占用I/O口线多
矩阵式
占用I/O口线较少
编程比较复杂
由于此次设计的琴键控制电路需要16个按键，故单纯从I/O口线的占用的角度比较，独立式需要占用16条I/O口线，而矩阵式却只需8条。
故选择矩阵式键盘电路比较合理。
3.2数码管显示电路
LED（Light Emitting Diode）发光二极管缩写。
LED数码管是由发光二极管构成的。
常见的LED数码管为“8”字型的，共计8段。
一般来说分共阳极和共阴极两种接法。
3.2.1LED数码管静态显示
静态显示方式即无论多少位LED数码管，同时处于显示状态。
如果送往各个LED数码管所显示字符的段码一经确定，则相应I/O口锁存器锁存的段码输出将维持不变，直到送入另一个字符的段码为止。
3.2.2LED数码管动态显示
静态显示方式就是无论在任何时刻只有一个LED数码管处于显示状态，即单片机采用“扫描”方式控制各个数码管轮流显示。
3.3.3方案比较
对于以上两种数码管驱动电路的的优缺点比较如表3所示。
由于静态驱动方式的显示无闪烁，亮度较高，编程简单，加上本次设计的数码管显示电路只需要2个数码管，且分别接两部分管脚，故选择静态驱动方式来显示数码管更为合理。
如图3所示为数码管显示电路，采用静态驱动方式和共阳极接法。
表3数码管显示方式比较
驱动方式
优点
缺点
静态显示
显示无闪烁，亮度较高，
编程简单
数码管越多，所需的电流越大，电源的要求越高
动态显示
电路简单，数码管越多，
优势越明显
不如静态显示的亮度高， 可能出现闪烁现象
图3数码管静态显示电路
3.3音乐切换电路
通过按键拉低电平，触发中断0。
3.4音频播放电路
使用两个扬声器，一个作为琴键输出，一个作为乐曲输出。
3.5时钟复位电路
3.5.1时钟电路
时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。
本设计采用内部时钟方式做时钟电路。
3.5.2复位电路
在单片机的实用系统中，一般有两种复位操作形式：
上电复位和手动复位。
上电复位在单片机系统每次通电时执行。
手动复位在系统出现操作错误或程序运行出错时使用。
由于本设计的需要，同时采用这两种复位方式。
整体电路图如下图4所示。
图4整体硬件设计
四、电子琴的软件设计
系统功能的实现一般包括硬件部分和软件部分，一旦硬件确定下来，软件要实现的功能也随之确定。
而为使编程思路清晰，应先绘制程序流程图。
4.1 系统硬件接口定义
表4系统硬件接口定义
引脚名
接口说明
备注
P0.0~P0.7
琴键数码管与单片机通信
数码管显示电路
P2.0~P2.7
曲目数码管与单片机通信
数码管显示电路
P3.2（INT0）
外部中断源输入端
音乐切换电路
P1.0~P1.7
矩阵键盘接口
琴键控制电路
P3.0,P3.7
控制扬声器
音频播放电路
4.2主函数
主函数流程图如图5所示。
利用模块化的思想，主函数只执行初始化函数、键盘扫码函数、音频处理函数和数码管显示函数。
图5主函数流程图
4.3初始化函数
初始化的流程框图如图6所示。
该函数对所需的I/O口、外部中断0、定时器0、定时器T1以及数码管进行初始化配置。
TMOD=0x11;//T0方式1，T1方式1
IP=0x01;//INT0中断优先级最高
EA=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;//允许中断
TR0=0;//关定时器0
P1=0xbf;//键盘初始化
flag=0; //标志位置0
图6初始化流程图
4.4数码管显示及音频处理函数
根据键值扫描函数读取的键码，扬声器发声并结合数码管显示出来。
图7数码管显示流程图
4.5中断函数
中断函数用到了外部中断和定时器中断。
外部中断的流程框图如图8所示，当按键按下时，外部信号触发外部中断，执行键值扫描函数，读取对应的键值。
定时中断的流程框图如图9所示，定时器溢出中断后，进行重装载初值，同时执行相应的音频控制操作。
4.6键值扫描函数
将输入端置为高电平，输出端置为低电平。
这样，当按键没有按下时，所有的输入端无变化，代表无键按下。
一旦有键按下，则输入线就受输出线的影响被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
流程图如图10所示。
图8外部键盘中断流程图图9定时器中断流程图
图10键值扫描流程图
五、电子琴的系统仿真
5.1部分仿真结果
表5仿真结果
按键编号
发声音调
数码管显示
备注
0
低XI
0，-
1
中DO
1，-
2
中RI
2，-
无
播放曲目及停止
1，2，或-
重复按切换音乐
图11音乐显示为“-”或不显示的时候，琴键按下DO有效
图12按音乐键，播放音乐1，琴键弹奏无效
5.2调试中出现的问题及解决
电子琴的设计并非一帆风顺，在这期间遇到了很多问题，下面谈几个关键的问题。
首先是数码管显示乱码的问题，原本以为是数码管字形码表的代码有错，检查几遍发现代码基没错，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，按音乐键后琴键无法发声和显示，浪费了很多时间，最终发现是程序的判断条件有问题。
其三是扬声器发出的音调不对，甚至没有声音，这个问题后来还是不能解决，最后放弃了LM386的功放电路，直接接扬声器，但是导致了部分琴键发声带杂音。
六、总结
在本次设计八路多功能抢答器的课设过程中，我利用AT89C52单片机及外围接口实现电子琴，利用单片机的定时器/计数器定时和计数的原理实现对弹奏和播放的功能，利用Proteus和Keil软件设计出实验电路，完成了课设的任务。
在本次课设中，我意识到将理论知识与实践相结合的重要性，对于单片机这样的课程，仅仅通过了解课本上的知识是远远不够的,我通过查资料和搜集有关文献，培养了自学能力，通过利用软件仿真和焊接电路，在很大程度上提高了我的动手能力。
我们在课设的过程中，遇到了很多问题，比如我在仿真的过程中错把共阴极数码管字模当作共阳极使用，使得数码管无法正常显示，通过查资料我明白了共阴极数码管是高电平驱动，公共端是负极，共阳极数码管是低电平驱动，公共端是正极，类似的问题出现了很多，我们通过一一排查，终于完成了课设任务，结果表明，有付出必有收获，把握重点、攻克难关，活学活用对于牢固的掌握知识，是非常有用的。
在此次课设中，我学到了很多，也通过不断纠正自己的错误，意识到自身的不足，我对知识的掌握还没有实现深层次的理解记忆，我相信这些教训都为我以后的学习奠定了良好的基础，时刻牢记团队合作、坚持与努力的重要性。
参考文献
[1]王思明,张金敏,苟军年.单片机原理及应用系统设计[M].北京:
人民邮电出版社,2008.
[2]冯育长,邹小兵.单片机系统设计与实例指导[M].西安：
西安电子科技大学出社,2004.
[3]彭伟.单片机C语言程序设计实训100
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