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基于单片机的电子琴发声控制系统
2011年11月25日
摘要
本设计是基于单片机的模拟电子琴发声控制系统，该控制系统的主要控制部件是AT89S52，晶振频率为11.0592MHz，发声部件为蜂鸣器，显示部件为七段数码管，十个按键作为输入端。
设计内容：
设置8个音符按键发出1（do）、2（re）、3（mi）、4（fa）、5（so）、6（la）、7（xi）、1（do），为一组八度音阶；设置1个按键调节音调高低（低八度音阶为一组，中八度音阶为一组，高八度音阶为一组），通过识别按键的次数来调出一组八度音阶，供人们演奏，在按键按下的同时由数码管输出对应的音阶数值；另外设置一个播放按键，当判断按键按下时，自动播放内存的音乐，可以随时中断音乐。
设计方法：
软件部分由扫描按键发声并显示和音乐自动播放两部分构成，故本设计通过判断一个按键的两种状态而在两个部分之间进行切换，每种状态对应一个指定部分，从而保证两种状态的正常切换。
按键的扫描采用4*2矩阵形式，节省了输出端口。
硬件部分的设计主要包括按键排列、数码管显示和蜂鸣器部分，本设计P1口用作对按键的扫描，P2口用作数码管显示，所以矩阵按键和数码管的排列均就近I/O口焊接，布局合理。
数码管显示部分通过限流电阻接P2口，无译码器，考虑到输出的数值，本部分设计由软件部分实现指定数值输出。
蜂鸣器通过PNP型三极管8550接P3口，8550可以实现音频的放大。
蜂鸣器与数码管就近排列，以达到输出一致的效果。
设计成果：
按照本设计的设计理念，设计成功！
该控制系统能准确实现按键扫描，音符、音阶的调用准确无误，同时能显示音符和音阶数值，但受数码管限制，无法同时显示音符1和高一阶音符1（本设计中以8代替）；能实现按键控制音乐的自动播放，当检测到控制按键按下时，即可启动音乐自动播放。
本设计简单实用，方便操作，系统稳定，编程简单，能满足单片机初学者对单片机技术的追求，也能满足音乐初学者学习乐器的的基本需求。
1概述
1.1课题简介
单片微型计算机室大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。
它的应用必定导致传统的控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。
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。
本课题的主要内容是用AT89S52单片机为核心控制元件，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控制模块，在主控模块上设有8个按键，2个控制按键和1个复位按键。
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，构成我们想演奏的那首曲目。
对于单片机来说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或T1来产生这样的方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音符对应频率关系编写正确，就可以达到我们想要的曲目。
1.2仿真技术与软硬件技术的结合
本设计中用到了软件Proteus，该软件是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等。
在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译，给我们做电路设计提供方便快捷的仿真效果。
在编译的过程中用到了KeiluVision3,KeilC51是51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。
其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具令我们事半功倍。
1.3单片机简介
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
图1.30图1.31
AT89S52引脚图AT89S52实物图
2系统总体方案及硬件设计
2.1总体方案
图2.1总体方案流程图
本设计在音乐播放与键盘扫描之间切换，蜂鸣器能发出共计22个音符，共分三个八度音阶，数码管可显示0-8，由于数码管限制，此处用8代替高一级音符do。
当系统运行时，默认进入键盘扫描，并不发音，数码管显示默认值1，即键盘默认可调用低八度音符。
当音乐播放键（PLAY）按下时，音乐自动播放，数码管显示0，此间可按下复位键终止音乐。
当播放停止时，跳出程序段，默认回到键盘扫描状态，数码管显示返回值1。
每当音阶转换控制键（SWITCH）按下时，数码管显示的数值加1，设置最大显示值是3，循环显示；此处1代表可调用低八度音符，2代表可调用中八度音符，3代表可调用高八度音符。
当矩阵键盘有键按下时，扫描的键值由数码管输出，显示1-8,代表do、re、mi、fa、so、la、xi、do（高一阶），按键与音符一一对应。
这样有效地利用了4*2矩阵键盘，可以实现22个音符的输出，简洁而高效。
2.2按键矩阵
本设计采用4*2矩阵非编码按键，由4*4矩阵修改而成，这样不但可以节省程序扫描，也可以节省端口的占用率，从而达到简洁高效的效果。
键盘为各自独立按键，只简单地提供按键开关。
有关按键的识别、键码的确定与输入、消除抖动等功能均由软件完成。
键盘矩阵图与仿真图相同，见图4.1。
对按键矩阵的扫描由P1.0—P1.5口共同完成。
2.3数码管显示
本设计的数码管部分使用了共阳极数码管，数码管公共端接高电平，Led输入端通过200欧的限流电阻接P2.0-P2.6，数字的输出由软件完成。
见图2.3。
2.4蜂鸣器模块
本设计的蜂鸣器模块由PNP三极管8550作为音频放大，200欧的限流电阻，声音的输出在P3.6口。
见图2.4。
图2.3数码管显示原理图图2.4蜂鸣器焊接原理图
3软件设计
3.1播放音乐部分
图3.1声音频率及定时初值表
音乐的播放要进行音符的识别和准确调用，音符的自然频率是固定的，我们可以根据自然频率计算出其半周期，由此计算出单片机在12MHz下的定时初值，具体计算如图3.1。
因此可以设置低音do到超高音do的定时初值表程序段如下：
unsignedintcodetab[]=//音符初值表低音1————超高音1
{
63627,63835,64021,64103,//低音1234
64260,64400,64524,64580,//低音567中音1
64684,64777,64820,64898,//中音2345
64968,65030,65058,65110,//中音67高音12
65157,65178,65217,65252,//高音3456
65283,65297//高音7超高音1
};
在音乐的播放中节拍的控制由延时控制来实现：
voiddelay（unsignedchart）//延时函数，控制发音的时间长度
{
unsignedchart1;
unsignedlongt2;
for（t1=0;t1for（t2=0;t2<8000;t2++）;
TR1=0;//关闭T1,停止发音
}
节拍的长短由设定的数值来实现，此处设定1代表16分音符，2代表8分音符，3代表4分音符，4代表2分音符，音乐的设置如下：
codeunsignedcharmid[]=//春江花月夜简谱
{
6,2,2,6,2,1,6,2,1,1,3,2,2,3,1,6,2,1,5,2,4,5,2,0,
5,2,2,5,2,1,5,2,1,6,2,2,1,3,1,2,3,1,3,2,4,3,2,0,
3,2,2,2,2,1,3,2,1,5,2,2,3,2,1,5,2,1,6,2,3,1,3,1,2,3,3,
3,3,2,1,3,2,2,3,1,3,3,1,2,3,1,1,3,1,6,2,2,5,2,4,5,2,0,
5,2,1,1,3,1,5,2,1,1,3,1,2,3,4,6,2,1,1,3,1,5,2,1,2,2,1,3,2,4,3,2,0,
3,2,2,6,2,1,1,3,1,5,2,1,6,2,1,5,2,1,3,2,1,2,2,3,
3,2,1,2,2,1,1,2,1,2,2,1,3,2,1,1,2,1,2,2,4,0,0,0,
};
读出的每个音符由三个数字构成，第一个数字代表音符；第二个数字代表音高，默认1代表低八度，2代表中八度，3代表高八度；第三个数代表节拍，此处用1代表16分音符，2代表8分音符，3代表4分音符，4代表2分音符，而0用来表示停顿，以区分连音。
音乐播放函数的定义需要一个定时器中断，而这个中断与键盘扫描部分不能用一个中断，故设中断1，工作方式1：
voidsong（）//演奏一个音符函数
{
TH1=timerh;//控制音调
TL1=timerl;
TR1=1;//启动T1,由T1输出方波去发音
delay（time）;//控制时间长度
}
音符扫描并播放函数段如下：
while（mid[i]!
=0）//只要有音符，就持续执行
{
k=mid[i]+7*（mid[i+1]-1）-1;//第i个是音符,第i+1个是第几个八度
timerh=tab[k]/256;//从数据表中读出定时器计数值
timerl=tab[k]%256;//计数值低位
time=mid[i+2];//读出时间长度数值
i+=3;//每隔三个数读一个音符
if（mid[i+2]==0）//设置发音时长为0时停顿
{
delay10ms（）;
}
song（）;//发出一个音符
}
在音乐播放完毕之后，自动跳出该程序段，进入按键扫描程序段。
3.2扫描按键部分
对按键的扫描，包括输入消抖和键值计算，消抖部分由一个延时函数来完成：
voiddelay10ms（void）//延时10ms函数
{
for（i=50;i>0;i--）
for（j=198;j>0;j--）;
/*每个指令12个机器周期，即1us,延时计算50*（198+2）+2=10002us
延时精确计算汇编程序如下：
MOVi,#032H
MOVj,#0C6H
DJNZj
DJNZi
RET
*/
}
键盘矩阵为4*2，P1.4、P1.5为行，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3为列，将列置高电平，行置低电平，进行扫描，如有按键按下，按键所在列就会被拉成低电平，此处默认P1.4为第一行，因此P1.4所在行的按键键值依照P1.3、P1.2、P1.1、P1.0的顺序为0、1、2、3，同理P1.5行所在的按键键值依照P1.3、P1.2、P1.1、P1.0依次为4、5、6、7，键值的计算程序段如下例：
P1=0xff;
P1_4=0;//从第1行开始扫描键盘
temp=P1;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）//扫描控制
{
delay10ms（）;
temp=P1;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
temp=P1;
temp=temp&0x0f;
switch（temp）//读取按键值
{
case0x07:
//判定P1.3
key=0;
Display（0xf9）;//数码管显示1
break;
case0x0b:
//判定P1.2
key=1;
Display（0xa4）;//数码管显示2
break;
case0x0d:
//判定P1.1
key=2;
Display（0xb0）;//数码管显示3
break;
case0x0e:
//判定P1.0
key=3;
Display（0x99）;//数码管显示4
break;
}
temp=P1;
P3_6=~P3_6;//准备发音
STH0=tab[key]/256;//计算音符对应的定时器计数值
STL0=tab[key]%256;//计数值低位
TR0=1;//T0计时器开始工作
temp=temp&0x0f;
while（temp!
=0x0f）//扫描循环
{
temp=P1;
temp=temp&0x0f;
}
TR0=0;//T0计时器关闭
P3_6=1;//关闭扬声器，防止电流噪音
}
}
P1=0xff;//对P1口置高
P1_5=0;//扫描P1.5行
temp=P1;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）//扫描控制
{
delay10ms（）;
temp=P1;
temp=temp&0x0f;
if（temp!
=0x0f）
{
temp=P1;
temp=temp&0x0f;
switch（temp）//读取按键值
{
case0x07:
//判定P1.3
key=4;
Display（0x92）;//数码管显示5
break;
case0x0b:
//判定P1.2
key=5;
Display（0x82）;//数码管显示6
break;
case0x0d:
//判定P1.1
key=6;
Display（0xf8）;//数码管显示7
break;
case0x0e:
//判定P1.0
key=7;
Display（0x80）;//数码管显示8,此处8代表高一级音符1
break;
}
temp=P1;
P3_6=~P3_6;//准备发音
STH0=tab[key]/256;//计算音符对应的定时器计数值
STL0=tab[key]%256;//计数值低位
TR0=1;//开T0中断
temp=temp&0x0f;
while（temp!
=0x0f）//循环扫描
{
temp=P1;
temp=temp&0x0f;
}
TR0=0;//关闭中断T0
P3_6=1;//关闭蜂鸣器，防止噪音
}
}
Display（0xf9）;//数码管显示1，代表可调用低八度
break;
3.3数码管显示
共阳极数码管的数字显示，并不通过译码器，因此需要在软件里面设置对应的代码，此时的代码并不具有规律性，因此只能对其输出做指定设置，0—9的对应字形码如下表3.3：
（共阴极的数码管所用代码并不一样）
“0”
0xc0
“5”
0x92
“1”
0xf9
“6”
0x82
“2”
0xa4
“7”
0xf8
“3”
0xb0
“8”
0x80
“4”
0x99
“9”
0x90
表3.3数码管输出字型码表
对应调用函数如下：
voidDisplay（unsignedcharm）//定义数码管显示函数
{
P2=m;//显示需要显示的数值
}
在输出时只需设置对应的代码即可。
4Proteus软件仿真
4.1键盘部分设计
独立式按键按照4*2矩阵排列。
图4.1键盘仿真电路图
4.2蜂鸣器部分仿真
此处用了无源蜂鸣
器，在仿真时无需接三极
管进行音频放大，使得仿
真电路图简洁明了。
图4.2蜂鸣器仿真电路图
4.3数码管部分仿真
基于Protues的基本功能，对数码管的仿真无需外接限流电阻即可实现，具体实现如图4.3：
图4.3数码管仿真电路图
4.4整体仿真设计
基于单片机的最小系统，对外围电路的开发做了简单的配置，数码管接P2.0—P2.6口，矩阵键盘接P1.0—P1.5口，模式转换键在P3.0口控制输入，音阶转换键在P3.7口控制输入，蜂鸣器发声接P3.6口，具体见图4.4：
图4.4仿真电路总图
5课程设计体会
5.1设计成果
本次设计的最终结果与仿真完全吻合，能够实现高低音符的自由切换，也能够实现音符的准确调用及音乐的自动播放。
系统启动时，数码管显示默认值1，此时可以调用低八度音符。
当按下SW（SWITCH）键一次的时候，数码管显示2，此时可以调用中八度音符；当按下SW键二次的时候，数码管显示3，此时可以调用高八度音符；如此循环往复。
矩阵键盘对应按键（C、D、E、F、G、A、B、C）按下的时候，数码管显示1、2、3、4、5、6、7、8，发音do、re、mi、fa、so、la、xi、do。
无论数码管显示何值，当按下P（PLAY）键的时候，音乐自动播放，数码管显示0；按下RE（RESET）键的时候，终止播放，数码管恢复显示默认值1。
5.2心得体会
通过本次电子设计训练，我们复习了很多专业知识，也让我们感悟颇多，具体起来有以下几点：
1、团队合作远比一个人的力量大得多，在这次的实训中，我们的分工与合作让我体会到了团队的重要性。
2、实践操作远比理论学习进步快得多，在这短暂的几天里，我对专业知识的理解突飞猛进地更进了一层，尤其是对51单片机、编程、PNP三极管、数码管显示以及蜂鸣器输出有了更详细地了解，考虑以后会踏入工作岗位，本次实训更是一次难得的锻炼机会。
3、知识的灵活运用远比知识的掌握更重要。
在借鉴学习的过程中，发现矩阵的扫描可以逐行设置代码进行扫描，也可以通过循环函数对已知的端口设定扫描过程，程序简洁而实用。
4、努力重要，技巧更重要。
在焊接的过程中，P1，P2，P3口作为I/O口，此时的焊接我们依据按键的功能进行了划分，分组排列，整齐而美观；数码管输出和蜂鸣器输出的排列，均在输出部分，采用就近接口的方式，同时考虑输出的一致性，将二者就近排列，达到了人性化的设计效果；对P1、P2端口的使用，我们又对端口进行了延伸，从而实现了排线连接，达到了美观的效果。
5、学习要认真，做事需细心。
在设计软件仿真时和硬件焊接时，我们曾出过一些微小的错误，例如软件关闭中断之后需要软件关闭蜂鸣器，否则就会出现噪音。
但在仔细检查过之后，作以修改，就能到达消除噪音的目的。
参考文献
书、专著：
[1]张元良，王建军等.单片机开发技术实例.北京：
机械工业出版社，2010.8
[2]徐爱钧.单片机原理与应用基于Protues的虚拟仿真技术.北京：
机械工业出版社，2010
电子文献：
[1]做而论道.基于51单片机的4*4矩阵键盘电子琴.
2010-08-05
[2]做而论道.单片机播放音乐的基本知识
附录1源程序代码
//本程序采用AT89S52晶振频率11.0592MHz
#include//头文件
unsignedchartemp,key,k,i,j,ID;//自定义字符变量
unsignedcharSTH0,STL0;//自定义暂存变量
unsignedchartimerh,timerl,time;//自定义暂存变量
sbitP1_4=P1^4;//定义行P1.4
sbitP1_5=P1^5;//定义行P1.5
sbitP3_0=P3^0;//定义音乐播放键
sbitP3_6=P3^6;//定义扬声器输出口P3.6
sbitP3_7=P3^7;//定义音符切换键
unsignedintcodetab[]=//音符表低音1————超高音1
{
63627,63835,64021,64103,//低音1234
64260,64400,64524,64580,//低音567中音1
64684,64777,64820,64898,//中音2345
64968,65030,65058,65110,//
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