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电子琴

湖南文理学院

课程设计报告

课程名称：

单片机课程设计

专业班级：

自动化10102班21号

学生姓名：

唐依林

指导教师：

王南兰

完成时间：

2013年6月13日

报告成绩：

评阅意见：

评阅教师日期2013.6.20

湖南文理学院制

摘要

单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，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。

微型计算机的出现和大量使用将人类社会带入一个新的时代，单片微型计算机（简称单片机）在其中扮演着十分重要的角色。

虽然它没有常见的PC那样大的体积和重量，不会在办公桌或控制台上占据一个显要的位置，但它就像小小的螺丝钉一样，镶嵌在人们工作、生活中需要计算、控制、测量等智能活动的各个角落。

自20世纪70年代问世以来，单片机以其体积小、可靠性高、控制功能强、使用方便、性能价格比高、容易产品化等特点，在智能仪表、机电一体化、实时控制、分布式多机系统、家用电器等各个领域得到了广泛应用，对各个行业的技术改造和产品的更新换代起着重要的推动作用，对人们生活质量的提高产生了深刻的影响。

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。

本文的主要内容是用STC89C52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16个按键和扬声器。

本系统运行稳定，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，具有一定的实用和参考价值。

通过基于单片机的嵌入式电子琴的设计课题熟悉和理解单片机应用和开发过程，培养我们理论联系实际，实践出真知的科学严谨求学的态度，提高实践动手操作技能。

关键词：

STC89C52单片机音色节拍器自动播放

第1章方案论证1

1.1控制模块选择方案1

1.2按键选择方案1

第2章系统硬件设计及说明2

2.1系统组成及总体框图2

2.2元件简介2.2.1STC89C52简介2

2.2.2主要功能特性3

2.3.3LM386内部电路3

LM386内部电路原理图3

2.3显示电路4

2.4设计实现过程4

2.4.14X4行列式键盘识别及显示4

2.4．2系统板上硬件连线设计5

3.5程序设计内容5

第3章系统软件设计7

3．1音乐产生的方法7

3.1.1原理7

3.2程序框图9

3.3原理图11

3.4系统板硬件连线12

第4章系统调试13

4.1软件仿真调试13

4.2软件调试13

第5章调试结论14

第6章设计心得体会15

参考文献17

附录18

程序:

第1章方案论证

1.1控制模块选择方案

方案一：

用可控硅制作电子琴。

将220V交流电经变压器降压，再经过整流、滤波，获得+13.5V直流电压。

将单向可控硅SCR和电阻、电容组成驰张振荡器电路。

但该设计方案制作成本高且复杂。

方案二：

采用AT89C51单片机进行控制，由于AT89C51不具备ISP功能，

因此Atmel公司已经停产在市面上已经不常见，况且其ROM只有4K在系统将来升级方面没有潜力。

方案三：

采用AT89S51单片机进行控制，由于其性价比高，完全满足了本作品智能化的要求，它的内部程序存储空间达到8K，使软件设计有足够的内部使用空间并且方便日后系统升级，使用方便，抗干扰性能提高。

鉴于上述对比与分析，本设计采用方案三

1.2按键选择方案

传统电子琴可以用键盘上的“1”到“A”键演奏从低SO到高DO等11音。

该设计有16个按钮矩阵，设计成16个音，可以实现音阶在低音4---高音5之间。

比传统音阶范围大，弹奏效果好。

第2章系统硬件设计及说明

2.1系统组成及总体框图

硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。

由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。

用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声器并不能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。

本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器LM386来实现音频功放电路。

程序框图如图所示：

2.2元件简介

2.2.1STC89C52简介

功能特性：

STC89S52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。

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为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

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。

8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。

2.2.2主要功能特性

与MCS-51单片机产品兼容8K字节在系统可编程Flash存储器

1000次擦写周期全静态操作：

0Hz～33Hz

三级加密程序存储器32个可编程I/O口线

三个16位定时器/计数器八个中断源全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式

掉电后中断可唤醒看门狗定时器双数据指针掉电标识符

2.3.3LM386内部电路

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。

LM386特性：

静态功耗低，约为4mA，可用于电池供电；工作电压范围宽，4V-12V或5V-18V；外围元件少；电压增益可调，20-200；低失真度。

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。

LM386内部电路原理图

LM386内部电路原理图如图1-3所示。

与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路.

第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。

使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益

第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。

第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。

二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。

引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。

电路由单电源供电，故为OTL电路。

输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。

电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

2.3显示电路

本次单片机课程设计的显示电路采用LED数码管显示，由于LED是属于电流控制器件，使用时必须加限流电阻。

通过单片机查表得出数码管显示编码，传送给数码管显示，以此来实现按键与显示程序的一致性。

2.4设计实现过程

2.4.14X4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来识别闭合键，为此需要提供两个可编程的双向输入/输出端口。

（4）键码产生：

为了从键的行列坐标编码得到反映键功能的键码，一般在内存区中建立一个键盘编码表，通过查表获得被按键的键码。

用STC89C52的并行口P0接4×4矩阵键盘，以P0.0－P0.3作输入线，以P0.4－P0.7作输出线。

键盘识别模块

2.4．2系统板上硬件连线设计

键盘模块硬件连线如图2-1所示：

把“单片机系统”区域中的P0.0－P0.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中对应的端口上；

3.5程序设计内容

（1）4×4矩阵键盘识别处理，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

行列式键盘电路

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。

（2）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。

电路图如下

第3章系统软件设计

3．1音乐产生的方法

3.1.1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，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系正确即可。

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STC89C52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

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

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

Table2-2notesthefrequencytable

音符

频率（HZ）

简谱码（T值）

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

932

64994

低4FA

349

64103

中7SI

988

65030

#4FA#

370

64185

高1DO

1046

65058

低5SO

392

64260

#1DO#

1109

65085

#5SO#

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

#4FA#

1480

65198

#1DO#

554

64633

高5SO

1568

65217

中2RE

587

64684

#5SO#

1661

65235

#2RE#

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

TABLE1:

DW64021,64103,64260,64400

DW64524,64580,64684,64777

DW64820,64898,64968,65030

DW65058,65110,65157,65178

音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表2-3所示）

曲调值表

2-3Tunethevalueofthetable

曲调值

DELAY

曲调值

DELAY

调4/4

125ms

调4/4

62ms

调3/4

187ms

调3/4

94ms

调2/4

250ms

调2/4

125ms

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。

3.2程序框图

3.2.1程序框图如图所示：

3.2.2键盘识别程序框图如图所示:

3.2.3音乐发声程序框图如图所示:

3.3原理图

电子琴电路图

3.4系统板硬件连线

系统板硬件连线如图1-1所示，发生模块，键盘模块，及LED显示模块连接如下

1.把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到“音频放大模块”区域中的SPKIN端口上；

2.把“单片机系统”区域中的P3.0－P3.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中的C1－C4　R1－R4端口上；

3.把“单片机系统”区域中的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口用8芯排线连接到“四路静态数码显示模块”区域中的任一个a－h端口上；要求：

P0.0/AD0对应着a，P0.1/AD1对应着b，……，P0.7/AD7对应着h。

第4章系统调试

电路调试是整个系统功能否实现的关键步骤，我们将整个调试过程分为三大部分：

硬件调试、软件调试和综合调试。

4.1软件仿真调试

软件仿真调试主要是针对单片机部分进行调试。

在软件运行前，先确保电路中连线正确，这一工作是整个调试工作的第一步，也是非常重要的一个步骤。

在这部分调试中主要通过目测，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。

在确保软件仿真电路正常，无异常情况（断路或短路）方可进行软件运行，在本次设计中，软件运行主要是测试单片机键盘控制部分、数码管点亮部分、和音频功放电路调试。

1、数码管LED电路调试：

软件运行，随机按下按钮可以看到数码管显示数字；

2、单片机键盘控制部分调试：

软件运行，随机按动键盘可以发现各个按键对应的音正确。

4.2软件调试

调试主要方法和技巧：

通常一个调试程序应该具备至少四种性能：

跟踪、断点、查看变量、更改数值。

整个程序是一个主程序调用各个子程序实现功能的过程，要使主程序和整个程序都能平稳运行，各个模块的子程序的正确与平稳运行必不可少，所以在软件调试的最初阶段就是把各个子程序模块进行分别调试。

第5章调试结论

通过各方面努力，本次单片机课程设计任务完成，系统大部分功能已实现。

可以随意演奏一首喜欢的曲子，并可以显示在数码管上，可以通过功能切换进行自动播放歌曲，基本达到预定的效果。

单片机课程设计是专科学习阶段一次非常难得的理论与实践相结合的机会，通过这次系统的项目设计提高了我运用所学的专业基础知识来解决面临实际问题的能力，同时也提高了我查阅各种文献资料、设计手册、设计规范以及软件编程排版的水平。

対单片机课程设计的整个流程和设计要求都有了深刻的认识，对以后的学习和设计都有很大的帮助。

第6章设计心得体会

通过这次单片机课程设计，我弄懂了不少课本上的知识，还扩展了一些课本没有的知识，通过自己的思考和努力，很好的完成了这次课程设计。

首先在课程设计刚开始的调研阶段，我学会了怎么通过各种方式查询相关的资料。

通过对这些资料的学习，我大致了解了单片机的发展现状以及未来的发展趋势，认识到目前单片机方面的各种各样的发展，和它们之间的竞争。

了解了单片机方面的先进技术，这些都为我的未来的学习指明了方向。

我的课程设计主要涉及硬件和软件两方面的内容，通过这些我的硬件和软件开发能力都获得了提高。

首先硬件方面，基本了解了电子产品的开发流程和所要做的工作。

虽然本次课程设计的硬件焊接工序没有实际操作，但是我们对每一个元件的分析和选取都是很到位的，对电路的分析在指导老师邓芳明老师的帮助下更是步步深入。

对电路的分析和理解有了更实际的感受。

在软件方面，程序的编写是我们的弱项，所以我们是先从网上找来类似的程序模板，然后借助各方面的资料对程序的每一步进行分析，按我们的需求进行修改，最终才得到我们现在的程序方案。

比如，在原有的基础上增加了一些歌曲的程序，更改了中断程序等等。

微型计算机的出现和大量使用将人类社会带入一个新的时代，单片微型计算机（简称单片机）在其中扮演着十分重要的角色。

作为21世纪的工科大学生，学好单片机，一方面可以加深对计算机原理和结构的认识，另一方面也为自身在专业上的深入发展构筑了一个很好的平台其重要性怎么强调都不为过。

将程序烧入芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律。

还可以自动播放系统自带的音乐歌曲。

通过制作电子琴，将几个模块很好的融合起来，对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴系统硬件和软件系统的组成。

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，同时通过显示模块来确知自己所弹的音符。

通过功能切换来播放你想要的系统歌曲音乐。

不足之处有：

1.对于单片机课程设计的一些设计小细节和单片机的实践应用还需要不断的通过实践和练习来提高加强。

比如对单片机开发的最小系统要有跟多的认识。

2.可弹奏的音符数较少，最多只能设置16个音符，只能在一定范围内满足用户需要。

可通过改进键盘识别模块和发生模块来增加其复杂度。

3.音色不可调，只有一种波形的频率输出。

可以在外围电路设计滤波电路，接在不同的输出口，通过软件实现不同端口的输出，从而接入不同的滤波电路，输出不同的波形，从而获得不一样的音色。

4.不能以和弦形式演奏，只能单个键按下输出单个的音阶。

5.还是缺乏足够的设计经验，本次选用的按键有些较难按下，有些反应不够灵敏，所以导致演奏时不够流畅，音色还有些吵杂等等问题。

总之，通过本次单片机课程设计，我学到了很多在课堂里没有学到和用过的新知识和实践技巧，对于单片机的课程设计中遇到的难点和问题，自己不会的东西和知识点，我会以积极的态度和求实认真的心态去思考和分析，对于课程设计的具体流程和设计方法，思路的探索和形成都有了自己的一些目标，对于以后的课程设计和实训积累了不少的经验，感觉自己比以前会更有目的的去做好一件事情，通过此次课程设计受益匪浅。

参考文献

[1]李广弟，朱月秀.单片机基础（第三版）.北京航天大学出版社2007年6月.

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