單片機原理及系統(tǒng)課程設(shè)計報告基于單片機的16鍵電子琴一、電子琴設(shè)計的目的、要求與設(shè)計方法1.1設(shè)計目的現(xiàn)代樂器中，電子琴是高新科技在音樂領(lǐng)域的一個代表，體現(xiàn)了人類電子技術(shù)和藝術(shù)的完美結(jié)合。電子琴自動伴奏的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，以及鮮明的強弱規(guī)律、隨人設(shè)置的速度要求，都更便于人們由易到難、深入淺出的準(zhǔn)確掌握歌曲節(jié)奏和樂曲風(fēng)格，對其節(jié)奏的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性訓(xùn)練能起到非常大的作用。1.2設(shè)計要求本設(shè)計主要是用AT89C52單片機為核心控制元件，設(shè)計一個微縮版的電子琴。單片機與按鍵構(gòu)成主控制模塊，在主控制模塊上設(shè)置有9個按鍵，分別達成不同目標(biāo)。本系統(tǒng)主要為了完成電子琴的三大功能：電子琴彈奏和音樂播放及錄音。1.3電子琴設(shè)計方法1.3.1設(shè)計工具表1軟件簡介軟件名稱設(shè)計作用KeiluVision4編寫程序與編譯PROTEUS繪制硬件電路圖、數(shù)字仿真MicrosoftVisio繪制程序流圖與框圖1.3.2設(shè)計思路(1)功能按鍵觸發(fā)外部中斷，以完成不同曲目的的切換。(2)設(shè)置定時器產(chǎn)生不同頻率的方波，I/O口輸出，經(jīng)功放后揚聲器發(fā)聲。(3)采用4×4矩陣鍵盤彈奏16個音（低XI到高DO）。電子琴的設(shè)計方案及原理2.1設(shè)計總體方案本系統(tǒng)采用AT89C52為主控芯片。輸入電路有16個琴鍵按鍵，通過按鍵隨意按下所要表達的音符，作為電平送給主體電路，中央處理器通過識別，解碼輸出音符，在揚聲器中發(fā)出有效的聲音。1個音樂按鍵用于播放音樂和切換歌曲，通過按鍵觸發(fā)中斷，重置定時器初值，于另一個揚聲器中發(fā)出有效音響?？傇O(shè)計框圖如下圖1所示。單單片機時鐘復(fù)位電路時鐘復(fù)位電路數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管顯示電路琴鍵控制電路琴鍵控制電路音頻播放電路音頻播放電路音樂切換電路音樂切換電路圖1基于單片機的電子琴電路原理框圖2.2發(fā)聲原理利用AT89C52的內(nèi)部定時器使其工作計數(shù)器模式（MODE1）下，改變計數(shù)值TH0及TL0以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階，例如，頻率為523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令計數(shù)器計時956μs/1μs＝956，每計數(shù)956次時將I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。

計數(shù)脈沖值與頻率的關(guān)系式是：

N＝fi÷2÷fr。式中，N是計數(shù)值；fi是機器頻率（晶體振蕩器為12MHz時，其頻率為1MHz）；fr是想要產(chǎn)生的頻率。

電子琴的硬件設(shè)計基于單片機AT89C51的電子琴電路由琴鍵控制電路、數(shù)碼管顯示電路、音頻播放電路、時鐘-復(fù)位電路、音樂切換電路和電源電路六部分所構(gòu)成。3.1琴鍵控制電路琴鍵控制電路作為人機聯(lián)系的輸入部分，也是間接控制數(shù)碼顯示和音頻功放的重要組成部分。鍵盤按照連接方式可以分為獨立式和矩陣式鍵盤兩類。3.1.1矩陣式鍵盤如圖2所示為4X4矩陣式鍵盤電路，由一個4X4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個16個按鍵鍵盤。

矩陣中無按鍵按下時，行線為高電平；當(dāng)有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平?jīng)Q定。列線的電平如果為低，則行線電平為低；列線的電平如果為高，則行線的電平也為高，這是識別按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。圖2矩陣式鍵盤3.1.2獨立式鍵盤

獨立式鍵盤的特點是一鍵一線，各鍵相互獨立，每個鍵各接一條I/O口線，通過檢測I/O輸入線的電平狀態(tài)，可判斷出被按下的按鍵。

3.1.3

方案比較

表2鍵盤類型比較鍵盤類型優(yōu)點缺點獨立式電路簡單，編程簡單占用I/O口線多矩陣式占用I/O口線較少編程比較復(fù)雜由于此次設(shè)計的琴鍵控制電路需要16個按鍵，故單純從I/O口線的占用的角度比較，獨立式需要占用16條I/O口線，而矩陣式卻只需8條。故選擇矩陣式鍵盤電路比較合理。3.2數(shù)碼管顯示電路LED（Light

Emitting

Diode）發(fā)光二極管縮寫。LED數(shù)碼管是由發(fā)光二極管構(gòu)成的。常見的LED數(shù)碼管為“8”字型的，共計8段。一般來說分共陽極和共陰極兩種接法。3.2.1LED數(shù)碼管靜態(tài)顯示

靜態(tài)顯示方式即無論多少位LED數(shù)碼管，同時處于顯示狀態(tài)。如果送往各個LED數(shù)碼管所顯示字符的段碼一經(jīng)確定，則相應(yīng)I/O口鎖存器鎖存的段碼輸出將維持不變，直到送入另一個字符的段碼為止。3.2.2LED數(shù)碼管動態(tài)顯示

靜態(tài)顯示方式就是無論在任何時刻只有一個LED數(shù)碼管處于顯示狀態(tài)，即單片機采用“掃描”方式控制各個數(shù)碼管輪流顯示。

3.3.3方案比較

對于以上兩種數(shù)碼管驅(qū)動電路的的優(yōu)缺點比較如表3所示。由于靜態(tài)驅(qū)動方式的顯示無閃爍，亮度較高，編程簡單，加上本次設(shè)計的數(shù)碼管顯示電路只需要2個數(shù)碼管，且分別接兩部分管腳，故選擇靜態(tài)驅(qū)動方式來顯示數(shù)碼管更為合理。如圖3所示為數(shù)碼管顯示電路，采用靜態(tài)驅(qū)動方式和共陽極接法。表3數(shù)碼管顯示方式比較驅(qū)動方式優(yōu)點缺點靜態(tài)顯示顯示無閃爍，亮度較高，編程簡單數(shù)碼管越多，所需的電流越大，電源的要求越高動態(tài)顯示電路簡單，數(shù)碼管越多，優(yōu)勢越明顯不如靜態(tài)顯示的亮度高，

可能出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象圖3數(shù)碼管靜態(tài)顯示電路3.3音樂切換電路通過按鍵拉低電平，觸發(fā)中斷0。3.4音頻播放電路使用兩個揚聲器，一個作為琴鍵輸出，一個作為樂曲輸出。3.5時鐘復(fù)位電路3.5.1時鐘電路

時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。

本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式做時鐘電路。3.5.2復(fù)位電路

在單片機的實用系統(tǒng)中，一般有兩種復(fù)位操作形式：上電復(fù)位和手動復(fù)位。

上電復(fù)位在單片機系統(tǒng)每次通電時執(zhí)行。手動復(fù)位在系統(tǒng)出現(xiàn)操作錯誤或程序運行出錯時使用。

由于本設(shè)計的需要，同時采用這兩種復(fù)位方式。整體電路圖如下圖4所示。圖4整體硬件設(shè)計電子琴的軟件設(shè)計系統(tǒng)功能的實現(xiàn)一般包括硬件部分和軟件部分，一旦硬件確定下來，軟件要實現(xiàn)的功能也隨之確定。而為使編程思路清晰，應(yīng)先繪制程序流程圖。

4.1

系統(tǒng)硬件接口定義

表4系統(tǒng)硬件接口定義引腳名接口說明備注P0.0~P0.7琴鍵數(shù)碼管與單片機通信數(shù)碼管顯示電路P2.0~P2.7曲目數(shù)碼管與單片機通信數(shù)碼管顯示電路P3.2(INT0)外部中斷源輸入端音樂切換電路P1.0~P1.7矩陣鍵盤接口琴鍵控制電路P3.0,P3.7控制揚聲器音頻播放電路4.2主函數(shù)

主函數(shù)流程圖如圖5所示。利用模塊化的思想，主函數(shù)只執(zhí)行初始化函數(shù)、鍵盤掃碼函數(shù)、音頻處理函數(shù)和數(shù)碼管顯示函數(shù)。圖5主函數(shù)流程圖4.3初始化函數(shù)初始化的流程框圖如圖6所示。該函數(shù)對所需的I/O口、外部中斷0、定時器0、定時器T1以及數(shù)碼管進行初始化配置。TMOD=0x11;//T0方式1，T1方式1IP=0x01;//INT0中斷優(yōu)先級最高 EA=1;ET0=1;ET1=1;EX0=1;//允許中斷TR0=0;//關(guān)定時器0P1=0xbf;//鍵盤初始化flag=0; //標(biāo)志位置0圖6初始化流程圖4.4數(shù)碼管顯示及音頻處理函數(shù)根據(jù)鍵值掃描函數(shù)讀取的鍵碼，揚聲器發(fā)聲并結(jié)合數(shù)碼管顯示出來。圖7數(shù)碼管顯示流程圖4.5中斷函數(shù)中斷函數(shù)用到了外部中斷和定時器中斷。外部中斷的流程框圖如圖8所示，當(dāng)按鍵按下時，外部信號觸發(fā)外部中斷，執(zhí)行鍵值掃描函數(shù)，讀取對應(yīng)的鍵值。定時中斷的流程框圖如圖9所示，定時器溢出中斷后，進行重裝載初值，同時執(zhí)行相應(yīng)的音頻控制操作。

4.6鍵值掃描函數(shù)將輸入端置為高電平，輸出端置為低電平。這樣，當(dāng)按鍵沒有按下時，所有的輸入端無變化，代表無鍵按下。一旦有鍵按下，則輸入線就受輸出線的影響被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。流程圖如圖10所示。圖8外部鍵盤中斷流程圖圖9定時器中斷流程圖圖10鍵值掃描流程圖電子琴的系統(tǒng)仿真5.1部分仿真結(jié)果表5仿真結(jié)果按鍵編號發(fā)聲音調(diào)數(shù)碼管顯示備注0低XI0，-1中DO1，-2中RI2，-無播放曲目及停止1，2，或-重復(fù)按切換音樂圖11音樂顯示為“-”或不顯示的時候，琴鍵按下DO有效圖12按音樂鍵，播放音樂1，琴鍵彈奏無效5.2調(diào)試中出現(xiàn)的問題及解決電子琴的設(shè)計并非一帆風(fēng)順，在這期間遇到了很多問題，下面談幾個關(guān)鍵的問題。首先是數(shù)碼管顯示亂碼的問題，原本以為是數(shù)碼管字形碼表的代碼有錯，檢查幾遍發(fā)現(xiàn)代碼基沒錯，后來結(jié)合硬件圖一看，才知道硬件圖中數(shù)碼管是共陽極接法，軟件中的數(shù)碼管字形碼表是共陰極的。其二是按鍵引入中斷檢測時遇到的問題，按音樂鍵后琴鍵無法發(fā)聲和顯示，浪費了很多時間，最終發(fā)現(xiàn)是程序的判斷條件有問題。其三是揚聲器發(fā)出的音調(diào)不對，甚至沒有聲音，這個問題后來還是不能解決，最后放棄了LM386的功放電路，直接接揚聲器，但是導(dǎo)致了部分琴鍵發(fā)聲帶雜音?？偨Y(jié)在本次設(shè)計八路多功能搶答器的課設(shè)過程中，我利用AT89C52單片機及外圍接口實現(xiàn)電子琴，利用單片機的定時器/計數(shù)器定時和計數(shù)的原理實現(xiàn)對彈奏和播放的功能，利用Proteus和Keil軟件設(shè)計出實驗電路，完成了課設(shè)的任務(wù)。在本次課設(shè)中，我意識到將理論知識與實踐相結(jié)合的重要性，對于單片機這樣的課程，僅僅通過了解課本上的知識是遠遠不夠的,我通過查資料和搜集有關(guān)文獻，培養(yǎng)了自學(xué)能力，通過利用軟件仿真和焊接電路，在很大程度上提高了我的動手能力。我們在課設(shè)的過程中，遇到了很多問題，比如我在仿真的過程中錯把共陰極數(shù)碼管字模當(dāng)作共陽極使用，使得數(shù)碼管無法正常顯示，通過查資料我明白了共陰極數(shù)碼管是高電平驅(qū)動，公共端是負極，共陽極數(shù)碼管是低電平驅(qū)動，公共端是正極，類似的問題出現(xiàn)了很多，我們通過一一排查，終于完成了課設(shè)任務(wù)，結(jié)果表明，有付出必有收獲，把握重點、攻克難關(guān)，活學(xué)活用對于牢固的掌握知識，是非常有用的。在此次課設(shè)中，我學(xué)到了很多，也通過不斷糾正自己的錯誤，意識到自身的不足，我對知識的掌握還沒有實現(xiàn)深層次的理解記憶，我相信這些教訓(xùn)都為我以后的學(xué)習(xí)奠定了良好的基礎(chǔ)，時刻牢記團隊合作、堅持與努力的重要性。參考文獻[1]王思明,張金敏,茍軍年.單片機原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計[M].北京:人民郵電出版社,2008.[2]馮育長,鄒小兵.單片機系統(tǒng)設(shè)計與實例指導(dǎo)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出社,2004.[3]彭偉.單片機C語言程序設(shè)計實訓(xùn)100例[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.[4]單丹,馬淑云.基于AT89C51單片機電子琴的設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2002.附錄#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//共陽極數(shù)碼管UcharcodeLED[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xbf};sbitbeep=P3^0;ucharkey;//鍵號sbitbuzzer=P3^7;uchardis_buf;ucharflag;//音符延時表uintcodeTone_Delay_Table[]={64524,64580,64684,64777,64820,64896,64966,65030,65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283,65316};//音調(diào)與節(jié)拍ucharcodeSong1_Tone[]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,15,14,13,12,11,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,0,0xff};ucharcodeTime1_Tone[]={1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0xff};ucharcodeSong2_Tone[]={3,5,5,3,2,1,2,3,5,3,2,3,5,5,3,2,1,2,3,2,1,1,0xff};ucharcodeTime2_Tone[]={2,1,1,2,1,1,1,2,1,1,1,2,1,1,2,1,1,1,2,1,1,1,0xff};ucharcodeSong3_Tone[]={1,1,5,5,6,6,5,4,4,3,3,2,2,1,0xff};ucharcodeTime3_Tone[]={1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0xff};//定義按鍵序號ucharkeyno;//音樂片段索引，音符索引ucharsong_index=0;uchartone_index=0;//音符指針，延時指針uchar*tone_pointer,*delay_pointer;//從當(dāng)前數(shù)組中取出音符的位置uchari=0;//毫秒延時voiddelayms(uintms){ uchart; while(ms--)for(t=0;t<120;t++);}//按鍵產(chǎn)生外部中斷voidKey_Press()interrupt0{ TR0=0; //切換歌曲 song_index=(song_index+1)%3; switch(song_index) { case2:tone_pointer=Song1_Tone; delay_pointer=Time1_Tone; break; case1:tone_pointer=Song2_Tone; delay_pointer=Time2_Tone; break; case0:tone_pointer=0; delay_pointer=0; break; } //重新開始 i=0; TR0=1; flag=1;}//T0中斷播放voidplay_music()interrupt1{ if(song_index!=0){ TH0=Tone_Delay_Table[tone_index]/256; TL0=Tone_Delay_Table[tone_index]%256; buzzer=~buzzer;} else{buzzer=0;}}/*voidkey_scan(){ uchartemp,k; //高四位置0，放入四行 P1=0x0f; delayms(2); //按鍵后00001111變成0000xxxx，x中1個為0,3個仍為1 //以下亦或操作把3個1變成0，唯一0變成1 temp=P1^0x0f; //判斷按鍵發(fā)生于0-3列的哪一列 switch(temp) { case1:k=0;break; case2:k=1;break; case4:k=2;break; case8:k=3;break; default:return; } //底四位置0，放入四列 P1=0xf0; delayms(2); //按鍵后11110000變成xxxx0000,x為1個0，三個仍為1 //高四位移動至底四位，唯一0變1，其余為0 temp=(P1>>4)^0x0f; //對0~3行分別賦起始值0，4，8，12 switch(temp) { case1:k+=0;break; case2:k+=4;break; case4:k+=8;break; case8:k+=12;break; default:return; } keyno=k;}*///矩陣鍵盤掃描子程序voidkey_scan(void){ uchartemp;P1=0x0F;//低四位輸入delayms(2);//稍稍延時temp=P1;//讀P1口temp=temp&0x0F;//取低四位temp=~(temp|0xF0);if(temp==1)//檢測按下的鍵所在的列號，在第一列key=0;elseif(temp==2)//在第二列key=1;elseif(temp==4)//在第三列key=2;elseif(temp==8)//在第四列key=3;elsekey=16;//否則顯示-P1=0xF0;//高四位輸入delayms(2);temp=P1;//讀P1口temp=temp&0xF0;temp=~((temp>>4)|0xF0);if(temp==1)//檢測按下的鍵所在的行號，在第一行key=key+0;elseif(temp==2)//在第二行key=key+4;elseif(temp==4)//在第三行key=key+8;elseif(temp==8)//在第四行key=key+12;elsekey=16;//否則顯示-/*根據(jù)行號和列號得到按下的鍵號*/dis_buf=LED[key