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基于单片机电子琴设计

来源：飒榕旅游知识分享网

河南理工大学

------基于AT89S52单片机简易电子琴设计

姓名：学号：

专业班级：电信08—2班指导老师：胡治国刘巍

《单片机应用与仿真训练》设计报告

河南理工大学本科课程设计报告

所在学院：电气工程与自动化学院

2011年11月22 日

摘要

设计的主要内容是用 AT89S52单片机为核心控制元件，通过脉冲触发产生出电子音调，设计一个简易的电子琴。以单片机作为主控核心，与键盘、蜂鸣器等模块组成控制模块。该系统运行稳定，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，具有一定的实用与参考价值。

关键词：AT89S52；单片机；脉冲触发；电子琴设计

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1 概述 .................................................................................................................................. 4

1.1 功能简介 ................................................................................................................. 4 1.2 功能的实现 ............................................................................................................. 4 1.3 音乐产生原理 ......................................................................................................... 4 2 系统总体方案及硬件设计 ................................................................................................. 6

2.1 总体方案 ................................................................................................................. 6 2.2 硬件部分 ................................................................................................................. 6

2.2.1 矩阵键盘部分 ............................................................................................... 7 2.2.2 扬声器接口电路部分 .................................................................................... 7

3 软件设计 ........................................................................................................................... 9 4 Proteus软件仿真 ............................................................................................................ 11 5 课程设计体会 .................................................................................................................. 12 参考文献 ............................................................................................................................. 13 附录1 源程序代码 ............................................................................................................. 13 附录2系统原理图 .............................................................................................................. 27

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1 概述

1.1 功能简介

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。

本简易电子琴的设计可实现的功能如下：程序中预存了一首音乐《月亮代表我的心》，通过一个独立键盘可以实现对该音乐的播放和停止操作的控制。4*4矩阵键盘的16个按键分别对应着16个不同的音符，分为高、低两个八度，当按下某一按键，会发出相应的音调。按下按键时，扬声器会发出声音，松开按键后，扬声器停止发声，按键的时间越长，发声时间越久。连续按下不同的按键，可以实现乐曲的演奏。

1.2 功能的实现

功能的实现部分分为软件和硬件两部分来简介。

1.3 音乐产生原理

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

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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，只需将一首歌的音阶和频率相对应即可。

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AT89S52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 2-2 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

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高音DO的T＝65536－500000/1046＝65059

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，音符表见附录一。

音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表2-1所示）表2-1 曲调值表

曲调值调4/4 调3/4 调2/4 DELAY 125ms 187ms 250ms 曲调值调4/4 调3/4 调2/4 DELAY 62ms 94ms 125ms 错误！未指定书签。对于不同的曲调我们也可以用单片机的定时/计数器来完成。

程序流程图如图2.5。

2 系统总体方案及硬件设计

2.1 总体方案

本设计采用4*4键盘控制通过程序产生高八度和低八度音律，要考虑到软件和硬件的匹配以及硬件电路焊接时的排版问题，否则建会带来不必要的焊接麻烦，在编程序时要注意仿真与实际电路中可能的不符，

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2.2 硬件部分

本设计硬件电路共由以下几部分构成：矩阵键盘部分；扬声器部分；AT89S52主控电路部分；独立按键部分。

2.2.1 矩阵键盘部分

设计中采用AT89S51的并行口P3接4×4矩阵键盘，以P3.0－P3.3作输入线，以P3.4－P3.7作输出线。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。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，在本程序中，当程序检测到有键按下时，将查表使按键值与预存数据表中数据对应，并调用发声程序。

图2.1 矩阵键盘的连接

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2.2.2 扬声器接口电路部分

仿真中的扬声器一段接CPU的P2^4口，另一端接高电平。当P2^4口有电平变化时，扬声器被驱动发声。而在实物制作中，这样是难以实现功能的，需要增加模拟电路以除去多余的干扰信号。也可选用集成芯片LM386作为扬声器的驱动芯片。若使用LM386驱动扬声器，通过相应的模拟电路的设计，还可以实现音量的调节。不过，在平时做实物时，我们一般用一个三极管作为放大器，这次我采用的是8050

图2.2扬声器接口电路

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3 软件设计

本设计使用Protues仿真软件进行仿真，在程序设计部分，包括键盘扫描程序，音乐发声程序。程序见附录1。

4*4矩阵键盘是由CPU控制I/O口来实现扫描的。具体程序见附录二主程序键盘扫描部分。键盘扫描程序流程图如图2.4。

程序首先给P3口赋值，然后读取P3的状态，将读取的状态值同所赋值相比较，如果二者不相同，则说明有键按下，子程序将按键值返回主程序；否则，说明没有键按下，程序继续进行下一次扫描。本系统的软件流程图如下

图 2.3 系统主程序流程

结束是否休止符？播放预存音乐独立键盘按下？是矩阵键盘按下？是否否芯片初始化开始响应对应音符是有键按下？否 9

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键盘扫描程序流程图

图 2.4键盘扫描程序流程图

音乐发声程序

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图 2.5音乐发声程序流程图

4 Proteus软件仿真

仿真电路图

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5 课程设计体会

将程序烧入芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律。本设计通过制作电子琴，将几个模块很好的融合，对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并了解了基于单片机电子琴统硬件组成。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。

遇到的问题：在刚刚焊接好后，程序烧入芯片后，发现并不发声，经检查才发现是对键盘没看清楚，将键盘接乱了，另外，在硬件电路修改好后，发现每次按键时会引起蜂鸣器一直响，再按键时有可能会消失，经检查后知道是再每按键件程序后蜂鸣器对应参值没有直接置零。

总之，这是一次动手能力的锻炼，也是一次单片机知识的再回顾，还是对自己细心以及耐心能力的考察。

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参考文献

[1] 贾立新、王涌.电子系统设计与实践[M]，清华大学出版社，2008年2月版； [2] 陶春鸣、陈享成、瓮嘉民.单片机使用技术[M],人民邮电出版社,2008年4月版； [3] 余发山.单片机原理及应用技术[M]，中国矿业大学出版社，2003年12月版； [4] 李光飞.单片机课程设计实例指导[M], 航空航天大学出版社，2004年9月版； [5] 余永权.ATMEL89 系列单片机[M]，北京航空航天大学出版社，2002年4 月版； [6] 胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术[M]，高等教育出版社，2007年12月版； [7] 赵润林，张迎辉.单片机原理与应用教程[M]，北京大学出版社，2007年1月版； [8] 马淑华、王凤文.单片机原理与接口技术[M]，北京邮电大学出版社，2005年10月版； [9] 李建忠.单片机原理及应用[M]，西安电子科技大学出版社，2002 年5月版； [10] 杨子文.单片机原理及应用[M],西安电子科技大学出版社，2006 年4月版

附录1 源程序代码

#include

#define uchar unsigned char #define uint unsigned int uint key,i,j,time,m,k; uchar temp;

uchar STH0,STL0,STH1,STL1; sbit sw=P2^7; sbit speaker=P2^4; sbit P37=P3^7; sbit P36=P3^6; sbit P35=P3^5; sbit P34=P3^4;

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//月亮代表我的心数据表

code unsigned char sszymmh[]={ 0,2,1, 5,1,1, 1,2,3, 3,2,1, 5,2,3, 1,2,1, 7,1,3, 3,2,1, 5,2,2, 0,2,1, 5,2,1, 6,2,1, 7,2,2, 1,3,3,

6,2,1, 6,2,1, 5,2,1, 5,2,5, 3,2,1, 2,2,1, 1,2,3, 1,2,1, 1,2,2, 3,2,1, 2,2,1, 1,2,3, 1,2,1, 1,2,2, 2,2,1, 3,2,1,2,2,2, 1,2,1,6,1,2, 2,2,1, 3,2,1, 2,2,5,

}; // 音阶频率表高八位

code unsigned char FREQH[]={

0xF2,0xF3,0xF5,0xF5,0xF6,0xF7,0xF8, 0xF9,0xF9,0xFA,0xFA,0xFB,0xFB,0xFC,0xFC, //1,2,3,4,5,6,7,8,i

0xFC,0xFD,0xFD,0xFD,0xFD,0xFE, 0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFF, } ; // 音阶频率表低八位

code unsigned char FREQL[]={

0x42,0xC1,0x17,0xB6,0xD0,0xD1,0xB6, 0x21,0xE1,0x8C,0xD8,0x68,0xE9,0x5B,0x8F, //1,2,3,4,5,6,7,8,i

0xEE,0x44, 0x6B,0xB4,0xF4,0x2D, 0x47,0x77,0xA2,0xB6,0xDA,0xFA,0x16,

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};

unsigned int code tab[]={ 64103,64260,64400, 64524,64580,64684,64777,

64820,64898,64968,65030,

65058,65110,65157,65178,65217}; void key_music() {

unsigned char tmp; P3=0xff; P34=0; temp=P3; temp=temp&0x0f; tmp = temp; if(temp!=0x0f) {

for(i=50;i>0;i--)

for(j=200;j>0;j--); temp=P3; temp=temp&0x0f; //(temp!=0x0f) if(temp==tmp)

{

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temp=P3; temp=temp&0x0f; switch(temp) {

case 0x0e:

key=0; break; case 0x0d: key=1; break; case 0x0b: key=2; break; case 0x07: key=3; break; }

//speaker=~speaker; STH1=tab[key]/256; STL1=tab[key]%256;

temp=P3;

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temp=temp & 0x0f;

while(temp!=0x0f) {TR0=1; temp=P3;

temp=temp & 0x0f; } TR0=0; speaker = 0; }

} P3=0xff; P35=0; temp=P3; temp=temp&0x0f; tmp = temp; if(temp!=0x0f) {

for(i=50;i>0;i--) for(j=200;j>0;j--); temp=P3; temp=temp&0x0f;

//(temp!=0x0f)

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if(temp==tmp) { temp=P3; temp=temp&0x0f; switch(temp) {

case 0x0e:

key=4; break; case 0x0d: key=5; break; case 0x0b: key=6; break; case 0x07: key=7; break; }

//speaker=~speaker; STH1=tab[key]/256;

STL1=tab[key]%256;

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temp=P3;

temp=temp & 0x0f;

while(temp!=0x0f) {TR0=1; temp=P3;

temp=temp & 0x0f; } TR0=0; speaker = 0; }

}

P3=0xff; P36=0; temp=P3; temp=temp&0x0f; tmp = temp; if(temp!=0x0f) {

for(i=50;i>0;i--)

for(j=200;j>0;j--);

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temp=P3; temp=temp&0x0f; //(temp!=0x0f) if(temp==tmp) { temp=P3; temp=temp&0x0f; switch(temp) {

case 0x0e:

key=8; break; case 0x0d: key=9; break; case 0x0b: key=10; break; case 0x07: key=11; break;

}

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//speaker=~speaker; STH1=tab[key]/256; STL1=tab[key]%256;

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; while(temp!=0x0f) {

TR0=1;

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; } TR0=0; speaker = 0; }

}

P3=0xff; P37=0; temp=P3; temp=temp&0x0f; tmp = temp;

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if(temp!=0x0f) {

for(i=50;i>0;i--)

for(j=100;j>0;j--); temp=P3;

temp=temp & 0x0f; //(temp!=0x0f) if(temp==tmp) { temp=P3; temp=temp&0x0f; switch(temp) {

case 0x0e:

key=12; break; case 0x0d: key=13; break; case 0x0b: key=14; break;

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case 0x07: key=15; break; }

//speaker=~speaker; STH1=tab[key]/256; STL1=tab[key]%256;

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; while(temp!=0x0f) {TR0=1; temp=P3;

temp=temp & 0x0f; } TR0=0; speaker = 0; }

}

void timer0(void) interrupt 1 using 0 {

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if(sw==1) {

TH0=STH1; TL0=STL1;

}

else {

TH0=STH0; TL0=STL0;

}

speaker=~speaker;

}

void delay(unsigned char t) { unsigned char t1; unsigned long t2; for(t1=0;t1{ for(t2=0;t2<8000;t2++) { ;

}

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}

} TR0=0;

void song() { }

void music(void) {

while(time&&sw==0) {

if(sw) {i=0;continue;}

unsigned int cnt; m=0; time=1; sw=1;

cnt = sizeof(sszymmh)/sizeof(char); TH0=STH0; TL0=STL0; TR0=1; delay(time);

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else { k=sszymmh[m]+7*sszymmh[m+1]-1; STH0=FREQH[k]; STL0=FREQL[k]; time=sszymmh[m+2];

song();m=m+3; if(m > cnt) break;

}

speaker = 0;

} void main() {

TMOD=0x01; ET0=1; TF0 = 1; EA=1; while(1)

{

if(sw==1)

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}

key_music(); else music(); }

附录2系统原理图

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