简易电子琴的设计

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1、学院单片机课程设计报告简易电子琴院 系 物理与电子工程学院 专 业 自动化 学 生 班 级 2010级3班 姓 名 学 号 10 指导教师单位 指导教师姓名 指导教师职称 副教授 2013年10月简易电子琴自动化专业2010级 指导教师 摘要：随着电子技术的发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作，因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣，电子技术与音乐的结合不断加深。而电子琴就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。本系统是以51系列

2、单片机AT89C51为主控制器，附有矩阵键盘、LED显示管、扬声器组成。系统完成显示输入信息、播放相应音符等基本功能。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。关键词：单片机，AT89C51，电子琴 目录前言随着电子科技的飞速发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作，因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣。基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就是一个很好的应用方面。单片机技术使我们可以利用软硬件实现电子琴的功能，从而实现电子琴的微型化，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。并且可以进行一定的功能扩

3、展。鉴于传统电子琴可以用键盘上的“k0”到“k16”键演奏从低So到高DO等16个音，从而可以用来弹奏喜欢的乐曲。1本系统主要研究内容本系统设计制作一个可演奏的电子琴。综合应用了两项设计。（1）键盘矩阵识别。即矩阵扫描，显示当前按键。（2）不同频率音符播放。可以通过按键控制16种发音。2 系统分析 2.1系统组成本系统只要以51单片机为主控核心，与矩阵键盘、扬声器、LED显示管模块一起组合而成。具体如图1所示。键盘单片机数码管蜂鸣器图1 简易电子琴的系统组成2.2系统工作原理本系统扫描键盘矩阵、显示按键、扬声器发出对应音符。4X4行列式键盘识别及显示原理如下：组成键盘的按键有机械式、电容式、导

4、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

5、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520mm。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

6、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AT89S51的并行口P1接44矩阵键盘，以P1.0P1.3作输入线，以P1.4P1.7作输出线；在数码管上显示每个按键的“0F”序号。

7、总体电路具体原理如图2所示。模块初始化发送扫描码有键按下 下开始扫描键盘矩阵显示按键启动定时器根据Key No发音显示按键延时结束停在播放是否图2 总体电路原理图3系统硬件设计3.1系统硬件总体设计本系统由键盘矩阵、LED显示管、扬声器这几个部分组成，LED显示管显示当前按键，扬声器发出对应音符。硬件总体设计图如图3所示。图3 硬件总体设计图3.2子系统（模块）一LED显示模块如图2-2所示，利用AT89S51单片机的P0端口的P0.0P0.7连接到一个七段数码管的ah的笔段上，数码管的公共端接电源。矩阵扫描显示当前按键模块如图4所示。图4 矩阵扫描显示当前按键模块图3.3子系统（模块）二对键

8、盘扫描电路的扫描方式有行扫描法和线反转法，在此次程序编写中，采用行扫描法，通过在p1.0p1.3上循环送出0扫描信号，p1.4p1.7输入按键上的高低电平信息给单片机，经处理程序，判断出是哪个开关按下，并送主程序以实现不同功能。键盘扫描电路图如图5所示。图5 键盘扫描电路图4软件设计 本软件设计关键是要实现一种由单片机控制的简单音乐发生器，它由16个音节组成的的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。4.1 音乐相关知识 乐音听起来有的高，有的低，这就叫音高，音高是由发音物体振动频率的高低决定的，频率高声音就高，频率低声音就低，不同音商的乐

9、音是用C、D、E、F、G、A、B表示的，这7个字母就是乐音的音名，它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，这是唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示，休止符表示暂停发音。一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同的频率，这样就可以利用不同频率的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐。七段LED显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成，根据各管的极管的接线形式，可分成共阴极型和共阳极型。 LED数码管的ga七个发光二极管因加正电压而发亮，因加零电压而不以发亮，不同亮暗的组合就能形成不同的字形，这种组合称之为字形码。本系统按

10、键显示模块软件流程图如图6所示。开始模块初始化有键按下键盘扫描显示按键结束是否图6 按键扫描流出图5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。5.1硬件调试硬件调试主要是针对单片机部分进行调试。在上电前，先确保电路中不在断路或短路情况，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使用的工具是万用表，用来完成检测电路中是否存在断路或者短路情况等。注意焊点之间，确保焊点没有短接在一起，同时注意焊点的美观，确保没有开路以及短路的现象出现。在确保硬件电路正常，无异常情况(断路或短路)方可上电调试，上电调

11、试的目的是检验电路是否接错，同时还要检验原理是否正确，在本次设计中，上电调试主要键盘单片机控制部分、数码管点亮部分、和音频转换电路硬件调试。1、数码管LED电路调试：接通电源，随机按下按钮可以看到数码管显示数字。2、键盘单片机控制部分调试：上电后，随机按动键盘可以发现各个按键对应的音正确。5.2 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。设计总结以及心得体会

12、通过这周的单片机课程设计，我学到了不少课本上没有的知识，而且自己的动手能力也得到了提升。首先，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。了解了单片机用途的广泛性，这些都为我未来的学习和就业指明了方向。本次课程设计主要涉及硬件和软件两方面的内容，通过这次设计，我对51系单片机的接口有了更深层次的理解，熟悉了一些单片机常用的外围电路引脚和连接方法，如LED数码管，键盘等。自己对软件、硬件的开发工作有了更多的认识。虽然有很多知识没有学过，但通过自学还是掌握了一些在课堂上没有掌握的内容。希望以后能更加努力，把所学的知识应用于实践。参考文

13、献1 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社.2009年2 吴运昌模拟电子线路基础广州：华南理工大学出版社，2004年3 阎石数字电子技术基础北京：高等教育出版社，1997年4 李建忠单片机原理及应用西安：西安电子科技大学，2002年5 韩志军等.单片机应用系统设计M.机械工业出版社，20046 周润景等. Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例M.电子工业出版社，20067 马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计M.北京航空航天大学出版社，20068 于海生. 微型计算机控制技术选编M.清华大学出版社，1999.9 李朝青. 单片机原理及接口技术M. 北京：北京航天航空大学出版色，2001.10 胡汉才. 单片机原理及其接口技术M. 北京：清华大学出版社，2004.