单片机课程设计电子琴-----按键演奏

目录

一、课题名称 (1)

二、设计内容概要 (1)

三、设计任务和要求 (1)

四、系统设计方案 (1)

4.1 系统设计思路 (1)

4.2 系统总体的组成框图 (1)

五、系统硬件设计及说明 (2)

5.1 系统控制模块AT89C51 (2)

5.2 琴键控制模块 (2)

5.3 播放模块 (3)

六、系统软件设计及说明 (3)

6.1 设置单片机产生音频脉冲的初值 (3)

6.2 实验主要程序 (4)

6.3 系统总体功能流程图 (5)

七、系统调试 (6)

7.1 使用的主要仪器和仪表 (6)

7.2 调试步骤 (6)

7.3 测试数据 (7)

7.4 故障与排除 (7)

八、课设答辩 (7)

九、课设小结 (8)

参考文献 (8)

附录 (9)

一、课题名称

电子琴设计——按键演奏

二、设计内容概要

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个按键和扬声器。

三、设计任务和要求

任务：设计并实现按键演奏电子琴

要求：利用数字键1、2、3、4、5、6、7、8作为电子琴键，按下数字键发出相应的音调。

四、系统设计方案

4.1 系统设计思路

利用所给单片机实验仪中键盘的1，2，3，4，5，6，7，8八个键，能够发出8个不同的音调，并且要求按下按键发声，松开延时一段时间停止，中间再按别的键则发另一音调的声音。当系统扫描到键盘上有键被按下，则快速检测出是哪一个键被按下，然后单片机的定时器被启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出相应的音调。

4.2 系统总体的组成框图

本系统采用AT89C51为电子琴控制中心，系统主要包括主控制模块、琴键控制模块、播放模块。如图1所示：

AT89C51控制中心模块

琴键控制模块

按键状态

响应

播放模块

发出音调

图1系统总体的组成框图

五、系统硬件设计及说明

5.1 系统控制模块AT89C51

图2 AT89C51的引脚图

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示。

P0口：漏极开路的双向I/O口。当使用外部存储器时（ROM或RAM）时，作为地址和数据总线分时复用。在程序效验时，输出指令字节（这时需加外部上拉电阻）。作为总线时P0口能驱动8个LSTTL负载。

P1口：准双向I/O口，具有内部上拉电阻，是通用的I/O口。在编程/校验时，用作输入低位字节地址，P1口可驱动4个LSTTL负载。

P2口：准双向I/O口，具有内部上拉电阻，是通用的I/O口。让使用片外存储器（ROM或RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验时，接收高位字节地址。P2口可驱动4个LSTTL负载。

P3口：准双向I/O口，具有内部上拉电阻，是通用的I/O口。P3口可驱动4个LSTTL负载。同时P3口还具有第二个功能，在使用第二个功能时，其输出锁存器应由程序置1。

5.2 琴键控制模块

琴键的按键选用的XL2000的JP37独立按键模块，此8个独立的按键开关按下为低电平。如图3所示：

图3 按键控制模块

5.3 播放模块

扬声器是一种把电平转变为声信号的换能器件，扬声器和性能对音质的高低音响很大。扬声器的种类很多，按其换能原理可分为电动式、静电式、电磁式、压电式等几种，后两种多用于农村有线广播网中，按频率范围可分为低音扬声器、中音扬声器，这些常在音箱中作为组合扬声器使用。在本次课程设计使用XL2000中JP16小喇叭模块。如图4所示：

图4 播放模块

六、系统软件设计及说明

6.1 设置单片机产生音频脉冲的初值

音乐实际上是有固定周期的信号，通过单片机的定时器的设置可以产生相应音频的音调。产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐，对于单片机而言，产生不同频率有脉冲非常方便，可以利用它的定时/计数器来产生这样的方波频率信号，因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系。

在本实验中，单片机工作于12MHZ时钟频率，使用其定时/计数器T1，工作模式为1，改变计数值TH0和TL0可以产生不同频率的脉冲信号，在此情况下，C调的各音符频率与计数值T的对照如下表1所示。其计算方法如下：计数脉冲值与频率的关系式是：

N＝fi÷2÷fr

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是想要产生的音调的频率。

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（262Hz）、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＝65058。

表1 音符频率与计数值T的对照表

音符频率（HZ）计数值（T值）TL TH 音符频率（HZ）计数值（T值）TL TH 低1DO 262 63627 0x8B 0xF8 #4FA# 740 64859 0x5B 0xFD #1DO# 277 63730 0xF2 0xF8 中5SO 784 64897 0x81 0xFD 低2RE 294 63835 0x5B 0xF9 #5SO# 831 64933 0xA5 0xFD #2RE# 311 63927 0xB7 0xF9 中6LA 880 64967 0xC7 0xFD 低3MI 330 64020 0x14 0xFA #6LA# 932 64999 0xE7 0xFD 低4FA 349 64102 0x66 0xFA 中7SI 968 65029 0x05 0xFE #4FA# 370 64185 0xB9 0xFA 低1DO 1046 65057 0x21 0xFE 低SO 392 64259 0x03 0xFB #1DO# 1109 65084 0x3C 0xFE #5SO# 415 64330 0x4A 0xFB 高2RE 1175 65109 0x55 0xFE 低6LA 440 64399 0x8F 0xFB #2RE# 1245 65133 0x6D 0xFE #6LA# 466 64463 0xCF 0xFB 高3MI 1318 65156 0x84 0xFE 低7SI 494 64523 0x0B 0xFC 高4FA 1397 65177 0x99 0xFE 中1DO 523 64579 0x43 0xFC #4FA# 1490 65197 0xAD 0xFE #1DO# 554 64632 0x78 0xFC 高5SO 1568 65216 0xC0 0xFE 中2RE 587 64683 0xAB 0xFC #5SO# 1661 65234 0x02 0xFE #2RE# 622 64731 0xDB 0xFC 高6LA 1760 65251 0xE3 0xFE 中3MI 659 64776 0x08 0xFD #6LA# 1865 65267 0xE3 0xFE 中4FA 698 64819 0x33 0xFD 高7SI 1967 65282 0x02 0xFF

6.2 实验主要程序

1)音频输出引脚接入：

sbit BEEP=P1^7; //喇叭输出脚

2)按键控制引脚接入：

sbit K1= P2^0;

sbit K2= P2^1;

sbit K3= P2^2;

sbit K4= P2^3;

sbit K5= P2^4;

sbit K6= P2^5;

sbit K7= P2^6;

sbit K8= P2^7;

3)中断控制：

timer0() interrupt 1 {

TL0=tl0_f;

TH0=th0_f; //调入预定时值 BEEP=~BEEP; //取反音乐输出 IO }

4) 按键控制音阶声音输出（电子琴） if(!Ki) //i 取值为1~8

{ tl0_f=freq[f[0]*2]; //置一个音符的值 th0_f=freq[f[0]*2+1]; TR0 = 1;

for(n=0;n<8000;n++); //延时 }

6.3 系统总体功能流程图

在主程序流程图中，T0初始化后，首先要通过扫描键盘，判断是否有按键按下。若没有按键按下，则要继续扫描，不断重复循环过程，直到发现按键按下，程序才能根据按键的功能，将相对应的音符T 值装入到T0以后，T0就会开始启动。程序随后继续扫描按键，若按键保持按下状态，则T0继续保持工作状态，直到按键松下，T0就会停止工作，返回初始状态，等待下一次的扫描按键结果。如图5所示，为主程序流程图

开始

T0初始化并开中断允放T0中断

按键识别功能

根据按键功能，装入音符T 值到T0中

启动T0工作

停止T0工作

按键按下是否成功

按键释放与

否 图5 主程序流程图

N

Y

Y

N

当程序中断时，程序保存现场，并重装TH0、TL0的初值，然后将P1.7按位取反，重新送入到P1.7，最后中断返回。如图6所示，为T0中断子程序图。

T0中断入口

重装TH0、TL0初值

P1.7取反

中断返回

图6 T0中断子程序图

六、系统调试

7.1 使用的主要仪器和仪表

PC（装有XLSP、keil软件）一台、XL2000实验仪、若干连接线等。

7.2 调试步骤

根据系统设计方案，本系统的调试共分为三大部分：硬件调试，软件调试和软硬件联调。

1)硬件调试

主要就是对课程设计中所需使用的每个实验仪器，进行调试，是各个硬件能够正常工作，并做好一些必要设置，确保在后续调试中正常工作。

2)软件调试

软件调试主要就是采用keil软件，将编写的程序进行调试，检查是否有语法错误。图7是所设计的运行代码的调试结果。

图7 keil编译进行的软件测试

3) 综合调试

综合调试，是将软件和硬件联合在一起进行调试。首先，将XL2000实验仪通过数据线与PC 的USB 相连。接着，接将keil 生成的.hex 文件导入到软件XLSP 中，进行运行。使其加载到XL2000实验仪中的AT89C51中。最后，通过XL2000实验仪中的JP37独立按键模块的8个按键，测试JP16小喇叭模块所产生的音频是否达到预先所设计的要求。

图8 XL2000的各模块的连接图

7.3 测试数据

表2 按键音符对应表 按键 频率(HZ) 音符 按键 频率(HZ) 音符 K1 440 do K5 554 so K2 466 re K6 587 fa K3 494 mi K7 622 xi K4

523

la

K8

659

do

7.4 故障与排除

课设最重要环节是编码的设计，它的调试的成功与否，决定着本次课程设计结果。而编码中对于每个音符多对应的T 码值计算中，我们出现了错误，导致了所产生的音调达不到课设的要求。但是通过书本上方式1中的计算方法，以及老师的帮助，我们很快的就将所有音符对应的正确的T 码值计算完毕，并且通过调试达到了课设要求。其他的一些就都是一些小的问题，像串口错误等，通过组内合作，也都各个击破了。

八、课设答辩

问题：可不可以把工作方式1改成工作方式0？

答案：可以，因为这里工作方式0的计数初值T=132-1*610/2/f 也满足。

九、课设小结

我们大家都知道，课设、实训、实验等等的实践项目都是理论联系实际，让我们对所学的理论的知识有个比较客观，比较具体的了解。

本次课设的题目是电子琴设计——按键演奏,这次的课设老师要求我们以小组为单位分工合作完成任务。对于课题的选择我们是觉得题目很新颖，觉得很好玩，就选了。通过为期一周的课程设计，让我对于单片机原理及应用这门课程有了更深一层次的了解。在课设的过程中，不管从查资料还是从对于课题的审题以及把握上，老实说，这是我做的最认真的一次，我觉得自己在很努力地把它做好。

通过本次的课设，不仅培养了我独立思考、动手操作的能力，在其它能力上也都有了很大的提高。更重要的是，在课设课上，我学会了很多学习的方法，比如说应该怎样去查资料，应该去找什么样的资料来让自己对于这个课题有更好的了解，而这是日后最实用的。虽然在最后答辩的时候，对于老师的提问，我没有完全答出来，但在事后我还是经过查阅书本，知道了正确的答案。而这其实也在告诉我，课设还是要结合课本上的理论知识，这样才能知其然且知其所以然。

最后我要感谢老师的指导，也同样谢谢其他各组同学的无私帮助！

参考文献

[1] 王浩全等.单片机原理及应用.北京：人民邮电出版,2013.

[2] 张毅刚，彭喜元.单片机原理与应用.北京：高等教育出版社，2007

[3] 刘乐喜.微机计算机接口技术及应用.湖北：华中科技大学出版社,2005

[4] 李群芳等.单片微型计算机原理与接口技术.北京：电子工业出版社.2002

附录

源程序：

#include

#define uchar unsigned char //定义一下方便使用

#define uint unsigned int

#define ulong unsigned long int

char code dx516[3] _at_ 0x003b;//这是为了仿真设置的

sbit BEEP=P1^7; //喇叭输出脚

sbit K1= P2^0;

sbit K2= P2^1;

sbit K3= P2^2;

sbit K4= P2^3;

sbit K5= P2^4;

sbit K6= P2^5;

sbit K7= P2^6;

sbit K8= P2^7;

uchar th0_f; //在中断中装载的 T0 的值高 8 位

uchar tl0_f; //在中断中装载的 T0 的值低 8 位 //T0 的值,及输出频率对照表

uchar code freq[36*2]=

{

0x8B,0xF8,//00262HZ ,1 //0

0xF2,0xF8,//00277HZ ,1#

0x5B,0xF9,//00293HZ ,2

0xB7,0xF9,//00311HZ ,2#

0x14,0xFA,//00329HZ ,3

0x66,0xFA,//00349HZ ,4

0xB9,0xFA,//00370HZ ,4#

0x03,0xFB,//00392HZ ,5

0x4A,0xFB,//00415HZ ,5#

0x8F,0xFB,//00440HZ ,6

0xCF,0xFB,//00466HZ ,6#

0x0B,0xFC,//00494HZ ,7

0x43,0xFC,//00523HZ 1

0x78,0xFC,//00553HZ 1#

0xAB,0xFC,//00586HZ 2

0xDB,0xFC,//00621HZ 2#

0x08,0xFD,//00658HZ 3

0x33,0xFD,//00697HZ 4

0x5B,0xFD,//00739HZ 4#

0x81,0xFD,//00783HZ 5

0xA5,0xFD,//00830HZ 5#

0xC7,0xFD,//00879HZ 6

0xE7,0xFD,//00931HZ 6#

0x05,0xFE,//00987HZ 7

0x21,0xFE,//01045HZ'1

0x3C,0xFE,//01106HZ'1#

0x55,0xFE,//01171HZ'2

0x6D,0xFE,//01241HZ'2#

0x84,0xFE,//01316HZ'3

0x99,0xFE,//01393HZ'4

0xAD,0xFE,//01476HZ'4#

0xC0,0xFE,//01563HZ'5

0x02,0xFE,//01658HZ'5#

0xE3,0xFE,//01755HZ'6

0xE3,0xFE,//01860HZ'6#

0x02,0xFF,//01971HZ'7

};

//定时中断 0,用于产生唱歌频率

timer0() interrupt 1

{

TL0=tl0_f;

TH0=th0_f; //调入预定时值

BEEP=~BEEP; //取反音乐输出 IO

}

//按键控制音阶声音输出（电子琴）

void main(void) // 主程序

{

ulong n;

uchar code f[8]={9,11,13,14,16,18,20,21};//1234567`1 八个音符在频率表中的位置

TMOD = 0x01; //使用定时器 0 的 16 位工作模式

TR0 = 0;

ET0 = 1;

EA = 1;

while(1)

{

if(!K1)

{

tl0_f=freq[f[0]*2]; //置一个音符的值

th0_f=freq[f[0]*2+1];

TR0 = 1;

for(n=0;n<8000;n++); //延时

}

if(!K2)

{

tl0_f=freq[f[1]*2]; //置一个音符的值

th0_f=freq[f[1]*2+1];

TR0 = 1;

for(n=0;n<8000;n++); //延时

}

if(!K3)

{

tl0_f=freq[f[2]*2]; //置一个音符的值th0_f=freq[f[2]*2+1];

TR0 = 1;

for(n=0;n<8000;n++); //延时

}

if(!K4)

{

tl0_f=freq[f[3]*2]; //置一个音符的值th0_f=freq[f[3]*2+1];

TR0 = 1;

for(n=0;n<8000;n++); //延时

}

if(!K5)

{

tl0_f=freq[f[4]*2]; //置一个音符的值th0_f=freq[f[4]*2+1];

TR0 = 1;

for(n=0;n<8000;n++); //延时

}

if(!K6)

{

tl0_f=freq[f[5]*2]; //置一个音符的值th0_f=freq[f[5]*2+1];

TR0 = 1;

for(n=0;n<8000;n++); //延时

}

if(!K7)

{

tl0_f=freq[f[6]*2]; //置一个音符的值th0_f=freq[f[6]*2+1];

TR0 = 1;

for(n=0;n<8000;n++); //延时

}

if(!K8)

{

tl0_f=freq[f[7]*2]; //置一个音符的值th0_f=freq[f[7]*2+1];

TR0 = 1;

for(n=0;n<8000;n++); //延时

}

TR0 = 0;

}

}