基于單片機的電子琴設計前言單片微型計算機是大規模集成電路技術發展的產物，屬第四代電子計算機，它具有高性能、高速度、體積小、價格低廉、穩定可靠、應用廣泛的特點。它的應用必定導致傳統的控制技術從根本上發生變革。因此，單片機的開發應用已成為高科技和工程領域的一項重大課題。電子琴是現代電子科技與音樂結合的產物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現代音樂扮演著重要的角色，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現特性，它已經溶入現代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內容是用STC89C52單片機為核心控制元件，設計一個電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設有16個按鍵和揚聲器。本文主要對使用單片機設計簡易電子琴進行了分析，并介紹了基于單片機電子琴統硬件組成。利用單片機產生不同頻率來獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏想要表達的音樂。并且本文分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理及各模塊的程序的調試來詳細闡述。一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構成我們所想要的音樂了，當然對于單片機來產生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機的定時/計數器T0來產生這樣方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應頻率關系弄正確即可。1方案論證11控制模塊選擇方案方案一用可控硅制作電子琴。將220V交流電經變壓器降壓，再經過整流、濾波，獲得135V直流電壓。將單向可控硅SCR和電阻、電容組成馳張振蕩器電路。但該設計方案制作成本高且復雜。方案二采用AT89C51單片機進行控制，由于AT89C51不具備ISP功能，因此ATMEL公司已經停產在市面上已經不常見，況且其ROM只有4K在系統將來升級方面沒有潛力。方案三采用AT89S52單片機進行控制，由于其性價比高，完全滿足了本作品智能化的要求，它的內部程序存儲空間達到8K，使軟件設計有足夠的內部使用空間并且方便日后系統升級，使用方便，抗干擾性能提高。鑒于上述對比與分析，本設計采用方案三12按鍵選擇方案方案一利用I/O口直接連接的獨立式鍵盤,每鍵都有相應的I/O口對應,編程容易控制，實現方便；但拒于IO口有限，能接的按鍵不能太多，而本系統需用戶根據需要調整的參數較多，用獨立按鍵會使操作變得復雜。方案二利用PA口接成44鍵盤。優點利用8個IO口得到16個按鍵，可使操作介界變得簡單，操作也方便；缺點軟件處理比獨立按鍵復雜。通過比較，方案二為最佳方案。2系統硬件設計21系統組成及總體框圖硬件設計的任務是根據總體設計要求，在選擇的機型的基礎上，具體確定系統中所要使用的元器件，設計出系統的原理框圖、電路原理圖。該設計要實現一種由單片機控制的電子琴，單片機工作于12MHZ時鐘頻率，使用其定時/計數器T0，工作模式為1，改變計數值TH0和TL0可以產生不同頻率的脈沖信號。該設計具有11個音節的鍵盤，用戶可以根據樂譜在鍵盤上進行演奏，音樂發生器會根據用戶的彈奏，通過揚聲器將音樂播放出來。由于本例實現的音樂發生器是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節拍由用戶掌握，不由程序控制。用單片機產生的音頻脈沖直接驅動揚聲器并不能產生所要實現的音樂，因為它沒有足夠的驅動能力，這就需要音頻功率放大電路。本例使用國家半導體公司的低壓音頻功率放大器LM386來實現音頻功放電路。鍵盤掃描AT89S52數碼管顯示揚聲器播放音樂電源部分圖1系統結構圖（所有的圖注都不規范，參看格式要求）22元件介紹221AT89S52功能特性AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統可編程FLASH存儲器。使用ATMEL公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51產品指令和引腳完全兼容。片上FLASH允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程FLASH，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能8K字節FLASH，256字節RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數據指針，三個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0HZ靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。主要性能與MCS51單片機產品兼容、8K字節在系統可編程FLASH存儲器、1000次擦寫周期、全靜態操作0HZ33HZ、三級加密程序存儲器、32個可編程I/O口線、三個16位定時器/計數器八個中斷源、全雙工UART串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器、雙數據指針、掉電標識符。管腳說明VCC供電電壓。GND接地。P0口P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示表1管腳備選功能（所有的表注都沒對，參看格式要求）P30RXD（串行輸入口）P31TXD（串行輸出口）P32/INT0（外部中斷0）P33/INT1（外部中斷1）P34T0（記時器0外部輸入）P35T1（記時器1外部輸入）P36/WR（外部數據存儲器寫選通）P37/RD（外部數據存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。/PSEN外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2來自反向振蕩器的輸出。222LM386LM386是美國國家半導體公司生產的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產品。為使外圍元件最少，電壓增益內置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至200。輸入端以地為參考同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態功耗僅為24MW，使得LM386特別適用于電池供電的場合。LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優點，廣泛應用于錄音機和收音機之中。LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。增益增益負端輸入正端輸入地旁路輸出LM386電源圖2LM386的封裝形式特性FEATURES1靜態功耗低，約為4MA，可用于電池供電；2工作電壓范圍寬，412VOR518V；3外圍元件少；4電壓增益可調，20200；5低失真度。其典型電路如下圖圖3放大器增益20最少器件圖4放大器增益50圖5低頻提升放大器223LED數碼管本次畢業設計的顯示電路采用LED數碼管顯示，LED（LIGHTEMITTINGDIODE）是一種外加電壓從而流過電流并發出可見光的器件。LED是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。LED有單個LED和八段LED之分，也有共陰和共陽兩種。常用的七段顯示器的結構如圖下圖所示。發光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器如圖B所示，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器如圖C所示。1位顯示器由八個發光二極管組成，其中七個發光二極管AG控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便。此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進行正確的字型段碼編碼。才能顯示出正確的數字來。（A）外形（B）共陽極C共陰極圖6數碼管引腳23顯示電路本次畢業設計的顯示電路采用LED數碼管顯示，由于LED是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。通過單片機查表得出數碼管顯示編碼，傳送給數碼管顯示，以此來實現按鍵與顯示程序的一致性。24各功能模塊原理圖241AT89S52模塊電路原理圖單片機主程序模塊通過對鍵盤掃描程序信號的讀取，在通過對應的表，取出數碼管顯示編碼和定時器初始值以產生不同的聲音信號。在這一過程中，對數碼管編碼是直接賦值，對聲音信號則是通過中斷程序進行控制。圖7AT89S52模塊電路原理圖（將底色的格子去掉，以下的圖同）242鍵盤掃描模塊電路原理圖對鍵盤掃描電路的掃描方式有行掃描法和線反轉法，在此次程序編寫中，采用行掃描法，通過在P20P23上循環送出0掃描信號，P24P27輸入按鍵上的高低電平信息給單片機，經處理程序，判斷出是哪個開關按下，并送主程序以實現不同功能。圖8鍵盤掃描模塊電路原理圖243數碼管顯示模塊電路原理圖數碼管顯示模塊核心是共陽級數碼管，通過來自單片機I/O口的電平高低來點亮和熄滅數碼管上的發光二極管，通過單片機送來的數碼管顯示編碼可以在數碼管上顯示數字和字符，使應用人員可以很容易的理解按鍵按下所對應的音符。圖9數碼管顯示模塊電路原理圖244音頻處理模塊電路原理圖由于單片機驅動能力不夠，在處理音符信號時，需加功率放大裝置，因LM386芯片具有低功耗、高增益的特點，這合適單片機低功耗輸出，所以加裝LM386音頻信號放大器對信號進行放大。圖10音頻處理模塊電路原理圖245電源模塊電路原理圖由于本次設計的芯片的工作電壓都為5V，為了排除因為電壓不穩定或者不準確影響電路的工作和軟件的調試，本次設計單獨用LM7805設計了一個輸出5V的電壓的電路，如圖311所示,其中J0為一變壓器插排接口，輸出電壓在75V，為交流電壓，經過整流橋進行整流，電容濾波，再經過LM7805穩壓后，得到本次設計所需的5V直流電源。圖11電源模塊電路原理圖3系統軟件設計本軟件設計關鍵是要實現一種由單片機控制的簡單音樂發生器，它由16個音節組成的的鍵盤，用戶可以根據樂譜在鍵盤上進行演奏，音樂發生器會根據用戶的彈奏，通過揚聲器將音樂播放出來。31音樂相關知識樂音聽起來有的高，有的低，這就叫音高，音高是由發音物體振動頻率的高低決定的，頻率高聲音就高，頻率低，聲音就低，不同音調的樂音是用C、D、E、F、G、A、B表示的，這7個字母就是樂音的音名，它們一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI，這是唱曲時樂音的發音，所以叫唱名。音持續時間的長短即時值，一般用拍數表示，休止符表示暫停發音。一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應著不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數對應的延時，構成音樂。32如何用單片機實現音樂的節拍除了音符以外，節拍也是音樂的關鍵組成部分。節拍實際上就是音持續時間的長短，在單片機系統中可以用延時來實現，如果1/4拍的延時是04秒，則1拍的延時是16秒，只要知道1/4拍的延時時間，其余的節拍延時時間就是它的陪數。如果單片機要自己播放音樂，那么必須在程序設計中考慮到節拍的設置，由于本例實現的音樂發生器是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節拍由用戶掌握，不由程序控制。對于不同的曲調我們也可以用單片機的另外一個定時/計數器來完成。音樂的音拍，一個節拍為單位（C調）具體如下表表2音樂節拍表曲調值DELAY曲調值DELAY調4/4125MS調4/462MS調3/4187MS調3/494MS調2/4250MS調2/4125MS33如何用單片機產生音頻脈沖了解音樂的一些基本知識后可知，產生不同頻率的音頻脈沖即能產生音樂，對于單片機而言，產生不同頻率有脈沖非常方便，可以利用它的定時/計數器來產生這樣的方波頻率信號，因此，需要弄清楚音樂中的音符和對應的頻率，以及單片機定時計數的關系。在本實驗中，單片機工作于12MHZ時鐘頻率，使用其定時/計數器T0，工作模式為1，改變計數值TH0和TL0可以產生不同頻率的脈沖信號，在此情況下，C調的各音符頻率與計數值T的對照如下表表3音符頻率與計數值T的對照表音符頻率（HZ）計數值（T值）音符頻率（HZ）計數值（T值）低1DO262636284FA740648601DO27763737中5SO78464898低2RE294638355SO831949342RE31163928中6LA88064968低3MI330640216LA93264994低4FA34964103中7SI968650304FA37064185低1DO104665058低SO392642601DO1109650855SO41564331高2RE117565110低6LA440644002RE1245651346LA46664463高3MI131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO523645804FA1490651981DO55464633高5SO156865217中2RE587646335SO1661652352RE62264884高6LA176065252中3MI659647326LA186565268中4FA69864820高7SI196765283T的值決定了TH0和TL0的值，其關系為TH0T/256，TL0T25634系統總體功能流程圖N定時器初始化數碼管顯示0主程序開始循環檢測按鍵Y數碼管顯示揚聲器出聲圖12主程序框圖K1鍵按下K2鍵按下K3鍵按下K4鍵按下K5鍵按下K6鍵按下K7鍵按下數碼管顯示3，并播放MI的低音數碼管顯示4，并播放FA的低音數碼管顯示5，并播放SO的低音K8鍵按下數碼管顯示6，并播放LA的低音數碼管顯示7，并播放SI的低音數碼管顯示1，并播放DO的中音數碼管顯示2，并播放RE的中音數碼管顯示3，并播放MI的高階中音K9鍵按下K10鍵按下K11鍵按下K12鍵按下K13鍵按下K14鍵按下K15鍵按下數碼管顯示4并播放FA的中音數碼管顯示5并播放SO的中音數碼管顯示6，并播放LA的中音K16鍵按下數碼管顯示7，并播放SI的中音數碼管顯示A，并播放DO的高音數碼管顯示B，并播放RE的高音數碼管顯示C，并播放MI的高音數碼管顯示D，并播放FA的高階高音圖13按鍵子程序流程圖4電路仿真41ISIS軟件介紹PROTEUSISIS是英國LABCENTER公司開發的電路分析與實物仿真軟件。它運行于WINDOWS操作系統上，可以仿真、分析SPICE各種模擬器件和集成電路。該軟件的特點是1實現了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合。具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統的仿真、RS232動態仿真、I2C調試器、SPI調試器、鍵盤和LCD系統仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發生器等。2支持主流單片機系統的仿真。目前支持的單片機類型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。3提供軟件調試功能。在硬件仿真系統中具有全速、單步、設置斷點等調試功能，同時可以觀察各個變量、寄存器等的當前狀態，因此在該軟件仿真系統中，也必須具有這些功能；同時支持第三方的軟件編譯和調試環境，如KEILC51UVISION2等軟件。4具有強大的原理圖繪制功能。總之，該軟件是一款集單片機和SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強大。本章介紹PROTEUSISIS軟件的工作環境和一些基本操作。42仿真圖介紹單片機P0口對應數碼管編碼輸出端；P10口做音樂信號輸出端；P2口做鍵盤掃描部分輸入輸出端。鍵盤掃描將16位開關通過矩陣連接，接出來四端接輸入口（P04P07）用于鍵盤情況的輸入，另外四端接輸出口（P00P03）用于給鍵盤掃描信號。數碼管顯示在使用時一要接上拉電阻（這是有單片機P0口的物理特性決定的），二是要加限流電阻以使流進單片機的小于單片機所能承受的電流。音樂處理LM386將單片機P10口送過來的信號進行20倍的功率放大并送揚聲器進行音樂的播出。43仿真圖圖14仿真圖5PCB印制板制作51印制板制作的要求（1）電源線、地線應各設置一條總線；（2）線寬盡可能的寬；（3）應減少軟線跳線的使用；（4）元器件排版要均勻，按模塊排版，防止各模塊信號干擾；（5）銅箔線不可以產生銳角。52印制電路板圖圖15主控電路PCB板圖圖16輸入按鍵PCB板圖6系統調試電路調試是整個系統功能否實現的關鍵步驟，我們將整個調試過程分為三大部分硬件調試、軟件調試和綜合調試。61軟件仿真調試軟件仿真調試主要是針對單片機部分進行調試。在軟件運行前，先確保電路中連線正確，這一工作是整個調試工作的第一步，也是非常重要的一個步驟。在這部分調試中主要通過目測，用來完成檢測電路中是否存在斷路或者短路情況等。在確保軟件仿真電路正常，無異常情況斷路或短路方可進行軟件運行，在本次設計中，軟件運行主要是測試單片機鍵盤控制部分、數碼管點亮部分、和音頻功放電路調試。1、數碼管LED電路調試軟件運行，隨機按下按鈕可以看到數碼管顯示數字；2、單片機鍵盤控制部分調試軟件運行，隨機按動鍵盤可以發現各個按鍵對應的音正確。62軟件調試調試主要方法和技巧通常一個調試程序應該具備至少四種性能跟蹤、斷點、查看變量、更改數值。整個程序是一個主程序調用各個子程序實現功能的過程，要使主程序和整個程序都能平穩運行，各個模塊的子程序的正確與平穩運行必不可少，所以在軟件調試的最初階段就是把各個子程序模塊進行分別調試。7調試結論通過各方面努力，本次畢業設計任務完成，系統部分功能已實現。可以隨意演奏一首喜歡的曲子，并可以顯示在數碼管上。基本達到預定的效果。畢業設計是專科學習階段一次非常難得的理論與實踐相結合的機會，通過這次系統的項目設計提高了我運用所學的專業基礎知識來解決面臨實際問題的能力，同時也提高了我查閱各種文獻資料、設計手冊、設計規范以及軟件編程排版的水平。附錄1元器件清單名稱參數數量備注排阻84702RP1,RP2SIP23J0,J1,J3插排SIP82J4,J5鍵盤直鍵開關16K1K16CC13V30PF2C21,C22CL103V00047U1C33CC13V01U3C12,C13,C31CD1163V10U1C32電容CD1125V470U3C11,C14,C23RT0125B4701R32RT0125B1K2R11,R21電阻RT0125B10K1R31晶振1105926MHZ1Y21揚聲器駐極體電容式1數碼管DIP101DPY附錄2主要電路原理圖（最好將格子去掉，因打印時是黑白打印，擔心打的效果不好，另，將圖再弄清楚點）附錄3主要程序ORG0000H初始位置00HJMPSTARET跳到主程序ORG000BH定時器0中斷起始單元JMPTIME0跳到中斷程序STARETMOVTMOD,00000001B設定工作方式為1MOVIE,10000010B開中斷允許SETBTR0L1CALLKEY調用鍵盤掃描程序CLREA關中斷總允許JBF0,L1查詢鍵盤按下標志MOVA,22H將鍵盤碼送單元AMOVDPTR,TABLE1MOVCA,ADPTR將查詢的數碼管顯示碼送AMOVP0,A將數碼管顯示碼送數碼管MOVA,22H將鍵盤碼送單元ARLA數據倍乘MOVDPTR,TABLEMOVCA,ADPTR將聲音編碼送AMOVTH0,A將聲音編碼高位給TH0MOV21H,A送聲音編碼給21H單元儲存MOVA,22HRLAINCAMOVCA,ADPTR取聲音編碼地位給AMOVTL0,A將聲音編碼送TL0MOV20H,A將聲音編碼低位送20H儲存L2CALLKEY調用江畔掃描程序SETBEA開斷總允許JBF0,L1查詢鍵盤按下標志JMPL2沒有轉L2循環/鍵盤掃描程序/KEYSETBF0鍵盤按下標志至1MOVR3,0F7HR3送掃描碼MOVR1,00HR1初始為0L3MOVA,R3將掃描碼送AMOVP2,A將掃描碼送P2掃描MOVA,P2讀取鍵盤狀態SETBC進位至1MOVR5,04H將4給R5單元，用于行掃描L4RLC