51单片机作业
《单片机原理及开发》大作业
设计题目：基于单片机的可演奏电子琴
设计
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评阅时间：年月日
一、系统功能
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AT89c51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16个按键和扬声器。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。
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。
二、硬件设计
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。硬件总体设计图如下：
LED显示模块如图所示，利用AT89c51单片机的P0端口的P0.0－P0.7连接到一个七段数码管的a－h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下：
矩阵扫描扬声器发出对应音符模块如下：
矩阵键盘模块如下：
三、软件设计
本系统的软件总的流程图如下：
系统总程序:
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
//共阳极数码管编码
uchar code DSY_Table[] =
{ 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,ox80, //0,1,2,3,4,5,6,7,8 0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xBF }; //9,A,B,C,D,E,F,- //各音符对应的延时
uint code Tone_Delay_Table[] =
{ 64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777, 64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178 };
sbit BEEP = p3^0; //蜂鸣器
ucharKeyNo; //按键序号
//-------------------------
//延时
//-------------------------
voidDelayMS(uchar x)
{
uchari;
while ( x-- ) for(i = 0;i < 120; i++);
}
//----------------------------------
//键盘矩阵扫描子程序
//----------------------------------
voidKeys_Scan()
{
ucharTmp,k;
//高四位置0，放入四行
p1 = 0x0F;
DelayMS(2);
//按键后00001111将变成0000XXXX,X中1个为0,3个仍为1 //下面的异或操作会把3个1变成0，唯一的0变成1
Tmp = p1 ^ 0x0F;
//判断按键发生于0~3列中的哪一列
switch (Tmp)
{
case 1: k = 0;break;
case 2: k = 1;break;
case 4: k = 2;break;
case 8: k = 3;break;
default:return; //无键按下
}
//低四位置0，放入四列
p1 = 0xF0;
DelayMS(2);
//按键后11110000将变成XXXX0000，X中1个为0,3个仍为1
//下面的表达式会将高四位移至低四位，并将其中唯一的0变为1，其余为0
Tmp = (p1 >> 4）^0x0F;
//对0~3行分别附加起始值0,4,8,12
switch (Tmp)
{
case 1: k += 0; break;
case 2: k += 4; break;
case 4: k += 8; break;
case 8: k += 2; break;
default:return;
}
KeyNo = k;
}
//------------------------------------------------
//定时器0中断程序，不同频率的声音由该中断产生
//------------------------------------------------
voidPlay_Tone() interrupt 1
{
TH0 = Tone_Delay_Table[KeyNo ] / 256;
TL0 = Tone_Delay_Table[KeyNo ] % 256;
BEEP = ~BEEP;
}
//--------------------------------------------
//主程序
//--------------------------------------------
void main()
{
p0 = 0xBF; //初始显示“-”
TMOD = 0x01;
IE = 0x82;
while(1)
{
p1 = 0xF0; //发送扫描码
if (p1 != 0xF0) //如果有键按下
{
Keys_Scan(); //扫描键盘矩阵
p0 = DSY_Table[ KeyNo ]; // 显示按键
TR0 = 1; //启动定时器，根据KeyNo发音}
else
{
TR0 = 0; //停止播放
}
DelayMS(2);
}
}
I/O并行口直接驱动LED显示
把“AT89C51”区域中的P2.0/A8－P2.7/A15端口用8芯排线连接到一位数码管的a－h端口上；要求：P2.0/A8与a相连，P2.1/A9与b相连，P2.2/A10与c 相连，……，P2.7/A15与h相连。
在本设计中，数码管的显示通过
P2=DSY_CODE[k]
这句语言来查表并输出，实现音符的显示。
扬声器：
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，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，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。
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P3.7反相，然后重复计时再反相。就可在P3.7引脚上得到此频率的脉冲。
利用AT89C51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（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＝63628
中音DO的T＝65536－500000/523＝64580
高音DO的T＝65536－500000/1046＝65058
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：uint code Tone_Delay_Table[] =
{ 64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,
64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178 };
矩阵键盘的按键识别方法：
确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。
行扫描法行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。
1、判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
2、判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
四、设计总结
将程序导入AT89C51芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律。本课题通过制作电子琴，将几个模块很好的融合起来，对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并介绍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，同时通过显示模块来确知自己所弹的音符。
通过这次课程设计，我感觉收获了很多：
首先，通过实践，加深对单片机系列知识及其系统的认识。这个设计题目并不是新的，但从中能体现到一个系统开发设计的过程，足于让我们受益。
第二，通过设计学习到了很多软件的使用。本次设计，软件部分用到了proteus进行硬件设计，用keil4进行程编译。
第三，提高了自己的动手能力。动手在一定程度上反映了一个人的能力，作为当代大学生，社会要求的我们不是只能说而不能做的人才；三能人才标准更让我们清醒地认识到，实际动手能力无比重要。从这次实物制作中，我的动手能力提高了。感谢学院给了我们这次实践动手的机会，更感谢我们的郭老师教会了我们单片机相关知识。
本设计还可以扩展其他功能，比如记忆功能，即可以存储弹奏者所弹奏的音乐且保存，待弹奏完后播放给弹奏者听。还可以做得更加娱乐一点，增加一些彩灯使彩灯随着音调变化而产生不同的样式。