南京邮电大学 通达学院 51 protues 课程设计 简易电子琴 实验报告

通达学院
2013 /2014 学年第一学期课程设计II实验报告
模块名称PROTEUS51
专业
学生班级
学生学号
学生姓名
指导教师
一、本系统的目的
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，通过按键控制播放14个音阶并显示。

（2）通过控制开关完成事先写入歌曲的播放。

二、主要芯片简介
AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

8255是常用的扩展单片机IO资源的芯片，8255原理是只利用单片机的一个并行口来扩展出几个并口，使得单片机可以接入更多的设备
三、系统组成
本系统只要以51单片机为主控核心，8255IO外扩、与矩阵键盘、扬声器、LED显示管模块一起组合而成。

具体如下：
四、系统工作原理
本系统扫描键盘矩阵、显示当前状态及音阶、扬声器发出对应音符或音乐。

4X4行列式非编码键盘：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。

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。

键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。

用8255H的PC口接4×4矩阵键盘，以PC0-PC3为输出线以PC4-PB7为输入线，PA与PB与数码管相连，PA为段选，PB为位选。

五、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。

硬件总体设计图如下：
具体元件使用
8LED数码管
矩阵键盘
自动播放开关、录音开关、回放开关和扬声器
六、关于音频与计数初值的选择
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正确即可。

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＝63627
中音DO的T＝65536－500000/523＝64580
高音DO的T＝65536－500000/1046＝65059
注：本系统值采用了期中24个音阶，通过按键来切换不同八度，半音不在考虑之内。

七、系统操作说明
（1）Keil下编译，产生目标HEX文件，Proteus下Programme Files选择产生的HEX文件，点击运行开始模拟。

（2）开启本系统autoplay开关闭合，播放预先存储的乐曲。

（3）断开开关，按任意键盘，数码管显示所按的音阶，扬声器发出相应的音符，按下时持续发声并数码管显示所按下的音的参数，释放时停止发声，数码管不显示。

（4）程序流程图：
八、单片机程序代码
完整程序见附一
（1）方波信号发生程序
通过对定时器0赋不同的初值来调整输出端的频率达到扬声器产生不同频率声音的目的。

uint code tab[]=
{
63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,
64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,
65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283
};
void T0_time0(void)interrupt 1
{
TH0=STH0;
TL0=STL0;
SPK=!SPK;
}
（2）键盘扫描程序
PC口低4位输出低电平，检测是否有按键按下，如果有按键按下，再输出3高1低来检测是在哪一行哪一列的键按下。

第15、16键通过对scale变量值的改变来实现14键组合方式（低音7个中音7个或中音7个高音7个）PC=0x0;
if((PC&0xf0)!=0xf0)
{
PC = 0xe;
if((PC&0xfe)!=0xfe)
{
key = PC;
}
else
PC = 0xd;
if((PC&0xfd)!=0xfd)
{
key = PC;
}
else
PC = 0xb;
if((PC&0xfb)!=0xfb) {
key = PC;
}
else
PC = 0x7;
if((PC&0xf7)!=0xf7) {
key = PC;
}
switch(key)
{
case 0xee:
k = 0+scale*7;
break;
case 0xde:
k = 1+scale*7;
break;
case 0xbe:
k = 2+scale*7;
break;
case 0x7e:
k = 3+scale*7;
break;
case 0xed:
k = 4+scale*7;
break;
case 0xdd:
k = 5+scale*7;
break;
case 0xbd:
k = 6+scale*7;
break;
case 0x7d:
k = 7+scale*7;
break;
case 0xeb:
k = 8+scale*7;
break;
case 0xdb:
k = 9+scale*7;
break;
case 0xbb:
k = 10+scale*7;
break;
case 0x7b:
k = 11+scale*7;
break;
case 0xe7:
k = 12+scale*7;
break;
case 0xd7:
k = 13+scale*7;
break;
case 0xb7:
if(scale==1)
{
scale = scale-1;
};
break;
case 0x77:
if(scale==0)
{
scale = scale+1;
};
break;
default:
break;
}
}
（3）显示程序
用循环使每个数码管分别显示对应的内容，通过延迟来使视觉上产生多个数码管同时亮的效果。

while(((PC&0xf0)!=0xf0)&(key!=0xb7)&(key!=0x77))
{
for(h=0;h<8;h++)
{
PB = DSY_Index[h];
PA = DSY_CODE_Queue[k][h];
timer(50);
}
};
九、运行结果
十、设计总结
通过本次实验我对51单片机的应用更加熟悉了，也对电子琴发声有了一定的认识。

因为按键数量有限，在本次实验中通过使用16键最后两键来实现21个音，通过扩展可以实现更多音的范围，由于时间有限所以没有尝试。

在编程过程中加入了录音放音程序，但放音功能没有成功。

由于PROTUES软件对电脑运行资源消耗的原因，本打算在扬声器输出端增加音色处理电路和程控放大器来调整音量，最终因为仿真的时候软件奔溃退出没有实现。

模拟电路在仿真的时候仍存在很多问题，相对实际硬件电路，仿真的延迟很大。

实验中仍有许多问题需要解决和思考，如果将来从事相关工作，更应努力去解决这些问题。

设计成绩评定。