基于单片机的简易电子琴设计(C语言编程)

基于单片机的简易电子琴设计

摘要

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AT89S51单片机作为核心控制元件，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。

关键词：单片机键盘扬声器电子琴

Abstract

Electronic organ is a modern electronic music technology and the product is a new type of keyboard instruments. It played an important role in modern music. SCM has powerful control functions and flexible programming characteristics. It has converged with modern people's lives, become an irreplaceable part. The main content is AT89S51 control of the core components, design of a electronic organ. SCM as a host to the core, with the keyboard, speaker and other core modules. In the main control module has 16 keys and a speaker. The system is steady, its simple hardware circuits, software functions, reliability of control system and high cost performance is its advantages. It also has certain practical and reference value.

Key words : SCM keyboard speaker electronic organ

目录

摘要

Abstract

目录

1 引言

2 原理图

2.1 系统板硬件连线

3 主要芯片简介

3.1 AT89S51简介

3.1.1 主要功能特性

3.1.2 引脚功能

3.2 LM386

3.2.1 LM386的引脚图

3.2.2 音频放大器电路

3.3 LED数码管

4 模块原理

4.1 4X4行列式键盘识别及显示

4.1.1 系统板上硬件连线设计

4.1.2 程序设计内容

图4-2 行列式键盘电路

4.1.3 I/O并行口直接驱动LED显示

4.1.4 键盘识别程序

4.2 音乐产生的方法

4.2.1 原理

4.2.2 程序框图

4.2.3源程序：

5 结束语

致谢

参考文献

1 引言

单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。因此，单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。

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AT89S51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。

本文主要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。并且本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。

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。

2 原理图

图2-1 电子琴电路图

2.1 系统板硬件连线

系统板硬件连线如图2-1所示，发生模块，键盘模块，及LED显示模块连接如下

1.把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到“音频放大模块”区域中的SPK IN端口上；

2.把“单片机系统“区域中的P

3.0－P3.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中的C1－C4 R1－R4端口上；

3.把“单片机系统”区域中的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口用8芯排线连接到“四路静态数码显示模块”区域中的任一个a－h端口上；要求：P0.0/AD0对应着a，P0.1/AD1对应着b，……，P0.7/AD7对应着h。

3 主要芯片简介

3.1 AT89S51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（引脚图如图3-1所示），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。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

图3-1 管脚图

3.1.1 主要功能特性

·兼容MCS-51指令系统· 32个双向I/O口

· 2个16位可编程定时/计数器·全双工UART串行中断口线

· 2个外部中断源·中断唤醒省电模式

·看门狗（WDT）电路·灵活的ISP字节和分页编程

· 4k可反复擦写ISP Flash ROM · 4.5-5.5V工作电压

·时钟频率0-33MHz · 128x8bit内部RAM

·低功耗空闲和省电模式· 3级加密位

·软件设置空闲和省电功能·双数据寄存器指针

3.1.2 引脚功能

VCC（40）：＋5V；

GND（20）：接地；

P0口（39－32）：P0口为8位漏极开路双向I/O口，每引脚可吸收8个TTL 门电流；

P1口（1－8）：P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流；

P2口（21－28）：P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流；

P3口（10－17）：P3口是8个带内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口；

RST（9）：复位输入。当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间；

ALE/PROG（30）：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲；

PSEN（29）：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现；

EA/VPP（31）：当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）；

XTAL1（19）：反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；

XTAL2（18）：来自反向振荡器的输出；

3.2 LM386

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。

LM386内部与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。

第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。

第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。

第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。

引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。电路由单电源供电，故为OTL电路。输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。

电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

3.2.1 LM386的引脚图

图3-3 LM386的外形和引脚的排列

LM386的外形和引脚的排列如图3-3所示。引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。

3.2.2 音频放大器电路

图2.3 音频放大器电路

3.3 LED数码管

图3-4 7段数码管

数码管（如图3-4所示）使用条件：

a、段及小数点上加限流电阻

b、使用电压：段：根据发光颜色决定；小数点：根据发光颜色决定

c、使用电流：静态：总电流 80mA（每段 10mA）；动态：平均电流 4-5mA 峰值电流 100mA

上面这个只是七段数码管引脚图，其中共阳极数码管引脚图和共阴极的是一样的。

数码管使用注意事项说明：

（1）数码管表面不要用手触摸，不要用手去弄引角；

（2）焊接温度：２６０度；焊接时间：５Ｓ

（3）表面有保护膜的产品,可以在使用前撕下来。

4 模块原理

4.1 4X4行列式键盘识别及显示

组成键盘的按键有机械式、电容式、导电橡胶式、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。

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

4.1.1 系统板上硬件连线设计

键盘模块硬件连线如图4-1所示：

图4-1 键盘模块连线图

（1）把“单片机系统“区域中的P3.0－P3.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中的C1－C4 R1－R4端口上；

（2）把“单片机系统”区域中的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口用8芯排线连接到“四路静态数码显示模块”区域中的任一个a－h端口上；要求：P0.0/AD0对应着a，P0.1/AD1对应着b，……，P0.7/AD7对应着h。

4.1.2 程序设计内容

1． 4×4矩阵键盘识别处理

2．每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。

图4-2 行列式键盘电路

4.1.3 I/O并行口直接驱动LED显示

LED显示模块如图4-3所示，利用AT89S51单片机的P0端口的P0.0－P0.7连接到一个共阴数码管的a－h的笔段上，数码管的公共端接地。在数码管上循环显示0－9数字，时间间隔0.2秒。

系统板上硬件连线：（如图4-3所示）

把“单片机系统”区域中的P0.0/AD0－P0.7/AD7端口用8芯排线连接到“四路静态数码显示模块”区域中的任一个数码管的a－h端口上；要求：P0.0/AD0与a相连，P0.1/AD1与b相连，P0.2/AD2与c相连，……，P0.7/AD7与h相连。

图4-3 电路原理图

程序设计内容：

（1）．LED数码显示原理: 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g~a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，下面给出共阴极的字形码表（如表4-1所示）表4-1 字形码表

（2).由于显示的数字0－9的字形码没有规律可循，只能采用查表的方式来完成我们所需的要求了。这样我们按着数字0－9的顺序，把每个数字的笔段代码按顺序排好！建立的表格如下所示：TABLEDB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH。

程序框图：

程序框图如图4-3所示:

R1内容=10 ?

图4-3 数码显示程序框图

C语言源程序：

#include

unsigned char code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66, 0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

unsigned char dispcount; void delay02s(void) {

unsigned char i,j,k; for(i=20;i>0;i--)

for(j=20;j>0;j--)

for(k=248;k>0;k--);

}

void main(void) {

while(1)

{

for(dispcount=0;dispcount<10;dispcount++)

{

P0=table[dispcount];

delay02s();

}

}

}

4.1.4 键盘识别程序

C语言源程序：

#include

unsigned char code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f, 0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c, 0x39,0x5e,0x79,0x71};

unsigned char temp;

unsigned char key;

unsigned char i,j;

void main(void)

{

while(1)

{

P3=0xff;

P3_4=0;

temp=P3;

temp=temp & 0x0f;

if (temp!=0x0f)

{

for(i=50;i>0;i--)

for(j=200;j>0;j--);

temp=P3;

temp=temp & 0x0f;

if (temp!=0x0f)

{

temp=P3;

temp=temp & 0x0f;

switch(temp)

case 0x0e:

key=7;

break;

case 0x0d:

key=8;

break;

case 0x0b:

key=9;

break;

case 0x07:

key=10;

break;

}

temp=P3;

P1_0=~P1_0;

P0=table[key]; temp=temp & 0x0f; while(temp!=0x0f) {

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; }

}

}

P3=0xff;

P3_5=0;

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f) {

for(i=50;i>0;i--) for(j=200;j>0;j--); temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f)

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; switch(temp)

{

case 0x0e:

key=4;

break;

case 0x0d:

key=5;

break;

case 0x0b:

key=6;

break;

case 0x07:

key=11;

break;

}

temp=P3;

P1_0=~P1_0;

P0=table[key]; temp=temp & 0x0f; while(temp!=0x0f) {

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; }

}

}

P3=0xff;

P3_6=0;

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f) {

for(i=50;i>0;i--)

for(j=200;j>0;j--); temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f) {

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; switch(temp)

{

case 0x0e:

key=1;

break;

case 0x0d:

key=2;

break;

case 0x0b:

key=3;

break;

case 0x07:

key=12;

break;

}

temp=P3;

P1_0=~P1_0;

P0=table[key]; temp=temp & 0x0f; while(temp!=0x0f) {

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; }

}

}

P3=0xff;

P3_7=0;

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f) {

for(i=50;i>0;i--) for(j=200;j>0;j--); temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f) {

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; switch(temp)

{

case 0x0e:

key=0;

break;

case 0x0d:

key=13;

break;

case 0x0b:

key=14;

break;

case 0x07:

key=15;

break;

}

temp=P3;

P1_0=~P1_0;

P0=table[key]; temp=temp & 0x0f; while(temp!=0x0f) {

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; }

}

}

}

}

4.2 音乐产生的方法

4.2.1 原理

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P1.0反相，然后重复计时再反相。就可在P1.0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(如式4-1所示)是：

N＝fi÷2÷fr 4-1

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

单片机12MHZ晶振，高中低音符与计数T0相关的计数值如表4-2所示

表4-2 音符频率表

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低音0－19之间，中音在20－39之间，高音在40－59之间TABLE: DW 0,63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,0,0

DW 0,63731,63928,0,64185,64331,64463,0,0,0

DW 0,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,0,0

DW 0,64633,64732,0,64860,64934,64994,0,0,0

DW 0,65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283,0,0

DW 0,65085,65134,0,65198,65235,65268,0,0,0

DW 0

音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表4-3所示）

表4-3 曲调值表

对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时/计数器来完成。

下面用AT89S51单片机产生“生日快乐”歌来说明单片机如何产生的。

在这个程序中用到了两个定时/计数器来完成的。其中T0用来产生音符频率，T1用来产生音拍。

4.2.2 程序框图

音乐发声程序框图如图4-5所示:

中断返回

图4-5 音乐发声程序框图

4.2.3源程序：

#include

unsigned char code table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07, 0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};

unsigned char temp; unsigned char key; unsigned char i,j; unsigned char STH0; unsigned char STL0; unsigned int code tab[]={64021,64103,64260,64400, 64524,64580,64684,64777,

64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178}; void main(void) {

TMOD=0x01;

ET0=1;

EA=1;

while(1)

{

P3=0xff;

P3_4=0;

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f) {

for(i=50;i>0;i--)

for(j=200;j>0;j--);

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f) {

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; switch(temp)

{

case 0x0e: key=0;

break;

case 0x0d: key=1;

break;

case 0x0b: key=2;

break;

case 0x07: key=3;

break;

}

temp=P3;

P1_0=~P1_0;

P0=table[key];

STH0=tab[key]/256;

STL0=tab[key]%6;

TR0=1;

temp=temp & 0x0f; while(temp!=0x0f)

{

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; }

TR0=0;

}

}

P3=0xff;

P3_5=0;

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f) {

for(i=50;i>0;i--)

for(j=200;j>0;j--);

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; if (temp!=0x0f) {

temp=P3;

temp=temp & 0x0f; switch(temp)

{

case 0x0e: key=4;

break;

case 0x0d: key=5;