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湖南工程学院课程设计课程名称单片机原理与应用课题名称电子琴专业电气工程及其自动化班级学号姓名指导教师寻大勇2014年6月20日等级:湖南工程学院课程设计任务书课程名称单片机原理与应用课题电子琴专业班级电气工程及其自动化学生姓名学号指导老师寻大勇审批任务书下达日期2014年6月9日任务完成日期2014年6月20日设计内容与设计要求设计内容：本课题以单片机为核心，设计和制作一个电子琴。要求由4×4组成16个按钮矩阵，设计成16个音，可随意弹奏想要表达的音乐。设计要求：1.设计方案要合理、正确；2.系统硬件设计；3.完成必要元器件选择；4.系统软件设计及调试；5.写出设计报告。主要设计条件1.MCS-51单片机实验操作台1台；2.PC机及单片机调试软件；3.单片机应用系统板1套；4.制作工具1套；5.系统设计所需的元器件。说明书格式1.封面2.课程设计任务书3.目录4.系统总体方案设计5.系统硬件设计6.软件设计（包括流程图）7.系统的安装调试说明8.总结9.参考文献10.附录11.课程设计成绩评分表。目录第1章.系统设计内容与意义...................................31.1系统设计的主要内容..........................................31.2系统设计目的和意义..........................................3第2章.系统组成及设计原理...................................42.1系统组成....................................................42.2矩阵键盘识别显示原理........................................42.3音乐产生原理与音阶和频率对应关系表..........................7第3章.系统硬件电路设计......................................93.1AT89C51主控芯片介绍.........................................93.2LED数码管显示电路..........................................103.3键盘显示电路...............................................10第4章.软件电路仿真..........................................114.1总仿真电路图...............................................114.2数码管显示电路图...........................................114.3复位电路图.................................................114.4矩阵键盘电路图.............................................124.5扬声器连接电路图...........................................12第5章.调试步骤、结果、使用说明...........................135.1调试步骤及结果.............................................135.2使用说明...................................................13第6章.经验总结...............................................14第7章.参考文献...............................................15第8章.附件.....................................................158.1元器件清单..................................................158.2运行程序....................................................153第1章系统设计内容及意义1.1系统设计的主要内容本课题以单片机为核心，设计和制作一个电子琴。要求由4×4组成16个按钮矩阵，设计成16个音，可随意弹奏想要表达的音乐。1.2系统设计目的和意义随着电子技术的发展，电子技术正在逐渐改善着人们的学习、生活、工作，因此开发本系统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣，电子技术与音乐的结合不断加深。由此而产生的电子琴在这种形势下，因其体积小，易于携带，经济适用，对初学者，尤其对识谱的人来说是很容易弹奏的，一首简单的曲子灵感好的人甚至不用很多的练习和教师的指导就能很快的弹奏出来。是一般家庭都能承受得了的经济投入，而且电子琴键盘操作直观易于掌握。这样就强烈地激发了学习者的学习兴趣，迅速地提高了电子琴的普及率。电子琴使用简单。深受广大音乐爱好者推崇。作为电子专业的学生，掌握电子琴的制作是很好检验我们所学知识应用。它所包含的知识基本上覆盖我们的模拟电子技术基础、数字电子技术基础、EDA技术、电子线路、单片机基础以及接口技术课程的重要章节。虽然我们不能设计出很复杂的电子琴，主要是考虑到设备以及成本等一系列问题，因此我打算设计并制作一个简易的电子琴。采用集成电路设计，基于AT89S52单片机设计一款简易的电子琴，采用4*4距阵键盘，鉴于传统电子琴可以用键盘上的“k0”到“k16”键演奏从低So到高DO等16个音，从而可以用来弹奏喜欢的乐曲。4第2章系统组成及设计原理2.1系统组成本系统主要以51单片机为主控核心，与矩阵键盘，扬声器，LED显示管模块一起组合而成。具体如下：2.2矩阵键盘识别显示原理本系统扫描键盘矩阵、显示按键、扬声器发出对应音符。4X4行列式键盘识别及显示原理如下：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。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。（1）去抖动:每个按键在按下或松开时，都会产生短时间的抖动。抖动的持续时间与键的质量相关，一般为5—20mm。所谓抖动是指在识别被按键是必须避开抖动状态，只有处在稳定接通或稳定断开状态才能保证识别正确无误。去抖问题可通过软件延时或硬件电路解决。单片机数码管扬声器矩阵键盘5（2）防串键：防串键是为了解决多个键同时按下或者前一按键没有释放又有新的按键按下时产生的问题。常用的方法有双键锁定和N键轮回两种方法。双键锁定，是当有两个或两个以上的按键按下时，只把最后释放的键当作有效键并产生相应的键码。N键轮回，是当检测到有多个键被按下时，能根据发现它们的顺序依次产生相应键的键码。（3）被按键识别：如何识别被按键是接口解决的主要问题，一般可通过软硬结合的方法完成。常用的方法有行扫描法和线反转法两种。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。线反转法的基本思想是通过行列颠倒两次扫描来识别闭合键，为此需要提供两个可编程的双向输入输出端口。（4）键码产生：为了从键的行列坐标编码得到反映键功能的键码，一般在内存区中建立一个键盘编码表，通过查表获得被按键的键码。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。总体电路具体原理如下：NY开始模块初始化发送扫描码有键按下扫描矩阵显示按键停止运转6矩阵电子琴弹奏模式程序流程图：启动定时器延时结束电子琴子程序取键值开始计时开中断并允许中断设定定时器工作方式给定时器T0赋值根据键值查音阶表进入中断蜂鸣器取反退出中断返回键盘扫描程序72.3音乐产生原理与音阶和频率对应关系表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，可得到中音DO（523Hz）。计数脉冲值与频率的关系式(如式2-1所示)是：N＝fi÷2÷fr（2-1）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音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125ms调4/462ms调3/4187ms调3/494ms调2/4250ms调2/4125ms8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。现在以单片机12MHZ晶振为例，例出高中低音符与单片机计数T0相关的计数值如下表所示音符频率（HZ）简谱码（T值）音符频率（HZ）简谱码（T值）低1DO26263628#4FA#74064860#1DO#27763731中5SO78464898低2RE29463835#5SO#83164934#2RE#31163928中6LA88064968低3M33064021#693264994低4FA34964103中7SI98865030#4FA#37064185高1DO104665058低5SO39264260#1DO#110965085#5SO#41564331高2RE117565110低6LA44064400#2RE#124565134#646664463高3M131865157低7SI49464524高4FA139765178中1DO52364580#4FA#148065198#1DO#55464633高5SO156865217中2RE58764684#5SO#166165235#2RE#62264732高6LA176065252中3M65964777#6186565268中4FA69864820高7SI196765283下面我们要为这个音符建立一个表格，有助于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:DW0,63628,63835,64021,64103,64