隨著社會的發(fā)展進步，音樂成為我們生活中很重要的一部分，有人曾說喜歡音樂的人不會向惡。我們都會抽空欣賞世界名曲，作為對精神的洗禮。設(shè)計一個基于單片機的簡易電子琴。電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要角色。單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(xiàn)特性，它已融入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本系統(tǒng)是以51系列單片機AT89C51為主控制器，附有矩陣鍵盤、LED顯示管、揚聲器組成。系統(tǒng)完成顯示輸入信息、播放相應(yīng)音符等基本功能。本系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其優(yōu)點是硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高等，具有一定的實用和參考價值。

單片微型計算機是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)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(wěn)定可靠、應(yīng)用廣泛的特點。它的應(yīng)用必定導(dǎo)致傳統(tǒng)的控制技術(shù)從根本上發(fā)生變革。因此，單片機的開發(fā)應(yīng)用已成為高科技和工程領(lǐng)域的一項重大課題。

電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)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(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用AT89S51單片機為核心控制元件，設(shè)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(shè)有16個按鍵和揚聲器。

本文主要對使用單片機設(shè)計簡易電子琴進行了分析，并介紹了基于單片機電子琴統(tǒng)硬件組成。利用單片機產(chǎn)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(diào)試來詳細闡述。本系統(tǒng)是簡易電子琴的設(shè)計，按下鍵盤矩陣中的按鍵會使數(shù)碼管顯示當前按鍵，揚聲器播放器對應(yīng)的音符。通過設(shè)計本系統(tǒng)可了解單片機的基本功能。對單片機的了解有一個小的飛躍。

本系統(tǒng)設(shè)計制作一個可演奏的電子琴。綜合應(yīng)用了兩項設(shè)計。

（1）以單片機為核心設(shè)計一個電子琴

（2）要求電子琴具有手動彈奏樂曲和自動播放樂曲兩種功能。在4*4矩陣式鍵盤上確定琴鍵的音符，音符頻率通過單片機內(nèi)部定時器等元件產(chǎn)生。

方案一：使用單片機內(nèi)部定時器，通過編程實現(xiàn)發(fā)出不同頻率方波，產(chǎn)生音階。     

方案二：使用8253作為外部定時器，通過編程實現(xiàn)產(chǎn)生所需頻率的方波。   

通過對方案一和方案二的比較可以知道，方案一是通過使用單片機內(nèi)部定時器，以編程實現(xiàn)方波輸出，優(yōu)點在于外部電路簡單，程序結(jié)構(gòu)簡單，缺點在于消耗單片機資源過多，不利于優(yōu)化升級；方案二是利用8253來產(chǎn)生方波，相對來說這種方案外部電路較為復(fù)雜，程序結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，優(yōu)點在于占用單片機資源少，輸出穩(wěn)定，利于擴展；故而選擇方案二較好。

鞏固和運用所學(xué)課程，理論聯(lián)系實際，提高分析、解決計算機技術(shù)實際問題的獨立工作能力，通過對電子琴的設(shè)計，進一步加深對計算機原理以及數(shù)字電路應(yīng)用技術(shù)方面的了解與認識，進一步熟悉數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計、制作與調(diào)試的方法和步驟。鞏固所學(xué)課堂知識，理論聯(lián)系實際，提高分析、解決計算機技術(shù)實際問題的獨立工作能力。為了進一步了解計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

隨著基于技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大與深入，單片機技術(shù)在電子信息、通信、自動控制用計算機等領(lǐng)域的重要性日益突出。作為一個學(xué)電子信息專業(yè)的學(xué)生，我們必須不斷地了解更多的新產(chǎn)品信息，這就更加要求我們對其有個全面的認識。本程序設(shè)計的是簡易電子琴的設(shè)計。可以大大降低了硬件數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的入門級別，讓人感覺就是C語言的近親。通過老師的指導(dǎo)和自己的學(xué)習(xí)完成了預(yù)想的功能。

ATC89C51主要特性：  與MCS-51 兼容\8K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：三級程序存儲器鎖定\512內(nèi)部RAM\32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器\5個中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 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(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)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(nèi)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(nèi)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）這是由拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管腳 備選功能

P3.0 RXD（串行輸入口）

P3.1 TXD（串行輸出口）

P3.2 /INT0（外部中斷0）

P3.3 /INT1（外部中斷1）

P3.4 T0（記時器0外部輸入）

P3.5 T1（記時器1外部輸入）

P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)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(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)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(jié)。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(shù)據(jù)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(zhí)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(zhí)行狀態(tài)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(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)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(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性:  XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。

單片機最小系統(tǒng)主要由時鐘電路和復(fù)位電路組成。

此系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。MCS-51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容CX1和CX2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容值約為30μF。

                 

復(fù)位電路是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機器周期的S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。

HD7279是一片具串行接口的，可同時驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅(qū)動芯片，該芯片同時還可以連接多達64鍵的鍵盤矩陣，10 單片即可完成LED顯示、鍵盤接口的全部功能。 HD7279內(nèi)不含有譯碼器，可直接接收BCD碼或16進制碼，并同時具有2種譯碼方式，此外，還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等。 HD7279具有片選信號，可方便地實現(xiàn)多于8位的顯示或多于64鍵的鍵盤接口。

1主要特性：

（1） 串行接口，無需外圍元件可直接驅(qū)動LED。

（2） 各位獨立控制譯碼/不譯碼及消隱和閃爍屬性。

（3） （循環(huán)）左移/（循環(huán)）右移指令

（4） 具有段尋址指令，方便控制獨立LED

（5） 64鍵鍵盤控制器，內(nèi)含去抖動電路

（6） 有DIP和SOIC兩種封裝形式供選擇

2 引腳說明：

鍵盤模塊主要由鍵盤串行接口芯片7279擴展組成。鍵盤采用4*4矩陣式，按鍵檢查使用行列掃描方式，行設(shè)置低電平，同時讀入列狀態(tài)，如果列狀態(tài)不是全為1，則此列與行為0相交的鍵就是所按下的鍵。在應(yīng)用過程中，只需要將7279的CS、CLK、DATA和KEY四個端口分別連接至單片機的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3即可。當全部硬件電路連接好后，按下鍵盤的按鍵，單片機將獲得該按鍵的鍵值，通過軟件編程即可確定所需要的方波頻率值，使8253產(chǎn)生該頻率的方波，經(jīng)由功放電路輸出至喇叭發(fā)聲。

方波發(fā)生模塊主要由ATC89C51、74LS373、74LS138和8253組成。其中，74LS138的A、B、C口分別連接至AT89C51的P2.5、P2.6和P2.7，E1、E2、E3分別連接至P2.2、P2.3和P2.4口，由譯碼器74LS138的Y5口輸出。由硬件連接可確定端口地址為：0A000H、0A001H、0A002H和0A003H。鎖存器74LS373的D0和D1口分別連接至P0.0和P0.1，Q0和Q1口分別連接至8253的A0和A1口，用于地址鎖存。8253的D0到D7口分別連接至ATC89C52的P0.0至P0.7口，GATE0口持續(xù)接高電平，CLK2處的時鐘信號經(jīng)由分頻電路連接至單片機的讀和寫，使8253有穩(wěn)定的2MHZ的時鐘信號輸入，最后在OUT2口便可產(chǎn)生持續(xù)的方波輸出，頻率則由軟件編程決定。其原理圖如圖3.4所示：

功放模塊主要由揚聲器和LM386構(gòu)成，OUT2信號輸出至LM386信號輸入端，經(jīng)由放大電路放大后輸出至揚聲器發(fā)聲。其原理圖如圖3.5所示：

軟件部分主要包含：主程序、8253方波發(fā)生子程序、7279初始化子程序、接收發(fā)送字節(jié)子程序、延時子程序等。 主程序：判斷所讀取的鍵值，并根據(jù)鍵值賦值do、re、mi、fa、sol、la、si、do八個音節(jié)的頻率。運用switch語句，讓所選用的8個鍵值分別與8個音階的頻率所對應(yīng)。8253方波發(fā)生子程序：設(shè)定好8253的控制字，且為方式3工作方式（方波發(fā)生器）。將8個音節(jié)的8個不同頻率轉(zhuǎn)換成16進制數(shù)后賦值給8253的輸出端口地址后相減，即可。 7279初始化子程序：使片選信號的上升沿時刻復(fù)位，使芯片處于上電復(fù)位狀態(tài)。 接收發(fā)送字節(jié)子程序：通過移位將所需要傳送的字節(jié)存于A中，以便于其它程序進行調(diào)用 延時子程序：通過for循環(huán)得到延時子程序。

主程序先對7279進行初始化，調(diào)用鍵值讀取子程序，對讀取的鍵值進行判斷是否為預(yù)設(shè)的鍵值，若不是則返回，若是怎進入switch語句進行賦值。其主框圖

如圖4.1所示：

方波發(fā)生子程序：對8253進行初始化，控制字賦值，確定工作在方式3，初值送至入口地址。其子程序流程框圖如圖4.2所示： 判斷是否有鍵按下，若有，則發(fā)送讀鍵盤數(shù)據(jù)指令，并保存鍵值。其子程序流程框圖如圖4.2所示。

7279初始化子程序：發(fā)送復(fù)位指令，子程序返回。其子程序流程框圖如圖4.3所示：發(fā)送一字節(jié)子程序：將所需發(fā)送的字節(jié)帶進位左移一位，循環(huán)八次后將所需發(fā)送的字符保存于A中，子程序返回。其子程序流程框圖如圖4.4所示：

                                                                        

            

本次課程設(shè)計—簡易電子琴的軟件設(shè)計我并沒有運用匯編語言，而是運用了并沒有在課程中學(xué)習(xí)的C語言，故在設(shè)計的時候遇到較大的困難。主要是對于初始化方面不熟悉，后通過上網(wǎng)學(xué)習(xí)及日立電子鐘的設(shè)計對單片機的C程序設(shè)計運用較為熟練。 首先對于一些需要使用的數(shù)據(jù)類型進行定義，如#define uint  unsigned int；后用XBYTE命令對8253進行初始化，用sbit指令對7279進行初始化。 然后編寫各子程序，最后編寫主程序。 開始時用的是if(!key=**)語句來進行鍵值的判斷，后進行單獨賦值的辦法，但是后來發(fā)現(xiàn)這樣的語句對于只有幾個音階的簡易電子琴來說還具有可行性，但是對于音階較多的就顯得太為繁雜了，故后建立數(shù)組，編寫了頻率對照表，運用switch語句進行鍵值判斷并查表賦值。這樣的設(shè)計使得此程序的可擴展性較強。 運用TR0來控制發(fā)聲。 當硬件連接好后，我們把程序燒錄進單片機進行初步調(diào)試，發(fā)現(xiàn)沒有任何反應(yīng)，排查后排除了硬件問題，然后進行了軟件排查。單獨編寫了方波發(fā)生程序，發(fā)現(xiàn)能發(fā)出方波，但是幅度及頻率均與理論值相差巨大。由于硬件排查時認為單片機及功放兩部分工作正常，為了驗證這個結(jié)論的正確性，我們先在硬件電路上繞過8253，單片機輸出直接連接功放模塊，然后改寫程序，使用單片機內(nèi)部中斷，發(fā)現(xiàn)一切工作正常，且可在7279鍵盤上彈奏音樂。此結(jié)果直接證明之前問題出在8253的論斷完全正確，也間接證明程序的編寫基本沒有問題。后為了證明程序編寫的正確性，我們把自己程序里的一些初始化數(shù)值進行了更改，達到與別組硬件匹配后，把自己的程序燒錄進別組的硬件中，發(fā)現(xiàn)可以工作。

經(jīng)硬件檢測，程序調(diào)試后，將程序下載到單片機，按下所設(shè)置的鍵，與設(shè)計要求相比對，揚聲器可正常發(fā)出中音8音階，運用示波器檢查，8音階頻率稍有誤差，基本與理論值相同，達到要求，結(jié)果在誤差范圍之內(nèi)。根據(jù)樂譜彈奏，可彈奏出正常樂曲。 后期，對程序進行了升級，加入了節(jié)奏控制（以按鍵時間長短來控制延時長短），建立了樂曲頻率數(shù)組，可播放數(shù)組中所存樂曲。此次簡易電子琴設(shè)計完成。系統(tǒng)調(diào)試圖5.1所示。

在方案一的調(diào)試中遇到以下幾個問題： 1. 發(fā)聲頻率有誤差：運用示波器觀察，對根據(jù)公式更改參數(shù)達到要求。 2. 按鍵與設(shè)定音階不符：檢查程序為switch語句case設(shè)置偏差。 經(jīng)調(diào)試后，程序運行正確，達到設(shè)計要求。 后期課程設(shè)計結(jié)束后自己增加了鎖定功能，自動播放功能。

總的來說，本次的簡易電子琴設(shè)計不是很成功，因為時間關(guān)系，最終沒能找出預(yù)先設(shè)計中的問題，最后只能通過更改設(shè)計來實現(xiàn)目的。但是也收獲頗多；首先我主要負責(zé)軟件的編寫，使我對單片機的C程序設(shè)計從無到有，從不會到會，深入的了解了單片機程序設(shè)計中匯編與C兩種語言的優(yōu)劣點，使我以后設(shè)計程序時對語言的選擇有了一個清醒的認識。進而發(fā)現(xiàn)問題就要解決問題，在這次解決問題中發(fā)現(xiàn)了自己很多不懂得知識，為了解決問題自己去找資料學(xué)習(xí)，并且在老師的指導(dǎo)下學(xué)會了如何有條理的去排查問題以及如何去驗證自己的猜測。 特別是在我所主要負責(zé)的程序方面，在一次次的驗證中不斷編寫各種功能的程序，從剛開始的什么都不懂，經(jīng)常要自己上網(wǎng)找資料學(xué)習(xí)，都后來在編寫程序中總能有各種奇思妙想，經(jīng)常能有一些讓自己都經(jīng)不住感嘆的構(gòu)思，對C語言有一種得心應(yīng)手的感覺。自己在這之中編寫了很多各種功能的程序，如對電子琴進行鎖定，錄制等功能。 最后，雖說這次的課程設(shè)計結(jié)果不是很成功，但是過程中的收獲卻是相當多的。

我做課程設(shè)計的每個階段，從選題到查閱資料，設(shè)計要求的確定，中期報告的修改，后期格式調(diào)整等各個環(huán)節(jié)中都給予了我悉心的指導(dǎo)。這兩個周以來，董老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹向董老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
　　同時，本篇課程設(shè)計的寫作也得到了王雪珂、孫元龍等同學(xué)的熱情幫助。感謝在整個課程設(shè)計期間和我密切合作的同學(xué)，和曾經(jīng)在各個方面給予過我?guī)椭�的伙伴們，在此，我再一次真誠地向幫助過我的老師和同學(xué)便是感謝!