隨著社會的發展進步，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。設計一個基于單片機的簡易電子琴。電子琴是現代電子科技與音樂結合的產物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現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特性，它已融入現代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本系統是以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。系統完成顯示輸入信息、播放相應音符等基本功能。本系統運行穩定，其優點是硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統可靠，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模集成電路技術發展的產物，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、穩定可靠、應用廣泛的特點。它的應用必定導致傳統的控制技術從根本上發生變革。因此，單片機的開發應用已成為高科技和工程領域的一項重大課題。

電子琴是現代電子科技與音樂結合的產物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現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特性，它已經溶入現代人們的生活中，成為不可替代的一部分。本文的主要內容是用AT89S51單片機為核心控制元件，設計一個電子琴。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，在主控模塊上設有16個按鍵和揚聲器。

本文主要對使用單片機設計簡易電子琴進行了分析，并介紹了基于單片機電子琴統硬件組成。利用單片機產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試來詳細闡述。本系統是簡易電子琴的設計，按下鍵盤矩陣中的按鍵會使數碼管顯示當前按鍵，揚聲器播放器對應的音符。通過設計本系統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。

本系統設計制作一個可演奏的電子琴。綜合應用了兩項設計。

（1）以單片機為核心設計一個電子琴

（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部定時器等元件產生。

方案一：使用單片機內部定時器，通過編程實現發出不同頻率方波，產生音階。     

方案二：使用8253作為外部定時器，通過編程實現產生所需頻率的方波。   

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部定時器，以編程實現方波輸出，優點在于外部電路簡單，程序結構簡單，缺點在于消耗單片機資源過多，不利于優化升級；方案二是利用8253來產生方波，相對來說這種方案外部電路較為復雜，程序結構也更為復雜，優點在于占用單片機資源少，輸出穩定，利于擴展；故而選擇方案二較好。

鞏固和運用所學課程，理論聯系實際，提高分析、解決計算機技術實際問題的獨立工作能力，通過對電子琴的設計，進一步加深對計算機原理以及數字電路應用技術方面的了解與認識，進一步熟悉數字電路系統設計、制作與調試的方法和步驟。鞏固所學課堂知識，理論聯系實際，提高分析、解決計算機技術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結構。

隨著基于技術的發展和應用領域的擴大與深入，單片機技術在電子信息、通信、自動控制用計算機等領域的重要性日益突出。作為一個學電子信息專業的學生，我們必須不斷地了解更多的新產品信息，這就更加要求我們對其有個全面的認識。本程序設計的是簡易電子琴的設計。可以大大降低了硬件數字系統設計的入門級別，讓人感覺就是C語言的近親。通過老師的指導和自己的學習完成了預想的功能。

ATC89C51主要特性：  與MCS-51 兼容\8K字節可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環數據保留時間：10年全靜態工作：三級程序存儲器鎖定\512內部RAM\32可編程I/O線兩個16位定時器/計數器\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據存儲器，它可以被定義為數據/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位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。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（外部數據存儲器寫選通）

P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通）

P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，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。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：每當用作外部數據存儲器時，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行狀態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。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。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動器件，XTAL2應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，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。

單片機最小系統主要由時鐘電路和復位電路組成。

此系統的時鐘電路設計是采用的內部方式，即利用芯片內部的振蕩電路。MCS-51內部有一個用于構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成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容CX1和CX2構成并聯諧振電路，接在放大器的反饋回路中。，此系統電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容值約為30μF。

                 

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

HD7279是一片具串行接口的，可同時驅動8位共陰式數碼管（或64只獨立LED）的智能顯示驅動芯片，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）左移/（循環）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，行設置低電平，同時讀入列狀態，如果列狀態不是全為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產生該頻率的方波，經由功放電路輸出至喇叭發聲。

方波發生模塊主要由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口持續接高電平，CLK2處的時鐘信號經由分頻電路連接至單片機的讀和寫，使8253有穩定的2MHZ的時鐘信號輸入，最后在OUT2口便可產生持續的方波輸出，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構成，OUT2信號輸出至LM386信號輸入端，經由放大電路放大后輸出至揚聲器發聲。其原理圖如圖3.5所示：

軟件部分主要包含：主程序、8253方波發生子程序、7279初始化子程序、接收發送字節子程序、延時子程序等。 主程序：判斷所讀取的鍵值，并根據鍵值賦值do、re、mi、fa、sol、la、si、do八個音節的頻率。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。8253方波發生子程序：設定好8253的控制字，且為方式3工作方式（方波發生器）。將8個音節的8個不同頻率轉換成16進制數后賦值給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位，使芯片處于上電復位狀態。 接收發送字節子程序：通過移位將所需要傳送的字節存于A中，以便于其它程序進行調用 延時子程序：通過for循環得到延時子程序。

主程序先對7279進行初始化，調用鍵值讀取子程序，對讀取的鍵值進行判斷是否為預設的鍵值，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，則發送讀鍵盤數據指令，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：發送復位指令，子程序返回。其子程序流程框圖如圖4.3所示：發送一字節子程序：將所需發送的字節帶進位左移一位，循環八次后將所需發送的字符保存于A中，子程序返回。其子程序流程框圖如圖4.4所示：

                                                                        

            

本次課程設計—簡易電子琴的軟件設計我并沒有運用匯編語言，而是運用了并沒有在課程中學習的C語言，故在設計的時候遇到較大的困難。主要是對于初始化方面不熟悉，后通過上網學習及日立電子鐘的設計對單片機的C程序設計運用較為熟練。 首先對于一些需要使用的數據類型進行定義，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，但是后來發現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。這樣的設計使得此程序的可擴展性較強。 運用TR0來控制發聲。 當硬件連接好后，我們把程序燒錄進單片機進行初步調試，發現沒有任何反應，排查后排除了硬件問題，然后進行了軟件排查。單獨編寫了方波發生程序，發現能發出方波，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，使用單片機內部中斷，發現一切工作正常，且可在7279鍵盤上彈奏音樂。此結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，發現可以工作。

經硬件檢測，程序調試后，將程序下載到單片機，按下所設置的鍵，與設計要求相比對，揚聲器可正常發出中音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，結果在誤差范圍之內。根據樂譜彈奏，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），建立了樂曲頻率數組，可播放數組中所存樂曲。此次簡易電子琴設計完成。系統調試圖5.1所示。

在方案一的調試中遇到以下幾個問題： 1. 發聲頻率有誤差：運用示波器觀察，對根據公式更改參數達到要求。 2. 按鍵與設定音階不符：檢查程序為switch語句case設置偏差。 經調試后，程序運行正確，達到設計要求。 后期課程設計結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計不是很成功，因為時間關系，最終沒能找出預先設計中的問題，最后只能通過更改設計來實現目的。但是也收獲頗多；首先我主要負責軟件的編寫，使我對單片機的C程序設計從無到有，從不會到會，深入的了解了單片機程序設計中匯編與C兩種語言的優劣點，使我以后設計程序時對語言的選擇有了一個清醒的認識。進而發現問題就要解決問題，在這次解決問題中發現了自己很多不懂得知識，為了解決問題自己去找資料學習，并且在老師的指導下學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，經常要自己上網找資料學習，都后來在編寫程序中總能有各種奇思妙想，經常能有一些讓自己都經不住感嘆的構思，對C語言有一種得心應手的感覺。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，雖說這次的課程設計結果不是很成功，但是過程中的收獲卻是相當多的。

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