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1、安徽财经大学信息工程学院本科毕业设计本科毕业设计题 目 用单片机设计及制作简易电子琴 学 院 管理科学与工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 071信工(0)班 学 号 姓 名 指导老师 2011 年 6 月I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，它在音乐演奏中已成为不可缺少的一部分。单片机是一个具有功能强大和编程灵活性的控制器，它已广泛应用于现代人们的生活中，扮演着重要的角色。本设计主要是使用AT89C51单片机及单片机C语言，在PROTEUS仿真平台上实现以单片机为核心控制元件的一个具有16个按键的电子琴，同时还增加了音乐播放功能。本文中给出了该系统设计的硬件电
2、路，软件设计等。其次，详细阐述了程序的各个模块和实现过程。本设计具有硬件电路简单、功能完善、控制可靠、运行稳定等特点，具有一定的实用性和参考价值。关键词: 单片机；电子琴；PROTEUS；C语言AbstractOrgan music of modern electronic technology combined with the product of a new type of keyboard instruments in its music has become an indispensable part of it. SCM is a powerful and programming
3、flexibility of the controller, which has been widely used in modern peoples lives, play an important role. This design mostly using AT89C51 microcontroller and the microcontroller C, the PROTEUS simulation platform to achieve a single chip as the core control element of an electronic keyboard with 1
4、6 keys, but also increased the music playback. This paper gives the design of the system hardware and software design. Second, detail the various modules of the program and implementation process. This design has a simple hardware circuit, functional, control, reliable, stable performance, practical
5、ity and a certain reference value.Keywords : SCM；electronic；PROTEUS；C Language目录1 引言11.1目的和意义21.2本系统的主要研究内容32 系统分析52.1 系统组成52.2 系统工作原理53 系统硬件设计63.1 系统硬件总体设计63.2 AT89C51单片机73.2.1 AT89C51简介73.2.2 AT89C51主要特性73.2.3 AT89C51管脚说明83.2.4 芯片擦除103.3矩阵式键盘的识别和显示103.3.1.矩阵式键盘的结构与工作原理103.3.2矩阵式键盘的按键识别方法113.3.3键盘接
6、口必须具有的4个基本功能123.4 按键显示模块123.4.1数码管的分类123.4.2数码管的驱动方式133.5 功能显示模块143.6 音乐播放装置154 系统软件设计194.1 系统整体程序处理流程图194.2 I/O并行口直接驱动LED显示204.3音乐播放设计204.4放歌子程序流程图215 系统使用说明225.1 系统安装及配置说明225.1.1系统运行环境225.1.2系统安装及配置225.2 系统操作说明226 结论23参考文献24致谢25附录26安徽财经大学管理科学与工程学院本科毕业设计1 引言随着电子科技的飞速发展，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
7、统希望能够给人们多带来一点生活上的乐趣。基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就是一个很好的应用方面。单片机技术使我们可以利用软硬件实现电子琴的功能，从而实现电子琴的微型化，可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。并且可以进行一定的功能扩展。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。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。简易电子琴是电声乐队的中坚力量，常用于独奏主旋律并伴以丰富的和声。还常作为独奏乐器出现，具有鲜明时代特色。但电子琴的局限性也是十分明显：旋律与和声缺乏
8、音量变化，过于协和、单一；在模仿各类馆、弦乐器时，音色还不够逼真，模仿提琴类乐器的音色时，失真度更大，还需要不断改进。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AT89C51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
9、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。这次的电子琴是由4*4组成16个按钮矩阵，设计成16个音。然后再用一个音频放大模块来使音乐播出的声音变大。通过这16个键的随意组合可随意弹奏想要表达的音乐，使用很简单。1.1目的和意义随着生活水平的提高，在放松自己的同时又能提高各个方面的能力。学习和欣赏音乐可以在使人们得到放松的同时，提高人们的精神品质和个人
10、素养。当代，爱好音乐的年轻人越来越多，有不少人自己练习弹奏乐器，作为业余爱好和一种放松的手段，鉴于一些乐器学习难度大，需要太多的学习时间，且其价格又太过于高昂，使得一部分有这种想法的人不得不放弃这种想法。而一些简易的电子乐器价格相对便宜，学习上手快，价格相对便宜，一般人容易负担的起，能够满足一般爱好者的需求。故简易电子乐器的研制具有一定的社会意义。单片机是在一块芯片内集成了计算机的各个功能部件，构成一种单片式的微型计算机。二十世纪八十年代以来，单片机的发展迅速，应用不断深入，新技术层出不穷。并已广泛应用到人类生活的各个领域，如家电、通讯设备、玩具、智能卡、汽车及防盗、医用保健、仪表、工业过程控
11、制等，成为当今科学技术现代化不可缺少的重要工具。之所以以单片机电子琴为选题，目的在于从日常生活能接触到的细微处着手，通过理论与实践的结合，更明确自己的所学所用，也在实践中发现理论的不足，对目前日益广泛应用的单片机有了更加理性化和感性化的认识，使理论和实践相得益彰。通过单片机电子琴这个选题，更深层次的了解了单片机技术，以前只是有理论，实践的机会不是很多，在作单片机电子琴这个选题的过程中，更加熟练的掌握了一些单片机芯片的应用，也解决了很多以前理论和实践脱节的问题，可谓对单片机的认识有了一个小的飞跃。Keil是德国开发的一个51单片机开发软件平台，最开始只是一个支持C语言和汇编语言的编译软件。Kei
12、l的Vision3可以进行纯粹的软件仿真（仿真软件程序、不接硬件电路），也可以利用硬件仿真器，搭接上单片机硬件系统，在仿真器中载入项目程序后进行实时仿真，在不需要额外的硬件仿真器的条件下，搭接单片机硬件系统对项目程序进行实时仿真。Proteus是英国Labcenter Electronics公司开发的多功能EDA软件。Proteus是目前较先进的单片机和嵌入式系统的设计与仿真平台。它实现了在计算机上完成从原理图与电路设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整的电子设计、研发过程。由于Proteus软件包逼真、真实的协同仿真功能，得到了包括剑桥在内的众多大
13、学用户，作为电子学或嵌入式系统的课程教学、实验和水平考试平台。利用Proteus与Keil整合构建单片机虚拟实验室，为解决电路设计以及仿真提供了很好的发展平台。本设计是在Keil使用89C51单片机及单片机C语言，在Proteus仿真平台上实现基于单片机的简易电子琴。对于提高和改进电子琴功能的设计有着重要参考意义。1.2本系统的主要研究内容单片机因体积小、功能强、价格低廉而得到广泛应用。AT89C51单片机设计微型电子琴的方法，仅需AT89C51最小系统，扩展一组矩阵键盘，再接一组发光二极管用来指示电子琴的工作状态。本系统分为两个部分，一个是音乐，另一个就是电子琴。音乐播放部分：乐音实际上是有
14、固定周期的信号。本文介绍用AT89C51的两个定时器（如T0，T1）控制，在P3.7脚上输出方波周期信号，产生乐音，通过矩阵键盘按键产生不同的音符，由此操作人员可以随心所欲的弹奏自己所喜爱的乐曲，当不想弹奏时通过按放歌键可以演奏事先存放在单片机中的几首动听的曲子供消遣。当歌曲演奏完时，通过按复位键便可回到初始状态，这样就做出了一台微型电子琴。由于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
15、阶对应频率关系弄正确即可。乐曲中，每一音符对应着确定的频率，我们将每一音符的时间常数和其相应的节拍常数作为一组，按顺序将乐曲中的所有常数排列成一个表，然后由查表程序依次取出，产生音符并控制节奏，就可以实现演奏效果。电子琴弹奏部分：实际上就是把每个按键所对应的值经过处理后发给单片机，再在单片机内把数字当作指针指向所对应的音符。本设计要实现的功能有：由4X4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。详细过程：当系统扫描到键盘上有键子被按下，则快速检测出是那一个键子，然后单片机的定时器被启动，发出一定频率的脉冲，该频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出相应的音调。假如在前一
16、个按下的键发声的同时有另一个键被按下，则启用中断系统，前面键的发音停止，转到后按的键的发音程序，发出后按的键的音。2 系统分析2.1 系统组成该系统通过电子琴按键随意键入所要表达的音符，作为电平送给主体电路，中央处理器通过识别，解码输出音符，在扬声器中发出有效的声音。通过这样可以不断的弹奏音乐。嵌入式电路，按键电路，LED显示电路和两个功能键组成，通过功能键可以选择播放音乐。其主要模块由五个部分组成,具体关系如图2.1所示。图2.1 系统组成框图本系统的电路基本模块：51单片机中心、矩阵键盘模块、显示模块、发音模块、功能选择模块。2.2 系统工作原理 工作原理描述如下：打开电子琴电源开关后，电
17、子琴默认为弹奏状态，弹奏显示灯点亮，数码管显示为0。按下矩阵键盘中的任意键，扬声器发相应的音调，数码管显示对应的数字。按下播放按钮，电子琴处于自动播放状态，播放显示灯点亮，此时，按下矩阵键盘中的任意键，扬声器发出存储在单片机内部的对应的乐曲，数码管显示对应的按键数字。再按弹奏/停止键，音乐停止。弹奏显示灯点亮。此时系统又处于弹奏状态。3 系统硬件设计3.1 系统硬件总体设计将设计的电子琴硬件部分进行模块化设计，主要分以下模块：（1）矩阵键盘模块：系统采用4*4矩阵键盘。（2）显示模块：系统采用LED显示管显示。（3）功能显示模块：采用发光二极管显示弹奏、播放两种状态。（4）发音模块：采用扬声器
18、发音。（5）控制中心模块：AT89C51单片机。硬件整体电路图如图3.1所示。图3.1 硬件整体电路图3.2 AT89C51单片机3.2.1 AT89C51简介AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51它是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程
19、。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图3.2所示。图3.2 AT89C51引脚分布图3.2.2 AT89C51主要特性与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24MHz三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路3.2.3 AT89C51管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次
20、写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，
21、且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器
22、件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：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地位字节。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。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取
23、指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。EA/VPP：当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。另外，P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示。l 口管脚 备选功能l P3.0 RXD（串行输入口）l P3.1 TXD（串行输出口）l P3.2 /INT0
24、（外部中断0）l P3.3 /INT1（外部中断1）l P3.4 T0（记时器0外部输入）l P3.5 T1（记时器1外部输入）l P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）l P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）l P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。3.2.4 芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停
25、止工作。但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.3矩阵式键盘的识别和显示3.3.1.矩阵式键盘的结构与工作原理在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采
26、用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，本系统中的矩阵键盘中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。矩阵式键盘如图3.3所示。图3.3 矩阵式键盘3.3.2矩阵式键盘的按键识别方法确定矩阵式键盘上何键被按下介绍一种“行扫描法”。行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如上图所示键盘，介绍过程如下。
27、1、判断键盘中有无键按下。将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。2、判断闭合键所在的位置。在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。3.3.3键盘接口必须具有的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
28、质量相关，一般为520mm。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。（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
29、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AT89C51的并行口P0接44矩阵键盘，以P0.0P0.3作输入线，以P0.4P0.7作输出线；在数码管上显示每个按键的“0F”序号。3.4 按键显示模块3.4.1数码管的分类数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极
30、管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。3.4.2数码管
31、的驱动方式数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,
32、b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定
33、的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。显示模块如图3.4所示。图3.4 显示模块3.5 功能显示模块当按下弹奏/停止功能键时，D1灯点亮，此时，电子琴系统处于弹奏状态；当按下播放键时，D2灯点亮，此时，电子琴系统处于自动播放内置音乐状态。此系统的功能显示模块如图3.5所示。图3.5 功能显示模块3.6 音乐播放装置一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波频率，也就是说不能像电子琴那样能演奏出多种音色的声音。因此单片机奏乐只需弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和“节拍”。音调表示一个音符唱多高的频率，节拍表示一
34、个音符唱多长的时间。在音乐中所谓“音调”，其实就是我们常说的“音高”。在音乐中常把中央C上方的A音定为标准音高，其频率f=440Hz。当两个声音信号的频率相差一倍时，也即f2=2f1时，则称f2比f1高一个倍频程, 在音乐中1（do）与，2（来）与正好相差一个倍频程，在音乐学中称它相差一个八度音。在一个八度音内，有12个半音。以1i八音区为例，12个半音是：11、12、22、23、34、44，45、5一5、56、66、67、7i。这12个音阶的分度基本上是以对数关系来划分的。如果我们只要知道了这十二个音符的音高，也就是其基本音调的频率，我们就可根据倍频程的关系得到其他音符基本音调的频率。知道了
35、一个音符的频率后，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P3.7反相，然后重复计时再反相。就可在P3.7引脚上得到此频率的脉冲。为了让单片机发出不同频率的声音，我们只需将定时器预置不同的定时值就可实现。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T1/5231912s，因此只要令计数器计时956s/1s956，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
36、系式是： Nfi2fr 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：T65536N65536fi2fr例如：设K65536，fi1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。T65536N65536fi2fr6553610000002fr65536500000/fr低音DO的T65536500000/26263628中音DO的T65536500000/52364580高音DO的T65536500000/104665058单片机12MHZ晶振，高中低音符与计数T0相关
37、的计数值如表2所示。表2 音符频率表音符频率（HZ）简谱码（T值）音符频率（HZ）简谱码（T值）休止00中 4 FA69864820低1 DO26263628中 5 SO78464898低2 RE29463835中 6 LA88064968低 3 M33064021中 7 SI98865030低 4 FA34964103高 1 DO104665058低 5 SO39264260高 2 RE117565110低 6 LA44064400高 3 M131865157低 7 SI49464524高 4 FA139765178中 1 DO52364580高 5 SO156865217中 2 RE587
38、64684高 6 LA176065252中 3 M65964777高 7 SI196765283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。uint code tab=0，63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524, 64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030, 65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283音符的节拍我们可以举例来说明。在一张乐谱中，我们经常会看到这样的表达式，如1=C 、1=G 等等，这里1=C,1=G表示乐谱的曲调， 、就是用来表示节
39、拍的。以为例加以说明，它表示乐谱中以四分音符为节拍，每一小结有三拍。比如：其中1 、2 为一拍，3、4、5为一拍，6为一拍，共三拍。1 、2的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，3、4的时长为八分音符的一半，即为十六分音符长，5的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，6的时长为四分音符长。一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为400500ms 。我们以一拍的时长为400ms为例，则当以四分音符为节拍时，四分音符的时长就为400ms，八分音符的时长就为200ms，十六分音符的时长就为100ms。可见，在单片机上控制一个音符唱多长可采用循环延时的方法来实现。首先，我们确定一个基本时长的
40、延时程序，比如说以十六分音符的时长为基本延时时间，那么，对于一个音符，如果它为十六分音符，则只需调用一次延时程序，如果它为八分音符，则只需调用二次延时程序，如果它为四分音符，则只需调用四次延时程序，依次类推。音乐的音拍，以一个节拍为单位（C调），如表3所示。 表3 曲调值表曲调值DELAY曲调值DELAY调4/4125ms调4/462ms调3/4187ms调3/494ms调2/4250ms调2/4125ms通过上面关于一个音符音调和节拍的确定方法，我们就可以在单片机上实现演奏音乐了。具体的实现方法为：将乐谱中的每个音符的音调及节拍变换成相应的音调参数和节拍参数，将他们做成数据表格，存放在存储器
41、中，通过程序取出一个音符的相关参数，播放该音符，该音符唱完后，接着取出下一个音符的相关参数，如此直到播放完毕最后一个音符，根据需要也可循环不停地播放整个乐曲。音乐播放装置的工作原理：当打开电子琴电源后，按下弹奏按钮，再按下矩阵键盘任意键，扬声器发出对应的单个音调；若按下歌曲选择按钮，再按矩阵键盘任意键，扬声器便发出存储在单片机内的对应的一段音乐。发声装置如图3.6所示。图3.6 发声装置4 系统软件设计4.1 系统整体程序处理流程图系统整体程序处理流程图4.1所示。图4.1 整体程序处理流程图在电子琴开始工作时，系统默认电子琴处于弹奏状态，歌曲选择功能键的目的是赋予矩阵键盘第二功能，即对系统内
42、置的歌曲进行选择，在放歌时能且只能通过弹奏/停止键来结束放歌，选歌时必须先按下歌曲选择功能键，在通过矩阵键盘来选择和切换曲目。4.2 I/O并行口直接驱动LED显示把“AT89C51”区域中的P2.0/A8P2.7/A15端口用8芯排线连接到一位数码管的ah端口上；要求：P2.0/A8与a相连，P2.1/A9与b相连，P2.2/A10与c相连，P2.7/A15与h相连。表1 字形码表及对应的音符00x3f低 5 SO80x7f中 6 LA10x06低 6 LA90x6f中 7 SI20x5b低 7 SIA0x77高 1 DO30x4f中 1 DOB0x7c高 2 RE40x66中 2 REC0
43、x39高 3 M50x6d中 3 MD0x5e高 4 FA60x7d中 4 FAE0x79高 5 SO70x07中 5 SOF0x71高 6 LA在本设计中，数码管的显示通过 P2=DSY_CODEk这句语言来查表并输出，实现音符的显示。4.3音乐播放设计在音乐播放程序中用到了两个定时/计数器。其中T0用来产生音符频率，T1用来产生音拍。音乐播放流程图如图4.2所示。图4.2 音乐播放流程图4.4放歌子程序流程图放歌子程序流程图如下图4.3所示。图4.3 放歌子程序流程图该程序实现的是单首曲目循环播放，无法在程序内部实现歌曲的切换。只能通过外部功能键来实现曲目及功能的切换，是该电子琴设计的一个
44、缺憾。相信如果有更多的时间来进行调试和设计，这个设计会更加好。5 系统使用说明5.1 系统安装及配置说明5.1.1系统运行环境支持proteus和keil u V3运行的操作系统为：Windows 98/Me/2000/XP，该软件对PC硬件要求不高，当前主流机器配置都可以满足它的运行要求，本系统所实用安装软件为Proteus 7.4，实验过程中该软件运行流畅，反应迅速。5.1.2系统安装及配置步骤一：安装Proteus软件。步骤二：安装Keil软件。步骤三：Keil和Proteus的配置因为利用Keil和Proteus的结合可以搭建我们自己的仿真平台，所以我们还需要安装vdmagdi.exe
45、驱动。为了让系统运行起来，我们需要做一些配置工作，具体工作如下：（1）首先启动Proteus，打开要仿真的工程文件，然后配置Proteus软件，选择“Debug”“Use Remote Debug Monitor”。（2）调出编辑AT89C51属性的对话框，将其程序文件设置为空。（3）Keil uV3的设定，首先启动Proteus仿真项目对应的Keil中的工程。（4）在工程工作区选中“Target1”，并右击选中“Options for Target Target1”。选中“Output”中“Creat HEX Fi”和“Debug”中“Use Remote Debug Monitor”。5.2 系统操作说明熟悉keil集成开发环境和Proteus仿真软件的使用，完成两个软件的联机调试。6 结论将程序导入AT89C51芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律。本课题通过制作电子琴，将几个模块很好的融合起来，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。说明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，于是我们可以利用