目 录
1 引言 ............................................................................................................................. 2
1.1 目的和意义 ..................................................................................................... 2 1.2 本系统主要研究内容 ..................................................................................... 2 2. 总体方案论证与设计 ................................................................................................ 3
2.1主控模块 ........................................................................................................... 3
2.1.3 STC89C52单片机的中断系统 ............................................................. 6 2.1.4 STC89C52单片机的定时/计数器 ........................................................ 6 2.2数码管模块设计 ............................................................................................... 6 2.2.1 数码管原理介绍 ........................................................................................... 6 2.2.1 数码管电路设计 ........................................................................................... 7 2.3键盘模块设计 ................................................................................................... 8
2.3.1矩阵键盘原理介绍 ................................................................................ 8 2.3.2矩阵键盘电路设计 ................................................................................ 8 2.4功率放大模块设计 ........................................................................................... 9
2.4.1LM386内部原理 .................................................................................... 9 2.4.2 LM386使用注意事项 ......................................................................... 10
3.系统软件设计 .............................................................................................................11
3.1系统软件总体设计 ..........................................................................................11 3.2定时器产生音乐信号原理 ..............................................................................11 4.系统调试 .................................................................................................................... 13
4.1硬件调试 ......................................................................................................... 13 4.2软件调试 ......................................................................................................... 13 4.3调试结果 ......................................................................................................... 13 5.结论 ............................................................................................................................ 15 附录 ............................................................................................................................... 17 系统整体原理图 ........................................................................................................... 17 系统PCB设计图 .......................................................................................................... 17 系统源程序 ................................................................................................................... 18
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基于单片机的电子琴
摘要：随着社会的发展进步，音乐逐渐成为我们生活中很重要的一部分，有人曾说喜欢音乐的人不会向恶。我们都会抽空欣赏世界名曲，作为对精神的洗礼。本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。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。本系统是以51系列单片机STC89C52为主控制器，附有矩阵键盘、LED显示管、扬声器组成。系统完成显示输入信息、播放相应音符等基本功能。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：STC89C52，矩阵键盘，LED显示管，扬声器。
1 引言
1.1 目的和意义
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STC89C52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。本系统是简易电子琴的设计，按下键盘矩阵中的按键会使数码管显示当前按键，扬声器播放器对应的音符。通过设计本系统可了解单片机的基本功能。对单片机的了解有一个小的飞跃。
1.2 本系统主要研究内容
本系统设计制作一个可演奏的电子琴。综合应用了两项设计。
（1）键盘矩阵识别。即矩阵扫描，显示当前按键。
（2）不同频率音符播放。可以通过按键控制15种发音。 （3）设有一个按键，按下后可以播放预设的歌曲。
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2. 总体方案论证与设计
本系统以STC89C52单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对键盘的响应、数码管显示等功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。单片机通过检测键盘输出对应频率的方波，后级通过LM386对功率进行扩大从而驱动扬声器发响。
电源电路键盘模块单片机主控模块数码管显示模块扬声器功率放大模块
图2-1系统结构框图
本系统结构如图2-1所示，本设计可分为以下模块：单片机主控模块、键盘模块、功率放大模块、闹铃模块、按键设置模块。下面对各个模块的设计方案逐一进行论证分析。
2.1主控模块
STC89C52单片机最初是由Intel 公司开发设计的，但后来Intel 公司把51 核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如 SST、Philip、Atmel 等大公司。如是市面上出现了各式各样的但均以51 为内核的单片机，倒是Intel 公司自己的单片机却显得逊色了。这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51 指令、并在51 的基础上扩展一些功能而内部结构是与51 一致的。
STC89C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器(掩膜ROM)，和128B的数据存储器(RAM)组成。
STC89C52单片机的基本组成框图见图2-2。
XTAL2时钟电路XTAL1RAM128BSFR 21个定时个/计数器2VccCPUROM/EPROM/Flash 4KB总线控制中断系统5个中断源2个优先级串行口全双工1个4个并行口VssRSTEAPSENALEP0P1P2P3
图2-2 STC89C52单片机结
2.1.1 STC89C52单片机主要特性
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1. 一个8 位的微处理器(CPU)。
2. 片内数据存储器RAM(128B)，用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89 系列单片机最多提供1K 的RAM。
3. 片内程序存储器ROM(4KB)，用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31 等。目前单片机的发展趋势是将RAM 和ROM 都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。SST 公司推出的89 系列单片机分别集成了16K、32K、64K Flash 存储器，可供用户根据需要选用。
4. 四个8 位并行I／O 接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。
5. 两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。为方便设计串行通信，目前的52 系列单片机都会提供3 个16 位定时器/计数器。
6. 五个中断源的中断控制系统。现在新推出的单片机都不只5 个中断源，例如SST89E58RD 就有9 个中断源。
7. 一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I／O 口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。
8. 片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。最高允许振荡频率为12MHz。SST89V58RD 最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。
2.1.2 STC89C52单片机管脚图
图2-3 89S52单片机管脚图
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部分引脚说明：
1. 时钟电路引脚XTAL1 和XTAL2：
XTAL2(18 脚)：接外部晶体和微调电容的一端；在8051 片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。
要检查8051/8031 的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2 端是否有脉冲信号输出。
XTAL1(19 脚)：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。
2. 控制信号引脚RST,ALE,PSEN 和EA：
RST/VPD(9 脚)：RST 是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持备用电源的输入端。当主电源Vcc 发生故障，降低到低电平规定值时，将＋5V 电源自动两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时，就可以完成复位操作。RST 引脚的第二功能是VPD,即接入RST 端，为RAM 提供备用电源，以保证存储在RAM 中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。
ALE/PROG(30 脚)：地址锁存允许信号端。当8051 上电正常工作后，ALE 引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC 的1/6。CPU 访问片外存储器时，ALE 输出信号作为锁存低8 位地址的控制信号。
平时不访问片外存储器时，ALE 端也以振荡频率的1/6 固定输出正脉冲，因而ALE 信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果想确定8051/8031 芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。如有脉冲信号输出，则8051/8031 基本上是好的。
ALE 端的负载驱动能力为8 个LS 型TTL(低功耗甚高速TTL)负载。
此引脚的第二功能PROG 在对片内带有4KB EPROM 的8751 编程写入(固化程序)时，作为编程脉冲输入端。
PSEN(29 脚)：程序存储允许输出信号端。在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引肢接EPROM 的OE 端(见后面几章任何一个小系统硬件图)。PSEN 端有效，即允许读出EPROM／ROM 中的指令码。PSEN 端同样可驱动8 个LS 型TTL 负载。要检查一个8051/8031 小系统上电后CPU 能否正常到EPROM／ROM 中读取指令码，也可用示波器看PSEN 端有无脉冲输出。如有则说明基本上工作正常。
EA/Vpp(31 脚)：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA 引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC(程序计数器)的值超过0FFFH(对8751/8051 为4K)时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。当输入信号EA 引脚接低电平(接地)时，CPU 只访问外部EPROM/ROM 并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。对于无片内ROM 的8031 或8032,需外扩EPROM，此时必须将EA 引脚接地。此引脚的第二功能是Vpp 是对8751 片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压(一般12V～21V)的输入端。
3. 输入/输出端口P0/P1/P2/P3：
P0口(P0.0～P0.7，39~32 脚)：P0口是一个漏极开路的8 位准双向I/O口。作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8 个LS 型TTL 负载。当P0 口作为输入口使用时，应先向口锁存器(地址80H)写入全1,此时P0 口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。在CPU 访问
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片外存储器时，P0口分时提供低8 位地址和8 位数据的复用总线。在此期间，P0口内部上拉电阻有效。
P1口(P1.0～P1.7，1~8 脚)：P1口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向I/O口。P1口每位能驱动4 个LS 型TTL 负载。在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存地址(90H)写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。
P2口(P2.0～P2.7，21~28 脚)：P2口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向I/O口。P口每位能驱动4个LS 型TTL 负载。在访问片外EPROM/RAM 时，它输出高8 位地址。
P3口(P3.0～P3.7，10~17 脚)：P3口是一个带内部上拉电阻的8 位准双向I/O口。P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。P3口与其它I/O 端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能，如下：
P3.0：(RXD)串行数据接收。 P3.1：(RXD)串行数据发送。 P3.2：(INT0#)外部中断0输入。 P3.3：(INT1#)外部中断1输入。
P3.4：(T0)定时/计数器0的外部计数输入。 P3.5：(T1)定时/计数器1的外部计数输入。 P3.6：(WR#)外部数据存储器写选通。 P3.7：(RD#)外部数据存储器读选通。
2.1.3 STC89C52单片机的中断系统
STC89C52系列单片机的中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。
2.1.4 STC89C52单片机的定时/计数器
在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。89C52单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：T0和T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器。
2.2数码管模块设计 2.2.1 数码管原理介绍
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
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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。
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5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），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。
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\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1～2ms，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。
图2-4 数码管内部结构图
2.2.1 数码管电路设计
如下图所示为一位共阳数码管的硬件电路连接图，由于数码管内部实际为8个LED灯，如果把LED的阴级直接单片机的IO的口，会使LED通过的电流过大从而把数码管烧毁，因此在设计的时候在LED的阴级和单片机的IO之间加上了限流电阻从而起到限流作用。根据经验，这里选取了1K电阻。程序编写的时候我们预先根据要显示的字符，编写了个对应要显示的数组，这样可以使程序更加简化。
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图2-5共阳数码管硬件电路连接图
2.3键盘模块设计
2.3.1矩阵键盘原理介绍
矩阵式键盘模式以N个端口连接控制N*N个按键，实时在LED数码管上显示按键信息。显示按键信息，省下了很多的I/O端口为他用，相反，独立式按键虽编程简单，但占用I/O口资源较多，不适合在按键较多的场合应用。并且在实际应用中经常要用到输入数字、字母、符号等操作功能，如电子密码锁、电话机键盘、计算器按键等，至少都需要12到16个按键。矩阵式键盘简介：矩阵式键盘又称行列键盘，它是用N条I/O线作为行线，N条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。这样键盘上按键的个数就为N*N个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。
最常见的键盘布局如图1所示。一般由16个按键组成，在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能，这也是在单片机系统中最常用的形式，本设计就采用这个键盘模式。
图2-6键盘布局
矩阵式键盘提高效率进行按键操作管理有效方法，它可以提高系统准确性，有利于资源的节约，降低对操作者本身素质的要求。
2.3.2矩阵键盘电路设计
图2-7矩阵键盘电路图
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硬件电路设计图如上图所示。把单片机的P2.0－P2.7端口通过8联拨动拨码开关连接到“4*4行列式键盘”，其中P2.0-P2.3作为列线，P2.4-P2.7作为行线，系统首先通过CPU对全部键盘进行扫描，即把第一根行线置为“0”状态，其余行线置于“1”状态，读入输入缓冲器的状态，若其状态全为“1”表明该行无键按下，再将第二根行线置为“0”状态，同样读入输入缓冲器的状态，如其状态也全为“1”，则置第一根行线置为“0”状态，以此类推[5]。如读入输入缓冲器的状态不全为“1”，确定哪一根列线为“0”状态，当某个键的行线和列线都为“0”状态时，表明该键按下。
2.4功率放大模块设计
功率放大模块我们选用了LM386作为功率放大模块的主要芯片，LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。
2.4.1LM386内部原理
图2-8 LM386内部结构图
LM386内部电路原理图如图所示。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
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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。
图2-9 LM386管脚图
LM386的外形和引脚的排列如上图所示。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。
查LM386的datasheet，电源电压4-12V或5-18V(LM386N-4)；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。
2.4.2 LM386使用注意事项
尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。
(1)通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20。因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处--噪音减少，何乐而不为？ (2)PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386；地线尽可能粗一些；输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。这是死理，不用多说了吧。
(3)好调节音量的电位器。质量太差的不要，否则受害的是耳朵；阻值不要太大，10K最合适，太大也会影响音质，转那么多圈圈，不烦那！
(4)可能采用双音频输入/输出。好处是：“+”、“－”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。
(5)7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。增大这个电容的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，这个电容可千万别省啊！
(6)少输出耦合电容。此电容的作用有二：隔直+耦合。隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；耦合音频的交流信号。它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；太低还会使截止频率
（fc=1/(2π*RL*Cout)）提高。分别测试，发现10uF/4.7uF最为合适，这是我的经验值。
(7)源的处理，也很关键。如果系统中有多组电源，太好了！由于电压不同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。非常可行的方法：将上电、掉电时间短的电源放到+12V处，选择上升相对较慢的电源作为LM386的Vs，但不要低于4V，效果确实非常不错！
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3.系统软件设计
3.1系统软件总体设计
开始模块初始化发送扫描码有键按下是否扫描键盘矩阵停止播放显示按键启动定时器根据按键发音并显示延时结束 图3-1系统流程图
3.2定时器产生音乐信号原理
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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，就可得到中音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
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4.系统调试
4.1硬件调试
电子琴的电路系统较大，对于焊接方面更是不可轻视，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成很大的不便，而且电路的交线较多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺破带有包皮的导线，则会对电路造成短路现象。
在本电子琴的设计调试中遇到了很多的问题。回想这些问题只要认真多思考都是可以避免的，以下为主要的问题：
（1）数码管选用的时候没有注意采用的是共阴还是共阳，导致调试的时候数码管一直不能显示。
解决：把共阴数码管换成数码管。
（2）最开始的时候以为单片机IO口直接可以驱动喇叭发声，后来调试的时候久久不能出声音。
解决：经过查找相关资料，知道扬声器需要功率放大器来驱动，后来把功率放大器加上系统便可以正常工作。
4.2软件调试
电子琴是多功能的数字型，可以根据用户按下的按键发出对应频率的声音。电子琴功能很多，所以对于它的程序也较为复杂,所以在编写程序和调试时出现了相对较多的问题。最后经过多次的模块子程序的修改，一步一步的完成，最终解决了软件。在软件的调试过程中主要遇到的问题如下：
1．烧入程序后，LED数码管显示闪动,而且亮度不均匀。
解决：首先对调用的延时进行逐渐修改，可以解决显示闪动问题。其次，由于本作品使作动态扫描方式显示的数字，动态扫描很快，人的肉眼是无法看出,但是调用的显示程序时，如果不在反回时屏蔽掉最后的附值，则会出现很亮的现象，所以在显示的后面加了屏蔽子令，最后解决了此问题。
2．当用户按下按键的时候，定时器设置的频率跟设计的不对应。
解决：由于定时器中，有大量需要处理的语句使设置定时器的频率不准，为了解决这个问题，我把不太相关的语句放大定时器外部使用。
4.3调试结果
（1）在测试中遇到LED数码管为不显示时,首先使用试测仪对电路进行测试,观察是否存在漏焊,虚焊,或者元件损坏.
（2）LED 数码管显示不正常，还有亮度不够，首先使用试测仪对电路进行测试,观察电路是否存在短路现象。查看烧写的程序是否正确无误，对程序进行认真修改。
经过一系列的问题查找后系统最终能正常工作，并完成所有的功能。 以下为系统仿真图:
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C1U130pF191P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10P2.3/A11P2.4/A12P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P3.0/RXDP3.1/TXDP3.2/INT0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RD39P0.038P0.137P0.236P0.335P0.434P0.533P0.632P0.721P2.022P2.123P2.224P2.325P2.426P2.527P2.628P2.710P3.011P3.112P3.213P3.314P3.415P3.516P3.617P3.723456789XTAL1RP1LS1P3.0X1CRYSTAL18C230pFXTAL2SOUNDER9RSTP1.1P1.0P1.4P1.610u10KP2.0P2.1P2.2P2.4P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.712345678P1.0/T2P1.1/T2EXP1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7AT89C52P2.5P2.6P2.7P2.3293031PSENALEEAP1.7P1.2P1.3P1.5C3RESPACK-8R1 图4-1系统仿真图
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5.结论
通过这次毕业设计，我学到了不少课本上没有的知识，也锻炼了自己的动手能力，将以前学过的零散的知识串到一起。经过我长时间的设计及调试，本系统基本能实现按下键盘矩阵中的按键会使数码管显示当前按键，扬声器播放对应的音符。但由于仿真系统原因，本设计音频效果不是很好。不足之处有：1.可弹奏的音符数较少，只能在一定范围内满足用户需要。可通过改进键盘识别模块和发生模块来增加其复杂度2.音量不可调。
我的综合设计主要涉及硬件和软件两方面的内容，通过这些我的硬件和软件开发能力都获得了提高。首先硬件方面，基本了解了电子产品的开发流程和所要做的工作。基本掌握了Protel99SE原理图的方法，并设计了一个单片机最小系统。通过开发板的设计和硬件搭建的过程，使我对51系单片机的接口有了更深层次的理解，熟悉了一些单片机常用的外围电路引脚和连接方法，如LED数码管，键盘等。并且我学会了分析问题解决问题的能力，加深了对所学理论知识的理解和运用。我的动手能力得到了很大的提高，创新意识得到了锻炼。
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参考文献
[1] 彭伟.单片机C语言程序设计实训100例.电子工业出版社.2009年 [2] 吴运昌．模拟电子线路基础．广州：华南理工大学出版社，2004年 [3] 阎石．数字电子技术基础．北京：高等教育出版社，1997年 [4] 张晓丽等．数据结构与算法．北京：机械工业出版社，2002年
[5] 马忠梅等． ARM&Linux嵌入式系统教程．北京：北京航空航天大学出版社，2004年
[6] 李建忠．单片机原理及应用．西安：西安电子科技大学，2002年 [7] 韩志军等.单片机应用系统设计[M].机械工业出版社，2004
[8] 周润景等. Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例[M].电子工业出版社，2006
[9] 马忠梅等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2006 [10] 刘树中，孙书膺，王春平.单片机和液晶显示驱动器串行接口的实现[J].微计算机信息，2007
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附录
系统PCB设计图 系统整体原理图
17161717171311012291328147112312487651712561711112222165432123123498720119181716151413121110117171222122122654321232425262728293031323334353637383940987
1 1712121212171712121212121212121212121217121212121212121212121212
12121212141517171717
系统源程序
#include
//本程序是电子琴的程序，能够实现单独演奏和放一首歌曲的功能。其中，按键1~15是用于单独演奏的，按键16是用于播放歌曲的 //播放歌曲的时候需要按复位键才能够停止。 //共阴极数码管段码表,最后一字节为黑屏 unsigned char code
DSY_CODE[]={0x28,0xee,0x34,0xa4,0xe2,0xa1,0x21,0xec,0x20,0xa0,0x60,0x23,0x39,0x26,0x31,0x71,0xbf}; //各音符对应的延时表 unsigned int code
tone_delay_table[]={64021,64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178}; //蜂鸣器的位定义 sbit beep=P3^0;
#define SOUND_SPACE 4/5 //定义普通音符演奏的长度分率,//每4分音符间隔
//同一首歌 的谱子
unsigned char code Music[]={ 0x0F,0x01, 0x15,0x02, 0x16,0x02, 0x17,0x66, 0x18,0x03, 0x17,0x02, 0x15,0x02, 0x16,0x01, 0x15,0x02, 0x10,0x02, 0x15,0x00, 0x0F,0x01, 0x15,0x02, 0x16,0x02, 0x17,0x02, 0x17,0x03, 0x18,0x03, 0x19,0x02, 0x15,0x02, 0x18,0x66, 0x17,0x03, 0x19,0x02, 0x16,0x03, 0x17,0x03, 0x16,0x00, 0x17,0x01, 0x19,0x02, 0x1B,0x02, 0x1B,0x70, 0x1A,0x03, 0x1A,0x01, 0x19,0x02, 0x19,0x03, 0x1A,0x03, 0x1B,0x02, 0x1A,0x0D, 0x19,0x03, 0x17,0x00, 0x18,0x66, 0x18,0x03, 0x19,0x02, 0x1A,0x02, 0x19,0x0C, 0x18,0x0D, 0x17,0x03, 0x16,0x01, 0x11,0x02, 0x11,0x03, 0x10,0x03, 0x0F,0x0C, 0x10,0x02, 0x15,0x00, 0x1F,0x01, 0x1A,0x01, 0x18,0x66, 0x19,0x03, 0x1A,0x01, 0x1B,0x02, 0x1B,0x03, 0x1B,0x03,
1
0x1B,0x0C, 0x1A,0x0D, 0x19,0x03, 0x17,0x00, 0x1F,0x01, 0x1A,0x01, 0x18,0x66, 0x19,0x03, 0x1A,0x01, 0x10,0x02, 0x10,0x03, 0x10,0x03, 0x1A,0x0C, 0x18,0x0D, 0x17,0x03, 0x16,0x00, 0x0F,0x01, 0x15,0x02, 0x16,0x02, 0x17,0x70, 0x18,0x03, 0x17,0x02, 0x15,0x03, 0x15,0x03, 0x16,0x66, 0x16,0x03, 0x16,0x02, 0x16,0x03, 0x15,0x03, 0x10,0x02, 0x10,0x01, 0x11,0x01, 0x11,0x66, 0x10,0x03, 0x0F,0x0C, 0x1A,0x02, 0x19,0x02, 0x16,0x03, 0x16,0x03, 0x18,0x66, 0x18,0x03, 0x18,0x02, 0x17,0x03, 0x16,0x03, 0x19,0x00, 0x00,0x00 };
unsigned int code FreTab[12] =
{ 262,277,294,311,330,349,369,392,415,440,466,494 }; //原始频率表
unsigned char code SignTab[7] = { 0,2,4,5,7,9,11 }; //1~7在频率表中的位置 unsigned char code LengthTab[7]= { 1,2,4,8,16,32,64 }; unsigned char Sound_Temp_TH0,Sound_Temp_TL0; //音符定时器初值暂存 unsigned char Sound_Temp_TH1,Sound_Temp_TL1; //音长定时器初值暂存
void delay_1ms(unsigned int ms) { unsigned char i; while(ms--) for(i=0;i<120;i++);} //延时1ms
//播放音乐的子函数
void Play(unsigned char *Sound,unsigned char Signature,unsigned Octachord,unsigned int Speed) { unsigned int NewFreTab[12]; //新的频率表 unsigned char i,j; //定义一些中间变量 unsigned int
Point,LDiv,LDiv0,LDiv1,LDiv2,LDiv4,CurrentFre,Temp_T,SoundLength; unsigned char Tone,Length,SL,SH,SM,SLen,XG,FD; for(i=0;i<12;i++) // 根据调号及升降八度来生成新的频率表 { j = i + Signature; if(j > 11) {
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j = j-12; NewFreTab[i] = FreTab[j]*2;//计算新的频率 } else NewFreTab[i] = FreTab[j];
if(Octachord == 1) NewFreTab[i]>>=2; else if(Octachord == 3) NewFreTab[i]<<=2; }
SoundLength = 0;
while(Sound[SoundLength] != 0x00) //计算歌曲长度 { SoundLength+=2; }
Point = 0;
Tone = Sound[Point]; Length = Sound[Point+1]; // 读出第一个音符和它时时值
LDiv0 = 12000/Speed; // 算出1分音符的长度(几个10ms) LDiv4 = LDiv0/4; // 算出4分音符的长度 LDiv4 = LDiv4-LDiv4*SOUND_SPACE; // 普通音最长间隔标准 TR0 = 0; TR1 = 1;
while(Point < SoundLength) { SL=Tone; //计算出音符 SM=Tone/10; //计算出高低音 SH=Tone/100; //计算出是否升半 CurrentFre = NewFreTab[SignTab[SL-1]+SH]; //查出对应音符的频率 if(SL!=0) { if (SM==1) CurrentFre >>= 2; //低音 if (SM==3) CurrentFre <<= 2; //高音 Temp_T = 65536-(50000/CurrentFre)*10;//计算计数器初值 Sound_Temp_TH0 = Temp_T/256; Sound_Temp_TL0 = Temp_T%6; TH0 = Sound_Temp_TH0; TL0 = Sound_Temp_TL0 + 12; //加12是对中断延时的补偿 } SLen=LengthTab[Length]; //算出是几分音符
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XG=Length/10; //算出音符类型(0普通1连音2顿音) FD=Length/100; LDiv=LDiv0/SLen; //算出连音音符演奏的长度(多少个10ms) if (FD==1) LDiv=LDiv+LDiv/2; if(XG!=1) if(XG==0) //算出普通音符的演奏长度 if (SLen<=4) LDiv1=LDiv-LDiv4; else LDiv1=LDiv*SOUND_SPACE; else LDiv1=LDiv/2; //算出顿音的演奏长度 else LDiv1=LDiv; if(SL==0) LDiv1=0; LDiv2=LDiv-LDiv1; //算出不发音的长度 if (SL!=0) { TR0=1; for(i=LDiv1;i>0;i--) //发规定长度的音 { while(TF1==0); TH1 = Sound_Temp_TH1; TL1 = Sound_Temp_TL1; TF1=0; } } if(LDiv2!=0) { TR0=0; beep=1; for(i=LDiv2;i>0;i--) //音符间的间隔 { while(TF1==0); TH1 = Sound_Temp_TH1; TL1 = Sound_Temp_TL1; TF1=0; } } Point+=2; Tone=Sound[Point]; Length=Sound[Point+1]; }
beep = 0;
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TR0=0;//关闭定时器 }
//键盘矩阵扫描
//返回按下的键的值
unsigned char keys_scan(void) { unsigned char Tmp,k=16; P2=0x0F; delay_1ms(2); Tmp=P2 ^ 0x0F; switch(Tmp)//确定扫描的是哪一行 { case 1: k=0;break; case 2: k=1;break; case 4: k=2;break; case 8: k=3;break; default: return 16; //无键按下，返回 } P2=0xF0; delay_1ms(2); Tmp=(P2>>4)^0x0F; switch(Tmp)//确定扫描的是那一列 { case 1: k+=0; break; case 2: k+=4; break; case 4: k+=8; break; case 8: k+=12;break; default: return 16; //无键按下，返回 } return k; }
void main() //主程序 { unsigned char key_NO=0; P1=0xFF; //数码管显示关闭 //设置定时器工作方式1，以及相关开启寄存器 TMOD |= 0x11; ET0 = 1; ET1 = 0; TR0 = 0; TR1 = 0; EA = 1; //设置定时器初值
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TH0=tone_delay_table[key_NO]/256; TL0=tone_delay_table[key_NO]%6; TH1 = (65535-50000)/256;// 计算TL1应装入的初值 (10ms的初装值) TL1 = (65535-50000)%6; while(1) { P2=0xF0; if(P2!=0xF0)//当有按键按下时，需要显示数码管及设置定时器的开启 { key_NO=keys_scan();//调用键盘扫描 P1=DSY_CODE[key_NO];//在数码管上显示按下的键 if(key_NO<15)//按下那个键，发出对应的音调 { Sound_Temp_TH0=tone_delay_table[key_NO]/256; Sound_Temp_TL0=tone_delay_table[key_NO]%6; } else if(key_NO==15)//按下最后一个键时，要播放音乐 { Play(Music, 0, 3, 300); //TR1 = 0;//音长中断 } TR0=1;//开启定时器0，音符中断 } else//当没有键按下时，数码管不显示，也无声音发出；如果是播放音乐，则一直显示 { TR0=0;//关闭定时器 P1=0xFF;//数码管显示关闭 } delay_1ms(2);//稍做延时，可以避免误判断 } }
//音符发生的中断
void play_tone() interrupt 1 { TH0=Sound_Temp_TH0; TL0=Sound_Temp_TL0; beep=~beep; }
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