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关键词AT89C51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AT89S51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16种发音。 1.3 主控芯片介绍
AT89S51是一个低功耗高性能CMOS 8位单片机片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51具有如下特点40个引脚引脚图如图1-2所示4k Bytes Flash片内程序存储器128 bytes的随机存取数据存储器RAM32个外部双向输入/输出I/O口5个中断优先级2层中断嵌套中断2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口看门狗WDT电路片内时钟振荡器。 此外AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下CPU暂停工作而RAM定时计数器串行口外中断系统可继续工作掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式以适应不同产品的需求。 2 系统分析
2.1系统组成
本系统只要以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 系统工作原理
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。 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P1.0P1.3作输入线以P1.4P1.7作输出线在数码管上显示每个按键的“0F”序号。
总体电路具体原理如下 3 系统硬件设计
3.1 系统硬件总体设计 本系统由键盘矩阵、LED显示管、扬声器这几个部分组成LED显示管显示当前按键扬声器发出对应音符。硬件总体设计图如下 3.2 LED显示模块设计 LED显示模块如图2-2所示利用AT89S51单片机的P0端口的P0.0P0.7连接到一个七段数码管的ah的笔段上数码管的公共端接电源。
矩阵扫描显示当前按键模块如下 3.3 按键控制蜂鸣器设计
矩阵扫描扬声器发出对应音符模块如下 4 系统软件设计
4.1 系统软件总体设计
本系统的软件流程图如下 4.2 LED控制设计
七段LED显示器内部由七个条形发光二极管和一个小圆点发光二极管组成根据各管的极管的接线形式可分成共阴极型和共阳极型。 LED数码管的g~a七个发光二极管因加正电压而发亮因加零电压而不以发亮不同亮暗的组合就能形成不同的字形这种组合称之为字形码。
本系统按键显示模块软件流程图如下 4.3 音频控制设计
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T1/5231912μs因此只要令计数器计时956μs/1μs956每计数956次时将I/O反相就可得到中音DO523Hz。 计数脉冲值与频率的关系式(如式2-1所示)是 Nfi÷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1MHzfr是想要产生的频率。
其计数初值T的求法如下 T65536N65536fi÷2÷fr 例如设K65536fi1MHz求低音DO261Hz、中音DO523Hz、高音DO1046Hz的计数值。 T65536N65536fi÷2÷fr655361000000÷2÷fr65536500000/fr 低音DO的T65536500000/26263627 中音DO的T65536500000/52364580 高音DO的T65536500000/104665059
本系统按键发出对应音符模块软件流程图如下 5 系统使用说明
1Keil下编译产生目标HEX文件Proteus下Programme Files选择产生的HEX文件点击运行开始模拟。
2开启本系统数码管显示“-”。
3按任意键盘数码管显示所按下的键盘数扬声器发出相应的音符。
6 结论
通过这次课程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。
参考文献
附录代码清单
