《单片机原理与应用课程设计》
设计报告
2014——2015学年第2学期
设计题目：基于单片机的简易电子琴
姓名：王云飞
专业班级：光电信息132 学号： 1893130221
安徽科技学院数理与信息工程学院
1 课题设计内容
本文的主要内容是用AT89C51单片机为核心控制元件，设计一个简单的电子琴。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。定时器按设置的定时参数产生中断，由于定时参数不同，就会发出不同频率的脉冲，不同频率的脉冲经喇叭驱动电路放大滤波后，就会发出不同音调。
先根据要求设计硬件电路和编写相应的程序，然后进行仿真调试，最后细心焊接硬件电路图，将程序烤入芯片中，最终达到设计目的。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。
具体实现的功能：按下音符键可以发出相应的音符。
2 设计方案论证
基本乐理知识：
乐音听起来有的高、有的低，这就叫做音高。音高是由发声物体振动频率的高低决定的，频率高声音就高，频率低声音就低。音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示。休止符表示暂停发音。
一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同的频率,这样就可以利用不同的频率组合，加以拍数对应的延时，构成音乐。如果单片机要自己播放音乐就必须考虑到节拍的设置。
对于AT80C51而言要产生一定频率的方波一般是先将某口线输出高电平，延迟一段时间后再输出低电平。通过改变延迟时间可以改变单片机的输出频率。单片机的延时主要有两种方式，即软件延时和使用定时/计数器延时。其中软件延时不是很精确，而电子琴电路由于每个音符的频率值要求比较严格，因此我们选用定时/计数器延时。
由于本课程设计是由用户通过键盘输入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。因此，我们只需弄清楚音乐中的音符和对应的频率，利用单片机的定时/计数器来产生方波频率信号即可。
要产生相应的音频脉冲，只需要计算出某音频的周期，再除以2。利用计数器计时
半周期，计满时使P2.0反向，然后重复计时再反向。本例中，单片机工作在12MHz
时钟，使用定时器/计数器T0，工作模式为1，改变计数初值TH0、TL0就可产生不同
频率的脉冲信号。
例如低3MI音，频率为330Hz，其周期T=1/f=1/330=3030us，计数值N=3030/2=1515,所以每计数1515次P2.0反向。计数初值T=65536-N=64021。C调的各音符对照表如表1所示。
表1 C调各音符频率与计数值T对照表
1、基
本思
想：
简
易的电
子琴系
统主要
是采用
AT89C
51单片
机，单
片机工
作于
12MHZ
的时钟
频率，
使用其
定时/计
乐，因为单片机产生的音频脉冲没有足够的驱动能力，所以用三极管放大电路实现音频的放大，保证扬声器能产生所要实现的音符声音。
2、硬件框图：
3.系统的硬件结构
3.1系统硬件设计硬件电路的设计主要包括芯片89C51,、4*4键盘电路、振荡电路、复位电路及音频电路组成。
简易电子琴硬件电路图：
3.2 键盘电路
键盘是最常用的单片机输入设备，大致可以分为独立连接式键盘和矩阵式。独立连接式键盘是最简单的键盘电路，每个键独立接入一根数据线。这种键盘结构简单，使用方便，但是占用的I/O口线较多。矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上，行列式键盘可节省I/O口，适合按键数较多的场合。所以本设计的4*4键盘采用矩阵式键盘。
3.3 振荡电路
单片机的时钟信号用来提供单片机内各种位操作的时间基准，时钟信号通常有两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部震荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHz、12MHz或者24MHz。本设计中采用的是12MHz。电容器C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般5~30pF。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，电路中使用较多。振荡方式如下图：
3.4 复位电路
复位操作完成单片机内电路的初始化，是单片机从一种确定的状态开始运行。
当单片机的复位引脚RET出现5ms以上的高电平时，单片机就完成了复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态，而无法执行程序。因此要求单片机复位后能
脱离复位状态。
根据应用要求，复位操作通常有2种基本形式：上电复位、开关复位。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，如果发生死机，用按钮开关操作使单片机复位。
上电后，由于电容要充电，是RST持续一段时间高电平时间。当单片机已经在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作。
通常选择C=10~30uF，R=10~1kᾨ
常用的复位电路如下图所示：
在单片机启动后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。
3.5 音频放大电路
使用PNP管来放大，其中发射极接5V电源，集电极接喇叭，电路中的电容是用来隔离直流电用的。
PNP管放大原理：当PNP管的VC本课程设计的音频放大电路图（三极管型号为9015）：
