单片机电子琴设计
电子琴在现代音乐中扮演着重要角色，是现代电子科技与音乐结合的产物。单片微型机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛等特点。单片微型机因其强大的控制功能和灵活的编程实现特性，在实际生活中的利用价值越来越大。
本课题是基于单片机的简单电子琴设计，采用的单片机为AT89S52芯片。本系统主要利用单片机技术，将矩阵键盘、数码管及蜂鸣器等设计硬件电路以实现目标功能。实际的硬件电路有4*4矩阵键盘，矩阵键盘的设计功能有两种，按键键值的意义也不同。一是在系统处于弹奏状态下时，可以弹奏出14个音阶（分别对应矩阵键盘第1个到第14个按键），同时，如果操作者希望保存弹奏的曲调，则可以使用保存和停止保存两个功能按键（分别对应矩阵键盘第15个和第16个按键）。二是在系统处于播放状态下时，可以通过矩阵键盘选择想要播放的曲目（预存曲目有15首，分别对应矩阵键盘第1个至第15个按键），若操作者希望暂时停止播放中的曲目，则可以使用暂停功能按键（对应矩阵键盘第16个按键）。硬件电路还有蜂鸣器（用来发声），一个一位的数码管（用来显示蜂鸣器正在发声的音阶），另有连接两个独立按键（用来选择系统工作状态）及两个LED（工作状态指示灯）。系统采用C语言进行软件编程，包括播放功能、弹奏功能、键盘扫描识别程序和音频脉冲输出程序设计等。设计过程中主要利用的软件有PROTUES仿真软件、KEIL及PROTEL。本系统具有硬件电路简单、软件功能完善、控制系统可靠及性价比较高等优点，具有一定的实用性和参考价值。 HM000046
关键词：简单电子琴；单片机；矩阵键盘；数码管
1.1 电子琴发展概况
电子琴的发明不仅极大地推动了流行音乐的发展，而且使得人们可以演奏出未曾拥有的音色，丰富了人们情感的表现，并且，电子琴更推动了音乐的普及，它让音乐真正成为了大众的音乐，成为了人类社会不可缺少的东西。
1.1.1电子琴的产生
电子乐器的产生，首先是模仿“乐器之王”管风琴(Pipe Organ)。管风琴发明于公元前，鼎盛于17世纪。它是靠水力或人力鼓风，吹响与建筑物一样高大的管子而发音的乐器。
管风琴是大型键盘乐器，结构非常复杂。管风琴由手键盘和脚键盘构成，有些手键盘多达4-5层。一架管风琴的演奏可以和一个管弦乐队媲美。管风琴结构复杂，体积庞大，造价昂贵，受演出场地、环境限制，不易搬动。
为了使之轻便，1907年，美国人T·卡西尔发明了用电磁线圈产生音阶信号的电风琴。1920年，苏联人利昂·特里尔发明了“空中电琴”。1939年，美国市场上开始销售“艾伦风琴”，这种电子风琴比管风琴轻便经济，普遍用于教学、音乐厅等，因而有一定市场。至1950年，美国年产电子琴达10万台，接近钢琴产量。1964年，美国人穆格发明了合成器。
1.1.2电子琴的发展 查看完整请+Q:351916072获取
日本于20世纪50年代从美国进口电子琴。1959年，由雅马哈(YAMAHA)株式会社生产了世界上第一台立式电子琴，取名为“伊莱克通”(Electone)，它有三层键盘。1980年，随着电子集成电路的出现，电子琴开始向小型化发展，雅马哈等厂家生产了便捷式单键盘电子琴(Portatone Portasound)。1983年，雅马哈生产的电子合成器DX7和电钢琴问世。1986年，HX系统高级历史电子琴问世。我们现在常见并熟悉的双排键电子琴是日本于1991年之后生产的EL，ELS系列以及便携式双排键DDK7。
在中国，1958年北京邮电学院研制了一台电子管单音电子琴。由于种种原因，至1977年后，我国才大批生产电子琴。1989年，我国年产儿童电子琴200万台，并出口39万台。中国的电子琴事业正在迅速发展。
电子琴发展很快，琴的各项功能日趋完善。音色和节奏有最初的几种发展到现在的几百种。除寄存音色外，还可通过插槽外接音色卡。合成器的某些功能，如音色的编辑修改、自编节奏、多轨录音、演奏程序记忆等也运用到电子琴上。
1.1.3乐器特色
电子琴又称作电子键盘，属于电子乐器(区别于电声乐器)，发音音量可以自由调节。音域较宽，和声丰富，甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。它还可模仿多种音色，甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音（如合唱声，风声，雨声等）。另外，电子琴在独奏时，还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏，适合于演奏节奏性较强的现代音乐。另外，电子琴还安装有效果器，如混响、回声、延音，震音轮和调制轮等多项功能装置，表达各种情绪时运用自如[23]。
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十分明显：旋律与和声缺乏音量变化，过于协和、单一；在模仿各类管、弦乐器时，技法略显单调。
电子琴的自动节奏部分，为老师给学生进行节奏感的教学提供了有利条件。老师可让学生合着自动节奏反复打拍子，甚至可以运动身体，比如合着节奏踏步、走步，做操等，从中用心和身体去领略各种节奏的律动。并且可以了解各种各样的音乐风格，增加其综合音乐素养[21]。
普及型电子琴的演奏有较大一部分是通过自动和弦伴奏来配合完成的，在音乐中和弦的连接推动了旋律地进行，不同的和声连接，形成了不同的音乐色彩。（注：合成器没有自动伴奏功能，与此类似的是琶音器。）
1.1.4功能分类
家用的电子琴属中低端的“编曲键盘”。中高端的编曲键盘在现代的流行乐队里起着重要作用。而侧重于音乐制作的电子琴类成员叫做“电子合成器”。对于好的编曲键盘和电子合成器来说，人们可以自己编辑修改音色和节奏风格，甚至可以传到电脑里通过网络和别人分享这些音色节奏。而运用了电子技术做成的手感像钢琴那样的乐器叫“电钢琴”或“数码钢琴”。
电子琴初学者使用的电子琴一般为61键，目前各琴行中这种电子琴占多数。此外还有76键，88键不等的普及型或业余型电子琴。这类琴在国内各个少儿电子琴比赛中很常见。如目前入门常用的琴就是“雅马哈KB280”，稍微好一些的会推荐使用psr-s550，再好一些的推荐psr-s710和s910这些[24]。
1.2 单片微型机发展概况 查看完整请+Q:351916072获取
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。
1.2.1发展历史
单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。高端的32位SOC单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统[1]。 查看完整请+Q:351916072获取
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 电子琴发展概况 1
1.1.1电子琴的产生 1
1.1.2电子琴的发展 1
1.1.3乐器特色 2
1.1.4功能分类 2
1.2 单片微型机发展概况 3
1.2.1发展历史 3
1.2.2应用范围 5
1.3 立题的依据和实际意义 6
第2章 简单电子琴的总体设计 8
2.1 设计的目的与要求 8
2.1.1 设计的目的 8
2.1.2 设计要求 8
2.2 电子琴系统的组成 9
2.3 电子琴系统设计框图 10
2.4 本章小结 10
第3章 简单电子琴系统设计原理 11
3.1 音乐相关知识 11
3.2 音频脉冲的产生 11
3.3 节拍 13
3.4 本章小结 15
第4章 简单电子琴的详细硬件设计 16
4.1 相关硬件简介 16
4.1.1 单片机AT89S52简介 16
4.1.2 数码管简介 19
4.2 单片机最小系统设计 22
4.2.1 脉冲电路 22
4.2.2 复位电路 22
4.3 矩阵键盘设计 24
4.3.1 矩阵键盘的结构与工作原理 24
4.3.2 矩阵键盘的按键识别方法 26
4.4 数码管显示 30
4.4.1 LED数码管的工作电流 30
4.4.2 如何通过测量区分数码管 30
4.5 本章小结 31
第5章 简单电子琴的详细软件设计 32
5.1 相关软件简介 32
5.1.1 PROTUES简介 32
5.1.2 KEIL简介 33
5.2 软件设计相关流程 34
5.2.1 程序总体流程设计 34
5.2.2 实现弹奏和播放功能流程图 35
5.3 本章小结 36
第6章 简单电子琴的系统调试 37
6.1 一般调试过程 37
6.2 实际设计中的调试 37
第7章 总结与展望 39
7.1总结 39
7.2展望 40
参考文献 41
致 谢 43
附图、附录 45 查看完整请+Q:351916072获取
本课题是基于单片机的简单电子琴设计，采用的单片机为AT89S52芯片。本系统主要利用单片机技术，将矩阵键盘、数码管及蜂鸣器等设计硬件电路以实现目标功能。实际的硬件电路有4*4矩阵键盘，矩阵键盘的设计功能有两种，按键键值的意义也不同。一是在系统处于弹奏状态下时，可以弹奏出14个音阶（分别对应矩阵键盘第1个到第14个按键），同时，如果操作者希望保存弹奏的曲调，则可以使用保存和停止保存两个功能按键（分别对应矩阵键盘第15个和第16个按键）。二是在系统处于播放状态下时，可以通过矩阵键盘选择想要播放的曲目（预存曲目有15首，分别对应矩阵键盘第1个至第15个按键），若操作者希望暂时停止播放中的曲目，则可以使用暂停功能按键（对应矩阵键盘第16个按键）。硬件电路还有蜂鸣器（用来发声），一个一位的数码管（用来显示蜂鸣器正在发声的音阶），另有连接两个独立按键（用来选择系统工作状态）及两个LED（工作状态指示灯）。系统采用C语言进行软件编程，包括播放功能、弹奏功能、键盘扫描识别程序和音频脉冲输出程序设计等。设计过程中主要利用的软件有PROTUES仿真软件、KEIL及PROTEL。本系统具有硬件电路简单、软件功能完善、控制系统可靠及性价比较高等优点，具有一定的实用性和参考价值。 HM000046
关键词：简单电子琴；单片机；矩阵键盘；数码管
1.1 电子琴发展概况
电子琴的发明不仅极大地推动了流行音乐的发展，而且使得人们可以演奏出未曾拥有的音色，丰富了人们情感的表现，并且，电子琴更推动了音乐的普及，它让音乐真正成为了大众的音乐，成为了人类社会不可缺少的东西。
1.1.1电子琴的产生
电子乐器的产生，首先是模仿“乐器之王”管风琴(Pipe Organ)。管风琴发明于公元前，鼎盛于17世纪。它是靠水力或人力鼓风，吹响与建筑物一样高大的管子而发音的乐器。
管风琴是大型键盘乐器，结构非常复杂。管风琴由手键盘和脚键盘构成，有些手键盘多达4-5层。一架管风琴的演奏可以和一个管弦乐队媲美。管风琴结构复杂，体积庞大，造价昂贵，受演出场地、环境限制，不易搬动。
为了使之轻便，1907年，美国人T·卡西尔发明了用电磁线圈产生音阶信号的电风琴。1920年，苏联人利昂·特里尔发明了“空中电琴”。1939年，美国市场上开始销售“艾伦风琴”，这种电子风琴比管风琴轻便经济，普遍用于教学、音乐厅等，因而有一定市场。至1950年，美国年产电子琴达10万台，接近钢琴产量。1964年，美国人穆格发明了合成器。
1.1.2电子琴的发展 查看完整请+Q:351916072获取
日本于20世纪50年代从美国进口电子琴。1959年，由雅马哈(YAMAHA)株式会社生产了世界上第一台立式电子琴，取名为“伊莱克通”(Electone)，它有三层键盘。1980年，随着电子集成电路的出现，电子琴开始向小型化发展，雅马哈等厂家生产了便捷式单键盘电子琴(Portatone Portasound)。1983年，雅马哈生产的电子合成器DX7和电钢琴问世。1986年，HX系统高级历史电子琴问世。我们现在常见并熟悉的双排键电子琴是日本于1991年之后生产的EL，ELS系列以及便携式双排键DDK7。
在中国，1958年北京邮电学院研制了一台电子管单音电子琴。由于种种原因，至1977年后，我国才大批生产电子琴。1989年，我国年产儿童电子琴200万台，并出口39万台。中国的电子琴事业正在迅速发展。
电子琴发展很快，琴的各项功能日趋完善。音色和节奏有最初的几种发展到现在的几百种。除寄存音色外，还可通过插槽外接音色卡。合成器的某些功能，如音色的编辑修改、自编节奏、多轨录音、演奏程序记忆等也运用到电子琴上。
1.1.3乐器特色
电子琴又称作电子键盘，属于电子乐器(区别于电声乐器)，发音音量可以自由调节。音域较宽，和声丰富，甚至可以演奏出一个管弦乐队的效果，表现力极其丰富。它还可模仿多种音色，甚至可以奏出常规乐器所无法发出的声音（如合唱声，风声，雨声等）。另外，电子琴在独奏时，还可随意配上类似打击乐音响的节拍伴奏，适合于演奏节奏性较强的现代音乐。另外，电子琴还安装有效果器，如混响、回声、延音，震音轮和调制轮等多项功能装置，表达各种情绪时运用自如[23]。
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十分明显：旋律与和声缺乏音量变化，过于协和、单一；在模仿各类管、弦乐器时，技法略显单调。
电子琴的自动节奏部分，为老师给学生进行节奏感的教学提供了有利条件。老师可让学生合着自动节奏反复打拍子，甚至可以运动身体，比如合着节奏踏步、走步，做操等，从中用心和身体去领略各种节奏的律动。并且可以了解各种各样的音乐风格，增加其综合音乐素养[21]。
普及型电子琴的演奏有较大一部分是通过自动和弦伴奏来配合完成的，在音乐中和弦的连接推动了旋律地进行，不同的和声连接，形成了不同的音乐色彩。（注：合成器没有自动伴奏功能，与此类似的是琶音器。）
1.1.4功能分类
家用的电子琴属中低端的“编曲键盘”。中高端的编曲键盘在现代的流行乐队里起着重要作用。而侧重于音乐制作的电子琴类成员叫做“电子合成器”。对于好的编曲键盘和电子合成器来说，人们可以自己编辑修改音色和节奏风格，甚至可以传到电脑里通过网络和别人分享这些音色节奏。而运用了电子技术做成的手感像钢琴那样的乐器叫“电钢琴”或“数码钢琴”。
电子琴初学者使用的电子琴一般为61键，目前各琴行中这种电子琴占多数。此外还有76键，88键不等的普及型或业余型电子琴。这类琴在国内各个少儿电子琴比赛中很常见。如目前入门常用的琴就是“雅马哈KB280”，稍微好一些的会推荐使用psr-s550，再好一些的推荐psr-s710和s910这些[24]。
1.2 单片微型机发展概况 查看完整请+Q:351916072获取
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的32位300M的高速单片机。
1.2.1发展历史
单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。
而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。高端的32位SOC单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。
当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统[1]。 查看完整请+Q:351916072获取
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 电子琴发展概况 1
1.1.1电子琴的产生 1
1.1.2电子琴的发展 1
1.1.3乐器特色 2
1.1.4功能分类 2
1.2 单片微型机发展概况 3
1.2.1发展历史 3
1.2.2应用范围 5
1.3 立题的依据和实际意义 6
第2章 简单电子琴的总体设计 8
2.1 设计的目的与要求 8
2.1.1 设计的目的 8
2.1.2 设计要求 8
2.2 电子琴系统的组成 9
2.3 电子琴系统设计框图 10
2.4 本章小结 10
第3章 简单电子琴系统设计原理 11
3.1 音乐相关知识 11
3.2 音频脉冲的产生 11
3.3 节拍 13
3.4 本章小结 15
第4章 简单电子琴的详细硬件设计 16
4.1 相关硬件简介 16
4.1.1 单片机AT89S52简介 16
4.1.2 数码管简介 19
4.2 单片机最小系统设计 22
4.2.1 脉冲电路 22
4.2.2 复位电路 22
4.3 矩阵键盘设计 24
4.3.1 矩阵键盘的结构与工作原理 24
4.3.2 矩阵键盘的按键识别方法 26
4.4 数码管显示 30
4.4.1 LED数码管的工作电流 30
4.4.2 如何通过测量区分数码管 30
4.5 本章小结 31
第5章 简单电子琴的详细软件设计 32
5.1 相关软件简介 32
5.1.1 PROTUES简介 32
5.1.2 KEIL简介 33
5.2 软件设计相关流程 34
5.2.1 程序总体流程设计 34
5.2.2 实现弹奏和播放功能流程图 35
5.3 本章小结 36
第6章 简单电子琴的系统调试 37
6.1 一般调试过程 37
6.2 实际设计中的调试 37
第7章 总结与展望 39
7.1总结 39
7.2展望 40
参考文献 41
致 谢 43
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