51单片机实现电子琴：定时器音频输出与键盘扫描详解
创作时间:
2025-01-22 01:58:37
作者:
@小白创作中心
51单片机实现电子琴：定时器音频输出与键盘扫描详解
本文将详细介绍如何基于51单片机设计一个简单的电子琴项目。通过定时器产生不同频率的音频信号，并使用矩阵键盘来控制音符的输入。该项目不仅涵盖了硬件连接、代码编写等实践内容，还涉及到了定时器使用、矩阵键盘扫描、音频输出等单片机应用中的重要知识点。
前言
51单片机开发板自带了蜂鸣器，但是无源的，本次设计是通过定时器产生不同的频率来使蜂鸣器产生不同的音高，并让矩阵键盘来控制音高的发生。
一、硬件准备
选择一个51单片机，如AT89C51。
准备一些按键，如4x4矩阵键盘，用于输入音符。
准备一个音频输出设备，如蜂鸣器或小型扬声器，连接到单片机的某个GPIO引脚（这里单片机自带）。
如有需要，还可以添加其他硬件，如LED灯、LCD显示屏等。
二、硬件连接
定义数码管、矩阵键盘、蜂鸣器引脚。
代码如下（示例）：
#define GPIO_KEY P1 //定义矩阵键盘I/O口
#define GPIO_DIG P0 //定义数码管I/O口
sbit beep = P2^5; //定义蜂鸣器银胶
三、代码编写
- 初始化GPIO引脚和定时器。
- 编写按键扫描函数，用于检测哪个按键被按下。
- 编写音频输出函数，根据按键值计算音符频率，并使用定时器或PWM产生音频信号。
- 在主循环中调用按键扫描函数和音频输出函数。
（1）以下代码是音符数值，分别给到定时器PL0、PH0赋值，与数码管数字，但是注意是共阴的；
u8 code Highs[24] = {
0xfc,0xfc,0xfd,0xfd,0xfd,0xfd,0xfe,0xfd, //高音 1 2 3 4 5 6 7
0xfe,0xfe,0xfe,0xfe,0xfe,0xfe,0xff ,0xff };
u8 code Lows[24] = {
0x44,0xfac,0x09,0x34,0x82,0xc7,0x05,0x5c,
0x22,0x56,0x84,0x9a,0xc1,0xe3,0x02,0x11 }; //低音 1 2 3 4 5 6 7
//共阴的表
u8 code shumaguan [24] = { 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07,0xe6,
0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07,0xe6,
0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07,0xe6};
u8 KeyValue;
（2）定时器初始化
void T0Init() //计时器初始化
{
TMOD |= 0x01; //选择工作方式，给TMOD 赋值 ，这里选T0，方式一
ET0 = 1 ; //中断允许：总允许和T0允许
EA = 1;
}
（3）按键扫描
void keyDown()
{
//char a = 0;
GPIO_KEY = 0x0f; //高四位低电平，低四位高电平
if(GPIO_KEY!= 0x0f) //如果有按键按下
{
Delay(5); //延时防抖
if(GPIO_KEY!= 0x0f)
{
//--------------------求被按下的按键在第几列----------------------------//
switch(GPIO_KEY)
{
case(0x07): KeyValue = 0; break; //0000 0111 : 第一列
case(0x0b): KeyValue = 1; break; //0000 1011 : 第二列
case(0x0d): KeyValue = 2; break; //0000 1101 : 第三列
case(0x0e): KeyValue = 3; break; //0000 1110 : 第四列
}
//--------------------求被按下的按键在第几行----------------------------//
GPIO_KEY = 0xf0; //高四位高电平，低四位低电平
switch(GPIO_KEY)
{
case(0x70): KeyValue += 0; break; //第一行
case(0xb0): KeyValue += 4; break;
case(0xd0): KeyValue += 8; break;
case(0xe0): KeyValue += 12; break; //第四行
}
//--------------------------开始计时----------------------------------//
GPIO_DIG = shumaguan[KeyValue]; //共阳数码管，共阴的表，所以要取反
//赋初值
TH0 = Highs[KeyValue];
TL0 = Lows[KeyValue];
//开始计时
TR0=1;
//退出条件：按键松开
while(GPIO_KEY!= 0xf0) // GPIO_KEY!= 0xf0 说明按键还没松,此时CPU始终在此循环中
{
}
}
}
}
（4）主程序将定时器初始化以及按键扫描调用
void main(void)
{
uart_init();
T0Init();
while(1)
{
keyDown();
}
}
（5）定时器中断
oid Timer0() interrupt 1 // T0溢出时引用
{
//退出条件：按键松开
if(!(GPIO_KEY== 0xf0 || GPIO_KEY== 0x0f)) //如果按键还没松开，进入下一个计时
{
TH0 = Highs[KeyValue];
TL0 = Lows[KeyValue];
beep = ~beep;
}
以上代码还缺少一些定义，还有延时函数，下面展示完整代码，如有错误，欢迎指正；
#include <reg51.h>
typedef unsigned char u8;
unsigned char temp;
#define GPIO_KEY P1
#define GPIO_DIG P0
sbit beep = P2^5;
/*******************************全局变量******* *******************/
u8 code Highs[24] = {
0xfc,0xfc,0xfd,0xfd,0xfd,0xfd,0xfe,0xfd, //高音 1 2 3 4 5 6 7
0xfe,0xfe,0xfe,0xfe,0xfe,0xfe,0xff ,0xff };
u8 code Lows[24] = {
0x44,0xfac,0x09,0x34,0x82,0xc7,0x05,0x5c,
0x22,0x56,0x84,0x9a,0xc1,0xe3,0x02,0x11 }; //低音 1 2 3 4 5 6 7
//共阴的表
u8 code shumaguan [24] = { 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07,0xe6,
0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07,0xe6,
0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07,0xe6};
u8 KeyValue;
/***************************************************************/
void Delay(unsigned int xms)
{
unsigned char i, j;
while(xms--)
{
i = 2;
j = 239;
do
{
while (--j);
} while (--i);
}
}
void keyDown()
{
//char a = 0;
GPIO_KEY = 0x0f; //高四位低电平，低四位高电平
if(GPIO_KEY!= 0x0f) //如果有按键按下
{
Delay(5); //延时防抖
if(GPIO_KEY!= 0x0f)
{
//--------------------求被按下的按键在第几列----------------------------//
switch(GPIO_KEY)
{
case(0x07): KeyValue = 0; break; //0000 0111 : 第一列
case(0x0b): KeyValue = 1; break; //0000 1011 : 第二列
case(0x0d): KeyValue = 2; break; //0000 1101 : 第三列
case(0x0e): KeyValue = 3; break; //0000 1110 : 第四列
}
//--------------------求被按下的按键在第几行----------------------------//
GPIO_KEY = 0xf0; //高四位高电平，低四位低电平
switch(GPIO_KEY)
{
case(0x70): KeyValue += 0; break; //第一行
case(0xb0): KeyValue += 4; break;
case(0xd0): KeyValue += 8; break;
case(0xe0): KeyValue += 12; break; //第四行
}
//--------------------------开始计时----------------------------------//
GPIO_DIG = shumaguan[KeyValue]; //共阳数码管，共阴的表，所以要取反
//赋初值
TH0 = Highs[KeyValue];
TL0 = Lows[KeyValue];
//开始计时
TR0=1;
//退出条件：按键松开
while(GPIO_KEY!= 0xf0) // GPIO_KEY!= 0xf0 说明按键还没松,此时CPU始终在此循环中
{
}
}
}
}
void T0Init() //计时器初始化
{
TMOD |= 0x01; //选择工作方式，给TMOD 赋值 ，这里选T0，方式一
ET0 = 1 ; //中断允许：总允许和T0允许
EA = 1;
}
void main(void)
{
T0Init();
while(1)
{
keyDown();
}
}
//计时器0的调用程序
void Timer0() interrupt 1 // T0溢出时引用
{
//退出条件：按键松开
if(!(GPIO_KEY== 0xf0 || GPIO_KEY== 0x0f)) //如果按键还没松开，进入下一个计时
{
TH0 = Highs[KeyValue];
TL0 = Lows[KeyValue];
beep = ~beep;
}
}
四、成果展示
当我们按下矩阵键盘时，按键扫描会扫描是哪个按键，从而调用定义的初值与数码管的数字，这里将他们做了一个绑定，当播放do时数码管显示1，代表它的音名吧，具体可以看按键扫描i程序的逻辑。
总结
本次设计只是简单的利用定时器与键盘控制蜂鸣器发出声音，代码可能也有些许问题，后期水平提升了再修改一下吧；本期主要是学习定时器工作原理及使用、数码管显示、矩阵键盘扫描、频率计算等。
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