题目 7 ：玩具电子琴
基于单片机设计一能够发出中音八个音阶的音乐信号的电子琴，能够实现弹奏和音符显示功
能。
具有 8 个音阶按键，每按下一个按键时，所对应的 LED 点亮，音符进行显示。
具体要求如下：
（1）具有 8 个音阶按键，每按下一个按键时，扬声器发声，所对应的 LED 点亮。
（2）数码管显示当前的音符（用数字表示，简谱）。
（3）可通过单片机控制音量大小，并进行音量显示。
（4）音阶频率信号由单片机产生。
表 2 音阶/频率对照表
音阶 1 2 3 4 5 6 7 1
频率/Hz 262 294 330 349 392 440 494 523
可添加符合题目背景的其它合理功能。
玩具电子琴设计
这篇博客将介绍基于单片机设计的一款玩具电子琴，该电子琴能够发出中音八个音阶的音乐信号，并具有弹奏和音符显示的功能。项目基于AVR单片机实现，主要包括按键检测、音阶生成、音量控制和数码管显示等功能。
设计背景
在音乐教育和娱乐中，电子琴是一种常见的乐器。为了提高音乐学习的兴趣和趣味性，设计一款简易的玩具电子琴是一个非常有意义的项目。本设计通过按键触发音阶的生成，并利用数码管显示当前音符，同时可以通过单片机控制音量大小。
具体功能要求
- 按键检测：具有8个音阶按键，每按下一个按键时，扬声器发声，所对应的LED点亮。
- 音符显示：数码管显示当前的音符（用数字表示，简谱）。
- 音量控制：可通过单片机控制音量大小，并进行音量显示。
- 音阶频率生成：音阶频率信号由单片机产生。
硬件设计
硬件部分主要包括单片机、按键、LED、数码管和扬声器。下图展示了主要的硬件连接。
+-------------+ +---------+
| AVR MCU | <----> | 按键 |
+-------------+ +---------+
| | | |
| | | |
v v v v
+--------+ +---------+
| LED | | 数码管 |
+--------+ +---------+
|
v
+---------+
| 扬声器 |
+---------+
软件设计
软件设计包括按键检测、延时函数、PWM信号生成、数码管驱动等模块。以下是主要的代码模块和功能介绍。
延时函数
延时函数用于产生不同的时间间隔，用于按键消抖和音频信号的控制。
void delay_us(void) {
// 微秒级延时，具体实现略
}
void delay_nms(unsigned int nms) {
while (nms--) {
delay_us();
}
}
按键检测
按键检测函数用于读取按键状态，根据按键输入确定当前音符和音量控制。
unsigned char getKey(void) {
if ((PIND & 0x01) == 0) return 1;
if ((PIND & 0x02) == 0) return 2;
// 检测其他按键
return 0;
}
数码管驱动
数码管驱动函数用于控制数码管显示当前的音符。
void Write_Max7219(unsigned char address, unsigned char dat) {
// 具体实现略
}
void Init_MAX7219(void) {
Write_Max7219(0x09, 0xff);
Write_Max7219(0x0a, 0x03);
Write_Max7219(0x0b, 0x07);
Write_Max7219(0x0c, 0x01);
Write_Max7219(0x0f, 0x00);
}
PWM信号生成
PWM信号用于控制扬声器的音频输出，实现不同频率的音符生成。
void setPWM(unsigned int yinliang, unsigned int pinlv) {
if (yinliang == 0 || pinlv == 0) {
OCR1A = 0;
ICR1 = 0;
return;
}
ICR1 = 57600 / pinlv;
OCR1A = yinliang * 10520 / pinlv;
}
主程序
主程序初始化各个模块，并在循环中检测按键输入，根据按键触发相应的功能。
void main(void) {
unsigned char key;
delay_nms(100);
DDRD = 0x00; // 方向控制
PORTD = 0xff;
DDRA = 0xFF; // portA引脚全部输出
DDRF = 0xFF; // 小灯全部输出
PORTF = 0xFF; // 全部熄灭
Init_MAX7219(); // 数码管芯片初始化
Write_Max7219(1, 0);
Write_Max7219(3, 2); // 默认音量显示
while (1) {
key = getKey(); // 获取按键
if (key != 0) {
setPWM(2, 262); // 设置PWM输出音频信号
Write_Max7219(1, key);
PORTF = ~(0x01 << (key - 1)); // 点亮对应的LED
while (getKey() != 0) ;
PORTF = 0xFF; // 全部熄灭
setPWM(0, 0); // 关闭PWM
Write_Max7219(1, 0);
}
}
}
总结
通过本次设计，我们实现了一款具有基本功能的玩具电子琴。该电子琴可以发出八个音阶的音乐信号，具备音符显示和音量控制功能。通过进一步优化和扩展，还可以增加更多的功能，如多音符和弦、预设曲目播放等。
这个项目不仅提高了我们对单片机编程的理解，也增加了我们对音乐信号处理的认识。希望这款电子琴能够带给大家更多的乐趣和启发。
资源：
https://docs.qq.com/sheet/DUEdqZ2lmbmR6UVdU?u=bdf8eeb84961492ba2b62f7bfee641ea&tab=BB08J2
视频：
链接：https://pan.baidu.com/s/1QP7BdwvnJwhawF4UXoHPyg?pwd=3qvz
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