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。

玩具电子琴设计与实现

本文介绍了一款基于单片机的玩具电子琴的设计与实现。该电子琴能够发出中音八个音阶的音乐信号，具备弹奏和音符显示功能，同时能够通过按键控制音量大小，并显示当前音量。

1. 功能介绍

1. 具有8个音阶按键，每按下一个按键时，扬声器发声，并点亮对应的LED。
2. 数码管显示当前音符（用数字表示，简谱）。
3. 通过按键控制音量大小，并在数码管上显示当前音量。
4. 音阶频率信号由单片机产生。

2. 硬件设计

2.1 按键扫描

按键扫描采用PINE端口的8个输入，每个按键对应一个输入引脚。当按键按下时，扫描函数keyscan返回对应按键的编号。

unsigned char keyscan( void )
{
    if ( (PINE & 0x01) == 0 )
        return(1);
    if ( (PINE & 0x02) == 0 )
        return(2);
    if ( (PINE & 0x04) == 0 )
        return(3);
    if ( (PINE & 0x08) == 0 )
        return(4);
    if ( (PINE & 0x10) == 0 )
        return(5);
    if ( (PINE & 0x20) == 0 )
        return(6);
    if ( (PINE & 0x40) == 0 )
        return(7);
    if ( (PINE & 0x80) == 0 )
        return(8);
    return(0);
}

2.2 数码管显示

数码管采用共阴极数码管，通过端口PD和PG控制显示。xianshi数组用于存储需要显示的数字，LEDData数组用于存储对应段选的数据。

unsigned char xianshi[2];
unsigned char LEDData[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

定时器0用于数码管的动态扫描，每隔一段时间切换显示。

char i=0;
#pragma interrupt_handler  TIMER0_ISR:17
void TIMER0_ISR(void)
{
    TCNT0 = 10;
    i++;
    if(i==2)i=0;
    
    PORTD = 0XFF;  
    if(i==0)
    {
        PORTG &= ~0x08;
        PORTG |= 0x04;
        PORTD = ~xianshi[0];
    }
    if(i==1)
    {
        PORTG &= ~0x04;
        PORTG |= 0x08;
        PORTD = ~xianshi[1];
    }
}

2.3 PWM信号产生

PWM信号用于控制扬声器发声，通过设置定时器1的输出比较寄存器OCR1A和周期寄存器ICR1来生成不同频率的音阶。

void Set_waveform_parameters( unsigned int mu_volume, unsigned int fre_t )
{
    if ( mu_volume == 0 || fre_t == 0 )
    {
        OCR1A = 0;
        ICR1 = 0;
        return;
    }
    
    ICR1 = 57600 / fre_t;
    OCR1A = mu_volume * 5060 / fre_t;
}

3. 软件设计

在主程序中，首先进行初始化设置，包括按键端口、数码管端口、LED端口、PWM端口的配置。然后进入主循环，不断扫描按键，更新音量和数码管显示。

void main( void )
{
    unsigned char key;
    delay_nms( 100 );

    DDRE = 0x00;
    PORTE = 0xff;
    
    DDRG &= ~0x03;
    PORTG |= 0x03;
    
    DDRF = 0XFF;
    PORTF = 0XFF;
    
    DDRD = 0XFF;   
    PORTD = 0XFF;  
    DDRG |= 0x0C;
    PORTG |= 0x0C;
    

    xianshi[0]=0x00;
    xianshi[1]=LEDData[mu_volume];

    while ( 1 )
    {
        key = keyscan();
        if ( key != 0 )
        {
            Set_waveform_parameters( mu_volume, tone_freq[key - 1] );
            xianshi[0] = LEDData[key];
            
            PORTF = ~(0x01 << (key - 1));
            while ( keyscan() != 0 )
                ;
            PORTF = 0XFF;
            Set_waveform_parameters( 0, 0 );
            xianshi[0] = 0x00;
        }

        if ( (PING & 0x01) == 0 )
        {
            if ( mu_volume < 9 )
                mu_volume++;
            xianshi[1] = LEDData[mu_volume];
            while ( (PING & 0x01) == 0 )
                ;
        }
        if ( (PING & 0x02) == 0 )
        {
            if ( mu_volume > 1 )
                mu_volume--;
            xianshi[1] = LEDData[mu_volume];
            while ( (PING & 0x02) == 0 )
                ;
        }
    }
}

4. 总结

本文介绍的玩具电子琴通过单片机实现了音阶发声、音符显示和音量控制功能。硬件设计包括按键扫描、数码管显示和PWM信号产生，软件设计则包括按键处理、音量控制和定时器中断处理。该设计不仅实现了基本功能，还具有较好的扩展性，可以根据需要添加更多功能。

资源：

https://docs.qq.com/sheet/DUEdqZ2lmbmR6UVdU?u=bdf8eeb84961492ba2b62f7bfee641ea&tab=BB08J2