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

1. 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。
2. 音符显示：数码管显示当前的音符（用数字表示，简谱）。
3. 音量控制：可通过单片机控制音量大小，并进行音量显示。
4. 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 
提取码：3qvz