MCS-51七键电子琴的设计

第十二届全国高校电工电子基础课程实验教学案例设计竞赛（鼎阳杯）

MCS-51七键电子琴的设计

2025实验项目设计报告.单片机系统及微机原理

实验题目：MCS-51七键电子琴的设计

课程简要信息

课程名称：单片机原理及应用

课程学时： 32

项目学时： 4（课内）、4（课外）

适用专业：物联网工程

学生年级：二年级第3学期

实验内容与任务

应用MCS-51开发板，编写程序通过按下按键控制蜂鸣器发出不同Do, Re, Mi, Fa, Sol, La, Ti七个音符，每次播放的音符数字用串口、数码管、LCD或者点阵屏幕来显示当前按键数字。

任务要求：

基本实验：利用矩阵键盘按数字键，实现1-7播报7个音符，并显示相应数字。

扩展实验：通过串口发送数字1-7，实现1-7播报7个音符，并显示相应数字。

进阶实验：查阅资料利用遥控器红外发送数字1-7，能播报7个音符。

AI辅助：通过AI对话，明确指令的下达，完成程序的构建。

实验过程及要求

1. 实验过程

实验流程如图1所示：

图1 实验流程

实验实施的具体过程如下：

2. 实验要求

基本实验：

a) 数码管显示无效果缺陷：如重影、闪烁、过暗、亮度不均等；

b) 音频播报频率误差<=5%；

c) 按键动作响应时间<=0.2s；

d) 按键不重复响应，自动去抖动；

e) 控制响应时间<0.5s；

**扩展实验：**按要求实现串口驱动，并做经验分享。

**进阶实验：**按要求实现红外遥控功能，并做经验分享。

3. AI工具使用训练

a) 上传电路原理图，如图2所示。

图2 上传原理图

b) 对话1： 根据电路原理图，用KEIL51做一个7键电子琴的程序，电子琴模式下S1-S7七个按键可弹出“哆、来、咪、发、梭、拉、西”。如图3所示。

图3 对话过程示例

c) 查看AI结果反馈结果。分析其软硬件实现效果。

d) 对话2：基于电路原理图和Keil C51环境，生成完整的电子琴工程文件。

e) 结合相关工具进行最终的调试。

相关知识及背景

这是一个运用单片机软硬件技术解决生活和工程实际问题的典型案例，涉及了多个学科领域的知识和方法,需要单片机的IO口驱动、键盘软件消抖、定时器控制、音频输出、串行通讯及红外控制等相关技术，对学生嵌入式软件的设计能力有较大的提高作用。同时，本实验为学生提供了一个产品设计的相对完整的研发流程。

实验环境条件

1. 硬件资源：个人笔记本电脑，51单片机开发板、逻辑分析仪。

2. 软件资源：Keil 51, SSCOM软件。

教学目标与目的

能力目标：

1. 引导学生对项目任务进行技术分析，让学生掌握系统设计MCU项目的方法和步骤；

2. 能正确识读电路原理图，并根据电路原理图查找对项目有用的网络资源。

3. 能根据技术资料设计相关的驱动代码；

4. 能整合程序代码实现基于单片机的简单音乐播放功能；

5. 会使用逻辑分析仪辅助分析音频播报的频率误差。

6. 能利用AI工具，优化知识检索。

思政目标：

1. 培养工程素养和实践能力：通过实验，学生将学会从理论到实践的转化，学生通过实验掌握了解决问题的方法和技能，培养了实践创新精神和工程素养，为未来的工程实践打下了良好的基础。

2. 培养技术规范和责任感：单片机IO口实验涉及到对硬件资源的使用，学生需要学会正确操作和管理IO口，遵守技术规范和伦理标准。

3. 提升自主学习能力：实验中要求学生进行知识的查漏补缺，并将其应用到实践中。教师可以通过引导学生自主学习、自主探究，提升学生的自主学习能力和解决问题的能力。

教学设计与实施进程

项目将涵盖课堂知识讲解、方法引导、实验指导等多个环节，注重培养学生的创新思维和实践能力。

1. 教学设计

a) 方法引导与背景解释

• 内容：引导学生分析电子琴的设计需求，解释项目背景和应用价值，介绍可能的设计方案和技术路线。

• 目的：激发学生的学习兴趣和创新思维，帮助他们形成清晰的设计思路。

b) 实验中的方法指导与问题设置

• 内容：在实验过程中，指导学生进行前后台程序编写与调试等工作，设置具有挑战性的问题，引导学生自主解决。

• 目的：培养学生的动手能力和问题解决能力，提高他们在实践中学习和应用知识的能力。

c) 实验评价

• 内容：对学生的实验设计和准备，实验过程，问题解决能力，实验成果和创新性，团队合作和交流能力，编码及报告规范等进行评价。

• 目的：对学生是否达成能力目标和素养目标进行较客观的评价。

2. 实验实施进程

关注学生的创新思维和工程实践能力的发展，鼓励他们在设计中尝试新的方法和思路。注重实验操作的规范性和安全性，确保学生在安全的环境下进行实验。重视实验报告的撰写和修改，培养学生的科学思维和表达能力。通过以上教学设计与实施进程的设计和实施，旨在使实验项目能够顺利进行，并达到预期的教学目标。

实验原理及方案

1. 实验的基本原理

本实验项目基于MCS-51单片机，通过设计七键电子琴的硬件电路和软件程序，实现按键输入与音频输出的功能。实验的基本原理主要包括数字电路与模拟电路的结合、嵌入式系统的编程控制以及音乐信号的生成与处理。

在硬件方面，通过搭建键盘电路实现按键的输入检测，利用单片机的I/O端口读取按键状态；设计音频输出电路，将单片机产生的音频信号转换为可听的声音；同时设计LCD/数码管/串行通讯展示当前的音频数字。

在软件方面，采用C语言编写程序，通过编程控制单片机的工作状态，实现按键扫描、数码管或LCD显示、音频信号生成及输出等功能。

电路原理框图如图4所示：

图4 电路原理框图

2. 设计依据

设计依据主要包括MCS-51单片机的技术文档、数字电路与模拟电路的基本原理、音乐理论知识以及嵌入式系统设计的常用方法。通过深入了解单片机的架构及外围接口，掌握数字电路与模拟电路的设计方法，结合音乐理论知识，完成电子琴的设计。

3. 完成任务的思路方法

完成任务的思路方法主要包括以下几个步骤：

a) 需求分析：明确电子琴的功能需求，如音阶排列、音色设置等。

b) 硬件原理：识读51实验板的电路原理图，正确理解矩阵键盘、音频输出、红外遥控、数码管、LCD驱动电路及串行通讯接口电路。

c) 软件编程：编写C语言程序，实现按键扫描、串行通讯、数码管显示及音频信号生成及输出等功能。

d) 调试与测试：对硬件电路和软件程序进行调试和测试，确保电子琴的正常工作。

e) 优化与改进：根据测试结果对设计进行优化和改进，提高电子琴的性能和用户体验。

4. 可能采用的方法、技术

a) 键盘扫描技术：采用轮询或中断的方式扫描键盘状态，实现按键的实时检测。

b) PWM音频生成技术：利用单片机的PWM功能生成音频信号，通过调整PWM的频率和占空比来控制音高和音色。

c) Keil等单片机开发软件：使用Keil等单片机开发软件进行程序的编写、编译和调试，提高开发效率。

d) 测试验证：利用51开发板，对设计的程序进行调试验证。

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1. 实验需求分析

2. 实现方案论证

3. 系统设计：MCU资源分配，电路原理分析、程序流程及关键算法

4. 关键代码及实现

5. 实验结果及分析

6. 实验总结

考核要求与方法

通过三个阶段的考核和相应的评价方法，旨在全面评价学生的综合素质和实践能力，考核方案如表1所示：

表1 考核评价方案

项目特色或创新

1. 趣味及创新性：通过编程改变音阶的排列和音色，为电子琴的功能扩展提供了更多的创新可能性，项目的本身也具备趣味性。

2. 多维度技术融合：AI辅助提升效率，真实实验确保可靠性。

3. 多维度学习助力：打破时空限制，实现“理论-虚拟-实践”闭环学习。

4. 能力目标及思政目标并举：在教学设计及过程评价中均有体现，有机融合，有效达成。