【正文】 發(fā)生器會根據(jù)用戶的彈奏，通過揚聲器將音樂播放出來。由于本例實現(xiàn)的音樂發(fā)生器是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。用單片機產(chǎn)生的音頻脈沖直接驅動揚聲器并不 能產(chǎn)生所要實現(xiàn)的音樂，因為它沒有足夠的驅動能力，這就需要音頻功率放大電路。 本例使用國家半導體公司的低壓音頻功率放大器 LM386 來實現(xiàn)音頻功放電路。 鍵盤掃描 AT89S52 數(shù)碼管顯示 揚聲器播放音樂 電源部分 4 圖 系統(tǒng)結構圖 元件介紹 AT89S52 功能特性： AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在 系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中 斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內容被保存，振蕩器被凍結 ，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止 [1]。 主要性能： 與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容、 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器 、 1000 次擦寫周期 、 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz 、三級加密程序存儲器 、 32 個可編程 I/O 口線 、三個16 位定時器 /計數(shù)器八個中斷源、全雙工 UART 串行通道、低功耗空閑和掉電模式 、 掉電后中斷可喚醒、看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標識 符 [2]。 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時 ， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部 5 程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和 控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入 “1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下 表 所示： 表 管腳備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0外部輸入） T1（記時器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而 要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內部 程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內部鎖定為 RESET；當 /EA 端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 6 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出 [3]。 LM386 LM386 是美國國家半導體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應用于低電壓消費類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內置為 20。但在 1 腳和 8 腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調為任意值，直至 200。輸入端以地 為 參 考同時輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在 6V 電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為 24mW，使得 LM386 特別適用于電池供電的場合。 LM386 是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、電壓增益可調整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點，廣泛應用于錄音機和收音機之中 [4]。 LM386 的封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式。 圖 LM386的封裝形式 特性 (Features): (1)靜態(tài)功耗低，約為 4mA，可用于電池供電 ； (2)工作電壓范圍寬， 412V or 518V； (3)外圍元件少 ； (4)電壓增益可調， 20200； (5)低失真度。 其典型電路如下圖： 增益 增益 負端輸入 正端輸入 地 旁路 輸出 LM386 電源 7 圖 放大器增益 =20(最少器件 ) 圖 放大器增益 =50 8 圖 低頻提升放大器 LED 數(shù)碼管 本次畢業(yè)設計的顯示電路采用 LED 數(shù)碼管顯示， LED（ LightEmitting Diode）是一種外加電壓從而流過電流并發(fā)出可見光的器件。 LED 是屬于電流控制器件，使用時必 須加限流電阻。 LED 有單個 LED 和八段 LED 之分，也有共陰和共陽兩種。 常用的七段顯示器的結構如圖下圖所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器 (如圖 b 所示 )，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器 (如圖 c 所示 )。 1 位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中七個發(fā)光二極管 a~g 控制七個筆畫（段）的亮或暗，另一個控制一個小數(shù)點的亮和暗，這種筆畫式的七段顯示器能顯示的字符較少，字符的開頭有些失真，但控制簡單，使用方便 [5]。 此外，要畫出電路圖，首先還要搞清楚他的引腳圖的分布，在了解了正確的引腳圖后才能進行正確的字型段碼 編碼。才能顯示出正確的數(shù)字來。 9 （ a）外形 （ b）共陽極 (C)共陰極 圖 數(shù)碼管引腳 顯示電路 本次畢業(yè)設計的顯示電路采用 LED 數(shù)碼管顯示，由于 LED 是屬于電流控制器件，使用時必須加限流電阻。通過單片機查表得出數(shù)碼管顯示編碼，傳送給數(shù)碼管顯示，以此來實現(xiàn)按鍵與顯示程序的一致性。 各功能模塊原理圖 AT89S52 模塊電路原理圖 單片機主程序模塊通過對鍵盤掃描程序信號的讀取， 在通過對應的表，取出數(shù)碼管顯示編碼和定時器初始值以產(chǎn)生不同的聲音信號。在這一過程中，對數(shù)碼管編碼是直接賦值，對聲音信號則是通過中斷程序進行控制。 10 圖 AT89S52模塊電路原理圖 鍵盤掃描模塊電路原理圖 對鍵盤掃描電路的掃描方式有行掃描法和線反轉法，在此次程序編寫中，采用行掃描法，通過在 p20~p23 上循環(huán)送出 0 掃描信號， p24~p27 輸入按鍵上的高低電平信息給單片機，經(jīng)處理程序，判斷出是哪個開關按下，并送主程序以實現(xiàn)不同功能。 11 圖 鍵盤掃描模塊電路原理圖 數(shù)碼管顯示模塊電路原理圖 數(shù)碼管顯示模塊核心是共陽級數(shù)碼管，通過來自單片機 I/O 口的電平高低來點亮和熄滅數(shù)碼管上的發(fā)光二極管，通過單片機送來的數(shù)碼管顯示編碼可以在數(shù)碼管上顯示數(shù)字和字符，使應用人員可以很容易的理解按鍵按下所對應的音符。 圖 數(shù)碼管顯示模塊電路原理圖 12 音頻處理模塊電路原理圖 由于單片機驅動能力不夠，在處理音符信號時，需加功率放大裝置，因 LM386 芯片具有低功耗、高增益的特點，這合適單片機低功耗輸出，所 以加裝 LM386 音頻信號放大器對信號進行放大。 圖 音頻處理模塊電路原理圖 電源模塊電路原理圖 由于本次設計的芯片的工作電壓都為 5V，為了排除因為電壓不穩(wěn)定或者不準確影響電路的工作和軟件的調試，本次設計單獨用 LM7805 設計了一個輸出 5V 的電壓的電路，如圖311 所示 ,其中 J0 為一變壓器插排接口，輸出電壓在 ，為交流電壓，經(jīng)過整流橋進行整流，電容濾波，再經(jīng)過 LM7805 穩(wěn)壓后，得到本次設計所需的 5V 直流電源。 13 圖 電源模塊電路原 理圖 3 系統(tǒng)軟件設計 本軟件設計關鍵是要實現(xiàn)一種由單片機控制的簡單音樂發(fā)生器，它由 16 個音節(jié)組成的的鍵盤，用戶可以根據(jù)樂譜在鍵盤上進行演奏，音樂發(fā)生器會根據(jù)用戶的彈奏，通過揚聲器將音樂播放出來。 音樂相關知識 樂音聽起來有的高，有的低，這就叫音高，音高是由發(fā)音物體振動頻率的高低決定的，頻率高聲音就高，頻率低，聲音就低，不同音調的樂音是用 C、 D、 E、 F、 G、 A、 B 表示的，這 7 個字母就是樂音的音名，它們一般依次唱成 DO、 RE、 MI、 FA、 SO、 LA、 SI，這是唱曲時樂音的發(fā)音，所以叫唱名。 音持 續(xù)時間的長短即時值，一般用拍數(shù)表示，休止符表示暫停發(fā)音。 一首音樂是由許多不同的音符組成的，而每個音符對應著不同的頻率，這樣就可以利用不同頻率的組合，加以與拍數(shù)對應的延時，構成音樂 [6]。 如何用單片機實現(xiàn)音樂的節(jié)拍 除了音符以外，節(jié)拍也是音樂的關鍵組成部分。 節(jié)拍實際上就是音持續(xù)時間的長短，在單片機系統(tǒng)中可以用延時來實現(xiàn)，如果 1/4 拍的延時是 秒，則 1 拍的延時是 秒，只要知道 1/4 拍的延時時間，其余的節(jié)拍延時時間就是它的陪數(shù)。如果單片機要自己播放音樂，那么必須在程序設計中考慮到節(jié)拍的設置 ，由 14 于本例實現(xiàn)的音樂發(fā)生器是由用戶通過鍵盤輸入彈奏樂曲的，所以節(jié)拍由用戶掌握，不由程序控制。 對于不同的曲調我們也可以用單片機的另外一個定時 /計數(shù)器來完成 [7]。音樂的音拍，一個節(jié)拍為單位（ C 調） 具體如下表： 表 音樂節(jié)拍表 曲調值 DELAY 曲調值 DELAY 調 4/4 125ms 調 4/4 62ms 調 3/4 187ms 調 3/4 94ms 調 2/4 250ms 調 2/4 125ms 如何用單片機產(chǎn)生音頻脈沖 了解音樂的一些基本知識后可知，產(chǎn)生不同頻率的音 頻脈沖即能產(chǎn)生音樂，對于單片機而言，產(chǎn)生不同頻率有脈沖非常方便，可以利用它的定時 /計數(shù)器來產(chǎn)生這樣的方波頻率信號，因此，需要弄清楚音樂中的音符和對應的頻率，以及單片機定時計數(shù)的關系。 在本實驗中，單片機工作于 12MHZ 時鐘頻率，使用其定時 /計數(shù)器 T0，工作模式為 1，改變計數(shù)值 TH0 和 TL0 可以產(chǎn)生不同頻率的脈沖信號，在此情況下， C 調的各音符頻率與計數(shù)值 T 的對照如下表： 表 音符頻率與計數(shù)值 T的對照表 音符 頻率（ HZ） 計數(shù)值（ T值） 音符 頻率（ HZ） 計數(shù)值（ T值） 低 1DO 262 63628 4FA 740 648