【正文】 質(zhì)和素養(yǎng)。如今愛好音樂的人越來越多，有不少人自己練習(xí)樂器作為業(yè)余愛好來陶冶情操，可鑒于一些樂器學(xué)習(xí)難度大， 需要太多的時(shí)間，并且價(jià)格又太過于高昂，使得一部分有這種想法的人不得不放棄。而一些簡易的電子樂器價(jià)格相對便宜，學(xué)習(xí)簡單，價(jià)格相對便宜，能夠了滿足一般愛好者的需求。因此簡易電子樂器的研制具有一定的社會意義。 單片機(jī)是在一塊芯片內(nèi)集成了計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件，構(gòu)成一種單片式的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)的發(fā)展迅速，應(yīng)用不斷深入，新技術(shù)層出不窮。并已廣泛應(yīng)用到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，如家電、通訊設(shè)備、玩具、智能卡、汽車及防盜、醫(yī)用保健、儀表、工業(yè)過程控制等，成為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化不可缺的重要工具。 之所以以單片機(jī)電子琴選題，目的在 于從日常生活能接觸到的細(xì)微處著手，通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，更明確自己的所學(xué)所用，也在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)理論上的不足，對目前日益廣泛應(yīng)用的單片機(jī)有了更加理性化和感性化的認(rèn)識，使理論和實(shí)踐相得益彰。當(dāng)前市場上的玩具市場需求量大，其中電子產(chǎn)品占有重要的位置，然而電子琴也是一個(gè)很好的應(yīng)用方面。單片機(jī)技術(shù)使我們可以利用軟硬件實(shí)現(xiàn)電子琴的功能，從而實(shí)現(xiàn)電子琴的微型化，可以用于玩具琴、音樂盒中、兒童車?yán)锏鹊取? 本文首先介紹了單片機(jī)的定義，分別介紹了單片機(jī)的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域還有單片機(jī)的歷史，然后介紹了電子琴的系統(tǒng)，分別介紹了電子琴的硬 件系統(tǒng)的構(gòu)成還有電子琴的軟件部分還有電子琴的仿真，最后介紹了電子琴在調(diào)試中所用的軟件。 2 課題的研究內(nèi)容 與擬解決的主要問題 本課題主要研究基于單片機(jī)的電子琴設(shè)計(jì)，以 AT89S52 芯片作為主要核心部件， 4*4 的矩陣鍵盤作為輸入部分，數(shù)碼管顯示字符，揚(yáng)聲器作為主要輸出設(shè)備 ， 結(jié)合 KEIL 和 PROTUES 等軟件的功能，通過編譯程序結(jié)合仿真，實(shí)現(xiàn)電子琴內(nèi)置音樂的播放和彈奏音樂的功能，同時(shí)通過兩個(gè) LED 燈的亮滅表示當(dāng)時(shí)彈奏或播放的狀態(tài)，數(shù)碼管顯示按鍵的 16 個(gè)字符“ 0— 9， A— F”來表示當(dāng)前所按下的鍵。 本 設(shè)計(jì) 擬定 解決的主要問題 : 1. 了解單片機(jī)單元的結(jié)構(gòu)和主要要求； 2. 根據(jù)要求進(jìn)行總體方案的論證和設(shè)計(jì)； 3. 對音調(diào)的控制； 4. 對音長的控制； 5. 對演奏的控制； 6. 樂譜的編碼規(guī)則； 7. 鍵盤輸入部分和電源供給部分的設(shè)計(jì)； 8. 總體電路的設(shè)計(jì)和軟件編程實(shí)現(xiàn)功能。 3 2 任務(wù)要求與總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 本系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，音樂播放和音樂的彈奏。 要求達(dá)到電子琴的基本功能，可以用彈奏出簡單的樂曲。 用鍵盤作出電子琴的按鍵，每個(gè)鍵代表一個(gè)音符。 各音符按一定的順序排列，必須符合電子琴的按鍵排列順序。 固定音樂播放有 按鍵控制：“播放”、“彈奏 /停止”。 彈奏電子琴時(shí)能播放出準(zhǔn)確的聲音，不彈奏時(shí)可以播放內(nèi)置音樂。 單片機(jī)簡介 單片機(jī)的定義 隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)和發(fā)展，芯片廠家把中央處理器 CPU，隨機(jī)存取內(nèi)存 RAM，只讀存儲器 ROM，定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器以及 i/o 接口電路等主要計(jì)算機(jī)部件，集成在一塊集成電路芯片（硅片）上，形成芯片級計(jì)算機(jī)，稱為單片機(jī)微處理器。 單片機(jī)的應(yīng)用 雖然單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長，單發(fā)展十分迅猛，在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。目前單片機(jī)已用于工業(yè) 控制、機(jī)電一體化設(shè)備、儀器儀表、信號處理、現(xiàn)代兵器、交通能源、商用設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備及家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)技術(shù)發(fā)展非常快，所以目前的產(chǎn)品都致力于在功能全面、技術(shù)先進(jìn)、操作簡便、安全可靠、價(jià)格合理等方面進(jìn)行仔細(xì)研究，精心設(shè)計(jì)，單片機(jī)的應(yīng)用有利于產(chǎn)品的小型化、多功能話和智能化，有助于提高勞動效率。減輕勞動強(qiáng)度，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動環(huán)境，減少能源和材料消耗，保證安全等。 4 系統(tǒng)框圖 單片機(jī)因體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低而得到诪泛應(yīng)用。本系統(tǒng)只要以 51 單片機(jī)為主控核心，擴(kuò)展一組矩陣鍵盤、揚(yáng)聲器、 LED顯示管模塊和 一組發(fā)光二極管來指示電子琴的工作狀態(tài)一起組合而成。 具體如下圖 2－ 1： 圖 2－ 1 電子琴的框圖 用 P0 口的高四位和 P0 口的低四位作 4*4 矩陣式按鍵的接口，用 P2口作數(shù)碼管的接口，用 作信號輸出口。 元件簡介 AT89S52 —— 低功耗高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi) 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 FLASH 只讀程序存儲器，器 件采用 ATMEL公司 之 高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu) ， 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。單芯片上，擁有 8 位 CPU 及在系統(tǒng)可編程 FLASH，使 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效之解決方案。 之 特點(diǎn)： 40個(gè)引腳， 8k Bytes Flash 片內(nèi)程序存儲器， 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套AT89S52 單片機(jī) 4*4 矩陣鍵盤 數(shù)碼管顯示 發(fā)光二極管 喇叭 5 中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù) 器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 功能 8k字節(jié) FLASH， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。 AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止 ,直到下一中斷或硬件復(fù)位為止。 引腳結(jié)構(gòu) AT89S52單片機(jī)有 4個(gè) 8位并行 I/O口： P0口、 P1口、 P2口和 P3口，各引腳如圖 23所示。 圖 23 DIP— 40 封裝 89S52 引腳圖 6 LM386 LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大 器 ,主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少 ,電壓增益內(nèi)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(diào)為任意值 ,直至 200。輸入端以地位參考 ,同時(shí)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(diào)整、電源電壓范圍大、外接元件少和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于錄音機(jī)和收音機(jī)之中。 LM386 的封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式和貼片式。 圖 24 LM386的封裝形式 特性 (Features) 靜態(tài)功耗低 ,約為 4mA,可用于電池供電。 工作電壓范圍寬 ,412V or 518V。 外圍元件少。 電壓增益可調(diào) ,20200。 低失真度。 其 典型應(yīng)用電 路如下： 7 圖 25放大器增益 =20（最少器件） 圖 26放大器增益 =50 圖 27 低頻提升放大器 8 3 硬件設(shè)計(jì)及說明 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)由鍵盤矩陣、 LED 顯示管、揚(yáng)聲器這幾個(gè)部分組成， LED 顯示管顯示當(dāng)前按鍵，揚(yáng)聲器發(fā)出對應(yīng)音符。 單片機(jī)因體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉而得到廣泛應(yīng)用。 AT89S52 單片機(jī)設(shè)計(jì)微型電子琴的方法，僅需 AT89S52 最小系統(tǒng)，擴(kuò)展一組矩陣鍵盤，再接一組發(fā)光二極管用來指示單片機(jī)的工作狀態(tài)。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 要使單片機(jī)工作起來，最基本的電路的構(gòu)成為 電源電路 ：向單片機(jī)供電。單片機(jī)電源： 9 AT89S51 單片機(jī)的工作電壓范圍： — ， 所以通常給單片機(jī)外接 5V直流電源。連接方式為 VCC(40 腳）：接電源 +5V 端 VSS(20 腳）：接電源地端 時(shí)鐘電路：單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)，決定單片機(jī)工作速度。 時(shí)鐘電路就是振蕩電路，向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。 AT89S51 單片機(jī)時(shí)鐘頻率范圍： 0— 33MHz。 時(shí)鐘電路連接方式為： 復(fù)位電路：確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動過程。 10 單片機(jī)接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號，完成單片 機(jī)啟動，確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。手動按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號，完成單片機(jī)啟動，確定單片機(jī)的初始狀態(tài)。 通常在單片機(jī)工作出現(xiàn)混亂或 “ 死機(jī) ” 時(shí)，使用手動復(fù)位可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)“ 重啟 ” 。 硬件總體設(shè)計(jì)圖如圖 3－ 1： 圖 3－ 1利用 PROTEUS仿真設(shè)計(jì)的硬件電路圖 系統(tǒng)的工作原理 本系統(tǒng)掃描鍵盤矩陣、顯示按鍵、揚(yáng)聲器發(fā)出對應(yīng)音符。 用 AT89S52 的并行口 P0 接 44 矩陣鍵盤，以 － 作輸入線，以 － 作輸出線；在數(shù)碼管上顯示每個(gè)按鍵的 “0－ F”序號。 總體電路具體原理如下： 11 否 是 圖 3－ 2 系統(tǒng)工作原理圖 開始 模塊初始化 發(fā)送掃描碼 有鍵按下 掃描鍵盤矩陣 顯示按鍵 啟動定時(shí)器 停止播放 延時(shí) 結(jié)束 12 矩陣鍵盤模塊 a0a1a2a3a4a5a6a7a7a6a3a2a1a0a5a4R2P U L L U PR3P U L L U PR4P U L L U PR5P U L L U PR6P U L L U PR7P U L L U PR8P U L L U PR9P U L L U P 圖 33 矩陣鍵盤模塊圖 如圖 33：在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少 I/O口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口（如 P0 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個(gè)按鍵，比直接將端口線用于鍵盤多出一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯 ，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一個(gè)鍵。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復(fù)雜一些，識別也要復(fù)雜一些，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機(jī)的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口則作為輸入。這樣，沒有鍵按下時(shí)，所有的輸出端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 13 矩陣式鍵盤的按鍵識別方法 : 確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下，介 紹一種“行掃描法”。行掃描法又稱逐行掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法。 判斷鍵盤中有無鍵按下， ，將全部行線 a0a3 置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)，只要有一列的電平為低，就表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與 4根行線相交叉的 4個(gè)按鍵之中。再判斷閉合鍵所在的位置，依次將行線置為低電平時(shí)，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)，若某列為低電平，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵為閉合。若所有的列線均為高電平，則無按鍵按下。 鍵盤接口必須具有的 4 個(gè)基本功能 : （ 1）去抖動：每個(gè)按鍵在按下或松開時(shí)，都會產(chǎn)生 短時(shí)間的抖動。抖動的持續(xù)時(shí)間與鍵的質(zhì)量相關(guān)。所謂抖動是指在識別被按鍵是必順避開抖動狀態(tài)，只有處在穩(wěn)定接通或穩(wěn)定斷開的狀態(tài)才能保證識別正確無誤。去抖問題可通過軟件延時(shí)或硬件電路解決。 （ 2）防串鍵：防串鍵是為了解決多個(gè)鍵同時(shí)按下或者前一按鍵沒有釋放又有新的按鍵按下時(shí)產(chǎn)生的問題。常用的方法有雙鍵鎖定和 N 鍵輪回兩種方法。雙鍵鎖定，是當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的按鍵按下時(shí)，只把最后釋放的鍵當(dāng)作有效鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼。 N鍵輪回，是當(dāng)檢測到有多個(gè)鍵被按下時(shí)，能根據(jù)發(fā)現(xiàn)它們的順序依次產(chǎn)生相應(yīng)鍵的鍵碼。 (3)被按鍵識別：如何識別 被按鍵是接口解決的主要問題，一般可能過軟硬結(jié)合的方法完成。常用的方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法兩種。行掃描法的基本回想是由程序?qū)︽I盤逐行掃描，通過檢測到的列輸出狀態(tài)來確定閉全鍵，為此需要設(shè)置入口、輸出口一個(gè)，該方法在微機(jī)