【文章內(nèi)容簡介】 以及 STC89C52 芯片模塊和 ISD4004 語音模塊的開發(fā)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一實(shí)現(xiàn)帶錄音功能的電子琴，可播放系統(tǒng)內(nèi)部錄入的音符和音樂，也可以實(shí)現(xiàn)錄音和放音功能（如錄入人的聲音） 。為了使按鍵時(shí)分析方便，我們加以數(shù)碼管和流水燈，當(dāng)按下某一按鍵時(shí)數(shù)碼管顯示相應(yīng)的按鍵值，同時(shí)對應(yīng)的流水燈點(diǎn)亮。本設(shè)計(jì)的主要工作有以下幾個方面：（1）整體方案的設(shè)計(jì)方案的選擇要符合芯片功能的要求，既要保證操作簡單符合人們平時(shí)的操作習(xí)慣，又要體現(xiàn)出本產(chǎn)品的特點(diǎn)，本文研究設(shè)計(jì)的帶錄音功能的電子琴是采用STC89C52 單片機(jī)和 ISD4004 語音芯片，用來實(shí)現(xiàn)已存入芯片內(nèi)的音符和音樂的播放以及錄音和放音功能。 2 / 52（2）程序流程圖及軟件設(shè)計(jì)一個程序要想實(shí)現(xiàn)其功能，不能沒有次序而盲目下手，必須對其有一個全面的了解后畫出流程框圖，然后逐個模塊的實(shí)現(xiàn)其功能，最終把模塊之間合理的連接起來，構(gòu)成完整程序。本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的初始化設(shè)計(jì)、延時(shí)子程序的設(shè)計(jì)、鍵盤掃描模塊的設(shè)計(jì)、錄音子模塊的設(shè)計(jì)、放音子模塊的設(shè)計(jì)、兩個芯片之間通信的設(shè)計(jì)、流水燈的點(diǎn)亮和數(shù)碼管的顯示設(shè)計(jì)、中斷程序設(shè)計(jì)、以及把各個子模塊組合成一個完整程序的設(shè)計(jì)等。整個系統(tǒng)程序采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)程序相對比較優(yōu)化易修改和調(diào)試系統(tǒng)軟件的開發(fā)是用 C 語言設(shè)計(jì)的。（3）系統(tǒng)原理圖及硬件調(diào)試實(shí)驗(yàn)本設(shè)計(jì)在進(jìn)行硬件原理分析后，需要連接實(shí)物進(jìn)行實(shí)際操作，檢驗(yàn)自己的設(shè)計(jì)是否可以行得通。需要在 protel99SE 環(huán)境下畫出硬件原理圖并進(jìn)行電氣測試，檢測無異議后進(jìn)行硬件系統(tǒng)的調(diào)試實(shí)驗(yàn)，為了保證系統(tǒng)的可靠性分析查找，硬件的調(diào)試整個系統(tǒng)進(jìn)行了模擬試驗(yàn)?！≌n題研究的工作原理當(dāng)物體振動時(shí)，能夠發(fā)出聲音，振動的頻率不同，聲音的音調(diào)就不同。在電子琴里，雖然沒有振動的弦、簧、管等物體，卻有許多特殊的電裝置，每個電裝置一工作，就會使揚(yáng)聲器發(fā)出一定頻率的聲音。當(dāng)按動某個琴鍵時(shí)，就會使與它對應(yīng)的電裝置工作，從而使揚(yáng)聲器發(fā)出某種音調(diào)的聲音。簡單的說就是按鍵觸發(fā)信號發(fā)給處理器，再由處理器調(diào)用音色庫音色通過功 放電路輸出或者通過數(shù)碼接口進(jìn)行數(shù)字輸出?？刂泼姘迳系陌粹o來選擇處理器對音色、音量、輸出方式、伴奏的控制。振蕩器是根據(jù)需要產(chǎn)生一定頻率的振蕩信號，振蕩信號通過分頻器分解成不同頻率的信號輸送到放大器，放大器將信號放大，推動揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。鍵盤實(shí)際上就是一些開關(guān)，如果沒有鍵盤，許多種頻率的信號一齊進(jìn)到放大器里，通過揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音就會亂七八糟，不成音樂。按下鍵盤的某一按鍵，就等于接通相應(yīng)的開關(guān)，只允許某一種頻率的信號通過到放大器里去，揚(yáng)聲器就發(fā)出一個音來。這樣，按照一定的演奏規(guī)律來按鍵，就能奏出美妙的音樂來。本設(shè)計(jì)主要是通過對電子琴主體部分的電路進(jìn)行模仿設(shè)計(jì)，達(dá)到電子琴固有的播放音符和音樂的基本功能，并且加以語音模塊，使其實(shí)現(xiàn)錄音放音功能，故稱為帶錄音功能的電子琴。該設(shè)計(jì)較以往設(shè)計(jì)有所不同，它所建的音色庫不是通過對某一音節(jié)設(shè)置固定的頻率來實(shí)現(xiàn)，而是通過某一樂器的放音，利用語音模塊的錄音將7 和一段音樂錄入到電子琴中，從而建立音色庫，當(dāng)某一按鍵3 / 52被按下時(shí)，通過鍵盤掃描識別出該按鍵，并從音色庫中調(diào)出與此按鍵相對應(yīng)的音調(diào)，發(fā)出聲音。處理器會在發(fā)音期間繼續(xù)檢測鍵盤，若此時(shí)又有鍵被按下，若被按下的仍為原鍵則聲音不變，否則鍵盤會譯出被按下的另一個鍵的音調(diào)。當(dāng)按下錄音按鍵時(shí)，可以錄入一段聲音，如人聲等，還可以在錄音時(shí)讓電子琴發(fā)聲或音樂，并將其錄入，通過發(fā)音鍵將剛才錄入的一段聲音播放出來。本電路中的硬件比較簡單，其功能的實(shí)現(xiàn)主要由軟件完成。軟件的設(shè)計(jì)思路通過框圖形式說明在正文中會有介紹。它可模仿多種音色，甚至可以奏出常規(guī)樂器所無法發(fā)出的聲音（如人聲） 。電子琴常作為獨(dú)奏樂器出現(xiàn)，具有鮮明時(shí)代特色，但電子琴的局限性也十分明顯：旋律與和聲缺乏音量變化，過于協(xié)和、單一；在模仿各類管、弦樂器時(shí)，音色還不夠逼真，模仿提琴類樂器的音色時(shí)，失真度更大，還需要不斷改進(jìn)。4 / 52第 2 章　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)　功能要求通過 STC89C52 芯片實(shí)現(xiàn)對按鍵的讀取并將所對應(yīng)的音節(jié)或音樂送至揚(yáng)聲器；將所對應(yīng)的按鍵在數(shù)碼管上顯示，LED 燈做相應(yīng)的變化；語音芯片 ISD4004 完成語音模塊，實(shí)現(xiàn)電子琴的彈奏，播放音樂以及錄音放音功能；采用 8 位共陰極的數(shù)碼管，顯示按鍵的值；采用 10 個 LED 燈顯示，顯示相對應(yīng)的按鍵；　設(shè)計(jì)思路電路總體上分為芯片控制部分和語音芯片部分。以 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)作為核心控制電路，控制 4*4 的矩陣鍵盤對播放音樂和錄音放音的選擇，以及控制LED 點(diǎn)亮和數(shù)碼管的顯示，具體顯示內(nèi)容及方式由軟件來完成。語音部分由ISD4004 芯片來實(shí)現(xiàn)，它是一個多功能的語音芯片，可以多次重復(fù)錄放，本設(shè)計(jì)正是運(yùn)用此特點(diǎn)，完成錄音和放音功能的。具體步驟是：先錄入 7 個音符和一段音樂，存儲到芯片內(nèi)部，建立自己的音色庫，并且具體鎖定到鍵盤的某一按鍵上，通過按下不同的按鍵發(fā)出不同的聲音。再對錄音和放音功能設(shè)置具體的按鍵，通過按鍵實(shí)現(xiàn)其功能?！》桨高x擇　控制模塊選擇方案方案一：用可控硅制作電子琴。將 220V 交流電經(jīng)變壓器降壓，再經(jīng)過整流濾波，獲得+ 直流電壓。將單向可控硅 SCR 和電阻、電容組成馳張振蕩器電路。但該設(shè)計(jì)方案制作成本高且復(fù)雜。方案二： 采用 AT89C51 單片機(jī)進(jìn)行控制，由于 AT89C51 不具備 ISP 功能，因此 Atmel 公司已經(jīng)停產(chǎn)在市面上已經(jīng)不常見，況且其 ROM 只有 4K 在系統(tǒng)將來升級方面沒有潛力。方案三：采用 STC89C52 單片機(jī)進(jìn)行控制，由于其性價(jià)比高，完全滿足了本作5 / 52品智能化的要求，它的內(nèi)部程序存儲空間達(dá)到 8K，使軟件設(shè)計(jì)有足夠的內(nèi)部使用空間并且方便日后系統(tǒng)升級，使用方便，抗干擾性能提高。鑒于上述對比與分析，本設(shè)計(jì)采用方案三 　按鍵選擇方案方案一：采用 STC89C52 的獨(dú)立鍵盤，但其獨(dú)立鍵盤只有 4 個按鍵，按鍵數(shù)量不夠，無法滿足本課題的要求，產(chǎn)生不出 7 個音階及錄放音功能。方案二：采用 STC89C52 的矩陣鍵盤，其矩陣鍵盤具有 16 個按鍵，數(shù)量夠用，能夠滿足課題的要求。故采用 4*4 矩陣鍵盤。通常在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少 I/O 口的占用，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，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（本模塊用到的是 P3 口）就可以構(gòu)成 4*4=16 個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，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?！⌒酒x擇方案方案一：AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 型 8 位單片機(jī)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器(CPU)和 Flash 存儲單元，功能強(qiáng)大。其片內(nèi)的 4K 程序存儲器是 FLASH 工藝的，這種單片機(jī)對開發(fā)設(shè)備的要求很低，開發(fā)時(shí)間也大大縮短。寫入單片機(jī)內(nèi)的程序還可以進(jìn)行加密，這又很好地保護(hù)我們的勞動成果。再者，AT89C51 目前的售價(jià)比 8031 還低，市場供應(yīng)也很充足。AT89C51 可構(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的成本。只要程序長度小于 4K，四個 I/O 口全部提供給用戶?？捎?5V 電壓編程，而且擦寫時(shí)間僅需 lOms。AT89C51 芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。PO 口是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線口，因?yàn)橹挥性摽谀苤苯佑糜趯ν獠看鎯ζ鞯淖x/寫操作。方案二：STC89C51 系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)和 AT89C51 系列的完全兼容，但實(shí)際操作起來卻存在很多問題：（1）AT89C51 不帶 ISP 下載，要用下載器才行，STC89C52 可以用你的 USB轉(zhuǎn)串口下載，下載軟件可以到 STC 廠家網(wǎng)上去下。（2）STC 單片機(jī)執(zhí)行指令的速度很快，大約是 AT 的 330 倍，盡管快是好事，6 / 52但這樣一來，你在 AT 上好使的程序在 STC 上不一定好用，最典型的例子就是那些對時(shí)序有嚴(yán)格要求的模塊，用 STC 時(shí)注意得加長延時(shí)，大約是 AT 的 10—30 倍就差不多，這一點(diǎn)自己調(diào)試就知道了。 （3）STC 單片機(jī)對工作環(huán)境的要求比較低，電壓低于 5 伏時(shí)仍然正常工作，甚至 3 伏到 4 伏之間都還可以工作，然而這樣的環(huán)境下 AT 肯定不行了，所以當(dāng)一個系統(tǒng)用 STC 單片機(jī)好用，但用 AT 的單片機(jī)不工作時(shí)，直接查最小系統(tǒng)，看單片機(jī)的供電是否正常。比較這兩種方案，由于在學(xué)校期間學(xué)過數(shù)字電路、單片機(jī)原理、C 語言程序設(shè)計(jì)，綜合考慮單片機(jī)的各部分資源和作為學(xué)生能夠獲得的資源，經(jīng)過對比此次設(shè)計(jì)要求，我選擇用 STC 系列芯片完成。而且學(xué)校也提供了相應(yīng)的硬件操作平臺，實(shí)際操作起來比較方便，故 STC 為更合理的選擇。 總體設(shè)計(jì)框圖按照系統(tǒng)功能的具體要求，在保證實(shí)現(xiàn)其功能的然礎(chǔ)上，盡可能降低系統(tǒng)成本?？傮w設(shè)計(jì)方案圍繞上述思想，初步確定系統(tǒng)的方案如圖 21 所示。語音芯片模塊I S D 4 0 0 4L E D 燈顯示模塊P 0 . 0 — P 0 . 7P 2 . 3 — P 2 . 7S T C 8 9 C 5 2主 控 模 塊P 3 . 0 — P 3 . 7P 1 . 0 — P 1 . 7數(shù)碼管顯示模塊4 * 4 矩陣鍵盤模塊圖 21　系統(tǒng)初步方案 從圖中可以看出，系統(tǒng)有微處理器模塊、數(shù)碼管顯示模塊、4*4 矩陣鍵盤模塊和 LED 燈顯示模塊組成。在方案設(shè)計(jì)中，遵循簡潔至上的原則，因此所有的外圍模塊采用串行方式與微處理器模塊接口。該設(shè)計(jì)以 STC89C51 系列單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)電子琴的彈奏和錄音放音基本功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，為了更好地采用模塊化設(shè)計(jì)法，分步的設(shè)計(jì)各個單元功能模塊，系統(tǒng)的硬件部分可以分為鍵盤設(shè)定、單片機(jī)控制、LED 燈顯示和數(shù)碼管顯示四大部分。7 / 52第 3 章　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)　概述此次的畢業(yè)設(shè)計(jì)主要由 4 個大的模塊構(gòu)成，分別是主控模塊、語音芯片模塊、LED 燈及數(shù)碼管顯示模塊、鍵盤控制模塊，其中主控模塊是此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的核心模塊，主要是指 STC89C52 芯片，它控制整個系統(tǒng)的運(yùn)行，利用其各個口分別控制其他模塊，使其他模塊能夠成為一個整體，實(shí)現(xiàn)功能的需要；語音模塊主要指ISD4004 芯片和 LM386 芯片，用 ISD4004 來實(shí)現(xiàn)錄音功能，LM386 是實(shí)現(xiàn)功率放大；而 LED 燈及數(shù)碼顯示模塊是整個系統(tǒng)的輔助模塊，用來顯示音節(jié)以及表示錄音開始及結(jié)束；按鍵控制模塊則是用按鍵來控制實(shí)現(xiàn)的是哪個功能，對應(yīng)錄音、放音、暫停?！≈骺啬K　STC89C52 芯片的簡介功能特性：STC89C52 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。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 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案，如圖 31 所示。STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)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 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個 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。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(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，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。主要性能：與 MCS51 單片機(jī)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(shí)器/計(jì)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(shí)器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識符。8 / 52圖 31　STC89C52 芯片管腳說明：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(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，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(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。P1 口：P1 口是一個內(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)，P1 口作為第八位地址接收。P2 口：P2 口為一個內(nèi)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(dāng) P2 口被寫“1” 時(shí)