【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 定時(shí)參數(shù)不同， 就發(fā)出不 同頻率的脈沖，本設(shè)計(jì)中按鍵一次，會(huì)發(fā)出 50 個(gè)脈沖，松開后隨之延時(shí) 10 個(gè)脈沖，但在延時(shí)的 10 個(gè)脈沖期間繼續(xù)檢測(cè)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(huì)譯出被按下的另一個(gè)鍵的音調(diào)。本電路中的硬件比較簡(jiǎn)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(huì)有介紹。 系統(tǒng)開發(fā)背景 電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，是一種新型的鍵盤樂器。它在現(xiàn)代音樂扮演著重要的角色，單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，它已經(jīng)溶入現(xiàn)代人們的生活中， 成為不可替代的一部分。本文的主要內(nèi)容是用 STC89C52 單片機(jī)為核心控制元件，設(shè)計(jì)一個(gè)電子琴。以單片機(jī)作為主控核心，與鍵盤、揚(yáng)聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有 16 個(gè)按鍵和揚(yáng)聲器。 本文主要對(duì)使用單片機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易電子琴進(jìn)行了分析，并介紹了基于單片機(jī)電子琴統(tǒng)硬件組成。利用單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，最終可隨意彈奏想要表達(dá)的音樂。并且本文分別從原理圖，主要芯片，各模塊原理及各模塊的程序的調(diào)試來詳細(xì)闡述。設(shè)計(jì)了用 AT89s52 單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的電子琴，有16 個(gè)按鍵，可以做一些基本的 彈奏。與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)不同，本設(shè)計(jì)主要介紹的是數(shù)字信號(hào)連接功率放大電路，驅(qū)動(dòng)喇叭，產(chǎn)生樂音。其中包括了音調(diào)的產(chǎn)生，節(jié)拍的產(chǎn)生，以及如何合理應(yīng)用單片機(jī)的定時(shí)，中斷系統(tǒng)生成相應(yīng)的音調(diào)和節(jié)拍，設(shè)計(jì)出音樂演奏系統(tǒng)。 一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對(duì)應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當(dāng)然對(duì)于單片機(jī)來產(chǎn)生不同的頻率非常方7 便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 來產(chǎn)生這樣方波頻率信號(hào)，因此，我們只要把一首歌曲的音階對(duì)應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。 系統(tǒng)開發(fā)意義 該設(shè)計(jì)具有 以下優(yōu)點(diǎn)： (1)可以隨意彈奏想要表達(dá)的音樂 ； (2)制作簡(jiǎn)單，成本低 第二章 方案論證 控制模塊的選擇方案 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(jí)方面沒有潛力。 方案三 ：采用 AT89S51 單片機(jī)進(jìn)行控制，由于其性價(jià)比高，完全滿足了本作品智能化的要求，它的內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(jí)，使用方便，抗干擾性能提高。 鑒于上述對(duì)比與分析，本設(shè)計(jì)采用方案三 按鍵選擇方案 組成鍵盤的按鍵有機(jī)械式、電容式、導(dǎo)電橡膠式、薄膜式多種，但不管什么形式，其作用都是一個(gè)使電路接通與斷開的開關(guān)。目前微機(jī)系統(tǒng)中使用的8 鍵盤按其功能不同，通?？煞譃榫幋a鍵盤和非編碼鍵盤兩種基本類型。 編碼鍵盤：鍵盤本身帶有實(shí)現(xiàn)接口主要功能所需的硬件 電路。不僅能自動(dòng)檢測(cè)被按下的鍵，并完成去抖動(dòng)、防串鍵等功能，而且能提供與被按鍵功能對(duì)應(yīng)的鍵碼（如 ASCII 碼）送往 CPU。所以，編碼鍵盤接口簡(jiǎn)單、使用方便。但由于硬件電路較復(fù)雜，因而價(jià)格較貴。 非編碼鍵盤：鍵盤只簡(jiǎn)單地提供按鍵開關(guān)的行列矩陣。有關(guān)按鍵的識(shí)別、鍵碼的確定與輸入、去抖動(dòng)等功能均由軟件完成。目前微機(jī)系統(tǒng)中，一般為了降低成本大多數(shù)采用非編碼鍵盤。 鍵盤接口必須具有去抖動(dòng)、防串鍵、按鍵識(shí)別和鍵碼產(chǎn)生 4 個(gè)基本功能。 （ 1）去抖動(dòng) :每個(gè)按鍵在按下或松開時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生短時(shí)間的抖動(dòng)。抖動(dòng) 的持續(xù)時(shí)間與鍵的質(zhì)量相關(guān)，一般為 5— 20mm。所謂抖動(dòng)是指在識(shí)別被按鍵是必須避開抖動(dòng)狀態(tài)，只有處在穩(wěn)定接通或穩(wěn)定斷開狀態(tài)才能保證識(shí)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(cè)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(shí)別：如何識(shí)別被按鍵是接口解決的主要問題，一般可通過軟硬結(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。行掃描法的基本思想是，由程序?qū)︽I盤逐行掃描，通過檢測(cè)到的列輸出狀態(tài)來確定閉合鍵，為此，需要設(shè)置入口、輸出口一個(gè)，該方法在微機(jī)系統(tǒng)中被廣泛使用。線反轉(zhuǎn)法的基本思想是通過行列顛倒兩次掃描來識(shí)別閉合鍵，為此需要提供兩個(gè)可編程的雙向輸入 /輸出端口 。 （ 4）鍵碼產(chǎn)生：為了從鍵的行列坐標(biāo)編碼得到反映鍵功能的鍵碼，一般在內(nèi)存區(qū)中建立一個(gè)鍵盤編碼表，通過查表獲得被按鍵的鍵碼。 傳統(tǒng)電子琴可以用鍵盤 上的“ 1”到“ A”鍵演奏從低 SO 到高 DO 等11 音。該設(shè)計(jì)有 16 個(gè)按鈕矩陣，設(shè)計(jì)成 16 個(gè)音 ，可以實(shí)現(xiàn)音階在低音 4高音5 之間。比傳統(tǒng)音階范圍大，彈奏效果好。 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及說明 系統(tǒng)組成及總體框圖 硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，在選擇的機(jī)型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。 該設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)一種由單片機(jī)控制的電子琴，單片機(jī)工作于 12MHZ 時(shí)鐘頻率，使用其定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0，工作模式為 1，改變計(jì)數(shù)值 TH0 和 TL0 可以產(chǎn)生不同頻9 率的脈沖信號(hào)。該設(shè)計(jì)具有 11 個(gè)音節(jié)的鍵盤，用戶可以根據(jù)樂譜在鍵盤上進(jìn)行演奏，音樂發(fā)生器會(huì)根據(jù)用戶的彈奏，通過揚(yáng)聲器將音樂播放出來。由于本例實(shí)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(jī)產(chǎn)生的音頻脈沖直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器并不能產(chǎn)生所要實(shí)現(xiàn)的音樂，因?yàn)樗鼪]有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，這就需要音頻功率放大電路。 本例使用國家半導(dǎo)體公司的低壓音頻功率放大器 LM386 來實(shí)現(xiàn)音頻功放電路 。 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 元件簡(jiǎn)介 特點(diǎn) STC89C52 完全兼容 MCS51 系列單片機(jī)的所有功能，并且本身帶有 2K 的內(nèi)存儲(chǔ)器，可以在編程器上實(shí)現(xiàn)閃爍式的電擦寫達(dá)幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU 外加 EPROM 為核心的單片機(jī)系統(tǒng)在硬件 具有更加簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)，具體如下 [5]： STC89C52 單片機(jī)是最早期也最典型的產(chǎn)品，低功耗、高性能、采用 CHMOS 工藝的 8 位單片機(jī)。它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與 Intel 80C3X 單片機(jī)完全相同。在應(yīng)用中可直接替換。在 STC89C52 內(nèi)部有 FLASH 程序存儲(chǔ)器，既可用常規(guī)的編程器編程，也可用在線使之處于編程狀態(tài)對(duì)其編程。編程速度很快，擦除時(shí)也無需紫外線，非常方便。 STC89C5X 系列可認(rèn)為是 Intel 80C3X 的內(nèi)核與 STC FLASH 技術(shù)的結(jié)合體。它為許多嵌入式控制系統(tǒng)提供了靈活、低成本的解決方案。 ●與MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；●片內(nèi)集成 4KB 的 FLASH 存儲(chǔ)器，可反復(fù)編程/擦除 1000 次；●數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年；●全靜態(tài)設(shè)計(jì)，時(shí)鐘頻率范圍為 0～24MHz、 33MHz；●三個(gè)程序存儲(chǔ)器保密位；● 128 8 字節(jié)的內(nèi)部 RAM；● 32 條可編程的 I/O 口線；● 2 個(gè)可工作于 4 種模式的 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器；● 5 個(gè)中斷源 /2 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)；●可編程串行通道；●具有 4 種工作模式的全雙工串行口；●低功耗的待機(jī)工作模式和掉電工作模式；●片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；●具有 4 種工作模式的全雙工串行口；●低功耗的待機(jī)工作模式和掉電工作模式；●片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路； 主要功能特性 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(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非 易失 性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)按鍵 單 片 機(jī)STC89C52 `揚(yáng)聲器 音頻功放電路 10 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)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(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 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(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)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(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash AT89S52。 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(chǔ)器 、 1000 次擦寫周期 、 全靜態(tài)操作： 0Hz～33Hz 、 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 、 32 個(gè)可編程 I/O 口線 、三個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器八個(gè)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(shí) 符。 工作原理 管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 個(gè) TTL 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(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FLASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FLASH 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(gè)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 4 TTL 門電流。 P1 口11 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(gè)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(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 1時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流，這 是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 1時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3 口管腳是8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入 1后，它們被內(nèi)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 ST89C52 的一些特殊功能口 ,P3 口管腳備選功能 : 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（計(jì)時(shí)器 0 外部輸入）； T1（計(jì)時(shí)器 1 外部輸入）； WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）； RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）； P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電12 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(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR 8EH 地址上置 0。此時(shí)， 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(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器讀取指令期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 EA /VPP：當(dāng) EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) EA 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放 大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。由于輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 EPROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦除操作 中，代碼陣列全被寫 1且在任13 何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 （ 1）地址線上輸入欲編程的存儲(chǔ)單元地址；（ 2）在數(shù)據(jù)線上輸入編程數(shù)據(jù)；（ 3）加正確的控制信號(hào)組合；（ 4）在 高壓 模式下使 VPP 為 12V；（ 5）在 ALE 引腳上加一次負(fù)脈沖，可對(duì) FLASH 存儲(chǔ)器的一個(gè)字節(jié)或保密位進(jìn)行編程。編程一個(gè)字節(jié)的周期是內(nèi)部自定時(shí)的，典型時(shí)間不會(huì)超過 。改變編程的存儲(chǔ)單元地址和編程數(shù)據(jù)重復(fù)步驟（ 1）～（ 5），直到編程文件最后。此外， STC89C52 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在零頻率的條件下靜 態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作，但 RAM、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 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(dòng)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(chǎng)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 。 14 LM386 內(nèi)部電路原理圖 LM386 內(nèi)部電路原理圖如圖所示。與通用型集成運(yùn)放相類似，它是一個(gè)三級(jí)放大電路 . 第一級(jí)為差分放大電路， T1 和 T T2 和 T4 分別構(gòu)成復(fù)合管 ，作為差分放大電路的放大管； T5 和 T6 組成鏡像電流源作為 T1 和 T2 的有源負(fù)載； T3 和 T4信號(hào)從管的基極輸入，從 T2 管的集電極輸出，為雙端輸入單端輸出差分電路。使 用鏡像電流源作為差分放大電路有源負(fù)載，可使單端輸出電路的增益近似等于雙端輸出電容的增益 第二級(jí)為共射放大電路， T7 為放大管，恒流源作有源負(fù)載，以增大放大倍數(shù)。 第三級(jí)中的 T8 和 T9 管復(fù)合成 PNP 型管，與 NPN 型管 T10 構(gòu)成準(zhǔn)互補(bǔ)輸出級(jí)。