【文章內(nèi)容簡介】 高電平，由于定時參數(shù)不同， 就發(fā)出不 同頻率的脈沖，本設(shè)計中按鍵一次，會發(fā)出 50 個脈沖，松開后隨之延時 10 個脈沖，但在延時的 10 個脈沖期間繼續(xù)檢測鍵盤，若此時又有鍵被按下，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)。本電路中的硬件比較簡單，其功能的實現(xiàn)主要由軟件完成。軟件的設(shè)計思 路通過框圖形式說明在正文中會有介紹。 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，單片機具有強大的控制功能和靈活的編程實現(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 單片機為核心控制元件，設(shè)計一個電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設(shè)有 16 個按鍵和揚聲器。 本文主要對使用單片機設(shè)計簡易電子琴進行了分析，并介紹了基于單片機電子琴統(tǒng)硬件組成。利用單片機產(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)試來詳細闡述。設(shè)計了用 AT89s52 單片機設(shè)計一個簡易的電子琴，有16 個按鍵，可以做一些基本的 彈奏。與傳統(tǒng)的模擬信號不同，本設(shè)計主要介紹的是數(shù)字信號連接功率放大電路，驅(qū)動喇叭，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)用單片機的定時，中斷系統(tǒng)生成相應(yīng)的音調(diào)和節(jié)拍，設(shè)計出音樂演奏系統(tǒng)。 一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應(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，當然對于單片機來產(chǎn)生不同的頻率非常方 7 便，我們可以利用單片機的定時 /計數(shù)器 T0 來產(chǎn)生這樣方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。 系統(tǒng)開發(fā)意義 該設(shè)計具有 以下優(yōu)點： (1)可以隨意彈奏想要表達的音樂 ； (2)制作簡單，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)計方案制作成本高且復(fù)雜。 方案二： 采用 AT89C51 單片機進行控制，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 AT89S51 單片機進行控制，由于其性價比高，完全滿足了本作品智能化的要求，它的內(nèi)部程序存儲空間達到 8K，使軟件設(shè)計有足夠的內(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)計采用方案三 按鍵選擇方案 組成鍵盤的按鍵有機械式、電容式、導(dǎo)電橡膠式、薄膜式多種，但不管什么形式，其作用都是一個使電路接通與斷開的開關(guān)。目前微機系統(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：鍵盤本身帶有實現(xiàn)接口主要功能所需的硬件 電路。不僅能自動檢測被按下的鍵，并完成去抖動、防串鍵等功能，而且能提供與被按鍵功能對應(yīng)的鍵碼（如 ASCII 碼）送往 CPU。所以，編碼鍵盤接口簡單、使用方便。但由于硬件電路較復(fù)雜，因而價格較貴。 非編碼鍵盤：鍵盤只簡單地提供按鍵開關(guān)的行列矩陣。有關(guān)按鍵的識別、鍵碼的確定與輸入、去抖動等功能均由軟件完成。目前微機系統(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、防串鍵、按鍵識別和鍵碼產(chǎn)生 4 個基本功能。 （ 1）去抖動 :每個按鍵在按下或松開時，都會產(chǎn)生短時間的抖動。抖動 的持續(xù)時間與鍵的質(zhì)量相關(guān)，一般為 5— 20mm。所謂抖動是指在識別被按鍵是必須避開抖動狀態(tài)，只有處在穩(wěn)定接通或穩(wěn)定斷開狀態(tài)才能保證識別正確無誤。去抖問 題可通過軟件延時或硬件電路解決。 （ 2）防串鍵：防串鍵是為了解決多個鍵同時按下或者前一按鍵沒有釋放又有新的按鍵按下時產(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，是當有兩個或兩個以上的按鍵按下時，只把最后釋放的鍵當作有效鍵并產(chǎn)生相應(yīng)的鍵碼。 N 鍵輪回，是當檢測到有多個鍵被按下時，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，該方法在微機系統(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別閉合鍵，為此需要提供兩個可編程的雙向輸入 /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)計有 16 個按鈕矩陣，設(shè)計成 16 個音 ，可以實現(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)計及說明 系統(tǒng)組成及總體框圖 硬件設(shè)計的任務(wù)是根據(jù)總體設(shè)計要求，在選擇的機型的基礎(chǔ)上，具體確定系統(tǒng)中所要使用的元器件，設(shè)計出系統(tǒng)的原理框圖、電路原理圖。 該設(shè)計要實現(xiàn)一種由單片機控制的電子琴，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 9 率的脈沖信號。該設(shè)計具有 11 個音節(jié)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。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(qū)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(qū)動能力，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 來實現(xiàn)音頻功放電路 。 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 元件簡介 特點 STC89C52 完全兼容 MCS51 系列單片機的所有功能，并且本身帶有 2K 的內(nèi)存儲器，可以在編程器上實現(xiàn)閃爍式的電擦寫達幾萬次以上，比以往慣用的8031CPU 外加 EPROM 為核心的單片機系統(tǒng)在硬件 具有更加簡單方便等優(yōu)點，具體如下 [5]： STC89C52 單片機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。它在硬件資源和功能、軟件指令及編程上與 Intel 80C3X 單片機完全相同。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)對其編程。編程速度很快，擦除時也無需紫外線，非常方便。 STC89C5X 系列可認為是 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 存儲器，可反復(fù)編程/擦除 1000 次；●數(shù)據(jù)保留時間： 10 年；●全靜態(tài)設(shè)計，時鐘頻率范圍為 0～24MHz、 33MHz；●三個程序存儲器保密位；● 128 8 字節(jié)的內(nèi)部 RAM；● 32 條可編程的 I/O 口線；● 2 個可工作于 4 種模式的 16 位定時 /計數(shù)器；● 5 個中斷源 /2 個中斷優(yōu)先級；●可編程串行通道；●具有 4 種工作模式的全雙工串行口；●低功耗的待機工作模式和掉電工作模式；●片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；●具有 4 種工作模式的全雙工串行口；●低功耗的待機工作模式和掉電工作模式；●片內(nèi)振蕩器和時鐘電路； 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 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非 易失 性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)按鍵 單 片 機STC89C52 `揚聲器 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(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)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(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié) ， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(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。 工作原理 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 8 個 TTL 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 FLASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FLASH 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(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，將輸出電流，這是由于內(nèi)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(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 P2 口被寫 1時，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， 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 口當用于外部程序存儲器或 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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(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（計時器 0 外部輸入）； T1（計時器 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(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位時，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 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， 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 SFR 8EH 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讀取指令期間，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(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當 EA 端保持高電平時，此間內(nèi)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）。 XTAL1：反向振蕩放 大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。由于輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 EPROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，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）加正確的控制信號組合；（ 4）在 高壓 模式下使 VPP 為 12V；（ 5）在 ALE 引腳上加一次負脈沖，可對 FLASH 存儲器的一個字節(jié)或保密位進行編程。編程一個字節(jié)的周期是內(nèi)部自定時的，典型時間不會超過 。改變編程的存儲單元地址和編程數(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、定時器、計數(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，廣泛應(yīng)用于錄音機和收音機之中 。 14 LM386 內(nèi)部電路原理圖 LM386 內(nèi)部電路原理圖如圖所示。與通用型集成運放相類似，它是一個三級放大電路 . 第一級為差分放大電路， 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 的有源負載； T3 和 T4信號從管的基極輸入，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 第二級為共射放大電路， T7 為放大管，恒流源作有源負載，以增大放大倍數(shù)。 第三級中的 T8 和 T9 管復(fù)合成 PNP 型管，與 NPN 型管