【正文】 系統(tǒng) 的 主要研究內(nèi)容 單片機因體積小、功能強、價格低廉而得到廣泛應用。 本系統(tǒng)分為兩個部分，一個是音樂 ， 另一個就是電子琴。本文介紹用 AT89C51 的兩個定時器（如 T0， T1）控制，在 腳上輸出方波周期信號，產(chǎn)生樂音，通過矩陣鍵盤按鍵產(chǎn)生不同的音符，由此操作人員可以隨心所欲的彈奏自己所喜愛的樂曲，當不想彈奏時通過按放歌鍵可以演奏事先存放在單片機中的幾首動聽的曲子供消遣。 由于一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個音階對應著不同的頻率，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頻率關(guān)系弄正確即可。 電子琴 彈奏 部分：實際上就是把每個按鍵所對應的值經(jīng)過處理后發(fā)給單片機，再在單片機內(nèi)把數(shù)字當作指針指向所對應的音符 ?？呻S意彈奏想要表達的 音樂。假如在前一個按下的鍵發(fā)聲的同時有另一個鍵被按下，則啟用中斷系統(tǒng)，前面鍵的發(fā)音停止，轉(zhuǎn)到后按的鍵的發(fā)音程序，發(fā)出后按的鍵的音 。通過這樣可以不斷的彈奏音樂。其主要模塊由五個部分組成 ,具體關(guān)系如圖 所示 。 系統(tǒng) 工作原理 工作原理描述如下 ： 打開 電子琴 電源開關(guān)后， 電子琴 默認為 彈奏狀態(tài)，彈奏顯示燈點亮，數(shù)碼管顯示為 0。 按下播放按鈕，電子琴處于自動播放狀態(tài)， 播 放顯示燈點亮， 此時，按下矩陣鍵盤中的任意鍵，揚聲器發(fā)出存儲在單片機內(nèi)部的對應的樂曲，數(shù)碼管顯示對應的按鍵數(shù)字。 彈奏顯示燈點亮。 安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院本科畢業(yè) 設(shè)計 6 3 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計 系統(tǒng) 硬件 總體設(shè)計 將設(shè)計的 電子琴 硬件部分進行模塊化設(shè)計，主要分以下模塊： （ 1） 矩陣鍵盤 模塊： 系統(tǒng)采用 4*4 矩陣鍵盤。 （ 3） 功能顯示 模塊： 采用發(fā)光二極管顯示彈奏、播放兩種狀態(tài)。 （ 5） 控制中心模塊： AT89C51 單片機。 圖 硬件整體電路圖 安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院本科畢業(yè) 設(shè)計 7 AT89C51 單片機 AT89C51 簡介 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。 AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 AT89C51 主要特性 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 數(shù)據(jù)保留時間： 10年 三級程序存儲器鎖定 32 可編程 I/O線 5 個中斷源 低功耗的閑置和掉電模式 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。 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。 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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 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。 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。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。 RST：復位輸入。 在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 PSEN 有效。 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。 另外， P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下 所示 。 芯片擦除 整個 PEROM 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。 此外， AT89C51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。但 RAM、定時器、計數(shù)器、 串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 矩陣 式鍵盤的識別和顯示 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。這樣，一個端口（如 P1 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（ 9 鍵）。 矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤顯然比直接法要復雜一些， 識別也要復雜一些， 本系統(tǒng)中的矩陣鍵盤中 ，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的 I/O 口作為輸出端，而列線所接的 I/O 口則作為輸入。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院本科畢業(yè) 設(shè)計 11 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。 圖 矩陣式鍵盤 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”。 判斷鍵盤中有無鍵按下 。只要有一列的電平為低，則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個按鍵之中。 判斷閉合鍵所在的位置 。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合 的按鍵。抖動的持續(xù)時間與鍵的質(zhì)量相關(guān)，一般為 5— 20mm。去抖問題可通過軟件延時或硬件電路解決。常用的方法有雙鍵鎖定和 N 鍵輪回兩種方法。 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)生相應鍵的鍵碼。常用的方法有行掃描法和線反轉(zhuǎn)法兩種。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。 用 AT89C51 的并行口 P0 接 4 4 矩陣鍵盤，以 － 作輸入線，以 － 作輸出線；在數(shù)碼管上顯示每個按鍵的“ 0－ F”序號。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極 (COM)的數(shù)碼管。當某一字段的陰極為高電平時，相應字段就不亮。共陰數(shù)碼管在應用時應將公共極 COM 接到地線 GND 上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應字段就點亮。 數(shù)碼管的驅(qū)動方式 數(shù)碼管 要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的 I/O 端口進行驅(qū)動，或者使用如 BCD 碼二 十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。 ②動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接 口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的 8 個顯示筆劃 a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通 COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示 出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為 1～ 2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O 端口，而且功耗更低。 安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院本科畢業(yè) 設(shè)計 14 圖 顯示模塊 功能顯示 模塊 當按下彈奏 /停止功能鍵時， D1 燈點亮，此時， 電子琴 系統(tǒng)處于 彈奏狀態(tài)；當按下播放鍵時， D2燈點亮，此時，電子琴系統(tǒng)處于自動播放內(nèi)置音樂狀態(tài)。 圖 功能顯示模塊 安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院本科畢業(yè) 設(shè)計 15 音樂播放 裝置 一般說來，單片機演奏 音樂基本都是單音頻率，它不包含相應幅度的諧波頻率，也就是說不能像 電子琴那樣能 演 奏出多種音色的聲音。音調(diào)表示一個音符唱多高的頻率，節(jié)拍表示一個音符唱多長的時間。在音樂中常把中央 C上方的 A 音定為標準音高，其頻率 f=440Hz。在一個八度音內(nèi)，有 12 個半音。這12個音階的分度基本上是以對數(shù)關(guān)系來劃分的。 知道了一個音符的頻率后， 若要產(chǎn)生音頻脈沖，只要算出某一音頻的周期（ 1/頻率），再將此周期除以 2，即為半周期的時間。就可在 引腳上得到此頻率的脈沖。 利用 AT89C51 的內(nèi)部定時器使其工作計數(shù)器模式（ MODE1）下，改變計數(shù)值TH0 及 TL0 以產(chǎn)生不同頻率的方法產(chǎn)生不同音階，例如，頻率為 523Hz，其周期 T＝ 1/523＝ 1912μ s，因此只要令計數(shù)器計時 956μ s/1μ s＝ 956，每計數(shù) 956 次時將 I/O 反相，就可得到中音 DO（ 523Hz）。 2247。 其計數(shù)初值 T 的求法如下： T＝ 65536－ N＝ 65536－ fi247。 fr 安徽財經(jīng)大學管理科學與工程學院本科畢業(yè) 設(shè)計 16 例如：設(shè) K＝ 65536， fi＝ 1MHz，求低音 DO（ 261Hz）、中音 DO（ 523Hz）、高音 DO（ 1046Hz）的計數(shù)值。 2247。 2247。 表 2 音符頻率表 音符 頻率（ HZ） 簡譜碼（ T值） 音符 頻率（ HZ） 簡譜碼（ T值） 休止 0 0 中 4 FA 698 64820 低 1 DO 262 63628 中 5 SO 784 64898 低 2 RE 294 63835 中 6 LA 880 64968 低 3 M 330 64021 中 7 SI 988 65030 低 4 FA 349 64103 高 1 DO 1046 65058 低 5 SO 392 64260 高 2 RE 1175 65110 低 6 LA 440 64400 高 3 M 1318 65157 低 7 SI 494 64524 高 4 FA 1397 65178 中 1 DO 523 64580 高 5 SO 1568 65217 中 2 RE 587 64684 高 6 LA 1760 65252 中 3 M 659 64777 高 7 SI 1967 65283 我們要為這個音符建立一個表格，單片機通過查表的方式來獲得相應的數(shù)據(jù)。在一張樂譜中，我們經(jīng)常會看到這樣的表達式，如 1=C 44 、 1=G43 ?? 等等，這里 1=C,1=G 表示樂譜的曲調(diào)， 44 、 43 就是用來表示節(jié)拍的。比如： 其中 1 、 2 為一拍， 5為一拍， 6 為一拍 ， 共三拍。一般 說來，如果樂曲沒有特殊說明，一拍的時長大約為 400— 500ms 。 可見，在單片機上控制一個音符唱多長可采用循環(huán)延時的方法來實現(xiàn)。 音樂的音拍，以一個節(jié)拍為單位（ C 調(diào)），如表 3所示。具體的實現(xiàn)方法為：將樂譜中的每個音符的音調(diào)及節(jié)拍變換成相應的音調(diào)參數(shù)和節(jié)拍參數(shù)，將他們做成數(shù)據(jù)表格，存放在存儲器中 ，通過程序取出一個音符的相關(guān)參數(shù)，播放該音符，該音符唱完后，接著取出下一個音符的相關(guān)參數(shù)??，如此直到播放完畢最后一個音符，根據(jù)需要也可循環(huán)不停地播放整個樂曲。 發(fā)聲裝置如圖 所示 。 初 始 化鍵 盤 掃 描延 時 消 抖選 擇 查 表 法功 能 選 擇 鍵 鍵 值查 表 所 得 數(shù) 據(jù) 送入 P 2 , P 3 . 7根 據(jù) 鍵 值 查 表根 據(jù) 當 前 狀態(tài) 識 別 按 鍵矩 陣 鍵 盤 鍵 值有 無 鍵 盤 按 下有 無 鍵 盤 按 下YYNN 圖 整體程序處理流程圖 在電子琴開始工作時，系統(tǒng)默認電子琴處于彈奏狀態(tài)，歌曲選擇功能鍵的目的是賦予矩陣鍵盤第二功能，即對系統(tǒng)內(nèi)置的歌曲