单片机设计与制作 简易电子琴的设计Word下载.docx

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1.1播放模块

1.2按键控制模块

1.3总体硬件组成框图

2、硬件设计

2.1硬件原理图

2.2系统板硬件连线

2.3主要硬件的介绍

2.3.1AT89S51简介

2.3.2LM386介绍

2.4播放模块的硬件设计

2.54×

4矩阵键盘识别处理

3、软件设计

4、系统调试

5、结束语

6、参考文献

7、附录

1.系统概述

本系统采用单片机AT89C51为电子琴的控制核心，系统主要包括播放模块、按键控制模块。

下面对各模块的设计逐一进行论证比较。

1.1播放模块

播放模块是喇叭构成。

它几乎不存在噪声，音响效果较好。

而且由于所需驱动功率较小，且价格低廉，所以，被广泛应用。

电子琴设有16个按键，其中7个作为音符输入，另外1个作为模式转换按键，实现用户自弹作曲。

7个按键分别代表7个音符，包括中音段的全部音符。

通过软硬件设计，模式转换按键触发外部中断，中断使程序跳转，实现模式转换，启动电子琴。

然后通过查询电子琴所按下的按键，读取电子琴输入状态，跳转到对应的程序人口，实现自编歌曲。

当需要取消电子琴编曲功能时，再次按下模式转换按键引起外部中断．即可退出电子琴功能而返回原来按键播放处。

图1-1总体硬件组成框图

2.硬件设计

2.1硬件原理图

2.2．系统板硬件连线

（1．把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到“音频放大模块”区域中的SPKIN端口上；

（2．把“单片机系统“区域中的P3.0－P3.7端口用8芯排线连接到“4X4行列式键盘”区域中的C1－C4　R1－R4端口上；

2.3主要硬件的介绍

2.3.1AT89S51简介

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。

同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。

图2-1单片机管脚图

引脚功能

VCC（40）：

＋5V；

GND（20）：

接地；

P0口（39－32）：

P0口为8位漏极开路双向I/O口，每引脚可吸收8个TTL门电流；

P1口（1－8）：

P1口是从内部提供上拉电阻器的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收和输出4个TTL门电流；

P2口（21－28）：

P2口为内部上拉电阻器的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收和输出4个TTL门电流；

P3口（10－17）：

P3口是8个带内部上拉电阻器的双向I/O口，可接收和输出4个TTL门电流，P3口也可作为AT89C51的特殊功能口；

RST（9）：

复位输入。

当振荡器复位时，要保持RST引脚2个机器周期的高电平时间；

ALE/PROG（30）：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节，在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6，它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过1个ALE脉冲；

PSEN（29）：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期2次PSEN有效，但在访问外部数据存储器时，这2次有效的PSEN信号将不出现；

EA/VPP（31）：

当EA保持低电平时，外部程序存储器地址为（0000H－FFFFH）不管是否有内部程序存储器。

FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）；

XTAL1（19）：

反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；

XTAL2（18）：

来自反向振荡器的输出；

2.3.2LM386介绍

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中.

LM386内部电路及特性

图2-2 

LM386内部电路原理图

LM386内部电路原理图如图2-2所示。

与通用型集成运放相类似，它是一个三级放大电路。

第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；

T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；

T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输出差分电路。

使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。

第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。

第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。

二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。

引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。

电路由单电源供电，故为OTL电路。

输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。

电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

图2-3 

LM386的外形和引脚的排列

LM386的外形和引脚的排列如图3-3所示。

引脚2为反相输入端，3为同相输入端；

引脚5为输出端；

引脚6和4分别为电源和地；

引脚1和8为电压增益设定端；

使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。

查LM386的电源电压4-12V或5-18V（LM386N-4）；

静态消耗电流为4mA；

电压增益为20-200dB；

在1、8脚开路时，带宽为300KHz；

输入阻抗为50K；

音频功率0.5W。

尽管LM386的应用非常简单，但稍不注意，特别是器件上电、断电瞬间，甚至工作稳定后，一些操作（如插拔音频插头、旋音量调节钮）都会带来的瞬态冲击，在输出喇叭上会产生非常讨厌的噪声。

要注意以下几点:

1、通过接在1脚、8脚间的电容（1脚接电容+极）来改变增益，断开时增益为20dB。

因此用不到大的增益，电容就不要接了，不光省了成本，还会带来好处--噪音减少，何乐而不为？

2、PCB设计时，所有外围元件尽可能靠近LM386；

地线尽可能粗一些；

输入音频信号通路尽可能平行走线，输出亦如此。

这是死理，不用多说了吧。

3、选好调节音量的电位器。

质量太差的不要，否则受害的是耳朵；

阻值不要太大，10K最合适，太大也会影响音质。

4、尽可能采用双音频输入/输出。

好处是：

“＋”、“－”输出端可以很好地抵消共模信号，故能有效抑制共模噪声。

5、第7脚（BYPASS）的旁路电容不可少！

实际应用时，BYPASS端必须外接一个电解电容到地，起滤除噪声的作用。

工作稳定后，该管脚电压值约等于电源电压的一半。

增大这个电容的容值，减缓直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声。

在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致，这个电容可千万别省啊！

6、减少输出耦合电容。

此电容的作用有二：

隔直+耦合。

隔断直流电压，直流电压过大有可能会损坏喇叭线圈；

耦合音频的交流信号。

它与扬声器负载构成了一阶高通滤波器。

减小该电容值，可使噪声能量冲击的幅度变小、宽度变窄；

太低还会使截止频率（fc＝1/（2π*RL*Cout））提高。

分别测试，发现10uF/4.7uF最为合适，这是我的经验值。

7、

电源的处理，也很关键。

如果系统中有多组电源，由于电压不同、负载不同以及并联的去耦电容不同，每组电源的上升、下降时间必有差异。

非常可行的方法：

将上电、掉电时间短的电源放到+12V处，选择上升相对较慢的电源作为LM386的Vs，但不要低于4V，效果确实不错！

图2-4音频放大电路

2.4播放模块的硬件设计

音乐产生的方法

一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。

C调各音符频率与计数值T的对照如表1所示

表1C调各音符频率与计数值T的对照表

音符

频率（HZ）

简谱码（T值）

低1DO

262

63628

#4FA#

740

64860

#1DO#

277

63731

中5SO

784

64898

低2RE

294

63835

#5SO#

831

64934

#2RE#

311

63928

中6LA

880

64968

低3M

330

64021

#6

932

64994

低4FA

349

64103

中7SI

988

65030

370

64185

高1DO

1046

65058

低5SO

392

64260

#1DO#

1109

65085

#5SO#

415

64331

高2RE

1175

65110

低6LA

440

64400

1245

65134

466

64463

高3M

1318

65157

低7SI

494

64524

高4FA

1397

65178

中1DO

523

64580

1480

65198

#1DO#

554

64633

高5SO

1568

65217

中2RE

587

64684

1661

65235

622

64732

高6LA

1760

65252

中3M

659

64777

1865

65268

中4FA

698

64820

高7SI

1967

65283

下面我们要为这个音符建立一个表格，有助于单片机通过查表的方式来获得相应的数据

低音0－19之间，中音在20－39之间，高音在40－59之间

TABLE:

DW0,63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,0,0

DW0,63731,63928,0,64185,64331,64463,0,0,0

DW0,64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,0,0

DW0,64633,64732,0,64860,64934,64994,0,0,0

DW0,65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283,0,0

DW0,65085,65134,0,65198,65235,65268,0,0,0

DW0

表2音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）

曲调值

DELAY

调4/4

125ms

62ms

调3/4

187ms

94ms

调2/4

250ms

对于不同的曲调我们也可以用单片机的另外一个定时/计数器来完成。

音乐发声程序如图

图2-5音乐发声程序流程图

2.54×

每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。

矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。

每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。

键盘处理程序的任务是：

确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；

还要消除按键在闭合或断开时的抖动。

两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。

用AT89S51的并行口P1接4×

4矩阵键盘，以P1.0－P1.3作输入线，以P1.4－P1.7作输出线；

图2-7行列式键盘电路

图2-7键盘识别程序框图

3.软件设计

软件调试采用单片机仿真器KEILC及微机，将编好的程序进行调试，主要是检查语法错误。

KEYBUFEQU30H;

KEYBUF定义为,30H

STH0EQU31H;

STH0定义为,31H

STL0EQU32H;

STL0定义为,32H

TEMPEQU33H;

TEMP定义为,33H

ORG00H;

定义当前位置为00H

LJMPSTART;

长转移到START

ORG0BH;

定义当前位置为0BH

LJMPINT_T0;

长转移到INT_T0

START:

MOVTMOD,#01H;

传送TMOD,立即数01H

SETBET0;

位-置1ET0

SETBEA;

位-置1EA

WAIT:

;

MOVP3,#0FFH;

传送接口3,立即数0FFH

CLRP3.4;

清0接口3第4位

MOVA,P3;

传送寄存器A,接口3

ANLA,#0FH;

逻辑-与寄存器A,立即数0FH

XRLA,#0FH;

逻辑-异或寄存器A,立即数0FH

JZNOKEY1;

寄存器为0转移NOKEY1

LCALLDELY10MS;

长调用DELY10MS

CJNEA,#0EH,NK1;

比较-不等转移寄存器A,立即数0EH,

MOVKEYBUF,#0;

传送KEYBUF,立即数

LJMPDK1;

长转移到DK1

NK1:

CJNEA,#0DH,NK2;

比较-不等转移寄存器A,立即数0DH,

MOVKEYBUF,#1;

传送KEYBUF,立即数1

NK2:

CJNEA,#0BH,NK3;

比较-不等转移寄存器A,立即数0BH,

MOVKEYBUF,#2;

传送KEYBUF,立即数2

NK3:

CJNEA,#07H,NK4;

比较-不等转移寄存器A,立即数07H,

MOVKEYBUF,#3;

传送KEYBUF,立即数3

NK4:

NOP;

空操作

DK1:

MOVA,KEYBUF;

传送A,KEYBUF

MOVDPTR,#TABLE;

传送DPTR,立即数TABLE

MOVCA,@A+DPTR;

程序存储器-读寄存器A,A+DPTR指向的单元的内容

MOVP0,A;

传送接口0,寄存器A

MOVA,KEYBUF;

传送寄存器A,KEYBUF

MOVB,#2;

传送B,立即数2

MULAB;

两数相乘AB

MOVTEMP,A;

传送TEMP,寄存器A

MOVDPTR,#TABLE1;

传送DPTR,立即数TABLE1

MOVSTH0,A;

传送STH0,寄存器A

MOVTH0,A;

传送TH0,寄存器A

INCTEMP;

加1TEMP

MOVA,TEMP;

传送寄存器A,TEMP

MOVSTL0,A;

传送STL0,寄存器A

MOVTL0,A;

传送TL0,寄存器A

SETBTR0;

位-置1TR0

DK1A:

JNZDK1A;

寄存器不为0转移DK1A

CLRTR0;

清0TR0

NOKEY1:

CLRP3.5;

清0接口3第5位

JZNOKEY2;

寄存器为0转移NOKEY2

CJNEA,#0EH,Nk5;

MOVKEYBUF,#4;

传送KEYBUF,立即数4

LJMPDK2;

长转移到DK2

NK5:

CJNEA,#0DH,NK6;

MOVKEYBUF,#5;

传送KEYBUF,立即数5

NK6:

CJNEA,#0BH,NK7;

MOVKEYBUF,#6;

传送KEYBUF,立即数6

NK7:

CJNEA,#07H,NK8;

MOVKEYBUF,#7;

传送KEYBUF,立即数7

NK8:

DK2:

DK2A:

JNZDK2A;

寄存器不为0转移DK2A

NOKEY2:

CLRP3.6;

清0接口3第6位

JZNOKEY3;

寄存器为0转移NOKEY3

ANL