基于51單片機(jī)的簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

單片機(jī)是經(jīng)典的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），縮寫(xiě)為MCU，最早是被利用于工業(yè)控制領(lǐng)域。因?yàn)樵诠�業(yè)控制領(lǐng)域單片機(jī)有著廣泛的應(yīng)用，所以誕生了單片機(jī)開(kāi)發(fā)板這樣的系統(tǒng)使更多的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員、業(yè)內(nèi)人士、學(xué)生來(lái)學(xué)習(xí)單片機(jī)這門(mén)技術(shù)，其中比較出名的單片機(jī)開(kāi)發(fā)板有電子人DZR-01A。單片機(jī)是從芯片內(nèi)部?jī)H有的特殊處理器發(fā)展起來(lái)的，它最開(kāi)始的設(shè)計(jì)思路是將CPU與大量的外圍設(shè)備通過(guò)一個(gè)微處理器集成在一起，從而使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)變得更迷你，組裝到繁雜的且對(duì)體積要求比較小的控制裝備之中更簡(jiǎn)單。Zilog公司的Z80便是最早使用這種設(shè)計(jì)思想做出來(lái)的的cpu，自此以后，單片機(jī)和計(jì)算機(jī)CPU的發(fā)展便成為了兩個(gè)不同的方向。

單片機(jī)相當(dāng)于把一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)濃縮到一個(gè)微小的芯片上，它計(jì)算機(jī)相比只缺少了輸入/輸出設(shè)備，所以可以把它看作一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)。可以概況的講成：一塊相當(dāng)于一臺(tái)計(jì)算機(jī)的芯片。它的質(zhì)量輕、體積小、價(jià)格便宜、為開(kāi)發(fā)、應(yīng)用和學(xué)習(xí)提供了便利條件。所以，如果你想要了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)，那么學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是最簡(jiǎn)單的選擇。

電子琴是大規(guī)模集成電路和音樂(lè)結(jié)合的產(chǎn)物，它因?yàn)槟苣�擬各種樂(lè)器的音色而受到群眾們喜愛(ài)。本設(shè)計(jì)制作了一種除了有普通電子琴?gòu)椬喙δ芡?還擁有一種存儲(chǔ)播放樂(lè)曲功能。本設(shè)計(jì)是以AT89S52單片機(jī)作為一個(gè)簡(jiǎn)單電子琴系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部件，其原理是因?yàn)槊總�(gè)表有固定的振動(dòng)頻率，所以可以利用89S52單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器改變計(jì)數(shù)值來(lái)產(chǎn)生各個(gè)音調(diào)對(duì)應(yīng)的方波頻率來(lái)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放出不同音調(diào)。這僅僅只是單片機(jī)應(yīng)用的一個(gè)點(diǎn)，希望能由點(diǎn)到面，更好的了解和應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)。

8個(gè)譯碼輸出顯示的數(shù)碼管，以顯示目標(biāo)芯片的32 位輸出信號(hào)，且8個(gè)發(fā)光管也能顯示目標(biāo)器件的8位輸出信號(hào)。時(shí)鐘為50MHz ，輸出接揚(yáng)聲器。

具體過(guò)程：主系統(tǒng)可由兩個(gè)模塊組成：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)音符的頻率由模塊1獲得，這是一個(gè)數(shù)控分頻器。由其clk端輸入一具有較高頻率的信號(hào)，分頻后輸出。

音符的持續(xù)時(shí)間須根據(jù)樂(lè)曲的速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)決定，模塊2的功能是為模塊1提供決定所發(fā)音的分頻預(yù)置值，而此數(shù)在模塊1輸入口停留的時(shí)間即為此音符的節(jié)拍值。

采用AT89S52單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器（如T0，T1）控制頻率，在P1.0引腳上輸出方波周期信號(hào)，產(chǎn)生聲音，按下不同的模擬按鍵就會(huì)產(chǎn)生不同的音符，所以使用者可以通過(guò)本電子琴系統(tǒng)暢所欲為的彈奏自己想要彈的樂(lè)曲。

具體過(guò)程：當(dāng)系統(tǒng)掃描到鍵盤(pán)上有鍵子被按下，則快速檢測(cè)出是那一個(gè)鍵子，然后單片機(jī)的定時(shí)器被啟動(dòng)，發(fā)出一定頻率的脈沖，該頻率的脈沖經(jīng)喇叭驅(qū)動(dòng)電路放大濾波后，就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的音調(diào)。。如果在前一個(gè)按下的鍵發(fā)聲的同時(shí)有另一個(gè)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)出后按鍵的音。

對(duì)比兩套方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，方案一采用CPLD，工作速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定，效果好，但是其價(jià)格昂貴；而方案二在設(shè)計(jì)這樣小型電子方面，無(wú)論是效果還是工作速度與方案一相差不大，而且價(jià)格較為便宜。因此，選擇方案二即單片機(jī)加外設(shè)的方式設(shè)計(jì)該系統(tǒng)比較好。

由AT89S52單片機(jī)、獨(dú)立鍵盤(pán)、音頻功率放大模塊、揚(yáng)聲器、數(shù)碼管、存儲(chǔ)播放模塊所組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

AT89S52 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)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(mén)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。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。空閑模式下，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。

圖2 AT89S52

本設(shè)計(jì)共含有10個(gè)按鍵，其中8個(gè)按鍵分別接著P2.0~P2.7引腳，代表著8個(gè)音符。當(dāng)按下這八個(gè)按鍵其中一個(gè)按鍵時(shí)，數(shù)碼管也會(huì)顯示一個(gè)與音調(diào)對(duì)應(yīng)的數(shù)字來(lái)指示用戶所按下的按鍵。而另外兩個(gè)按鍵為功能按鍵，按下可播放已存儲(chǔ)的歌曲，另一個(gè)按下可中斷播放音樂(lè)。這兩個(gè)功能按鍵連接著的引腳分別是P3.2、P3.3。如圖3所示。

圖3按鍵圖

由于本次設(shè)計(jì)需要的單片機(jī)I/O端口不多，所以數(shù)碼管顯示方式采用了靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，數(shù)碼管將直接由單片機(jī)I/O端口驅(qū)動(dòng)， 又因?yàn)長(zhǎng)ED數(shù)碼管是電流控制元件，所以使用時(shí)要上一個(gè)加限流電阻。數(shù)碼管顯示是通過(guò)單片機(jī)查表得出編碼，然后單片機(jī)再驅(qū)動(dòng)端口決定數(shù)碼管顯示的數(shù)字，按鍵與數(shù)碼管顯示程序的一致性就是這么實(shí)現(xiàn)的。連接在P0.1-P0.3，4個(gè)引腳上，并加一個(gè)排阻。如圖4所示。

圖4數(shù)碼管與單片機(jī)的連接圖

揚(yáng)聲器采用兩個(gè)三極管來(lái)放大音頻，串連著一個(gè)可調(diào)節(jié)電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)聲音大小，整個(gè)模塊由單片機(jī)P1.0引腳控制。如圖5所示。

圖5揚(yáng)聲器的連接圖

經(jīng)由電解電容和非極性電容構(gòu)成的濾波網(wǎng)絡(luò)和三端穩(wěn)壓器LM7805的穩(wěn)壓作用后，輸出+5V的直流電壓。

圖6電源電路圖

時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。

AT89C51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器，圖9是AT89S51內(nèi)部時(shí)鐘方式的電路，C1和C2的典型值通常選擇為30pF，石英晶體常選6MHz或12MHz的。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式做時(shí)鐘電路

圖7時(shí)鐘電路圖

本設(shè)計(jì)的基本流程是對(duì)初始化的單片機(jī)進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，判斷其有無(wú)按鍵按下，若有則需要繼續(xù)判斷按鍵的類(lèi)別，判斷它是功能選擇鍵還是獨(dú)立鍵盤(pán)上的音調(diào)鍵，若是獨(dú)立鍵盤(pán)，則通過(guò)P1.0發(fā)生頻率播放音調(diào)，通過(guò)P0顯示數(shù)碼管數(shù)字。若是功能選擇鍵，則播放程序儲(chǔ)存好的音樂(lè)歌曲，然后檢測(cè)是否按下中斷鍵，若是則停止播放，不是則一直播放到結(jié)束。此設(shè)計(jì)使用的語(yǔ)言選擇中，匯編語(yǔ)言是面向特定機(jī)型的需要，在不同的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)上和不同的微控制器上，指令結(jié)構(gòu)有著云泥之別，就算指令大同小異，它也不能夠移植。C語(yǔ)言是一種高級(jí)語(yǔ)言，可以結(jié)構(gòu)化編程，還可以 移植。使用標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言的程序編程，完全可以不作任何修改就能夠移植到不同的系統(tǒng)平臺(tái)上�；�于以上對(duì)比，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)更適合C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行編程。            

Proteus是英國(guó)著名的EDA工具(仿真軟件)，從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件三合一的設(shè)計(jì)平臺(tái)。

利用Proteus仿真軟件將Keil軟件中的C語(yǔ)言程序?qū)�入仿真電路中，燈泡D1亮，按下播放鍵，單片機(jī)存儲(chǔ)的音樂(lè)可自動(dòng)播放，按下停止鍵，音樂(lè)播放停止。復(fù)位鍵按下后，系統(tǒng)復(fù)位，八個(gè)按鍵可隨按鍵者隨意按下彈奏音樂(lè)，同時(shí)數(shù)碼管顯示相對(duì)應(yīng)的節(jié)奏。

     根據(jù)功能需求與電路結(jié)構(gòu)得知，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)，將可有其連接的輸入口讀取到低電平，再次制作的一個(gè)八鍵的電子琴，若按下S1,則發(fā)出中音DO，如按下S2，則發(fā)中Re，以此類(lèi)推，按下的同時(shí)數(shù)碼管顯示相對(duì)應(yīng)的數(shù)字。此外，該電子琴不僅可以自己彈奏也可自動(dòng)播放所存儲(chǔ)的音樂(lè)，數(shù)碼管顯示相對(duì)應(yīng)的音符。

本設(shè)計(jì)利用AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易電子琴，具備電子琴的基本功能，分析了利用單片機(jī)簡(jiǎn)易電子琴設(shè)計(jì)的基本原理，并介紹了AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)的電子琴統(tǒng)硬件系統(tǒng)。改變AT89S52的定時(shí)器里面的特殊功能寄存器TH0及TL0在模式1下的計(jì)數(shù)值，便會(huì)產(chǎn)生不同方波頻率，然后通過(guò)揚(yáng)聲器產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的音調(diào)。最終將編寫(xiě)的源程序轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼導(dǎo)入單片機(jī)芯片,仿真調(diào)試運(yùn)行后,就可以實(shí)現(xiàn)利用按鍵彈奏想要的歌曲。與此同時(shí)仿真調(diào)試軟件用的是protues，源程序編譯軟件用的是keil，所以對(duì)這兩款軟件的掌握熟練度也增加了許多。

     課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，發(fā)現(xiàn)，提出，分析和解決實(shí)際問(wèn)題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過(guò)程，隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新月異，大規(guī)模芯片已經(jīng)成為當(dāng)今計(jì)算機(jī)運(yùn)用中空前活躍的領(lǐng)域，在生活中可以說(shuō)是無(wú)處不在。以此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)生來(lái)說(shuō)掌握開(kāi)發(fā)技術(shù)是十分重要的。

     通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，我不僅可以鞏固以前學(xué)過(guò)的知識(shí)，如數(shù)電知識(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)和C語(yǔ)言，而且學(xué)到了很多在書(shū)本上所沒(méi)有學(xué)到的知識(shí)，如實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和操作技巧。我懂得了理論與實(shí)踐相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，光看書(shū)部進(jìn)行相關(guān)的聯(lián)系是行不通的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考能力。在此次電子琴設(shè)計(jì)中也讓我學(xué)會(huì)了Proteus和Keil這兩個(gè)軟件的基本應(yīng)用，多掌握了兩門(mén)技術(shù)，對(duì)自己以后要做此方面的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。于此同時(shí)也讓我知道了，做任何事情都要學(xué)會(huì)團(tuán)隊(duì)合作要多學(xué)多問(wèn)，知道請(qǐng)教，不能自己一味悶頭去做，應(yīng)該多請(qǐng)教老師和同伴的意見(jiàn)和建議。在設(shè)計(jì)過(guò)程難免會(huì)遇到各種各樣的問(wèn)題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)理解的不夠深刻，掌握的不夠牢固，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)之后，把以前學(xué)過(guò)的知識(shí)重新溫故，全部整合，進(jìn)一步深刻理解。我們要學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的能力，能夠舉一反三，觸類(lèi)旁通，這樣對(duì)自己以后的發(fā)展有很大的幫助，因此我們需要在學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中找出答案！

仿真圖如下：

電路圖如下：

PCB圖如下：

實(shí)物圖如下：

代碼如下：

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