单片机控制电子琴论坛制作过程1.docx

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单片机控制电子琴论坛制作过程1

摘 要

   电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。

它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。

本文的主要内容是用AT89S51单片机为核心控制元件，设计一个电子琴。

以单片机作为主控核心，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有16个按键和扬声器。

本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。

关键词：

单片机键盘扬声器电子琴

Abstract

   Electronicorganisamodernelectronicmusictechnologyandtheproductisanewtypeofkeyboardinstruments.Itplayedanimportantroleinmodernmusic.SCMhaspowerfulcontrolfunctionsandflexibleprogrammingcharacteristics.Ithasconvergedwithmodernpeople'slives,becomeanirreplaceablepart.ThemaincontentisAT89S51controlofthecorecomponents,designofaelectronicorgan.SCMasahosttothecore,withthekeyboard,speakerandothercoremodules.Inthemaincontrolmodulehas16keysandaspeaker.Thesystemissteady,itssimplehardwarecircuits,softwarefunctions,reliabilityofcontrolsystemandhighcostperformanceisitsadvantages.Italsohascertainpracticalandreferencevalue.

Keywords:

SCM keyboard speaker electronicorgan

目 录

4.1.3键盘识别程序框图.13

4.2触摸式模块的实现原理.15

4.3.1单片机产生音乐原理.17

4.3.2音乐产生原理程序图.18

5.PCB电路板图.20

1引言

   单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。

它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。

因此，单片机的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。

   电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。

它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。

本文的主要内容是用AT89S51单片机为核心控制元件，设计一个电子琴。

以单片机作为主控核心，与键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块，在主控模块上设有16个按键和扬声器。

本文主要对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机电子琴统硬件组成。

利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。

并且本文分别从原理图，主要芯片，各模块原理及各模块的程序的调试来详细阐述。

   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。

2原理图

图2-1 电子琴电路图

图2-2触摸式电器开关电路

 2.1系统板硬件连线 

   系统板硬件连线如图2-1所示，发生模块，键盘模块，及触摸模块连接如下

   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；

   3.把图2-2继电器的开关两端串联在单片机的工作电源上。

3主要芯片简介

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。

   AT89S51具有如下特点：

40个引脚（引脚图如图3-1所示），4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

   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3-1管脚图

3.1.1主要功能特性

·兼容MCS-51指令系统                 ·32个双向I/O口

·2个16位可编程定时/计数器          ·全双工UART串行中断口线

·2个外部中断源                      ·中断唤醒省电模式

·看门狗（WDT）电路                   ·灵活的ISP字节和分页编程

·4k可反复擦写ISPFlashROM          ·4.5-5.5V工作电压

·时钟频率0-33MHz                    ·128x8bit内部RAM

·低功耗空闲和省电模式                ·3级加密位

·软件设置空闲和省电功能              ·双数据寄存器指针

3.1.2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；

3.2LM386

   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。

3.2.1LM386内部电路及特性

 图3-2 LM386内部电路原理图

   LM386内部电路原理图如图3-2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。

3.2.2LM386的引脚图

 图3-3 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！

4模块原理

4.14X4行列式键盘识别

   组成键盘的按键有机械式、电容式、导电橡胶式、薄膜式多种，但不管什么形式，其作用都是一个使电路接通与断开的开关。

目前微机系统中使用的键盘按其功能不同，通常可分为编码键盘和非编码键盘两种基本类型。

   编码键盘：

键盘本身带有实现接口主要功能所需的硬件电路。

不仅能自动检测被按下的键，并完成去抖动、防串键等功能，而且能提供与被按键功能对应的键码（如ASCII码）送往CPU。

所以，编码键盘接口简单、使用方便。

但由于硬件电路较复杂，因而价格较贵。

   非编码键盘：

键盘只简单地提供按键开关的行列矩阵。

有关按键的识别、键码的确定与输入、去抖动等功能均由软件完成。

目前微机系统中，一般为了降低成本大多数采用非编码键盘。

   键盘接口必须具有去抖动、防串键、按键识别和键码产生4个基本功能。

（1）去抖动:

每个按键在按下或松开时，都会产生短时间的抖动。

抖动的持续时间与键的质量相关，一般为5—20mm。

所谓抖动是指在识别被按键是必须避开抖动状态，只有处在稳定接通或稳定断开状态才能保证识别正确无误。

去抖问题可通过软件延时或硬件电路解决。

（2）防串键：

防串键是为了解决多个键同时按下或者前一按键没有释放又有新的按键按下时产生的问题。

常用的方法有双键锁定和N键轮回两种方法。

双键锁定，是当有两个或两个以上的按键按下时，只把最后释放的键当作有效键并产生相应的键码。

N键轮回，是当检测到有多个键被按下时，能根据发现它们的顺序依次产生相应键的键码。

  （3）被按键识别：

如何识别被按键是接口解决的主要问题，一般可通过软硬结合的方法完成。

常用的方法有行扫描法和线反转法两种。

行扫描法的基本思想是，由程序对键盘逐行扫描，通过检测到的列输出状态来确定闭合键，为此，需要设置入口、输出口一个，该方法在微机系统中被广泛使用。

线反转法的基本思想是通过行列颠倒两次扫描来识别闭合键，为此需要提供两个可编程的双向输入/输出端口。

  （4）键码产生：

为了从键的行列坐标编码得到反映键功能的键码，一般在内存区中建立一个键盘编码表，通过查表获得被按键的键码。

   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4-1键盘识别模块

4.1.1系统板上硬件连线设计

     键盘模块硬件连线如图4-1所示：

（1．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；

4.1.2程序设计要求

   （1．4×4矩阵键盘识别处理。

   （2．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。

4.1.3键盘识别程序框图

    键盘识别程序框图如图4-2所示:

图4-2键盘识别程序框图

4.2触摸式模块的实现原理及分析

图4-3触摸式开关电路

从图4-3中,开始通电时，由于继电器不吸合，电器电源回路未接通而不工作。

当用手指接触金属片A时，人体感应信号加至BG3基极，令其导通．R1获得压降，使BG2正偏导通，继而BG1导通，LED点亮，同时继电器J得电流动作．其常开触点吸合，接通电器电源回路，电器开始工作。

此时，手指离开金属触片A，继电器常开触点Jk仍可靠地吸合。

当需要关闭用电器时．用户只要触摸金属片B，使BG4导通，此时相当于BG1基极对地短路．因此BG1、BG2同时截止，继电器失去电流触点Jk释放，从而切断电器供电电源。

所需元件按照电路图中的标注选择，继电器可根据用电器的功率选择触点电流合适的即可。

4.3.1单片机产生音乐原理

乐音实际上是有固定周期的信号。

我们可以用AT89s51的一个定时器（如T1）控制，在P3．4脚上输出方波周期信号，产生乐音。

根据不同的按键，调节T1的溢出时间，可输出不同频率的乐音，每个乐音的音高（频率）是固定的，表1列出了一个8度以及其上下共16个音的音名、频率及定时器T1初值对照（设晶体频率为6MHz），供参考4-4

图4-4音名,频率,及T1初值对照表

4.3.2音乐产生程序原理图

图4-5音乐产生原理程序图

5PCB电路板图

6汇编程序

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

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

MOVA,P3;传送寄存器A,接口3

ANLA,#0FH;逻辑-与寄存器A,立即数0FH

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

LJMPDK1;长转移到DK1

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

LJMPDK1;长转移到DK1

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

LJMPDK1;长转移到DK1

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

MOVCA,@A+DPTR;程序存储器-读寄存器A,A+DPTR指向的单元的内容

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

MOVCA,@A+DPTR;程序存储器-读寄存器A,A+DPTR指向的单元的内容

MOVSTL0,A;传送STL0,寄存器A

MOVTL0,A;传送TL0,寄存器A

SETBTR0;位-置1TR0

DK1A:

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

JNZDK1A;寄存器不为0转移DK1A

CLRTR0;清0TR0

NOKEY1:

;

MOVP3,#0FFH;传送接口3,立即数0FFH

CLRP3.5;清0接口3第5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

JZNOKEY2;寄存器为0转移NOKEY2

LCALLDELY10MS;长调用DELY10MS

MOVA,P3;传送寄存器A,接口3

ANLA,#0FH;逻辑-与寄存器A,立即数0FH

JZNOKEY2;寄存器为0转移NOKEY2

MOVA,P3;传送寄存器A,接口3

ANLA,#0FH;逻辑-与寄存器A,立即数0FH

CJNEA,#0EH,Nk5;比较-不等转移寄存器A,立即数0EH,

MOVKEYBUF,#4;传送KEYBUF,立即数4

LJMPDK2;长转移到DK2

NK5:

CJNEA,#0DH,NK6;比较-不等转移寄存器A,立即数0DH,

MOVKEYBUF,#5;传送KEYBUF,立即数5

LJMPDK2;长转移到DK2

NK6:

CJNEA,#0BH,NK7;比较-不等转移寄存器A,立即数0BH,

MOVKEYBUF,#6;传送KEYBUF,立即数6

LJMPDK2;长转移到DK2

NK7:

CJNEA,#07H,NK8;比较-不等转移寄存器A,立即数07H,

MOVKEYBUF,#7;传送KEYBUF,立即数7