基于STC89C52单片机的简易电子琴课程设计.docx

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基于STC89C52单片机的简易电子琴课程设计

基于单片机的电子琴

摘要：

随着社会的发展进步，音乐逐渐成为我们生活中很重要的一部分，有人曾说喜欢音乐的人不会向恶。

我们都会抽空欣赏世界名曲，作为对精神的洗礼。

本论文设计一个基于单片机的简易电子琴。

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。

本系统是以51系列单片机STC89C52为主控制器，附有矩阵键盘、LED显示管、扬声器组成。

系统完成显示输入信息、播放相应音符等基本功能。

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：

STC89C52，矩阵键盘，LED显示管，扬声器。

1引言

1.1目的和意义

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STC89C52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。

本系统是简易电子琴的设计，按下键盘矩阵中的按键会使数码管显示当前按键，扬声器播放器对应的音符。

通过设计本系统可了解单片机的基本功能。

对单片机的了解有一个小的飞跃。

1.2本系统主要研究内容

本系统设计制作一个可演奏的电子琴。

综合应用了两项设计。

（1）键盘矩阵识别。

即矩阵扫描，显示当前按键。

（2）不同频率音符播放。

可以通过按键控制15种发音。

（3）设有一个按键，按下后可以播放预设的歌曲。

2.总体方案论证与设计

本系统以STC89C52单片机为控制核心，对系统进行初始化，主要完成对键盘的响应、数码管显示等功能的控制，起到总控和协调各模块之间工作的作用。

单片机通过检测键盘输出对应频率的方波，后级通过LM386对功率进行扩大从而驱动扬声器发响。

图2-1系统结构框图

本系统结构如图2-1所示，本设计可分为以下模块：

单片机主控模块、键盘模块、功率放大模块、闹铃模块、按键设置模块。

下面对各个模块的设计方案逐一进行论证分析。

2.1主控模块

STC89C52单片机最初是由Intel公司开发设计的，但后来Intel公司把51核的设计方案卖给了几家大的电子设计生产商，譬如SST、Philip、Atmel等大公司。

如是市面上出现了各式各样的但均以51为内核的单片机，倒是Intel公司自己的单片机却显得逊色了。

这些各大电子生产商推出的单片机都兼容51指令、并在51的基础上扩展一些功能而内部结构是与51一致的。

STC89C52有40个引脚，4个8位并行I/O口，1个全双工异步串行口，同时内含5个中断源，2个优先级，2个16位定时/计数器。

STC89C52的存储器系统由4K的程序存储器（掩膜ROM），和128B的数据存储器（RAM）组成。

STC89C52单片机的基本组成框图见图2-2。

图2-2STC89C52单片机结

2.1.1STC89C52单片机主要特性

1.一个8位的微处理器（CPU）。

2.片内数据存储器RAM（128B），用以存放可以读／写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据等，SST89系列单片机最多提供1K的RAM。

3.片内程序存储器ROM（4KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。

但也有一些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031，8032，80C31等。

目前单片机的发展趋势是将RAM和ROM都集成在单片机里面，这样既方便了用户进行设计又提高了系统的抗干扰性。

SST公司推出的89系列单片机分别集成了16K、32K、64KFlash存储器，可供用户根据需要选用。

4.四个8位并行I／O接口P0~P3，每个口既可以用作输入，也可以用作输出。

5.两个定时器／计数器，每个定时器／计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制。

为方便设计串行通信，目前的52系列单片机都会提供3个16位定时器/计数器。

6.五个中断源的中断控制系统。

现在新推出的单片机都不只5个中断源，例如SST89E58RD就有9个中断源。

7.一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I／O口，用于实现单片机之间或单机与微机之间的串行通信。

8.片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接。

最高允许振荡频率为12MHz。

SST89V58RD最高允许振荡频率达40MHz，因而大大的提高了指令的执行速度。

2.1.2STC89C52单片机管脚图

图2-389S52单片机管脚图

部分引脚说明：

1.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2：

XTAL2（18脚）：

接外部晶体和微调电容的一端；在8051片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。

若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外部时钟脉冲。

要检查8051/8031的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。

XTAL1（19脚）：

接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。

在采用外部时钟时，该引脚必须接地。

2.控制信号引脚RST,ALE,PSEN和EA：

RST/VPD（9脚）：

RST是复位信号输入端，高电平有效。

当此输入端保持备用电源的输入端。

当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，将＋5V电源自动两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。

RST引脚的第二功能是VPD,即接入RST端，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，从而合复位后能继续正常运行。

ALE/PROG（30脚）：

地址锁存允许信号端。

当8051上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fOSC的1/6。

CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。

平时不访问片外存储器时，ALE端也以振荡频率的1/6固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。

如果想确定8051/8031芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出。

如有脉冲信号输出，则8051/8031基本上是好的。

ALE端的负载驱动能力为8个LS型TTL（低功耗甚高速TTL）负载。

此引脚的第二功能PROG在对片内带有4KBEPROM的8751编程写入（固化程序）时，作为编程脉冲输入端。

PSEN（29脚）：

程序存储允许输出信号端。

在访问片外程序存储器时，此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。

此引肢接EPROM的OE端（见后面几章任何一个小系统硬件图）。

PSEN端有效，即允许读出EPROM／ROM中的指令码。

PSEN端同样可驱动8个LS型TTL负载。

要检查一个8051/8031小系统上电后CPU能否正常到EPROM／ROM中读取指令码，也可用示波器看PSEN端有无脉冲输出。

如有则说明基本上工作正常。

EA/Vpp（31脚）：

外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。

当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但当PC（程序计数器）的值超过0FFFH（对8751/8051为4K）时，将自动转去执行片外程序存储器内的程序。

当输入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM/ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。

对于无片内ROM的8031或8032,需外扩EPROM，此时必须将EA引脚接地。

此引脚的第二功能是Vpp是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般12V～21V）的输入端。

3.输入/输出端口P0/P1/P2/P3：

P0口（P0.0～P0.7，39~32脚）：

P0口是一个漏极开路的8位准双向I/O口。

作为漏极开路的输出端口，每位能驱动8个LS型TTL负载。

当P0口作为输入口使用时，应先向口锁存器（地址80H）写入全1,此时P0口的全部引脚浮空，可作为高阻抗输入。

作输入口使用时要先写1,这就是准双向口的含义。

在CPU访问片外存储器时，P0口分时提供低8位地址和8位数据的复用总线。

在此期间，P0口内部上拉电阻有效。

P1口（P1.0～P1.7，1~8脚）：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。

P1口每位能驱动4个LS型TTL负载。

在P1口作为输入口使用时，应先向P1口锁存地址（90H）写入全1,此时P1口引脚由内部上拉电阻拉成高电平。

P2口（P2.0～P2.7，21~28脚）：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。

P口每位能驱动4个LS型TTL负载。

在访问片外EPROM/RAM时，它输出高8位地址。

P3口（P3.0～P3.7，10~17脚）：

P3口是一个带内部上拉电阻的8位准双向I/O口。

P3口每位能驱动4个LS型TTL负载。

P3口与其它I/O端口有很大的区别，它的每个引脚都有第二功能，如下：

P3.0：

（RXD）串行数据接收。

P3.1：

（RXD）串行数据发送。

P3.2：

（INT0#）外部中断0输入。

P3.3：

（INT1#）外部中断1输入。

P3.4：

（T0）定时/计数器0的外部计数输入。

P3.5：

（T1）定时/计数器1的外部计数输入。

P3.6：

（WR#）外部数据存储器写选通。

P3.7：

（RD#）外部数据存储器读选通。

2.1.3STC89C52单片机的中断系统

STC89C52系列单片机的中断系统有5个中断源，2个优先级，可以实现二级中断服务嵌套。

由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求；由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级；同一优先级内各中断同时提出中断请求时，由内部的查询逻辑确定其响应次序。

2.1.4STC89C52单片机的定时/计数器

在单片机应用系统中，常常会有定时控制需求，如定时输出、定时检测、定时扫描等；也经常要对外部事件进行计数。

89C52单片机内集成有两个可编程的定时/计数器：

T0和T1，它们既可以工作于定时模式，也可以工作于外部事件计数模式，此外，T1还可以作为串行口的波特率发生器。

2.2数码管模块设计

2.2.1数码管原理介绍

数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；

　　按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。

共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管，共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。

共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管，共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。

数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

静态驱动也称直流驱动。

静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：

），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。

通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。

在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

图2-4数码管内部结构图

2.2.1数码管电路设计

如下图所示为一位共阳数码管的硬件电路连接图，由于数码管内部实际为8个LED灯，如果把LED的阴级直接单片机的IO的口，会使LED通过的电流过大从而把数码管烧毁，因此在设计的时候在LED的阴级和单片机的IO之间加上了限流电阻从而起到限流作用。

根据经验，这里选取了1K电阻。

程序编写的时候我们预先根据要显示的字符，编写了个对应要显示的数组，这样可以使程序更加简化。

图2-5共阳数码管硬件电路连接图

2.3键盘模块设计

2.3.1矩阵键盘原理介绍

矩阵式键盘模式以N个端口连接控制N*N个按键，实时在LED数码管上显示按键信息。

显示按键信息，省下了很多的I/O端口为他用，相反，独立式按键虽编程简单，但占用I/O口资源较多，不适合在按键较多的场合应用。

并且在实际应用中经常要用到输入数字、字母、符号等操作功能，如电子密码锁、电话机键盘、计算器按键等，至少都需要12到16个按键。

矩阵式键盘简介：

矩阵式键盘又称行列键盘，它是用N条I/O线作为行线，N条I/O线作为列线组成的键盘。

在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。

这样键盘上按键的个数就为N*N个。

这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

最常见的键盘布局如图1所示。

一般由16个按键组成，在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能，这也是在单片机系统中最常用的形式，本设计就采用这个键盘模式。

图2-6键盘布局

矩阵式键盘提高效率进行按键操作管理有效方法，它可以提高系统准确性，有利于资源的节约，降低对操作者本身素质的要求。

2.3.2矩阵键盘电路设计

图2-7矩阵键盘电路图

硬件电路设计图如上图所示。

把单片机的P2.0－P2.7端口通过8联拨动拨码开关连接到“4*4行列式键盘”，其中P2.0-P2.3作为列线，P2.4-P2.7作为行线，系统首先通过CPU对全部键盘进行扫描，即把第一根行线置为“0”状态，其余行线置于“1”状态，读入输入缓冲器的状态，若其状态全为“1”表明该行无键按下，再将第二根行线置为“0”状态，同样读入输入缓冲器的状态，如其状态也全为“1”，则置第一根行线置为“0”状态，以此类推[5]。

如读入输入缓冲器的状态不全为“1”，确定哪一根列线为“0”状态，当某个键的行线和列线都为“0”状态时，表明该键按下。

2.4功率放大模块设计

功率放大模块我们选用了LM386作为功率放大模块的主要芯片，LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。

为使外围元件最少，电压增益内置为20。

但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。

输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。

2.4.1LM386内部原理

图2-8LM386内部结构图

LM386内部电路原理图如图所示。

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2-9LM386管脚图

LM386的外形和引脚的排列如上图所示。

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datasheet，电源电压4-12V或5-18V（LM386N-4）；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。

2.4.2LM386使用注意事项

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。

（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20。

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）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，转那么多圈圈，不烦那！

　　（4）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）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）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）源的处理，也很关键。

如果系统中有多组电源，太好了！

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，效果确实非常不错！

3.系统软件设计

3.1系统软件总体设计

图3-1系统流程图

3.2定时器产生音乐信号原理

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正确即可。

利用AT89C51的内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶，例如，频率为523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令计数器计时956μs/1μs＝956，每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。

   计数脉冲值与频率的关系式（如式2-1所示）是：

                        N＝fi÷2÷fr                        2-1

式中，N是计数值；fi是机器频率（晶体振荡器为12MHz时，其频率为1MHz）；fr是想要产生的频率。

其计数初值T的求法如下：

                       T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr

   例如：

设K＝65536，fi＝1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。

   T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr

   低音DO的T＝65536－500000/262＝63627

   中音DO的T＝65536－500000/523＝64580

   高音DO的T＝65536－500000/1046＝65059

4.系统调试

4.1硬件调试

电子琴的电路系统较大，对于焊接方面更是不可轻视，庞大的电路系统中只要出于一处的错误，则会对检测造成很大的不便，而且电路的交线较多，对于各种锋利的引脚要注意处理，否则会刺破带有包皮的导线，则会对电路造成短路现象。

在本电子琴的设计调试中遇到了很多的问题。

回想这些问题只要认真多思考都是可以避免的，以下为主要的问题：

（1）数码管选用的时候没有注意采用的是共阴还是共阳，导致调试的时候数码管一直不能显示。

解决：

把共阴数码管换成数码管。

（2）最开始的时候以为单片机IO口直接可以驱动喇叭发声，后来调试的时候久久不能出声音。

解决：

经过查找相关资料，知道扬声器需要功率放大器来驱动，后来把功率放大器加上系统便可以正常工作。

4.2软件调试

电子琴是多功能的数字型，可以根据用户按下的按键发出对应频率的声音。

电子琴功能很多，所以对于它的程序也较为复杂,所以在编写程序和调试时出现了相对较多的问题。

最后经过多次的模块子程序的修改，一步一步的完成，最终解决了软件。

在软件的调试过程中主要遇到的问题如下：

1．烧入程序后，LED数码管显示闪动,而且亮度不均匀。

解决：

首先对调用的延时进行逐渐修改，可以解决显示闪动问题。

其次，由于本作品使作动态扫描方式显示的数字，动态扫描很快，人的肉眼是无法看出,但是调用的显示程序时，如果不在反回时屏蔽掉最后的附值，则会出现很亮的现象，所以在显示的后面加了屏蔽子令，最后解决了此问题。

2．当用户按下按键的时候，定时器设置的频率跟设计的不对