基于單片機(jī)的電子琴電路設(shè)計(jì)

引言

　    隨著計(jì)算機(jī)在社會(huì)各領(lǐng)域的滲透，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時(shí)帶動(dòng)著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、家電以及玩具的日新月異更新，極大地提高了電子電路及系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

本文中所設(shè)計(jì)的具有存儲(chǔ)功能的單片機(jī)電子琴是由STC89C51單片機(jī)、小鍵盤、LCD以及音頻功放電路和揚(yáng)聲器組成的。利用該電子琴電路，用戶可以自由地輸入音符，利用單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，使揚(yáng)聲器發(fā)出悅耳的音樂，最終可隨意彈奏想要表達(dá)的音樂。同時(shí)詳細(xì)論述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程及關(guān)鍵技術(shù)。

    1 系統(tǒng)硬件組成

    電子琴的控制電路分為單片機(jī)STC89C51、工作指示LED、LCD顯示器、按鍵輸入、喇叭接口等幾部分。其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    1．1 單片機(jī)STC89C51簡介

    STC單片機(jī)是一款增強(qiáng)型5l單片機(jī)，完全兼容MCS-51。STC89C51可以代替AT89C51，而且功能更強(qiáng)，速度更快，壽命更長，價(jià)格更低。該單片機(jī)具有40個(gè)引腳，采用雙列直插DIP-40封裝。STC89C51可以完成ISP在線編程功能，而AT89C51則不能。因此，將AT89C51中的程序直接燒錄到STC89C51中后，STC89C5l就可以代替AT89C51直接工作。STC推出的系列51單片機(jī)芯片全面兼容其它51單片機(jī)。STC89C51內(nèi)部有E2PROM，可以在程序中修改，而且斷電不丟失數(shù)據(jù)。此外，還增加了兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)等等，STC89系列單片機(jī)的基本特性如圖2所示。

    通常電子琴所輸入的音階值都先存入變量數(shù)組中，演奏時(shí)才逐一取出來播放單音。程序中的變量使用的是內(nèi)部存儲(chǔ)器RAM，范圍為空間30H～7FH，因此，其程序內(nèi)存規(guī)劃是：RAM地址30H～70H存放音階值，最大內(nèi)存空間為64字節(jié)；RAM地址71H～7FH存放程序其他變量。程序執(zhí)行后，工作指示LED閃動(dòng)，表示程序開始執(zhí)行。當(dāng)按下鍵盤組中的相對(duì)按鍵時(shí)，壓電喇叭會(huì)發(fā)出相對(duì)音階單音，全系統(tǒng)共有2個(gè)8度音階，DO～SI，HI DO～HI SI，14個(gè)音階，所輸入的單音會(huì)存入89C5l內(nèi)，至多可以輸入64個(gè)單音，并可以一起演奏出來，同時(shí)還有清除存儲(chǔ)功能，可將原數(shù)據(jù)清除后再重新輸入。

    1．2 LCD硬件接口
 

    本設(shè)計(jì)所用LCD的引腳如圖3所示，其中，DO～D7為雙向數(shù)據(jù)總線，LCD數(shù)據(jù)讀寫方式可以分為8位及4位兩種。若以8位數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，則DO～D7皆有效，若以4位方式進(jìn)行讀寫，則只用到D7～D4。RS為寄存器選擇控制線，當(dāng)RS為O且做寫入操作時(shí)，可以寫指令寄存器；若RS為l，則用于讀寫數(shù)據(jù)寄存器。P／W為LCD讀寫控制線，R／W為0，LCD執(zhí)行寫作，R／W為1時(shí)，則做讀操作。VO為亮度調(diào)整電壓輸入控制引腳，輸入0V時(shí)，字符顯示最亮。

    LCD可以實(shí)時(shí)顯示目前演奏的單音碼，可以實(shí)時(shí)顯示所存儲(chǔ)的單音計(jì)數(shù)。按鍵9是清除鍵，可將存儲(chǔ)的單音計(jì)數(shù)清0；按鍵8是放音鍵，可將內(nèi)存中的單音逐一演奏出來，演奏中可以按K4鍵來中斷。本設(shè)計(jì)使用一般的LCD顯示器來顯示音樂演奏的消息及單音碼。按下鍵盤組按鍵，喇叭就會(huì)發(fā)出相對(duì)音階。將這些音階存儲(chǔ)起來然后放音，就可成為自動(dòng)演奏電子琴。

    1．3 鍵盤掃描

　　鍵盤上的每一個(gè)鍵都有兩個(gè)唯一的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)志。為什么要用兩個(gè)數(shù)值而不是一個(gè)數(shù)值呢？這是因?yàn)橐粋€(gè)鍵可以被按下，也可以被釋放。當(dāng)一個(gè)鍵按下時(shí)，它們產(chǎn)生一個(gè)唯一的數(shù)值，當(dāng)一個(gè)鍵被釋放時(shí)，它也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)唯一的數(shù)值，我們把這些數(shù)值都保存在一張表里面，到時(shí)候通過查表就可以知道是哪一個(gè)鍵被敲擊，并且可以知道是它是被按下還是被釋放了。

    整個(gè)4x4鍵盤按鍵的分配及配置原理圖如圖4所示。圖4中為16鍵的控制電路，使用AT89S51端口2的8條I／O線做16個(gè)按鍵的鍵盤掃描，并由P2．0～P2．3送出掃描信號(hào)，而由P2．4～P2．7讀取按鍵數(shù)據(jù)返回碼。表l所列是4x4按鍵與音階的對(duì)應(yīng)表。

2 電子琴硬件類參數(shù)

　　鍵盤（琴鍵）：電子琴的鍵盤分為標(biāo)準(zhǔn)力度鍵盤、半配重鍵盤、全配重鍵盤、逐級(jí)配重式鍵盤（也叫漸層式錘感鍵盤）。

　　標(biāo)準(zhǔn)力度鍵盤：拉簧結(jié)構(gòu)鍵盤，這是從低端琴到中高端琴都有使用的，其優(yōu)點(diǎn)是回鍵速度快（也就是按下琴鍵后，彈回來的速度），缺點(diǎn)是對(duì)于力度過渡和定位不精確。

　　半配重鍵盤：一樣是采用拉簧結(jié)構(gòu)的鍵盤，只是比普通的拉簧鍵盤下多了配重鉛 塊，這種構(gòu)造的鍵盤以前一直是中高端合成器才用的，現(xiàn)在有不少普及琴也有了該配置。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)力度鍵盤的優(yōu)點(diǎn)是力度定位更加精確。

　　全配重鍵盤：這種鍵盤的構(gòu)造是模仿鋼琴的，模擬擊弦機(jī)結(jié)構(gòu)，每個(gè)琴鍵下方都有固定重量的配重鉛塊，所以稱為全配重鍵盤?？勺審椬嗾哂蟹N“在彈鋼琴的感覺”。優(yōu)點(diǎn)是比較適合初期替代鋼琴來學(xué)習(xí)演奏，對(duì)于各種演奏力度均有良好表現(xiàn)，缺點(diǎn)是不適合彈一些要求演奏速度快的曲子（回彈慢）。

　　逐級(jí)配重鍵盤：和全配重鍵盤一樣，也是模擬擊弦機(jī)結(jié)構(gòu)的，所不同之處就在于逐級(jí)配重鍵盤的琴鍵在低音區(qū)比較重，高音區(qū)就比較輕了，這是模仿大三角鋼琴的手感。

    3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

    由于本系統(tǒng)可以產(chǎn)生各種頻率的聲音，所以可由喇叭發(fā)出“DO”、“RE”、“ME”……的音階。系統(tǒng)中的定時(shí)器O工作于模式0，計(jì)時(shí)時(shí)長可根據(jù)所發(fā)音的頻率而定，表2所列是各個(gè)音符所對(duì)應(yīng)的頻率值。而由頻率值推得的定時(shí)器計(jì)數(shù)初值。則可由以下關(guān)系式求得：

式中，f為頻率值；t為方波的寬度，以μs表示；co為定時(shí)器所計(jì)數(shù)的次數(shù)，lo為計(jì)數(shù)初值的低字節(jié)，hi為計(jì)數(shù)初值的高字節(jié)。圖5所示為主程序的工作流程。

    4 結(jié)束語

    通過改變按鍵式電子琴的控制程序，也可以設(shè)計(jì)不同類型的電子琴。還可以通過擴(kuò)展RAM的方法增加內(nèi)存容量，從而更大地發(fā)揮電子琴的存儲(chǔ)功能。