基于TA89C2051的電子琴方案設(shè)計(jì)

聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來(lái)控制單片機(jī)某個(gè)口線不斷的輸出“高”“低”電平，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的方波，將該方波接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音，若再利用程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時(shí)間，就能改變輸出波形的頻率，從而改變音調(diào)。
 

　　樂(lè)曲中，每一音符對(duì)應(yīng)著確定的頻率，表1給出C調(diào)時(shí)各音符頻率。如果單片機(jī)某個(gè)口線輸出“高”“低”電平的頻率和某個(gè)音符的頻率一樣，那么將此口線接上喇叭就可以發(fā)出此音符的聲音。

　　本系統(tǒng)就是根據(jù)此原理設(shè)計(jì)，對(duì)于AT89C2051單片機(jī)來(lái)說(shuō)要產(chǎn)生一定頻率的方波大致是先將某口線輸出高電平然后延時(shí)一段時(shí)間再輸出低電平，如此循環(huán)的輸出就會(huì)產(chǎn)生一定頻率的方波，通過(guò)改變延時(shí)的時(shí)間就可以改變輸出方波的頻率，而單片機(jī)延時(shí)主要有兩種方法：

　　第一種方法是使用循環(huán)語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)，讓單片機(jī)循環(huán)的執(zhí)行某條指令然后根據(jù)單片機(jī)每條指令運(yùn)行的時(shí)間以及循環(huán)的次數(shù)來(lái)計(jì)算延時(shí)時(shí)間。如下所示：
 

　　在上面的延時(shí)程序中可以看出：DJNZ指令執(zhí)行時(shí)間為2個(gè)機(jī)器周期，MOV指令執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)機(jī)器周期，對(duì)于單片機(jī)的晶振頻率為12MHz時(shí)機(jī)器周期為1 μ s。因此可以根據(jù)這些指令的執(zhí)行時(shí)間和每條指令的循環(huán)次．?dāng)?shù)計(jì)算出以上的延時(shí)程序延時(shí)時(shí)間大約為50ms。但這種方法的計(jì)算的延時(shí)時(shí)間不是很準(zhǔn)確并且為達(dá)到一定的延時(shí)時(shí)間先必須進(jìn)行很復(fù)雜的運(yùn)算。所以在延時(shí)時(shí)間要求不嚴(yán)格的時(shí)候才采用這種方法。但對(duì)于電子琴電路由于每個(gè)音符的頻率值要求比較嚴(yán)格，變化范圍不能太大，因此產(chǎn)生方波的頻率也要求比較嚴(yán)格，不能采用延時(shí)程序來(lái)產(chǎn)生此方波。

　　第二種方法是使用單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器延時(shí)。AT89C2051單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)器T0和T1，單片機(jī)的定時(shí)／計(jì)數(shù)器實(shí)際上是個(gè)計(jì)數(shù)裝置它既可以對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部晶振驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)也可以對(duì)外部輸入的脈沖計(jì)數(shù)，對(duì)內(nèi)部晶振計(jì)數(shù)時(shí)稱為定時(shí)器，對(duì)外部時(shí)鐘計(jì)數(shù)時(shí)稱為計(jì)數(shù)器。當(dāng)對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部晶振驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到計(jì)數(shù)最大值時(shí)計(jì)數(shù)完畢并通知單片機(jī)的CPU；對(duì)外部輸入的時(shí)鐘信號(hào)計(jì)數(shù)時(shí)，外部時(shí)鐘的每個(gè)時(shí)鐘上升沿定時(shí)／計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就加1，當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到計(jì)數(shù)最大值時(shí)計(jì)數(shù)完畢并通知單片機(jī)的CPU。因此，如果知道單片機(jī)的機(jī)器周期或者外部輸入時(shí)鐘信號(hào)的周期，單片機(jī)就可以根據(jù)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值計(jì)算出定時(shí)的時(shí)間。用此方法定時(shí)十分準(zhǔn)確，想得到多大的延時(shí)時(shí)間就可以給定時(shí)器賦一定的計(jì)數(shù)初值，定時(shí)器從預(yù)先設(shè)置的計(jì)數(shù)初值開(kāi)始不斷增1當(dāng)增加到計(jì)數(shù)最大值時(shí)計(jì)數(shù)完畢，調(diào)整計(jì)數(shù)初值的大小就可以調(diào)整定時(shí)器定時(shí)的時(shí)間，從而達(dá)到準(zhǔn)確的延時(shí)。本系統(tǒng)中就采用第二種方法通過(guò)定時(shí)/計(jì)數(shù)器延時(shí)。

　　本系統(tǒng)的具體電路如右圖所示。圖中P1．1-P1．7分別接7個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)著樂(lè)曲中的1、2、3、4、5、6、7七個(gè)音符。P3．6口通過(guò)功率放大芯片 LM386與喇叭相連。當(dāng)P1．1～P1.7中有一個(gè)按鍵按下時(shí)單片機(jī)便執(zhí)行相應(yīng)的子程序?qū)Χ〞r(shí)器賦一個(gè)計(jì)數(shù)初值同時(shí)使P3．6口輸出高電平。當(dāng)定時(shí)器定時(shí)結(jié)束時(shí)將P3．6口的值取反并重新賦計(jì)數(shù)初值繼續(xù)計(jì)數(shù)，再次計(jì)完時(shí)再將P3．6口的值取反再賦初值計(jì)數(shù)，如此循環(huán)便在P3．6口產(chǎn)生一定頻率的方波， LM386將此方波經(jīng)過(guò)功率放大后通過(guò)喇叭輸出便產(chǎn)生對(duì)應(yīng)音符的聲音。按不同的按鍵單片機(jī)便執(zhí)行不同的子程序給定時(shí)器賦不同的初值得到不同頻率的方波從而輸出不同的聲音，因此按一個(gè)按鍵輸出一種音符。

　　在單片機(jī)的特殊功能寄存器中有6個(gè)寄存器(TH1、TH0、TL1、TL0、TMOD、TCON)是用來(lái)控制單片機(jī)的定時(shí)器的，通過(guò)編程對(duì)這些特殊功能寄存器的讀寫(xiě)就可以控制單片機(jī)的兩個(gè)定時(shí)器T0、T1。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí)這6個(gè)寄存器默認(rèn)值都是00H。

　　(一)定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作方式及控制字

　　特殊功能寄存器中TMOD和TCON是定時(shí)器的方式控制寄存器。圖2為T(mén)MOD寄存器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖3為T(mén)CON寄存器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。TMOD和TCON是寄存器的名稱，我們?cè)趯?xiě)程序時(shí)就可以直接用這個(gè)名稱來(lái)指定它們，當(dāng)然也可以直接用它們的地址89H和88H來(lái)指定它們(其實(shí)用名稱也就是直接用地址，匯編軟件幫你翻譯一下而已)。

　　從圖2中可以看出，TMOD被分成兩部份，每部份4位。分別用于控制T1和T0。

　　從圖3中可以看出，TCON也被分成兩部份，高4位用于定時(shí)／計(jì)數(shù)器，低4位則用于中斷。

　　單片機(jī)定時(shí)／計(jì)數(shù)器有四種工作方式，方式0、方式1、方式2、方式3，除方式3外，T0和T1有完全相同的工作狀態(tài)，下面以T1為例，分述各種方式的特點(diǎn)和用法。圖4為定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1在工作方式0下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

　　從圖4中可以看出計(jì)數(shù)脈沖要進(jìn)入計(jì)數(shù)器TR1(或TR0)要為1，開(kāi)關(guān)才能合上，脈沖才能過(guò)來(lái)。因此，TR1(O)稱之為運(yùn)行控制位，可用指令SErB來(lái)置位以啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，定時(shí)器運(yùn)行，用指令CLR來(lái)關(guān)閉定時(shí)／計(jì)數(shù)器的工作。當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器后，計(jì)數(shù)脈沖加到TL1的低5位，從預(yù)先設(shè)置的計(jì)數(shù)初值開(kāi)始不斷增1。TL1計(jì)滿后，向THl進(jìn)位。當(dāng)TL1和TH1都計(jì)滿后，置位T1的定時(shí)器回零標(biāo)志TF1，從此表明定時(shí)時(shí)間或計(jì)數(shù)次數(shù)已到，單片機(jī)可以根據(jù)標(biāo)志位判斷定時(shí)器的狀態(tài)，從而執(zhí)行相應(yīng)的程序。

　　1．工作方式0

　　定時(shí)器，計(jì)數(shù)器的工作方式O稱之為13位定時(shí)／計(jì)數(shù)方式。它由TL(1／0)的低5位和TH(0/1)的8位構(gòu)成13位的計(jì)數(shù)器，此時(shí)TL(1／0)的高3位未用。

　　對(duì)于定時(shí)器的工作模式可以根據(jù)定時(shí)器的寄存器TMOD來(lái)設(shè)置：

　?、費(fèi)1M0：定時(shí)／計(jì)數(shù)器共有四種工作方式，就是用M1M0來(lái)控制的，2位正好是四種組合。

　　②C／T：定時(shí)／計(jì)數(shù)器即可作定時(shí)用也可用計(jì)數(shù)用，如果C/T為O就是用作定時(shí)器(開(kāi)關(guān)往上打)，如果C／T為1就是用作計(jì)數(shù)器(開(kāi)關(guān)往下打)。一個(gè)定時(shí)／計(jì)數(shù)器同一時(shí)刻要么作定時(shí)用，要么作計(jì)數(shù)用，不能同時(shí)用的。

　　③GATE：當(dāng)我們選擇了定時(shí)或計(jì)數(shù)工作方式后，定時(shí)／計(jì)數(shù)脈沖卻不一定能到達(dá)計(jì)數(shù)器端，中間還有一個(gè)開(kāi)關(guān)，顯然這個(gè)開(kāi)關(guān)不合上，計(jì)數(shù)脈沖就沒(méi)法過(guò)去，那么開(kāi)關(guān)什么時(shí)候過(guò)去呢? 有兩種情況

　　GATE=0，分析一下邏輯，GATE非后是1，進(jìn)入或門(mén)，或門(mén)總是輸出1，和或門(mén)的另一個(gè)輸入端INT1無(wú)關(guān)，在這種情況下，開(kāi)關(guān)的打開(kāi)、合上只取決于TR1，只要TR1是1，開(kāi)關(guān)就合上，計(jì)數(shù)脈沖得以暢通無(wú)阻，而如果TR1等于0則開(kāi)關(guān)打開(kāi)，計(jì)數(shù)脈沖無(wú)法通過(guò)，因此定時(shí)／計(jì)數(shù)是否工作，只取決于TR1。

　　GATE=1，在此種情況下，計(jì)數(shù)脈沖通路上的開(kāi)關(guān)不僅要由TR1來(lái)控制，而且還要受到INT1引腳的控制，只有TRl為1，且INT1引腳也是高電平，開(kāi)關(guān)才合上，計(jì)數(shù)脈沖才得以通過(guò)。這個(gè)特性可以用來(lái)測(cè)量一個(gè)信號(hào)的高電平的寬度。

2．工作方式1

　　工作方式1是16位的定時(shí)／計(jì)數(shù)方式，將M1M0設(shè)為01即可，其它特性與工作方式0相同。

　　3：工作方式2

　　8位自動(dòng)裝入時(shí)間常數(shù)方式。由TL1構(gòu)成8位計(jì)數(shù)器，TH1僅用來(lái)存放時(shí)間常數(shù)?？磮D5所示，每當(dāng)計(jì)數(shù)溢出，就會(huì)打開(kāi)T(0/1)的高、低8位之間的開(kāi)關(guān)，計(jì)預(yù)置數(shù)進(jìn)入低8位。這是由硬件自動(dòng)完成的，不需要由人工干預(yù)。通常這種式作方式用于波特率發(fā)生器，用于這種用途時(shí)，定時(shí)器就是為了提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。計(jì)數(shù)溢出后不需要做事情，要做的僅僅只有一件，就是重新裝入預(yù)置數(shù)，再開(kāi)始計(jì)數(shù)，而且中間不要任何延遲，可見(jiàn)這個(gè)任務(wù)用工作方式2來(lái)完成是最妙不過(guò)了。

　　4．工作方式3

　　2個(gè)8位的計(jì)數(shù)器，只適合于定時(shí)器0。這種式作方式之下，定時(shí)／計(jì)數(shù)器0被拆成2個(gè)獨(dú)立的定時(shí)／計(jì)數(shù)器來(lái)用。其中，TL0可以構(gòu)成8位的定時(shí)器或計(jì)數(shù)器的工作方式，而THO則只能作為定時(shí)器來(lái)用。我們知道作定時(shí)、計(jì)數(shù)器來(lái)用需要控制位TR0，計(jì)滿后溢出需要有溢出標(biāo)記TF0。T0被分成兩個(gè)來(lái)用，那就要兩套控制及溢出標(biāo)記，TLO還是用原來(lái)的T0的標(biāo)記，而TH0則借用T1的標(biāo)記。如此T1就無(wú)標(biāo)記、控制可用因此一般只有在T1以工作方式2運(yùn)行(當(dāng)波特率發(fā)生器用)時(shí)，才讓T0工作于方式3的。

　　(二)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器的定時(shí)／計(jì)數(shù)范圍

　　工作方式O：13位定時(shí)／計(jì)數(shù)方式，因此，最多可以計(jì)到2^13，也就是8192次。對(duì)于12MHz的晶振，單片機(jī)的機(jī)器周期是1us。則工作方式0最大定時(shí)時(shí)間是8.192us。

　　工作方式1：16位定時(shí)／計(jì)數(shù)方式，因此，最多可以計(jì)到2^16，也就是65536次。對(duì)于12MHz晶振,工作方式1最大定時(shí)時(shí)間是65536 μ s。

　　工作方式2和工作方式3，都是8位的定時(shí)／計(jì)數(shù)方式，因此，最多可以計(jì)到2^8，也說(shuō)是256次。對(duì)于12MHz晶振,工作方式1最大定時(shí)時(shí)間是256 μ s。

　　計(jì)數(shù)初值的計(jì)算方法：用最大計(jì)數(shù)量減去需要的計(jì)數(shù)次數(shù)即可。例：如果T0運(yùn)行于定時(shí)狀態(tài)，單片機(jī)的晶振是12MHz，要求定時(shí)lOOus，那么定時(shí)器要計(jì) 100個(gè)機(jī)器周期，當(dāng)TO工作在工作方式O時(shí)計(jì)數(shù)初值應(yīng)該是8192—100=8092；工作在方式1時(shí)的計(jì)數(shù)初值應(yīng)該是65536-100= *36；工作在方式2，3時(shí)的計(jì)數(shù)初值應(yīng)該是256—100=156。

　　系統(tǒng)軟件流程圖如圖所示。
 

　　開(kāi)機(jī)時(shí)。第一步是對(duì)定時(shí)器T0進(jìn)行初始化，設(shè)定它的工作狀態(tài)(對(duì)于本系統(tǒng)將T0設(shè)定為工作方式O)；然后判斷是否有鍵按下，如果沒(méi)有按鍵按下，繼續(xù)判斷，如果有按鍵按下，則判斷是哪個(gè)鍵按下；再根據(jù)按鍵的功能將計(jì)數(shù)初值裝入定時(shí)器T0中中并啟動(dòng)T0，當(dāng)T0定時(shí)完畢后，重新裝入計(jì)數(shù)初值繼續(xù)定時(shí)并將P3． 6取反，再次定時(shí)完畢后再一次的裝入計(jì)數(shù)初值繼續(xù)定時(shí)并將P3．6取反，一直循環(huán)此操作直到按鍵釋放為止，按鍵釋放后停止T0工作并再次判斷是否又有按鍵按下，并繼續(xù)執(zhí)行以前的過(guò)程。
 

　　定時(shí)器T0工作在方式0，13位計(jì)數(shù)方式所以最大的計(jì)數(shù)次數(shù)為2^13=8192次，由于單片機(jī)的晶振是12MHz則機(jī)器周期是1 μ s，即定時(shí)器最大可以定時(shí)8192 μ s。各個(gè)音符周期的一半即高電平或低電平持續(xù)的時(shí)間就是定時(shí)器需要定時(shí)的時(shí)間，所以對(duì)于各個(gè)音符的計(jì)數(shù)初值計(jì)算方法如下：

　　設(shè)音符的頻率為f，則計(jì)數(shù)初值=8192一各個(gè)音符的周期=8192-
 

　　計(jì)數(shù)初值如表2所示：