引言
隨著計算機在社會各領域的滲透，單片機的應用正在不斷地走向深入，同時帶動著工業(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)設計質(zhì)量和效率。
本文中所設計的具有存儲功能的單片機電子琴是由STC89C51單片機、小鍵盤、LCD以及音頻功放電路和揚聲器組成的。利用該電子琴電路，用戶可以自由地輸入音符，利用單片機產(chǎn)生不同頻率來獲得我們要求的音階，使揚聲器發(fā)出悅耳的音樂，最終可隨意彈奏想要表達的音樂。同時詳細論述了該系統(tǒng)的設計過程及關鍵技術。
1 系統(tǒng)硬件組成
電子琴的控制電路分為單片機STC89C51、工作指示LED、LCD顯示器、按鍵輸入、喇叭接口等幾部分。其硬件電路結構框圖如圖1所示。
1．1 單片機STC89C51簡介
STC單片機是一款增強型5l單片機，完全兼容MCS-51。STC89C51可以代替AT89C51，而且功能更強，速度更快，壽命更長，價格更低。該單片機具有40個引腳，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單片機芯片全面兼容其它51單片機。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，還增加了兩級中斷優(yōu)先級等等，STC89系列單片機的基本特性如圖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，表示程序開始執(zhí)行。當按下鍵盤組中的相對按鍵時，壓電喇叭會發(fā)出相對音階單音，全系統(tǒng)共有2個8度音階，DO～SI，HI DO～HI SI，14個音階，所輸入的單音會存入89C5l內(nèi)，至多可以輸入64個單音，并可以一起演奏出來，同時還有清除存儲功能，可將原數(shù)據(jù)清除后再重新輸入。
1．2 LCD硬件接口
本設計所用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)進行讀寫，則DO～D7皆有效，若以4位方式進行讀寫，則只用到D7～D4。RS為寄存器選擇控制線，當RS為O且做寫入操作時，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，則做讀操作。VO為亮度調(diào)整電壓輸入控制引腳，輸入0V時，字符顯示最亮。
LCD可以實時顯示目前演奏的單音碼，可以實時顯示所存儲的單音計數(shù)。按鍵9是清除鍵，可將存儲的單音計數(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。本設計使用一般的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，喇叭就會發(fā)出相對音階。將這些音階存儲起來然后放音，就可成為自動演奏電子琴。
1．3 鍵盤掃描
鍵盤上的每一個鍵都有兩個唯一的數(shù)值進行標志。為什么要用兩個數(shù)值而不是一個數(shù)值呢？這是因為一個鍵可以被按下，也可以被釋放。當一個鍵按下時，它們產(chǎn)生一個唯一的數(shù)值，當一個鍵被釋放時，它也會產(chǎn)生一個唯一的數(shù)值，我們把這些數(shù)值都保存在一張表里面，到時候通過查表就可以知道是哪一個鍵被敲擊，并且可以知道是它是被按下還是被釋放了。
整個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個按鍵的鍵盤掃描，并由P2．0～P2．3送出掃描信號，而由P2．4～P2．7讀取按鍵數(shù)據(jù)返回碼。表l所列是4x4按鍵與音階的對應表。
2 電子琴硬件類參數(shù)
鍵盤（琴鍵）：電子琴的鍵盤分為標準力度鍵盤、半配重鍵盤、全配重鍵盤、逐級配重式鍵盤（也叫漸層式錘感鍵盤）。
標準力度鍵盤：拉簧結構鍵盤，這是從低端琴到中高端琴都有使用的，其優(yōu)點是回鍵速度快（也就是按下琴鍵后，彈回來的速度），缺點是對于力度過渡和定位不精確。
半配重鍵盤：一樣是采用拉簧結構的鍵盤，只是比普通的拉簧鍵盤下多了配重鉛 塊，這種構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。相對于標準力度鍵盤的優(yōu)點是力度定位更加精確。
全配重鍵盤：這種鍵盤的構造是模仿鋼琴的，模擬擊弦機結構，每個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)點是比較適合初期替代鋼琴來學習演奏，對于各種演奏力度均有良好表現(xiàn)，缺點是不適合彈一些要求演奏速度快的曲子（回彈慢）。
逐級配重鍵盤：和全配重鍵盤一樣，也是模擬擊弦機結構的，所不同之處就在于逐級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)軟件設計
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)中的定時器O工作于模式0，計時時長可根據(jù)所發(fā)音的頻率而定，表2所列是各個音符所對應的頻率值。而由頻率值推得的定時器計數(shù)初值。則可由以下關系式求得：
式中，f為頻率值；t為方波的寬度，以μs表示；co為定時器所計數(shù)的次數(shù)，lo為計數(shù)初值的低字節(jié)，hi為計數(shù)初值的高字節(jié)。圖5所示為主程序的工作流程。
4 結束語
通過改變按鍵式電子琴的控制程序，也可以設計不同類型的電子琴。還可以通過擴展RAM的方法增加內(nèi)存容量，從而更大地發(fā)揮電子琴的存儲功能。
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