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[導讀]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

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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