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基于AT89S51单片机的电子琴设计

作者：周琛晖

来源：《电脑知识与技术》2009年第27期

摘要:单片机的应用已经越来越贴近生活,用单片机来实现一些电子设计也变得容易起来。该文阐述的主要内容是一种基于51单片机的电子琴的设计,其核心芯片是AT89S51单片机,内部电路包括键盘模块、发声模块和显示模块,本系统运行稳定,功能较为完善,控制系统可靠,性价比较高等,具有一定的实用价值。

关键词:AT89S51单片机;电子琴;LM386;LED

中图分类号:TP338文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)27-7679-03

Based on AT89S51 Monolithic Integrated Circuit's Electric Piano Design ZHOU Chen-hui

(Chinese Mining Industry University Computer College, Xuzhou 221008, China)

Abstract:Application of SCM has become increasingly close to life with single-chip to achieve a number of electronic design have also become easy. The primary coverage is one kind based on 51 monolithic integrated circuit's electric piano's design, whose core chip is at89S51 monolithic

integrated circuit, the internal circuit including the keyboard module, the sound production module and the display module, this systems operation is stable, the function is more perfect, the control system is reliable, performance-to-price ratio higher,and has certain use value. Key words: AT89S51 single-chip;electric piano; LM386; LED

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AT89S51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。[2]

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1 系统设计

本电子琴系统主要包括MCS-51单片机,键盘模块,发声模块以及显示模块,电路设计框图如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 MCS-51单片机

本系统的单片机选用AT89S51单片机[1],AT89S51是一个低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。[1,4-5]

AT89S51具有如下特点:40个引脚,4k Bytes Flash片内程序存储器,128 bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。 此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。AT89S51在空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。AT89S51单片机管脚图如图2所示。 2.2 键盘模块

本设计键盘模块采用4*4矩阵键盘,原理图如图3所示。

在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,如图1所示。在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一个按键加以连接。这样,一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见,在在键盘中按键数量较多时,为了减少I/O口的占用,通常将按键排列成矩阵形式,如图1所示。在矩阵式键盘中,每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通,而是通过一

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个按键加以连接。这样,一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键,比之直接将端口线用于键盘多出了一倍,而且线数越多,区别越明显,比如再多加一条线就可以构成20键的键盘,而直接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见,在需要的键数比较多时,采用矩阵法来做键盘是合理的。采用矩阵法来连接键盘是非常合理的矩阵式结构的键盘显然比独立式键盘复杂一些 识别也要复杂一些 在上图中列线通过电阻接电源并将行线所接的单片机 4 个 I/O 口作为输出端而列线所接的 I/O 口则作为输入端 这样 当按键没有被按下时所有的输出端都是高电平,代表无键按下。行线输出是低电平一旦有键按下,则输入线就会被拉低,这样通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。[5-6] 2.3 发声模块

本设计发声模块主要采用LM386,LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点,广泛应用于录音机和收音机之中。

LM386内部电路原理图如图4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。 2.4 显示模块

LED显示模块是利用AT89S51单片机的P0端口的P0.0-P0.7连接到一个共阴数码管的a-h的笔段上,数码管的公共端接地。在数码管上循环显示0-9数字,时间间隔0.2秒。