一种基于STC89C5l单片机的电子琴的电路设计方法

    引言

　　声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线不断的输出“高”“低”电平，则在该口线上就能产生一定频率的方波，将该方波接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出波形的频率，从而改变音调。乐曲中，每一音符对应着确定的频率。如果单片机某个口线输出“高”“低”电平的频率和某个音符的频率一样，那么将此口线接上喇叭就可以发出此音符的声音。

    随着计算机在社会各领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动着工业、农业、商业、家电以及玩具的日新月异更新，极大地提高了电子电路及系统设计质量和效率。本设计是以主控芯片STC89C5l为中心器件，辅以小键盘、LCD显示和功放电路及扬声器等来设计电子琴系统。同时详细论述了该系统的设计过程及关键技术。

    1 系统硬件组成

    电子琴的控制电路分为单片机STC89C51、工作指示LED、LCD显示器、按键输入、喇叭接口等几部分。其硬件电路结构框图如图1所示。

    1．1 单片机STC89C51简介

    STC单片机是一款增强型5l单片机，完全兼容MCS-51。STC89C51可以代替AT89C51，而且功能更强，速度更快，寿命更长，价格更低。该单片机具有40个引脚，采用双列直插DIP-40封装。STC89C51可以完成ISP在线编程功能，而AT89C51则不能。因此，将AT89C51中的程序直接烧录到STC89C51中后，STC89C5l就可以代替AT89C51直接工作。STC推出的系列51单片机芯片全面兼容其它51单片机。STC89C51内部有E2PROM，可以在程序中修改，而且断电不丢失数据。此外，还增加了两级中断优先级等等，STC89系列单片机的基本特性如图2所示。

    通常电子琴所输入的音阶值都先存入变量数组中，演奏时才逐一取出来播放单音。程序中的变量使用的是内部存储器RAM，范围为空间30H～7FH，因此，其程序内存规划是：RAM地址30H～70H存放音阶值，最大内存空间为64字节；RAM地址71H～7FH存放程序其他变量。程序执行后，工作指示LED闪动，表示程序开始执行。当按下键盘组中的相对按键时，压电喇叭会发出相对音阶单音，全系统共有2个8度音阶，DO～SI，HI DO～HI SI，14个音阶，所输入的单音会存入89C5l内，至多可以输入64个单音，并可以一起演奏出来，同时还有清除存储功能，可将原数据清除后再重新输入。

    1．2 LCD硬件接口

    本设计所用LCD的引脚如图3所示，其中，DO～D7为双向数据总线，LCD数据读写方式可以分为8位及4位两种。若以8位数据进行读写，则DO～D7皆有效，若以4位方式进行读写，则只用到D7～D4。RS为寄存器选择控制线，当RS为O且做写入操作时，可以写指令寄存器；若RS为l，则用于读写数据寄存器。P／W为LCD读写控制线，R／W为0，LCD执行写作，R／W为1时，则做读操作。VO为亮度调整电压输入控制引脚，输入0V时，字符显示最亮。

    LCD可以实时显示目前演奏的单音码，可以实时显示所存储的单音计数。按键9是清除键，可将存储的单音计数清0；按键8是放音键，可将内存中的单音逐一演奏出来，演奏中可以按K4键来中断。本设计使用一般的LCD显示器来显示音乐演奏的消息及单音码。按下键盘组按键，喇叭就会发出相对音阶。将这些音阶存储起来然后放音，就可成为自动演奏电子琴。

    1．3 键盘扫描

　　键盘上的每一个键都有两个唯一的数值进行标志。为什么要用两个数值而不是一个数值呢？这是因为一个键可以被按下，也可以被释放。当一个键按下时，它们产生一个唯一的数值，当一个键被释放时，它也会产生一个唯一的数值，我们把这些数值都保存在一张表里面，到时候通过查表就可以知道是哪一个键被敲击，并且可以知道是它是被按下还是被释放了。[page]

    整个4x4键盘按键的分配及配置原理图如图4所示。图4中为16键的控制电路，使用AT89S51端口2的8条I／O线做16个按键的键盘扫描，并由P2．0～P2．3送出扫描信号，而由P2．4～P2．7读取按键数据返回码。表l所列是4x4按键与音阶的对应表。

　　2 电子琴硬件类参数

　　键盘（琴键）：电子琴的键盘分为标准力度键盘、半配重键盘、全配重键盘、逐级配重式键盘（也叫渐层式锤感键盘）。

　　标准力度键盘：拉簧结构键盘，这是从低端琴到中高端琴都有使用的，其优点是回键速度快（也就是按下琴键后，弹回来的速度），缺点是对于力度过渡和定位不精确。

　　半配重键盘：一样是采用拉簧结构的键盘，只是比普通的拉簧键盘下多了配重铅 块，这种构造的键盘以前一直是中高端合成器才用的，现在有不少普及琴也有了该配置。相对于标准力度键盘的优点是力度定位更加精确。

　　全配重键盘：这种键盘的构造是模仿钢琴的，模拟击弦机结构，每个琴键下方都有固定重量的配重铅块，所以称为全配重键盘。可让弹奏者有种“在弹钢琴的感觉”。优点是比较适合初期替代钢琴来学习演奏，对于各种演奏力度均有良好表现，缺点是不适合弹一些要求演奏速度快的曲子（回弹慢）。

　　逐级配重键盘：和全配重键盘一样，也是模拟击弦机结构的，所不同之处就在于逐级配重键盘的琴键在低音区比较重，高音区就比较轻了，这是模仿大三角钢琴的手感。

    3 系统软件设计

    由于本系统可以产生各种频率的声音，所以可由喇叭发出“DO”、“RE”、“ME”……的音阶。系统中的定时器O工作于模式0，计时时长可根据所发音的频率而定，表2所列是各个音符所对应的频率值。而由频率值推得的定时器计数初值。则可由以下关系式求得：

式中，f为频率值；t为方波的宽度，以μs表示；co为定时器所计数的次数，lo为计数初值的低字节，hi为计数初值的高字节。图5所示为主程序的工作流程。

    4 结束语

    本文中所设计的具有存储功能的单片机电子琴是由STC89C51单片机、小键盘、LCD以及音频功放电路和扬声器组成的。利用该电子琴电路，用户可以自由地输入音符，利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，使扬声器发出悦耳的音乐，最终可随意弹奏想要表达的音乐。此外，通过改变按键式电子琴的控制程序，也可以设计不同类型的电子琴。还可以通过扩展RAM的方法增加内存容量，从而更大地发挥电子琴的存储功能。