电子信息毕业设计电子琴设计

1、 毕业设计用纸 第 1 页 共 32 页 中文摘要中文摘要 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，电子琴在现代音 乐之中扮演着重要角色，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。利用 proteus 和 keil 进行仿真调试使 本系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等， 具有一定的实用和参考价值。 关

2、键词：关键词：电子琴 单片机 音频放大 proteus abstract electronic organ is a modern electronic music technology and the product is a new type of keyboard instruments. it play an important role in modern music. scm has powerful control function and flexible programming characteristics. it has converged with modern peo

3、ples live, because an irreplaceable par. the main content is at89s51 control of the core components, design of a electronic organ. scm as a host to the core with the keybord, speaker and other core modules in the main control module has 16 keys and a speaker. it use proteus and keil to emulate .the

4、system is steady , its simple hardware circuits , software functions, reliability of control system and high cost performance is its advantages. it also has certain practical and reference value. keywords electronic music instrument at89s51 audio frequency enlarge proteus 毕业设计用纸 第 2 页 共 32 页 目目 录录 中

5、文摘要中文摘要.1 abstract.1 目目 录录.2 第一章第一章 绪论绪论.3 1.1 电子信息工程简介.3 1.1.1 单片机的发展.3 1.1.2 单片机的发展趋势.4 1.2 多音阶电子琴项目概述.7 第二章第二章 总体方案总体方案.8 2.1 系统设计要求.8 2.2 电子琴系统的组成.8 第三章第三章 硬件设计硬件设计.10 3.1 at89s52.10 3.1.1 at89s52 简介.10 3.1.2 功能特性描述.11 3.1.3 单片机复位电路作用.12 3.2 电路工作原理.13 3.2.1 电路原理.13 3.2.2 元件清单.15 3.2.3 4*4 按键矩阵电路

6、工作原理及设计.16 3.2.4 音频集成功放 lm386 的特性及内部电路图.16 第四章第四章 软件设计软件设计.19 4.1 程序流程图.19 4.2 产生音乐频率.19 第五章第五章 系统仿真与硬件调试系统仿真与硬件调试.21 5.1 proteus 功能介绍.21 5.2 keil 功能介绍.23 5.3 利用 proteus 和 keil 进行仿真调试.23 参考文献参考文献.25 附录附录 单片机汇编语言及程序设计单片机汇编语言及程序设计.26 附录附录 电子琴制作实物图电子琴制作实物图.31 毕业设计用纸 第 3 页 共 32 页 致谢致谢.32 第一章第一章 绪论绪论 1.1

7、 电子信息工程简介电子信息工程简介 电子信息工程是一门应用计算机等现代化技术进行电子信息控制和信息处理的学科， 主要研究信息的获取与处理，电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成。现在，电 子信息工程已经涵盖了社会的诸多方面，像电话交换局里怎么处理各种电话信号，手机是 怎样传递我们的声音甚至图像的，我们周围的网络怎样传递数据，甚至信息化时代军队的 信息传递中如何保密等都要涉及电子信息工程的应用技术。我们可以通过一些基础知识的 学习认识这些东西，并能够应用更先进的技术进行新产品的研究和 电子信息工程专业是集 现代电子技术、信息技术、通信技术于一体的专业。 本专业培养掌握现代电子技术理论、通晓电

8、子系统设计原理与设计方法，具有较强的计 算机、外语和相应工程技术应用能力，面向电子技术、自动控制和智能控制、计算机与网 络技术等电子、信息、通信领域的宽口径、高素质、德智体全面发展的具有创新能力的高 级工程技术人才开发。 电子信息工程专业主要是学习基本电路知识，并掌握用计算机等处理信息的方法。首 先要有扎实的数学知识，对物理学的要求也很高，并且主要是电学方面；要学习许多电路 知识、电子技术、信号与系统、计算机控制原理、通信原理等基本课程。学习电子信息工 程自己还要动手设计、连接一些电路并结合计算机进行实验，对动手操作和使用工具的要 求也是比较高的。譬如自己连接传感器的电路，用计算机设置小的通信

9、系统，还会参观一 些大公司的电子和信息处理设备，理解手机信号、有线电视是如何传输的等，并能有机会 在老师指导下参与大的工程设计。学习电子信息工程，要喜欢钻研思考，善于开动脑筋发 现问题。 1.1.1 单片机的发展单片机的发展 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 scm、mcu、soc 三大阶段。 1.scm 即单片微型 计算机（single chip microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的 单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了 scm 与通用计算机 完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，intel 公司功不可没。 2.mcu 即微

10、控制器（micro controller unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩 展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控 制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展 mcu 的重任不可避免地落在电气、 电子技术厂家。从这一角度来看，intel 逐渐淡出 mcu 的发展也有其客观因素。在发展 mcu 方面，最著名的厂家当数 philips 公司。philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势， 将 mcs-51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路 时，不要忘记 intel 和 philips 的历史功绩

11、。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向 mcu 阶段发展的重要因素，就是寻求应用 系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了 soc 化趋势。随着微电 毕业设计用纸 第 4 页 共 32 页 子技术、ic 设计、eda 工具的发展，基于 soc 的单片机应用系统设计会有较大的发展。因 此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。 单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今， 已发展为上百种系列的近千个机种。如果将 8 位单片机的推出作为起点，那么单片机的发 展历史大致可分为以下几个阶段 （1）第一阶段（1976-

12、1978）：单片机的控索阶段。以 intel 公司的 mcs48 为代表。 mcs48 的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有 motorola、zilog 等，都 取得了满意的效果。这就是 scm 的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。 （2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。intel 公司在 mcs 48 基础上推 出了完善的、典型的单片机系列 mcs51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单 片机体系结构。 完善的外部总线。mcs-51 设置了经典的 8 位单片机的总线结构，包括 8 位数据总线、16 位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。

13、 cpu 外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。 指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 （3）第三阶段（1982-1990）：8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段，也 是单片机向微控制器发展的阶段。intel 公司推出的 mcs 96 系列单片机，将一些用于 测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控 制器特征。随着 mcs 51 系列的广应用，许多电气厂商竞相使用 80c51 为内核，将许多 测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道 a/d 转换部件、可靠性技术等应用到单片 机中，增强了外

14、围电路路功能，强化了智能控制的特征。 （4）第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深 入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的 8 位/16 位/32 位通用型单片机， 以及小型廉价的专用型单片机。 1.1.2 单片机的发展趋势单片机的发展趋势 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着 cmos 化、低功耗、 小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。下面是单片机的主 要发展趋势。 cmos 化近年，由于 chmos 技术的进小，大大地促进了单片机的 cmos 化。cmos 芯 片除了低功耗特性之外，还具有功耗的

15、可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。 这也是今后以 80c51 取代 8051 为标准 mcu 芯片的原因。因为单片机芯片多数是采用 cmos（金属栅氧化物）半导体工艺生产。cmos 电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低 价格。采用双极型半导体工艺的 ttl 电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工 艺水平的提高，又出现了 hmos（高密度、高速度 mos）和 chmos 工艺。chmos 和 hmos 工艺 的结合。目前生产的 chmos 电路已达到 lsttl 的速度，传输延迟时间小于 2ns，它的综合 优势已在于 ttl 电路。因而，在单片机领域 cmos 正在逐渐取代

16、ttl 电路。 低功耗化片机的功耗已从 ma 级，甚至 1ua 以下；使用电压在 36v 之间，完全适 应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力 以及产品的便携化。 毕业设计用纸 第 5 页 共 32 页 低电压化几乎所有的单片机都有 wait、stop 等省电运行方式。允许使用的电压范 围越来越宽，一般在 36v 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达 12v。目前 0.8v 供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环 境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的

17、 技术措施。 大容量化以往单片机内的 rom 为 1kb4kb，ram 为 64128b。但在需要复杂控制的 场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的 工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内 rom 最大可达 64kb，ram 最大为 2kb。 高性能化主要是指进一步改进 cpu 的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制 的可靠性。采用精简指令集（risc）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指 令速度最高者已达 100mips（million instruction per seconds，即兆指令每秒），并加 强了位处理功能、中断和定时控制

18、功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出 10 倍 以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其 i/o 功能，由此引入了虚 拟外设的新概念。 小容量、低价格化与上述相反，以 4 位、8 位机为中心的小容量、低价格化也是 发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化， 可广泛用于家电产品。 外围电路内装化这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能 把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的 cpu、rom、ram、定时器/计 数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、dma 控制器、声音发生器、监视定时器、 液晶显示驱

19、动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。 串行扩展技术，在很长一段时间里，通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为 单片机应用的主流结构。随着低价位 otp（one time programble）及各种类型片内程序存 储器的发展，加之处围接口不断进入片内，推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别 是 i c、spi 等串行总线的引入，可以使单片机的引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化 及规范化。 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。 在单片机家族中，80c51 系列是其中的佼佼者，加之 intel 公司将其 mcs 51 系列中的 80c51 内核

20、使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名 ic 制造厂商，如 philips、 nec、atmel、amd、华邦等，这些公司都在保持与 80c51 单片机兼容的基础上改 善了 80c51 的许多特性。这样，80c51 就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的 大家族，现统称为 80c51 系列。80c51 单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然 世界上的 mcu 品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80c51 可 能最终形成事实上的标准 mcu 芯片。 单片机的组成及特点：单片机的组成及特点： 单片机是微型机的一个主要分支，在结构上的最大特点是把 cpu、

21、存储器、定时器和 多种输入/输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上。就其组成和功能而言，一块 单片机芯片就是一台计算机。 1. 单片机的组成 它通过内部总线把计算机的各主要部件接为一体，其内部总线包括地址总线、数据总 线和控制总线。其中，地址总线的作用是在进行数据交换时提供地址，cpu 通过它们将地 址输出到存储器或 i/o 接口；/数据总线的作用是在 cpu 与存储器或 i/o 接口之间，或存储 毕业设计用纸 第 6 页 共 32 页 器与外设之间交换数据；控制总线包括 cpu 发出的控制信号线和外部送入 cpu 的应答信号 线等。单片机中的 cpu、存储器等部件将在后面章节陆续介绍。

22、 2. 单片机的特点 由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺，使其具有很多显著的特点，因 而在各个领域都得到了迅猛的发展。单片机主要发如下特点： （1）有优异的性能价格比。 （2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部 采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另 外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。 （3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移 指令、i/o 口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一 档次的微机。 （4）

23、低功耗、低电压，便于生产便携式产品。 （5）外部总线增加了 i c（inter-integrated circuit）及 spi（serial peripheral interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。 （6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。 单片机的分类 单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展 情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。 1. 通用型/专用型 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80c51 是通用型单片机，它不是为某种专用 途设计的；

24、专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子 体温计的要求，在片内集成 adc 接口等功能的温度测量控制电路。 2. 总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、 数据总线、控制总线，这些引脚用以扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另 外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不 要并行扩展总线，大大减省封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。 3. 控制型/家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能 力强；用于家电的单片机多为专用

25、型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成 度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80c51 类单片机既是通用型又是总线 型，还可以作工控用。 单片机的应用单片机的应用 由于单片机具有显著的优点，它已成为科技领域的有力工具，人类生活的得力助手。 它的应用遍及各个领域，主要表现在以下几个方面： 1. 单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，并可以提高测量的自动化程度 和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。 2. 单片机在机电一体化中的应用 毕业设计用纸 第 7 页 共 32 页 机电一体化是械工业发展的方向。机电一体化产品是指集成机

26、械技术、微电子技术、 计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品，例如微机控制的车床、钻床等。单片机 作为产品中的控制器，能充分发挥它的体积小、可靠性高、功能强等优点，可大大提高机 器的自动化、智能化程度。 3. 单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地用于各种实时控制系统中。例如，在工业测控、航空航天、尖端武器、机 器人等各种实时控制系统中，都可以用单片机作为控制器。单片机的实时数据处理能力和 控制功能，可使系统保持在最佳工作状态，提高系统的工作效率和产品质量。 4. 单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中，常采用分布式多机系统。多机系统一般由若干台功能各异的单 片机组成，各自完成

27、特定的任务，它们通过串行通信相互联系、协调工作。单片机在这种 系统中往往作为一个终端机，安装在系统的某些节点上，对现场信息进行实时的测量和控 制。单片机的高可靠性和强抗干扰能力，使它可以置于恶劣环境的前端工作。 5. 单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后，它就步入了人类生活，如洗衣机、电冰箱、电子玩具、收录机 等家用电器配上单片机后，提高了智能化程度，增加了功能，倍受人们喜爱。单片机将使 人类生活更加方便、舒适、丰富多彩。 综合所述，单片机已成为计算机发展和应用的一个重要方面。另一方面，单片机应用 的重要意义还在于，它从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由 模拟电路

28、或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种 软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次革命。 1.2 多音阶电子琴项目概述多音阶电子琴项目概述 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，电子琴在现代音 乐之中扮演着重要角色，本项目的主要内容是以 at89s52 单片机为核心控制元件设计一个 多音阶电子琴，它具有硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比高等优点， 具有一定的实用价值。基于当前市场上的玩具市场需求量大，其中电子琴就是一个很好的 应用方面。单片机技术使我们可以利用软硬件实现电子琴的功能，从而实现电子琴的微型 化，

29、可以用作玩具琴、音乐转盘以及音乐童车等等。并且可以进行一定的功能扩展。鉴于 传统电子琴可以用键盘上的“1”到“a”键演奏从低 so 到高 do 等 11 个音，从而可以用 来弹奏喜欢的乐曲。该设计将十一个琴键改成 16 个，使电子琴的功能更加完美。实现对乐 曲的演奏。 设计目标 由于本设计主要用于人们娱乐方面，因此在设计上尽量使其安全以及简单易操作。其 次，在这次设计可行性上进行分析如下： 1、经济可行性： 所谓经济可行性，即在这次设计上需要投入资金的多少，由于毕业设计是没有项目资金， 没有开发经费，因此在经济上必须能够承受，比较理想化的项目对于我们毕业设计来说是 不可行的。通过分析后，无论是

30、在器件价格或是常见度上均是可行的。 2、技术可行性： 毕业设计用纸 第 8 页 共 32 页 技术可行性主要是分析技术条件上是否能够顺利开展并完成开发工作，硬件、软件能否 满足设计者的需要等。通过分析各种软件环境，硬件仿真环境等均已经具备。 综上所述，本系统设计目标已经明确,在经济与技术上均可行，因此本系统的开发是完全可 行的。 第二章第二章 总体方案总体方案 2.1 系统设计要求系统设计要求 基于 at89s52 单片机的多音阶电子琴设计要求如下： （1）由 4*4 组成的 16 个按键矩阵，设计 16 个音阶 （2）可随意弹奏想要表达的音乐 （3）要求达到电子琴的基本功能，可以用弹奏出简单

31、的乐曲 （4）用键盘作出电子琴的按键每键代表一个音符。 2.2 电子琴系统的组成电子琴系统的组成 多音阶电子琴的设计以 at89s52 单片机为主控芯片，使得 4*4 按键 矩阵电路功率放 大电路，扬声器等各功能电路协调工作，多音阶电子琴的主电路由 4*4 按键矩阵电路、功 率放大电路、扬声器、复位电路、晶振电路、电源电路几部分组成。 通过学习和查阅资料本项目需要掌握和了解如下知识： （1）+5 付电源原理及设计 （2）单片机复位电路工作原理及设计 （3）单片机晶振电路工作原理及设计 （4）4*4 按键矩阵电路工作原理及设计 （5）音频集成功放 lm386 的特性及使用 （6）at89s52

32、单片机引脚 （7）单片机汇编语言及程序设计 多音阶多音阶电子琴框图电子琴框图 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要 使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。 该设计要实现一种由单片机控制的电子琴，单片机工作于 12mhz 时钟频率，使用其 定时/计数器 t0，工作模式为 1，改变计数值 th0 和 tl0 可以产生不同频率的脉冲信号。 该设计具有 11 个音节的键盘，用户可以根据乐谱在键盘上进行演奏，音乐发生器会根据用 户的弹奏，通过扬声器将音乐播放出来。由于本例实现的音乐发生器是由用户通过键盘输 入弹奏乐曲的，所以节拍由用户掌握，不由程序控制。用

33、单片机产生的音频脉冲直接驱动 扬声器并不能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大 电路。本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器 lm386 来实现音频功放电路。在单 毕业设计用纸 第 9 页 共 32 页 片机的复位电路和晶振电路的协同下通过矩阵键盘的输入通过单片机到音频放大到扬声器 发出琴声，实现功能。多音阶电子琴框图如图 2-1 所示。 音频放 大 电路 扬声器 晶振电路 复位电路 at89s52 单片机 电源电路 4*4按键矩阵电路 图 2-1 多音阶电子琴框图 毕业设计用纸 第 10 页 共 32 页 第三章第三章 硬件设计硬件设计 31 at89s52

34、 3.1.1 at89s52 简介简介 与 mcs-51 单片机产品兼容 、8k 字节在系统可编程 flash 存储器、1000 次擦写周期、 全静态操作：0hz33hz、三级加密程序存储器、32 个可编程 i/o 口线、三个 16 位定时器 /计数器八个中断源、全双工 uart 串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、 看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。at89s52 单片机引脚图及引脚说 at89s52 高性 能 8 位单片机（at89s52 引脚图） at89s52 引脚图 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 8

35、0c51 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 at89s52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 at89s52 具有如下特点：40 个引脚，8kbytes flash 片内程序存储器，256bytes 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，at89s52 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。空闲模 式下，

36、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。 毕业设计用纸 第 11 页 共 32 页 3.1.2 功能特性描述功能特性描述 at89s52 是一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 8k 在系统可编程 flash 存 储器。使用 atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80c51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程

37、器。在单芯片上，拥 有灵巧的 8 位 cpu 和在系统可编程 flash，使得 at89s52 为众多嵌入式控制应用系统提 供 高灵活、超有效的解决方案。at89s52 具有以下标准功能：8k 字节 flash，256 字节 ram，32 位 i/o 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，at89s52 可降至 0hz 静 态逻 辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，cpu 停止工作，允许 ram、定 时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，ram 内容被保存，振荡器被冻

38、结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8k 字节在系统可 编程 flash at89s52 p0 口：p0 口是一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl 逻 辑电平。对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， p0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，p0 具有内部上拉电阻。在 flash 编 程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部 上拉电阻。 p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 输出缓冲器能驱

39、动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口 使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil） 。此 外，p1.0 和 p1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（p1.0/t2）和时器/计数器 2 的 触发输入（p1.1/t2ex） ，具体如下表所示。在 flash 编程和校验时，p1 口接收低 8 位地址 字节。 引脚号第二功能 p1.0 t2（定时器/计数器 t2 的外部计数输入） ，时钟输出 p1.1 t2ex（定时器/计数器 t2 的捕捉/重载触发信号和方向控制） p1.5 mosi（在系统编

40、程用） p1.6 miso（在系统编程用） p1.7 sck（在系统编程用） p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使 用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil） 。在访 问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 movx dptr）时，p2 口 送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）访问外部数据存储器时，p2 口输出 p2

41、锁存器的内容。在 flash 编程和校验时， p2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使 用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil） 。p3 口 亦作为 at89s52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 flash 编程和校验时，p3 口 也接收一些控制信号。 毕业设计用纸 第 12 页 共 32 页 端口引脚第二功能 p3.0 rxd(串行输入口) p3.1

42、 txd(串行输出口) p3.2 into(外中断 0) p3.3 int1(外中断 1) p3.4 to(定时/计数器 0) p3.5 t1(定时/计数器 1) p3.6 wr(外部数据存储器写选通) p3.7 rd(外部数据存储器读选通) 此外，p3 口还接收一些用于 flash 闪存编程和程序校验的控制信号。rst复位输 入。当振荡器工作时，rst 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。 ale/prog当访问外部程存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用 于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ale 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信 号，因此它可对外

43、输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将 跳过一个 ale 脉冲。 对 flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog） 。如有必要，可通过对 特殊功能寄存器（sfr）区中的 8eh 单元的 d0 位置位，可禁止 ale 操作。该位置位后，只 有一条 movx 和 movc 指令才能将 ale 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部 程序时，应设置 ale 禁止位无效。 psen程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 at89c52 由 外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 psen 有效，即输出两个脉冲，在 此

44、期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 psen 信号。 ea/vpp外部访问允许，欲使 cpu 仅访问外部程序存储器（地址为 0000h-ffffh） ， ea 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 lb1 被编程，复位时内部会锁存 ea 端状态。 如 ea 端为高电平（接 vcc 端） ，cpu 则执行内部程序存储器的指令。flash 存储器编程 时，该引脚加上+12v 的编程允许电源 vpp，当然这必须是该器件是使用 12v 编程电压 vpp 3.1.3 单片机复位电路作用单片机复位电路作用 在上电或复位过程中，控制 cpu 的复位状态：这段时间内让 cpu 保持复位状态，

45、而不 是一上电或刚复位完毕就工作，防止 cpu 发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电 磁兼容性能。无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。而单片 机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并 在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的 复位电路设计不可靠引起的。 基本的复位方式基本的复位方式 单片机在启动时都需要复位，以使 cpu 及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态 开始工作。89 系列单片机的复位信号是从 rst 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当 系统处于正常工作状态时，且振

46、荡器稳定后，如果 rst 引脚上有一个高电平并维持 2 个机 器周期(24 个振荡周期)以上，则 cpu 就可以响应并将系统复位。单片机系统的复位方式有： 手动按钮复位和上电复位 1、手动按钮复位 毕业设计用纸 第 13 页 共 32 页 手动按钮复位需要人为在复位输入端 rst 上加入高电平。一般采用的办法是在 rst 端和 正电源 vcc 之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则 vcc 的+5v 电平就会直接加到 rst 端。 手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以， 完全能够满足复位的时间要求。 2、上电复位 at89c51 的上电复位电路，只要在 r

47、st 复位输入引脚上接一电容至 vcc 端，下接一 个电阻到地即可。对于 cmos 型单片机，由于在 rst 端内部有一个下拉电阻，故可将外 部电阻去掉，而将外接电容减至 1f。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电 容加给 rst 端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着 vcc 对电容的充电过程而逐渐 回落，即 rst 端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位， rst 端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，vcc 的上升时间约为 10ms，而振 荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为 10mhz，起振时间为 1ms；晶振频率为 1mhz，起振时间

48、则为 10ms。在复位电路中，当 vcc 掉电时，必然会使 rst 端电压迅速 下降到 0v 以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。 另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统 在上电时得不到有效的复位，则程序计数器 pc 将得不到一个合适的初值，因此，cpu 可 能会从一个未被定义的位置开始执行程序。 3.2 电路工作原理电路工作原理 3.2.1 电路原理电路原理 主要用到单片机 at89s52 的晶振电路、复位电路、利用各引脚的功能，以及集成功放 lm386 的放大特性和+5 付电源，4*4 按键矩阵电路，单片机汇编语言

49、及程序设计，达到电 子琴的基本功能使每键代表一个音符，使得 4*4 按键 矩阵电路，功率放大电路，扬声器等 各功能电路协调工作，实现多音阶电子琴功能的实现。使每按下一个按键就代表一个音符。 弹奏出悦耳的琴声。 单片机的 p1.0 端口的输出做音频放大电路中的输入，单片机的 p3.0p7.0 端口分别做 4*4 按键矩阵电路的行扫描和列扫描。每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就 是识别这个按键的编码。矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和 cpu 通信。每个按键的 状态同样需变成数字量 0 和 1，开关的一端（列行）通过电阻接 vcc，而接地是通过程序输 出数字 0 实现的。键盘处理程序的

50、任务是：确定有无按键按下，判断哪一个键按下，键的 功能是什么;还要消除按键在闭合或断开时的抖动。在两个并行口中，一个输出扫描码，使 按键逐行动态接地；另一行并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码 而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周 期（1/频率） ，然后将此周期除以 2，即为半周期的时间，然后利用计时器计时此半周期时 间，每当计时到后就将输出脉冲的 i/o 反相，然后重复计时此半周期时间再对 i/o 反相， 如此就可以在 i/o 脚上得到此频率的脉冲。利用 at89s52 单片机内部计时器让其工作在计 数模式 mode1 下，改变计数

51、值 th0 及 tl0 以产生不同的频率产生不同音阶的声音了。 毕业设计用纸 第 14 页 共 32 页 3-2 电子琴键盘功能 3456 7123 4567 1 1 2 2 4 4 3 电路原理图如图 3-3 所示： 毕业设计用纸 第 15 页 共 32 页 3-3 基于基于 at89s52 单片机的多音阶电子琴电路原理图单片机的多音阶电子琴电路原理图 3.2.2 元件清单元件清单 毕业设计用纸 第 16 页 共 32 页 基于 at89s52 单片机的多音阶电子琴元件清单如表 3-3 所示 表 3-3 基于 at89s52 单片机的多音阶电子琴元件清单 元件名称型号数量 用途元件名称型号数

52、量用途 单片机 at89s521 控制核心电解电容 100uf/10v1 晶振 12mhz1 晶振电路电解电容 10uf/10v1 电容 30pf2 晶振电路电解电容 220uf/10v1 电解电容 10uf/10v1 复位电路电解电容 470uf/10v1 电阻 10k1 复位电路集成块 lm3861 按键 16 按键电路电容1nf、10nf各 1 电源 +5v/0.5a1 提供+5v电阻12 、22各 1 喇叭 0.5w/81 扬声器电位器 10k1 音频放大 电路 3.2.3 4*4 按键矩阵电路工作原理及设计按键矩阵电路工作原理及设计 图 3-4 矩阵键盘 键盘只简单地提供按键开关的行

53、列矩阵。有关按键的识别、键码的确定与输入、去抖 动等功能均由软件完成。 每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。矩阵的行 线和列线分别通过两并行接口和 cpu 通信。每个按键的状态同样需变成数字量 0 和 1，开 关的一端（列行）通过电阻接 vcc，而接地是通过程序输出数字 0 实现的。键盘处理程序 的任务是：确定有无按键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么;还要消除按键在闭合 或断开时的抖动。在两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地；另一行并行 口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查 出该键的功能。 3.2.4 音

54、频集成功放音频集成功放 lm386 的特性及内部电路图的特性及内部电路图 毕业设计用纸 第 17 页 共 32 页 lm386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大 器,主要应用于低电压消费类产品。 为使外围元件最少,电压增益内置为 20。但在 1 脚和 8 脚之间增加一只外接电阻和电容,便 可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压 的一半,在 6v 电源电压下,它的静态功耗仅为 24mw,使得 lm386 特别适用于电池供电的场 合。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

55、，广泛应用于录音机和收音机之中。lm386 的内部电路 图及引脚排列图如图 3-4。lm386 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 图 3-4 lm386 的封装形式 特性(features) （1）静态功耗低,约为 4ma,可用于电池供电。 （2）工作电压范围宽,4-12v or 5-18v。 （3）外围元件少。 （4）电压增益可调,20-200。 （5）低失真度 在一定频率范围内的振动能够产生乐音，但是用单片机产生的音频脉冲直接驱动扬声 器并不能产生所要实现的音乐，因为它没有足够的驱动能力，这就需要音频功率放大电路。 lm386 功放最大的特点是低功耗，高增益，增益最高可达 2

56、00。lm386 电源电压 4-12v， 音频功率 0.5w。lm386 音响功放是由 nsc 制造的，它的电源电压范围非常宽，最高可使 用到 15v，消耗静态电流为 4ma，当电源电压为 12v 时，在 8 欧姆的负载情况下，可提供 几百 mw 的功率。它的典型输入阻抗为 50k。 本例使用国家半导体公司的低压音频功率放大器 lm386 来实现音频功放电路。其电 路以及各参数如图 3-5 毕业设计用纸 第 18 页 共 32 页 图 3-5 lm386 电路图及各参数 毕业设计用纸 第 19 页 共 32 页 第四章第四章 软件设计软件设计 4.1 程序流程图程序流程图 主程序流程图和 t0

57、 中断服务如图 4-1 所示。下面对 4*4 矩阵键盘识别处理以及如何产 生音乐频率进行分析。 t0 初始化中断允许 t0 中断 按键按下成功？ 否 识别按键功能 根据按键功能，将音符 t 值装入到 t0 中 启动 t0 工作 按键释放成功否 停止 t0 工作 t0 中断入口 重装 th0、tl0 初 值 p1.0 取反 中断返回 y n y n （a）主程序流程图 (b)t0 中断服务流程图 图 4-1 主程序流程图和 t0 中断服务流程图 接通电源后，t0 初始化中断允许 t0 中断，然后判断是否有键按下，如有键按下则单 片机识别按键的功能，若为否则返回上一级继续判断是否有键按下，如有键按

58、下根据按键 功能，将音符 t 值装入到 t0 中，启动 t0 工作，通过音频放大产生音乐，判断按键有没有 释放，若释放则单片机停止 t0 工作，返回到 t0 初始化中断允许 t0 中断下。按键释放如 果不成功则返回继续判断。 4.2 产生音乐频率产生音乐频率 乐音听起来有的高，有的低，这就叫音高，音高是由发音物体振动频率的高低决定的， 频率高声音就高，频率低声音就低，不同音商的乐音是用 c、d、e、f、g、a、b 表示的， 这 7 个字母就是乐音的音名，它们一般依次唱成 do、re、mi、fa、so、la、si，这是 唱曲时乐音的发音，所以叫唱名。 音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示，休止

59、符表示暂停发音。 一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同的频率，这样就可以利 开始 毕业设计用纸 第 20 页 共 32 页 用不同频率的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐。 要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率） ，然后将此周期除以 2，即为半 周期的时间，然后利用计时器计时此半周期时间，每当计时到后就将输出脉冲的 i/o 反相， 然后重复计时此半周期时间再对 i/o 反相，如此就可以在 i/o 脚上得到此频率的脉冲。 利用 at89s52 单片机内部计时器让其工作在计数模式 mode1 下，改变计数值 th0 及 tl0 以产生不同的频率。 at89s52 单

60、片机采用 12mhz 晶振，高中低音符与 t0 相关的计数值如表 4-2 所示。 表表 4-2 音符频率表音符频率表 低 1 do #1 do# 低 2 re #2 re# 低 3 m 低 4 fa #4 fa# 低 5 so #5 so# 低 6 la #6 低 7 si 中 1 do # 1 do# 中 2 re #2 re# 中 3 m 中 4 fa 262 277 294 311 330 349 370 392 415 440 466 494 523 554 587 622 659 698 63628 63731 63835 63928 64021 64103 64185 64260