基于STC89C51单片机的电子琴设计

摘要：介绍了一种基于STC89C5l单片机的电子琴的电路设计方法。该方法利用单片机定时器来产生固定频率的方波信号以推动喇叭发出旋律。并使用LCD显示器来显示音阶输入的相关消息，然后通过按下键盘组中的相对按键使喇叭发出相对音阶单音，并自动存储所输入的单音，之后再一起自动演奏出来，从而实现具有存储功能的电子琴系统。
关键词：STC89C51；LCD；4x4键盘；定时器；电子琴

0 引言
    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。

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    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
    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。

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2 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。

3 结束语
    本文中所设计的具有存储功能的电子琴是由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，从而使扬声器发出悦耳的音乐。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。