基于單片機TA89C2051的電子琴設(shè)計

  聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單片機某個口線不斷的輸出“高”“低”電平，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的方波，將該方波接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音，若再利用程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時間，就能改變輸出波形的頻率，從而改變音調(diào)。

    樂曲中，每一音符對應(yīng)著確定的頻率，表1給出C調(diào)時各音符頻率。如果單片機某個口線輸出“高”“低”電平的頻率和某個音符的頻率一樣，那么將此口線接上喇叭就可以發(fā)出此音符的聲音。

    本系統(tǒng)就是根據(jù)此原理設(shè)計，對于AT89C2051單片機來說要產(chǎn)生一定頻率的方波大致是先將某口線輸出高電平然后延時一段時間再輸出低電平，如此循環(huán)的輸出就會產(chǎn)生一定頻率的方波，通過改變延時的時間就可以改變輸出方波的頻率，而單片機延時主要有兩種方法：  

    第一種方法是使用循環(huán)語句來實現(xiàn)延時，讓單片機循環(huán)的執(zhí)行某條指令然后根據(jù)單片機每條指令運行的時間以及循環(huán)的次數(shù)來計算延時時間。如下所示：
 

    在上面的延時程序中可以看出：DJNZ指令執(zhí)行時間為2個機器周期，MOV指令執(zhí)行時間為1個機器周期，對于單片機的晶振頻率為12MHz時機器周期為1 μ s。因此可以根據(jù)這些指令的執(zhí)行時間和每條指令的循環(huán)次．?dāng)?shù)計算出以上的延時程序延時時間大約為50ms。但這種方法的計算的延時時間不是很準(zhǔn)確并且為達到一定的延時時間先必須進行很復(fù)雜的運算。所以在延時時間要求不嚴(yán)格的時候才采用這種方法。但對于電子琴電路由于每個音符的頻率值要求比較嚴(yán)格，變化范圍不能太大，因此產(chǎn)生方波的頻率也要求比較嚴(yán)格，不能采用延時程序來產(chǎn)生此方波。

    第二種方法是使用單片機的定時／計數(shù)器延時。AT89C2051單片機內(nèi)部有兩個16位的定時／計數(shù)器T0和T1，單片機的定時／計數(shù)器實際上是個計數(shù)裝置它既可以對單片機的內(nèi)部晶振驅(qū)動時鐘計數(shù)也可以對外部輸入的脈沖計數(shù)，對內(nèi)部晶振計數(shù)時稱為定時器，對外部時鐘計數(shù)時稱為計數(shù)器。當(dāng)對單片機的內(nèi)部晶振驅(qū)動時鐘計數(shù)時，每個機器周期定時／計數(shù)器的計數(shù)值就加1，當(dāng)計數(shù)值達到計數(shù)最大值時計數(shù)完畢并通知單片機的CPU；對外部輸入的時鐘信號計數(shù)時，外部時鐘的每個時鐘上升沿定時／計數(shù)器的計數(shù)值就加1，當(dāng)計數(shù)值達到計數(shù)最大值時計數(shù)完畢并通知單片機的CPU。因此，如果知道單片機的機器周期或者外部輸入時鐘信號的周期，單片機就可以根據(jù)定時器的計數(shù)值計算出定時的時間。用此方法定時十分準(zhǔn)確，想得到多大的延時時間就可以給定時器賦一定的計數(shù)初值，定時器從預(yù)先設(shè)置的計數(shù)初值開始不斷增1當(dāng)增加到計數(shù)最大值時計數(shù)完畢，調(diào)整計數(shù)初值的大小就可以調(diào)整定時器定時的時間，從而達到準(zhǔn)確的延時。本系統(tǒng)中就采用第二種方法通過定時/計數(shù)器延時。

    本系統(tǒng)的具體電路如右圖所示。圖中P1．1-P1．7分別接7個按鍵對應(yīng)著樂曲中的1、2、3、4、5、6、7七個音符。P3．6口通過功率放大芯片 LM386與喇叭相連。當(dāng)P1．1～P1.7中有一個按鍵按下時單片機便執(zhí)行相應(yīng)的子程序?qū)Χ〞r器賦一個計數(shù)初值同時使P3．6口輸出高電平。當(dāng)定時器定時結(jié)束時將P3．6口的值取反并重新賦計數(shù)初值繼續(xù)計數(shù)，再次計完時再將P3．6口的值取反再賦初值計數(shù)，如此循環(huán)便在P3．6口產(chǎn)生一定頻率的方波， LM386將此方波經(jīng)過功率放大后通過喇叭輸出便產(chǎn)生對應(yīng)音符的聲音。按不同的按鍵單片機便執(zhí)行不同的子程序給定時器賦不同的初值得到不同頻率的方波從而輸出不同的聲音，因此按一個按鍵輸出一種音符。
    在單片機的特殊功能寄存器中有6個寄存器(TH1、TH0、TL1、TL0、TMOD、TCON)是用來控制單片機的定時器的，通過編程對這些特殊功能寄存器的讀寫就可以控制單片機的兩個定時器T0、T1。當(dāng)單片機復(fù)位時這6個寄存器默認(rèn)值都是00H。

    (一)定時／計數(shù)器的工作方式及控制字

    特殊功能寄存器中TMOD和TCON是定時器的方式控制寄存器。圖2為TMOD寄存器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖3為TCON寄存器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。TMOD和TCON是寄存器的名稱，我們在寫程序時就可以直接用這個名稱來指定它們，當(dāng)然也可以直接用它們的地址89H和88H來指定它們(其實用名稱也就是直接用地址，匯編軟件幫你翻譯一下而已)。

    從圖2中可以看出，TMOD被分成兩部份，每部份4位。分別用于控制T1和T0。

    從圖3中可以看出，TCON也被分成兩部份，高4位用于定時／計數(shù)器，低4位則用于中斷。

    單片機定時／計數(shù)器有四種工作方式，方式0、方式1、方式2、方式3，除方式3外，T0和T1有完全相同的工作狀態(tài)，下面以T1為例，分述各種方式的特點和用法。圖4為定時／計數(shù)器T1在工作方式0下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

    從圖4中可以看出計數(shù)脈沖要進入計數(shù)器TR1(或TR0)要為1，開關(guān)才能合上，脈沖才能過來。因此，TR1(O)稱之為運行控制位，可用指令SErB來置位以啟動計數(shù)器，定時器運行，用指令CLR來關(guān)閉定時／計數(shù)器的工作。當(dāng)計數(shù)脈沖進入計數(shù)器后，計數(shù)脈沖加到TL1的低5位，從預(yù)先設(shè)置的計數(shù)初值開始不斷增1。TL1計滿后，向THl進位。當(dāng)TL1和TH1都計滿后，置位T1的定時器回零標(biāo)志TF1，從此表明定時時間或計數(shù)次數(shù)已到，單片機可以根據(jù)標(biāo)志位判斷定時器的狀態(tài)，從而執(zhí)行相應(yīng)的程序。

    1．工作方式0

    定時器，計數(shù)器的工作方式O稱之為13位定時／計數(shù)方式。它由TL(1／0)的低5位和TH(0/1)的8位構(gòu)成13位的計數(shù)器，此時TL(1／0)的高3位未用。

    對于定時器的工作模式可以根據(jù)定時器的寄存器TMOD來設(shè)置：

    ①M1M0：定時／計數(shù)器共有四種工作方式，就是用M1M0來控制的，2位正好是四種組合。  

    ②C／T：定時／計數(shù)器即可作定時用也可用計數(shù)用，如果C/T為O就是用作定時器(開關(guān)往上打)，如果C／T為1就是用作計數(shù)器(開關(guān)往下打)。一個定時／計數(shù)器同一時刻要么作定時用，要么作計數(shù)用，不能同時用的。

    ③GATE：當(dāng)我們選擇了定時或計數(shù)工作方式后，定時／計數(shù)脈沖卻不一定能到達計數(shù)器端，中間還有一個開關(guān)，顯然這個開關(guān)不合上，計數(shù)脈沖就沒法過去，那么開關(guān)什么時候過去呢? 有兩種情況

    GATE=0，分析一下邏輯，GATE非后是1，進入或門，或門總是輸出1，和或門的另一個輸入端INT1無關(guān)，在這種情況下，開關(guān)的打開、合上只取決于TR1，只要TR1是1，開關(guān)就合上，計數(shù)脈沖得以暢通無阻，而如果TR1等于0則開關(guān)打開，計數(shù)脈沖無法通過，因此定時／計數(shù)是否工作，只取決于TR1。

    GATE=1，在此種情況下，計數(shù)脈沖通路上的開關(guān)不僅要由TR1來控制，而且還要受到INT1引腳的控制，只有TRl為1，且INT1引腳也是高電平，開關(guān)才合上，計數(shù)脈沖才得以通過。這個特性可以用來測量一個信號的高電平的寬度。  

    2．工作方式1

    工作方式1是16位的定時／計數(shù)方式，將M1M0設(shè)為01即可，其它特性與工作方式0相同。

    3：工作方式2

    8位自動裝入時間常數(shù)方式。由TL1構(gòu)成8位計數(shù)器，TH1僅用來存放時間常數(shù)?？磮D5所示，每當(dāng)計數(shù)溢出，就會打開T(0/1)的高、低8位之間的開關(guān)，計預(yù)置數(shù)進入低8位。這是由硬件自動完成的，不需要由人工干預(yù)。通常這種式作方式用于波特率發(fā)生器，用于這種用途時，定時器就是為了提供一個時間基準(zhǔn)。計數(shù)溢出后不需要做事情，要做的僅僅只有一件，就是重新裝入預(yù)置數(shù)，再開始計數(shù)，而且中間不要任何延遲，可見這個任務(wù)用工作方式2來完成是最妙不過了。

    4．工作方式3

    2個8位的計數(shù)器，只適合于定時器0。這種式作方式之下，定時／計數(shù)器0被拆成2個獨立的定時／計數(shù)器來用。其中，TL0可以構(gòu)成8位的定時器或計數(shù)器的工作方式，而THO則只能作為定時器來用。我們知道作定時、計數(shù)器來用需要控制位TR0，計滿后溢出需要有溢出標(biāo)記TF0。T0被分成兩個來用，那就要兩套控制及溢出標(biāo)記，TLO還是用原來的T0的標(biāo)記，而TH0則借用T1的標(biāo)記。如此T1就無標(biāo)記、控制可用因此一般只有在T1以工作方式2運行(當(dāng)波特率發(fā)生器用)時，才讓T0工作于方式3的。

    (二)定時器／計數(shù)器的定時／計數(shù)范圍

    工作方式O：13位定時／計數(shù)方式，因此，最多可以計到2^13，也就是8192次。對于12MHz的晶振，單片機的機器周期是1us。則工作方式0最大定時時間是8.192us。

    工作方式1：16位定時／計數(shù)方式，因此，最多可以計到2^16，也就是65536次。對于12MHz晶振,工作方式1最大定時時間是65536 μ s。

    工作方式2和工作方式3，都是8位的定時／計數(shù)方式，因此，最多可以計到2^8，也說是256次。對于12MHz晶振,工作方式1最大定時時間是256 μ s。

    計數(shù)初值的計算方法：用最大計數(shù)量減去需要的計數(shù)次數(shù)即可。例：如果T0運行于定時狀態(tài)，單片機的晶振是12MHz，要求定時lOOus，那么定時器要計 100個機器周期，當(dāng)TO工作在工作方式O時計數(shù)初值應(yīng)該是8192—100=8092；工作在方式1時的計數(shù)初值應(yīng)該是65536-100= 65436；工作在方式2，3時的計數(shù)初值應(yīng)該是256—100=156。
 系統(tǒng)軟件流程圖如圖所示

    開機時。第一步是對定時器T0進行初始化，設(shè)定它的工作狀態(tài)(對于本系統(tǒng)將T0設(shè)定為工作方式O)；然后判斷是否有鍵按下，如果沒有按鍵按下，繼續(xù)判斷，如果有按鍵按下，則判斷是哪個鍵按下；再根據(jù)按鍵的功能將計數(shù)初值裝入定時器T0中中并啟動T0，當(dāng)T0定時完畢后，重新裝入計數(shù)初值繼續(xù)定時并將P3． 6取反，再次定時完畢后再一次的裝入計數(shù)初值繼續(xù)定時并將P3．6取反，一直循環(huán)此操作直到按鍵釋放為止，按鍵釋放后停止T0工作并再次判斷是否又有按鍵按下，并繼續(xù)執(zhí)行以前的過程。

    定時器T0工作在方式0，13位計數(shù)方式所以最大的計數(shù)次數(shù)為2^13=8192次，由于單片機的晶振是12MHz則機器周期是1 μ s，即定時器最大可以定時8192 μ s。各個音符周期的一半即高電平或低電平持續(xù)的時間就是定時器需要定時的時間，所以對于各個音符的計數(shù)初值計算方法如下：
    設(shè)音符的頻率為f，則計數(shù)初值=8192一各個音符的周期=8192-

 
  計數(shù)初值如表2所示：