基于51單片機(jī)簡易電子琴設(shè)計

一、引言

隨著社會的發(fā)展進(jìn)步，音樂逐漸成為我們生活中很重要的一部分，有人曾說喜歡音樂的人不會向惡。我們都會抽空欣賞世界名曲，作為對精神的洗禮。因此，我設(shè)計的是一個基于單片機(jī)的簡易電子琴。

單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積較小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而且抗干擾性能好。

電子琴是現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程實(shí)現(xiàn)特性，已溶入現(xiàn)代人的生活中。我設(shè)計的電子琴是以AT89C51單片機(jī)為核心控制元件。電子琴使用簡單，深受廣大熱愛音樂者喜愛。

二、項(xiàng)目概述

此設(shè)計鍵盤用于彈奏音樂，八個按鍵8種音符。單片機(jī)通過輸出各種電脈沖信號開驅(qū)動控制各部分正常工作。

單片機(jī)要產(chǎn)生音頻脈沖，主要處理過程是在CPU中完成的，CPU會隨時對音符輸入信號進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作。在讀取了相應(yīng)的寄存器的值后，CPU將讀取的值進(jìn)行處理，再通過I/O口把音樂通過揚(yáng)聲器播放出來。

據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊和輸入模塊構(gòu)成。

2.1、主要設(shè)計內(nèi)容

發(fā)生電路是這次設(shè)計電路中最重要的組成部分，他承載著把單片機(jī)所產(chǎn)生的聲音信號放大并輸出的重要作用，而我的設(shè)計中的發(fā)聲電路主要是由兩個S8550組成。S8550是一種小功率的放大管，屬于ＮＰＮ型號三極管，而對三極管引腳的判斷有以下方法。

判斷三極管的基極。對于ＮＰＮ型號的三極管，用黑表筆接某一個電極，紅表筆分別接另外兩個電極，若測量電阻值兩個都小，調(diào)換表筆后被測電阻值都較大，則可判斷第一次測量中黑表筆所接的是基極；如果測量值一大一小，相差很大，則第一次測量中黑表筆接的不是基極，應(yīng)該更換其他電極重測。

測量三極管發(fā)射極e和集電極c。三極管基極確定后，通過交換表筆，兩次測量e,c極間的電阻，如果兩次測量結(jié)果不相等，其中測得電阻值較小的一次為紅表筆的是e極黑表筆接的是c極。對于ＰＮＰ型號的三極管，方法與ＮＰＮ的相似，只是紅黑表筆的作用相反，在測量e,c極間電阻時要注意，由于三極管的V（BR）CEO很小，很容易將發(fā)射結(jié)擊穿。

當(dāng)我們?nèi)龢O管的管腳判斷結(jié)束以后，我們就可以用兩個三極管構(gòu)成一個達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。首先當(dāng)單片機(jī)Ｐ1.0口輸出一個高電平，由兩個三極管構(gòu)成的達(dá)林頓能導(dǎo)通，導(dǎo)通后又能對電流又一定的放大作用，這樣傳到揚(yáng)聲器時信號能讓我們聽的更清楚。

圖1

圖2

鍵盤用于彈奏音樂，八個按鍵8種音符。單片機(jī)通過輸出各種電脈沖信號開驅(qū)動控制各部分正常工作。

系統(tǒng)工作過程：單片機(jī)要產(chǎn)生音頻脈沖，主要處理過程是在CPU中完成的，CPU會隨時對音符輸入信號進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作。在讀取了相應(yīng)的寄存器的值后，CPU將讀取的值進(jìn)行處理，再通過I/O口把音樂通過揚(yáng)聲器播放出來。

2.2、實(shí)施計劃

表1

2.3原理圖

圖3原理圖 pcb圖 焊接圖

三、設(shè)計方案、方法及技術(shù)路線

3.1系統(tǒng)基本設(shè)計思路

此設(shè)計是用揚(yáng)聲器播放彈奏的曲子。電路包括：鍵盤、單片機(jī)以及單片機(jī)周邊最小系統(tǒng)和晶振電路。

3.2各部分說明

（1）鍵盤用于彈奏音樂，八個按鍵8種音符。

（2）單片機(jī)通過輸出各種電脈沖信號驅(qū)動控制各部分正常工作。

3.3系統(tǒng)工作過程

單片機(jī)要產(chǎn)生音頻脈沖，主要處理過程是在CPU中完成的，CPU會隨時對音符輸入信號進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)的操作。在讀取了相應(yīng)的寄存器的值后，CPU將讀取的值進(jìn)行處理，再通過I/O口把音樂通過揚(yáng)聲器播放出來。

3.4單元電路方案論證

根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊和輸入模塊構(gòu)成。為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計了以下幾種方案并分別進(jìn)行了論證。

3.5控制器模塊

方案1：采用凌陽系列單片機(jī)為系統(tǒng)的控制器

凌陽系列單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，模塊大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減少了體積，提高了穩(wěn)定性。凌陽系列單片機(jī)提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實(shí)時系統(tǒng)的控制核心。

方案2：采用51系列作為系統(tǒng)控制器

單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制。由于其功耗低、體積較小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而且抗干擾性能好。

因51單片機(jī)價格比凌陽系列低得多，且本設(shè)計不需要很高的處理速度，從經(jīng)濟(jì)和方便使用角度考慮，本設(shè)計選擇了方案2。

3.6發(fā)聲模塊

發(fā)聲模塊是本設(shè)計的最主要的部分。

基本方案：發(fā)生電路是這次設(shè)計電路中最重要的組成部分，他承載著把單片機(jī)所產(chǎn)生的聲音信號放大并輸出的重要作用，而我的設(shè)計中的發(fā)聲電路主要是由兩個S8050三極管驅(qū)動組成。S8050三極管是一種小功率的放大管，屬于ＮＰＮ型號三極管，而對三極管引腳的判斷有以下方法。

1.判斷三極管的基極。對于ＮＰＮ型號的三極管，用黑表筆接某一個電極，紅表筆分別接另外兩個電極，若測量電阻值兩個都小，調(diào)換表筆后被測電阻值都較大，則可判斷第一次測量中黑表筆所接的是基極；如果測量值一大一小，相差很大，則第一次測量中黑表筆接的不是基極，應(yīng)該更換其他電極重測。

2.測量三極管發(fā)射極e和集電極c。三極管基極確定后，通過交換表筆，兩次測量e,c極間的電阻，如果兩次測量結(jié)果不相等，其中測得電阻值較小的一次為紅表筆的是e極黑表筆接的是c極。對于ＰＮＰ型號的三極管，方法與ＮＰＮ的相似，只是紅黑表筆的作用相反，在測量e,c極間電阻時要注意，由于三極管的V（BR）CEO很小，很容易將發(fā)射結(jié)擊穿。

當(dāng)我們?nèi)龢O管的管腳判斷結(jié)束以后，我們就可以用兩個三極管構(gòu)成一個達(dá)林頓結(jié)構(gòu)。首先當(dāng)單片機(jī)Ｐ1.0口輸出一個高電平，由兩個三極管構(gòu)成的達(dá)林頓成能導(dǎo)通，導(dǎo)通后又能對電流又一定的放大作用，這樣傳到揚(yáng)聲器時信號能讓我們聽的更清楚。

圖4聲音驅(qū)動電路

3.7編程軟件模塊

方案1：采用匯編語言編程

匯編語言指令是用一些具有相應(yīng)含義的助憶符來表達(dá)的，所以，它要比機(jī)器語言容易掌握和運(yùn)用，但另一方面，它要直接使用CPU的資源，相對高級程序設(shè)計語言來說，它又顯得難掌握。

方案2：采用Ｃ語言編程

C語言與其他高級語言相比,具有運(yùn)算符的豐富性、語法表述的靈活性、對軟硬件操作的兼容性、輸入輸出方式的新穎性等主要特征.深入分析研究這些特征,可以加深對C語言的認(rèn)識;正確應(yīng)用這些特征,可以靈活高效地解決各種實(shí)際問題.

因?yàn)槲以诖髮W(xué)期間對匯編語言沒有深入的了解，而且在編程時一直用C語言，所以我選擇了方案2。

3.8最終方案

經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定了如下方案：

（1）采用STC89C51單片機(jī)作為主控制器。

（2）采用達(dá)林頓效應(yīng)使音樂信號放大。

（3）采用Ｃ語言編程。

STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X51可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz，6T/12T可選。

圖5STC89C51單片機(jī)引腳圖

單片機(jī)是美國STC公司最新推出的一種新型51內(nèi)核的單片機(jī)。片內(nèi)含有Flash程序存儲器、SRAM、UART、SPI、PWM等模塊。

STC89C51主要功能、性能參數(shù)如下

（1）內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)51內(nèi)核，機(jī)器周期：增強(qiáng)型為6時鐘，普通型為12時鐘;

（2）工作頻率范圍：0~40MHZ，相當(dāng)于普通8051的0~80MHZ;

（3）STC89C51RC對應(yīng)Flash空間：4KB;

（4）內(nèi)部存儲器（RAM)：512B;

（5）定時器\計數(shù)器：3個16位；

（6）通用異步通信口（UART）1個；

（7）中斷源:8個；

（8）有ISP(在系統(tǒng)可編程）\IAP(在應(yīng)用可編程),無需專用編程器\仿真器；

（9）通用I\O口：32\36個；

（10）工作電壓：3.8~5.5V；

（11）外形封裝：40腳PDIP、44腳PLCC和PQFP等。

STC89C51單片機(jī)的引腳說明：

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。

P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3.0RXD（串行輸入口）

P3.1TXD（串行輸出口）

P3.2/INT0（外部中斷0）

P3.3/INT1（外部中斷1）

P3.4T0（記時器0外部輸入）

P3.5T1（記時器1外部輸入）

P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。

I/O口作為輸入口時有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。讀端口時實(shí)際上并不從外部讀入數(shù)據(jù)，而是把端口鎖存器的內(nèi)容讀入到內(nèi)部總線，經(jīng)過某種運(yùn)算或變換后再寫回到端口鎖存器。只有讀端口時才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。上面圖中的兩個三角形表示的就是輸入緩沖器CPU將根據(jù)不同的指令分別發(fā)出讀端口或讀引腳信號以完成不同的操作。這是由硬件自動完成的，不需要我們操心，1然后再實(shí)行讀引腳操作，否則就可能讀入出錯，為什么看上面的圖，如果不對端口置1端口鎖存器原來的狀態(tài)有可能為0Q端為0Q^為1加到場效應(yīng)管柵極的信號為1，該場效應(yīng)管就導(dǎo)通對地呈現(xiàn)低阻抗，此時即使引腳上輸入的信號為1，也會因端口的低阻抗而使信號變低使得外加的1信號讀入后不一定是1。若先執(zhí)行置1操作，則可以使場效應(yīng)管截止引腳信號直接加到三態(tài)緩沖器中實(shí)現(xiàn)正確的讀入，由于在輸入操作時還必須附加一個準(zhǔn)備動作，所以這類I/O口被稱為準(zhǔn)雙向口。89C51的P0/P1/P2/P3口作為輸入時都是準(zhǔn)雙向口。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。

STC89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)：

最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其所需的必要的電源、時鐘、復(fù)位等部件，能使單片機(jī)始終處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機(jī)能運(yùn)行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進(jìn)行存儲器擴(kuò)展、A/D擴(kuò)展等，使單片機(jī)完成較復(fù)雜的功能。

STC89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。用STC89C52單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時，只要將單片機(jī)接上時鐘電路和復(fù)位電路即可，結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。

圖6單片機(jī)最小系統(tǒng)原理框圖

中斷技術(shù)主要用于實(shí)時監(jiān)測與控制，要求單片機(jī)能及時地響應(yīng)中斷請求源提出的服務(wù)請求，并作出快速響應(yīng)、及時處理。這是由片內(nèi)的中斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)中斷請求源發(fā)出中斷請求時，如果中斷請求被允許，單片機(jī)暫時中止當(dāng)前正在執(zhí)行的主程序，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)處理程序處理中斷服務(wù)請求。中斷服務(wù)處理程序處理完中斷服務(wù)請求后，再回到原來被中止的程序之處（斷點(diǎn)），繼續(xù)執(zhí)行被中斷的主程序。圖6為整個中斷響應(yīng)和處理過程。

圖7中斷響應(yīng)和處理過程

如果單片機(jī)沒有中斷系統(tǒng)，單片機(jī)的大量時間可能會浪費(fèi)在查詢是否有服務(wù)請求發(fā)生的定時查詢操作上。采用中斷技術(shù)完全消除了單片機(jī)在查詢方式中的等待現(xiàn)象，大大地提高了單片機(jī)的工作效率和實(shí)時性。

四、電路系統(tǒng)設(shè)計

4.1硬件電路設(shè)計系統(tǒng)總體框圖

本設(shè)計采用STC89C51單片機(jī)作為主控制器，外部加上三極管驅(qū)動放音設(shè)備。系統(tǒng)總體框圖如下：

圖8系統(tǒng)總體框圖

4.2最小系統(tǒng)設(shè)計

最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其所需的必要的電源、時鐘、復(fù)位等部件，能使單片機(jī)始終處于正常的運(yùn)行狀態(tài)。電源、時鐘等電路是使單片機(jī)能運(yùn)行的必備條件，可以將最小系統(tǒng)作為應(yīng)用系統(tǒng)的核心部分，通過對其進(jìn)行存儲器擴(kuò)展、A/D擴(kuò)展等，使單片機(jī)完成較復(fù)雜的功能。

4.3時鐘電路

STC89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳RXD和TXD分別是此放大器的輸入端和輸出端。時鐘可以由內(nèi)部方式產(chǎn)生或外部方式產(chǎn)生。內(nèi)部時鐘在此不做詳細(xì)介紹。外部方式的時鐘電路如圖3所示，RXD接地，TXD接外部振蕩器。對外部振蕩信號無特殊要求，只要求保證脈沖寬度，一般采用頻率在12MHz或11.0592MHZ晶振。

圖9 89c51內(nèi)部時鐘電路

4.4復(fù)位電路

當(dāng)在89C51單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個機(jī)器周期時，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。

復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。

最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充放電來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位。

除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST（9）端與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位電路見圖4。時鐘頻率用11.0592MHZ時C取10uF,R取10kΩ。

圖10 89C51復(fù)位電路

4.5按鍵控制模塊

電子琴設(shè)有8個按鍵，8個按鍵分別代表8個音符，包括中音段的全部音符，通過軟硬件設(shè)計。

如下圖：

圖11按鍵模塊

4.6播放模塊

播放模塊是由2個三極管構(gòu)成，三級管將信號放大，然后傳輸?shù)嚼�叭，喇叭它幾乎不存在噪聲，音響效果較好。

下圖是該模塊電路：

圖12播放模塊

三極管是電流放大器件，有三個極，分別叫做集電極C，基極B，發(fā)射極E。分成NPN和PNP兩種。我們僅以NPN三極管的共發(fā)射極放大電路為例來說明一下三極管放大電路的基本原理。

（1）電流放大

下面的分析僅對于NPN型硅三極管。如上圖所示，我們把從基極B流至發(fā)射極E的電流叫做基極電流Ib；把從集電極C流至發(fā)射極E的電流叫做集電極電流Ic。這兩個電流的方向都是流出發(fā)射極的，所以發(fā)射極E上就用了一個箭頭來表示電流的方向。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假設(shè)電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系：集電極電流的變化量是基極電流變化量的β倍，即電流變化被放大了β倍，所以我們把β叫做三極管的放大倍數(shù)（β一般遠(yuǎn)大于1，例如幾十，幾百）。如果我們將一個變化的小信號加到基極跟發(fā)射極之間，這就會引起基極電流Ib的變化，Ib的變化被放大后，導(dǎo)致了Ic很大的變化。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么根據(jù)電壓計算公式U=R*I可以算得，這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。我們將這個電阻上的電壓取出來，就得到了放大后的電壓信號了。

（2）偏置電路

三極管在實(shí)際的放大電路中使用時，還需要加合適的偏置電路。這有幾個原因。首先是由于三極管BE結(jié)的非線性（相當(dāng)于一個二極管），基極電流必須在輸入電壓大到一定程度后才能產(chǎn)生（對于硅管，常取0.7V）。當(dāng)基極與發(fā)射極之間的電壓小于0.7V時，基極電流就可以認(rèn)為是0。但實(shí)際中要放大的信號往往遠(yuǎn)比0.7V要小，如果不加偏置的話，這么小的信號就不足以引起基極電流的改變（因?yàn)樾∮?.7V時，基極電流都是0）。如果我們事先在三極管的基極上加上一個合適的電流（叫做偏置電流，上圖中那個電阻Rb就是用來提供這個電流的，所以它被叫做基極偏置電阻），那么當(dāng)一個小信號跟這個偏置電流疊加在一起時，小信號就會導(dǎo)致基極電流的變化，而基極電流的變化，就會被放大并在集電極上輸出。另一個原因就是輸出信號范圍的要求，如果沒有加偏置，那么只有對那些增加的信號放大，而對減小的信號無效（因?yàn)闆]有偏置時集電極電流為0，不能再減小了）。而加上偏置，事先讓集電極有一定的電流，當(dāng)輸入的基極電流變小時，集電極電流就可以減小；當(dāng)輸入的基極電流增大時，集電極電流就增大。這樣減小的信號和增大的信號都可以被放大了。

（3）開關(guān)作用

下面說說三極管的飽和情況。像上面那樣的圖，因?yàn)槭艿诫娮鑂c的限制（Rc是固定值，那么最大電流為U/Rc，其中U為電源電壓），集電極電流是不能無限增加下去的。當(dāng)基極電流的增大，不能使集電極電流繼續(xù)增大時，三極管就進(jìn)入了飽和狀態(tài)。一般判斷三極管是否飽和的準(zhǔn)則是：Ib*β〉Ic。進(jìn)入飽和狀態(tài)之后，三極管的集電極跟發(fā)射極之間的電壓將很小，可以理解為一個開關(guān)閉合了。這樣我們就可以拿三極管來當(dāng)作開關(guān)使用：當(dāng)基極電流為0時，三極管集電極電流為0（這叫做三極管截止），相當(dāng)于開關(guān)斷開；當(dāng)基極電流很大，以至于三極管飽和時，相當(dāng)于開關(guān)閉合。如果三極管主要工作在截止和飽和狀態(tài)，那么這樣的三極管我們一般把它叫做開關(guān)管。

圖13三極管引腳介紹

4.7單片機(jī)發(fā)聲概述

一般來說，單片機(jī)不像其他專業(yè)樂器那樣能奏出多種音色的聲音，即不包含相應(yīng)幅度的諧振頻率。單片機(jī)演奏的音樂基本都是單音頻率。因此單片機(jī)演奏音樂比較簡單，只需能清楚“音調(diào)”和“節(jié)拍”兩個概念即可。音調(diào)表示一個音符唱多高的頻率。節(jié)拍表示一個音符唱多長的時間。

知道了一個音符的頻率后，便可以讓單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)頻率的振蕩信號，從而產(chǎn)生相應(yīng)的音符聲音。通過單片機(jī)的定時器進(jìn)行定時中斷，在中斷服務(wù)程序中將單片機(jī)上完結(jié)單片機(jī)I/O口來回置高電平或者是低電平的，從而讓揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。通過節(jié)拍計算出每個音符所需要的時間，采用循環(huán)延時的方法來實(shí)現(xiàn)控制一個音符唱多長的時間，從而構(gòu)成一首完整的音樂。

音調(diào)主要由聲音的頻率決定。對一定強(qiáng)度的純音，音調(diào)隨頻率的升降而升降；對一定頻率的純音、低頻純音的音調(diào)隨響度增加而下降，高頻純音的音調(diào)卻隨響度增加而上升。

音調(diào)的高低還與發(fā)聲體的結(jié)構(gòu)有關(guān)，因?yàn)榘l(fā)聲體的結(jié)構(gòu)影響了聲音的頻率。大體上，2000赫茲以下的低頻純音的音調(diào)隨響度的增加而下降，3000赫茲以上高頻純音的音調(diào)隨響度的增加而上升。

例如，在音樂中常常把中音C上方的A音定位標(biāo)準(zhǔn)高音，其頻率F=440HZ，其余音均與其進(jìn)行比較。F1和F2為兩個音符，如果這兩個音符的頻率相差一倍時，也即F2=2*F1時，則稱F2比F1高一個頻程。

在音樂中音符1與音符2，音符2與音符3……等等之間正好相差一個倍頻程，在音樂學(xué)中稱它相差一個八度音。在一個八度內(nèi)，有12個半音。由于人耳的聽覺效果，這12個音階的分度基本上是以對數(shù)的關(guān)系來劃分的。只要知道12個音符的音高，也就是其基本頻率，就可以根據(jù)音符之間的倍頻關(guān)系得到其他音符的基本音調(diào)頻率[3]。

以標(biāo)準(zhǔn)高音A的頻率F=440HZ，其對應(yīng)的周期為：T=1/F=1/440=2272us

因此需要在單片機(jī)I/O端口輸出周期為T=2272us的方波脈沖，也就是t=T/2=2272/2=1136us

也就是說，單片機(jī)上定時器的中斷出發(fā)時間為1136us。如果單片機(jī)采用定時器為工作方式1，它以振蕩器的十二分頻信號為計數(shù)脈沖。設(shè)外接晶振的振蕩器頻率為f，則定時器的預(yù)置初始值有以下公式來確定：

Temp=65536-(50000/CurrentFre)*10/(12000000/SYSTEM_OSC)

TH=Temp/256

TL=Temp%256

4.8編程軟件KeilC51

KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。KeilC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面詳細(xì)介紹KeilC51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。Keil_c軟件界面如圖14：

圖14 Keil_c軟件界面

該軟件是一款集編程和仿真于一體的軟件，它支持匯編、C語言及二者的混合編程。

4.9畫圖軟件Protel99SE

Protel99SE是PORTEL公司在80年代末推出的EDA軟件。Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計軟件，采用設(shè)計庫管理模式，可以網(wǎng)設(shè)計，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設(shè)計軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計，印制電路板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計等工作，可以設(shè)計32個信號層，16個電源--地層和16個機(jī)加工層。

Protel99SE軟件的特點(diǎn)：

可生成30多種格式的電氣連接網(wǎng)絡(luò)表；

強(qiáng)大的全局編輯功能；

在原理圖中選擇一級器件，PCB中同樣的器件也將被選中；

同時運(yùn)行原理圖和PCB，在打開的原理圖和PCB圖間允許雙向交叉查找元器件、引腳、網(wǎng)絡(luò)

既可以進(jìn)行正向注釋元器件標(biāo)號（由原理圖到PCB），也可以進(jìn)行反向注釋（由PCB到原理圖），以保持電氣原理圖和PCB在設(shè)計上的一致性；

滿足國際化設(shè)計要求（包括國標(biāo)標(biāo)題欄輸出，GB4728國標(biāo)庫）；*方便易用的數(shù)模混合仿真（兼容SPICE3f5）；

支持用CUPL語言和原理圖設(shè)計PLD，生成標(biāo)準(zhǔn)的JED下載文件；*PCB可設(shè)計32個信號層，16個電源-地層和16個機(jī)加工層；

強(qiáng)大的“規(guī)則驅(qū)動”設(shè)計環(huán)境，符合在線的和批處理的設(shè)計規(guī)則檢查；

智能覆銅功能，覆鈾可以自動重鋪；

提供大量的工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)電路板做為設(shè)計模版；

放置漢字功能；

可以輸入和輸出DXF、DWG格式文件，實(shí)現(xiàn)和AutoCAD等軟件的數(shù)據(jù)交換；

智能封裝導(dǎo)航（對于建立復(fù)雜的PGA、BGA封裝很有用）；

方便的打印預(yù)覽功能，不用修改PCB文件就可以直接控制打印結(jié)果；

獨(dú)特的3D顯示可以在制板之前看到裝配事物的效果；

強(qiáng)大的CAM處理使您輕松實(shí)現(xiàn)輸出光繪文件、材料清單、鉆孔文件、貼片機(jī)文件、測試點(diǎn)報告等；

經(jīng)過充分驗(yàn)證的傳輸線特性和仿真精確計算的算法，信號完整性分析直接從PCB啟動；

反射和串?dāng)_仿真的波形顯示結(jié)果與便利的測量工具相結(jié)合；

Protel99SE的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的Windows界面，如圖所示，包括：標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預(yù)覽對象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。Protel99SE軟件界面如圖15。

圖15 Prtel99SE軟件界面

五、調(diào)試結(jié)果分析

這是本設(shè)計較為困難的一部分，需要經(jīng)過反反復(fù)復(fù)的調(diào)試，才能達(dá)到理想中的效果，以下將分文硬件與軟件兩部分介紹此次調(diào)試的過程，以及調(diào)試過程中遇到的困難和解決辦法。

程序主要取自一個音樂播放程序，但沒有功率放大部分，更沒有按鈕部分。在此基礎(chǔ)之上，首先是對其進(jìn)行一定的修改，在保留原來音調(diào)產(chǎn)生程序的前提下，進(jìn)行主程序的設(shè)計，首先對所有端口進(jìn)行初始化操作，接著進(jìn)入不斷循環(huán)部分，直到按鍵按下，進(jìn)入防止抖動程序，如果不是抖動，則進(jìn)入音樂播放程序，直到按鍵松開，再次進(jìn)入等待按鍵按下部分。

在keil軟件經(jīng)不斷改進(jìn)后，生成hex文件，再用開發(fā)板燒入程序，并通過stc-isp燒錄軟件燒錄后，最終得以完成。

程序在開始之初是用簡單的中斷延遲來實(shí)現(xiàn)，對于編歌曲來講需要很大的工作量，在網(wǎng)上查找大量的資料之后，找到了一個做音樂播放器的程序，他也是基于中斷延遲來實(shí)現(xiàn)播放功能，但是他對于歌曲編輯的靈活性，有很大的發(fā)展空間，所以我就采用了他的部分程序。

所以，主要考慮到的是如何在播放完一個音節(jié)后，進(jìn)入在此等待狀態(tài)。對于該段程序中的主要保護(hù)手段，就是按鈕防治抖動部分，因此在等待按鈕按下后，采用一小段的延遲程序，再次判定是否有按鈕的按下，再進(jìn)入播放程序。

1）元器件的裝插焊接應(yīng)遵循先小后大，先輕后重，先低后高，先里后外的原則，這樣有利于裝配順利進(jìn)行。

2）在瓷介電容、電解電容及三極管等元件立式安裝時，引線不能太長，否則降低元器件的穩(wěn)定性；但也不能過短，以免焊接時因過熱損壞元器件。一般要求距離電路板面2mm，并且要注意電解電容的正負(fù)極性，不能插錯。

3）集成電路的焊接，在焊接時，首先要弄清引線腳的排列順序，并與線路板上的焊盤引腳對準(zhǔn)，核對無誤后，先固定IC，然后再重復(fù)檢查，確認(rèn)后再焊接其余腳位。由于IC引線腳較密，焊接完后要檢查有無虛焊，連焊等現(xiàn)象，確保焊接質(zhì)量。

4）焊錫之前應(yīng)該先插上電烙鐵的插頭，給電烙鐵加熱。

5）焊接時，焊錫與電路板、電烙鐵與電路板的夾角最好成45度，這樣焊錫與電烙鐵夾角成90度。

6）焊接時，焊錫與電烙鐵接觸時間不要太長，以免焊錫過多或是造成漏錫；也不要過短，以免造成虛焊。

7）元件的腿盡量要直，而且不要伸出太長，以1毫米為好，多余的可以剪掉。

8）焊完時，焊錫最好呈圓滑的圓錐狀，而且還要有金屬光澤

9）設(shè)計裝上3節(jié)5號電池，確保電壓在4.5v~5.5v之間，首先檢測電路板有無焊接短路，然后通電。確保萬無一失！

六、總結(jié)

Protel使用常見問題

1、原理圖常見錯誤：

(1)ERC報告管腳沒有接入信號：

a、創(chuàng)建封裝時給管腳定義了I/O屬性；

b、創(chuàng)建元件或放置元件時修改了不一致的grid屬性，管腳與線沒有連上；

c、創(chuàng)建元件時pin方向反向，必須非pinname端連線。

(2)元件跑到圖紙界外：沒有在元件庫圖表紙中心創(chuàng)建元件。

(3)創(chuàng)建的工程文件網(wǎng)絡(luò)表只能部分調(diào)入pcb:生成netlist時沒有選擇為global。

(4)當(dāng)使用自己創(chuàng)建的多部分組成的元件時，千萬不要使用annotate.

2、PCB中常見錯誤：

(1)網(wǎng)絡(luò)載入時報告NODE沒有找到：

a、原理圖中的元件使用了pcb庫中沒有的封裝；

b、原理圖中的元件使用了pcb庫中名稱不一致的封裝；

c、原理圖中的元件使用了pcb庫中pinnumber不一致的封裝。如三極管：sch中pinnumber為e,b,c,而pcb中為1,2,3。

（2）打印時總是不能打印到一頁紙上：

a、創(chuàng)建pcb庫時沒有在原點(diǎn)；

b、多次移動和旋轉(zhuǎn)了元件，pcb板界外有隱藏的字符。選擇顯示所有隱藏的字符，縮小pcb,然后移動字符到邊界內(nèi)。

（3）DRC報告網(wǎng)絡(luò)被分成幾個部分：

表示這個網(wǎng)絡(luò)沒有連通，看報告文件，使用選擇CONNECTEDCOPPER查找。

另外提醒朋友盡量使用WIN2000,減少藍(lán)屏的機(jī)會；多幾次導(dǎo)出文件，做成新的DDB文件，減少文件尺寸。如果作較復(fù)雜得設(shè)計，盡量不要使用自動布線。

在當(dāng)今高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的時期,頻率計在計算機(jī)、通訊設(shè)備、音頻視頻等科研生產(chǎn)領(lǐng)域是不可缺少的測量儀器。隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)成為一項(xiàng)越來越普遍的東西，正受到越來越多的關(guān)注，本次設(shè)計以單片機(jī)為核心，設(shè)計合理，效果良好。

在本次設(shè)計的過程中，我深刻體會到了自己在專業(yè)知識的掌握上的不足，特別是在程序編寫上，遇到了許多問題，這使我不得不認(rèn)真的去學(xué)習(xí)程序編寫，去深入了解程序編寫的原理。由于本次設(shè)計涉及的知識面較廣，需要經(jīng)常通過網(wǎng)上查詢資料，隨時和老師、同學(xué)進(jìn)行交流，受益菲淺，并在老師的指導(dǎo)下，彌補(bǔ)了自己在許多知識面上的不足。這次設(shè)計更讓我認(rèn)識到了查閱資料自學(xué)的重要性，在今后的學(xué)習(xí)中，應(yīng)該多看一些專業(yè)方面的書籍，豐富自己的知識，提高自己的專業(yè)水平，相信這一定會對以后走上工作崗位的我有很大的幫助。