基于AT89S52的乐曲编辑发生器的设计

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1引言

??? 基于RTX51的乐曲编辑发生器以AT89S52单片机为控制核心，操作者可以通过4×4矩阵键盘输入约定格式的任意乐曲，按“播放”键后，系统便开始播放所编辑的乐曲，并且音调和节拍都可以由单片机精确控制。为了降低成本，在最小硬件设计的基础上，系统的功能尽可能用软件来实现，系统软件是在面向MCS-51系列单片机的嵌入式实时多任务操作系统RTX51Tiny平台上，用C51高级语言和MCS-51汇编语言混合编程而开发的。
2 系统硬件设计
??? 为了今后能够在线升级用户应用程序，采用带ISP接口的单片机AT89S52为核心构成乐曲编辑发生器。AT89S52具有快速8051内核、8 Kb FlashE2PROM、256 b IDATA RAM，完全符合运行RTX51Tiny的硬件要求。笔者已研制了AT89S51／52的目标程序PC机下载软件，无需编程器即可完成单片机应用系统的开发。
??? 为了设计编辑任意乐曲的人机界面，采用4×4矩阵键盘作为系统的输入设备，采用点阵式液晶显示模块TC1602A作为系统的输出设备。为了存储和读出任意乐曲，采用带I2C串行接口的E2PROM存储器AT24C02。为了放大单片机AT89S52产生的乐曲声音，采用了功率放大器LM386。系统硬件电路原理图如图1所示。





3 乐曲编辑和播放的软件实现
3.1 单片机产生音频矩形脉冲的方法
??? 利用单片机的内部定时器T1并使其工作在定时器工作方式1(16 bit定时)，改变T1的计数初值，就可以在单片机的I／O引脚端产生不同频率的音频矩形脉冲。
??? 例如，音频矩形脉冲信号的频率为523 Hz，则其周期T=1／523=1912μs，因此，只要让计数器定时1912μs÷2=956μs，当定时956μs到的时候，将AT89S52的乐曲输出引脚P3.7反相，就可得到中音DO(523 Hz)。
??? 单片机定时器计数初值T与单片机内部机器周期信号频率Fi和音频矩形脉冲信号频率Fr的关系如下。




为了叙述方便，不妨把定时器计数初值T称为简谱码。
3.2 乐曲的音调表示方法
??? 单片机播放乐曲的过程，主要是用单片机来识别所编辑的乐曲并播放出来。单片机需要识别乐曲中的音调和音长(音长亦称为节拍)，本设计用字母A～Z来代表乐曲的各个音调。数字0作为音调的结束标志，如表1所示。





3.3 乐曲编辑的软件实现方法
??? 在系统软件设计时，已将按键处理作为一个任务即“按键处理任务”，它的主要功能是编辑乐曲。“按键处理任务”的执行需要“键盘扫描任务”向它发送信号来触发执行。“按键处理任务”的C51源程序如下。










3.4 乐曲播放的软件实现方法
??? 在设计“播放任务”程序时，利用AT89S52内部的定时器T1定时溢出中断来产生音调的频率，并利用RTX51操作系统的os_wait2(K_TMO,ticks)函数来产生音长。“播放任务”的C51源程序如下：







3.5 系统软件流程
??? 根据对系统功能的分析，把系统软件分解为5个任务，具体如下：
??? 任务0：系统初始化任务，包括TC1602A的初始化、定时器T1的初始化、中断初始化。在启动任务1～任务4后，自动删除任务0，使得任务0只在系统上电复位时执行一次。
??? 任务1：键盘扫描任务。每隔50 ms执行1次，扫描所得的键值存于全局变量keycode，然后向“按键处理任务”发信号。
??? 任务2：按键处理任务。等待信号，根据键值keycode完成相应处理，实现的功能包括乐曲的编辑、乐曲的保存和读取等。
??? 任务3：播放任务。等待信号，按照音调和音长播放乐曲。
??? 任务4：显示刷新任务。根据光标指针变量的值在液晶屏上显示乐曲数据(音调和音长)。
??? 系统软件流程图如图2所示。





4 结束语
??? 本文给出了以单片机AT89S52为核心构成的任意乐曲编辑发生器，具有硬件电路简单、操作界面友好、使用方便的特点。该系统已投入运行，播放出来的乐曲效果良好，音调和节拍都由单片机控制得相当准确。