基于單片機(jī)的16鍵多功能電子琴硬件設(shè)計(jì)

葛水河，張窩羊，楊旭輝

（漯河食品職業(yè)學(xué)院，河南 漯河 462300）

現(xiàn)代電子產(chǎn)品滲透到社會(huì)生活各個(gè)角落，本次設(shè)計(jì)的著重點(diǎn)就是在耗能低、工作效率高、生產(chǎn)花費(fèi)少的條件下達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)需求指標(biāo)，實(shí)用新穎的基于單片機(jī)的16鍵多功能電子琴設(shè)計(jì)，它具有體積小、穩(wěn)定高、價(jià)錢實(shí)惠的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成

在選定機(jī)型的基礎(chǔ)上，依照整個(gè)設(shè)計(jì)的總體要求，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)中硬件部分的相關(guān)元器件，接著確定電路原理圖和總體框圖，進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)。

該設(shè)計(jì)要設(shè)計(jì)16鍵多功能電子琴，這個(gè)電子琴中的單片機(jī)工作的時(shí)鐘頻率是12 MHz，定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作模式設(shè)置1，通過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)值與，進(jìn)而得到多種頻率的脈沖信號(hào)。音樂(lè)發(fā)生器通過(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái)，來(lái)源是依據(jù)用戶自己彈奏的音樂(lè)，用戶在鍵盤輸入彈奏樂(lè)曲的。

運(yùn)用單片機(jī)生成音頻脈沖，來(lái)啟動(dòng)揚(yáng)聲器，是由于它不足以提供充足的驅(qū)動(dòng)能力，不能夠產(chǎn)生想要的音樂(lè)。因此要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，增加一個(gè)電路，這個(gè)電路的功能是放大音頻功率。該次設(shè)計(jì)，電子琴的改進(jìn)放大電路是通過(guò)低壓音頻功率放大器實(shí)現(xiàn)的，這樣子就可以產(chǎn)生想要的音樂(lè)。

在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，一個(gè)很好的特點(diǎn)就是在電流斷開(kāi)的情況下可以保存數(shù)據(jù)，不會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失，所以選擇錄制鍵盤，主要是錄制彈奏音樂(lè)的這個(gè)過(guò)程。單片機(jī)和總線的連接是通過(guò)芯片實(shí)現(xiàn)的，這樣電子琴就可以彈奏相應(yīng)的音樂(lè)，完成錄制與回放功能。如圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 各功能模塊原理圖

2.1 STC89C52最小系統(tǒng)模塊

STC89C52最小系統(tǒng)的組成部分是12M晶振電路，P0口和復(fù)位電路等，結(jié)構(gòu)齊全，特別是單片機(jī)存在的四個(gè)腳，大大便利了程序，這個(gè)模塊的電路原理圖如圖2所示。

2.2 鍵盤掃描模塊電路

鍵盤主要有矩陣式和獨(dú)立式兩種：①矩陣式：4X4矩陣式鍵盤電路，鍵盤按鍵正方形分布。這個(gè)鍵盤在鍵位默認(rèn)時(shí)候處于高電平；按下，改變電平，這個(gè)改變?nèi)Q與之連接的列線的電平值，它們之間是成正比例的，這就是識(shí)別按鍵是否按下的關(guān)鍵所在；②獨(dú)立式：這個(gè)鍵盤顧名思義，就是每一個(gè)按鍵都有一根獨(dú)立的I/O線，互不干擾，輸入線電平可以得到按鍵是否按下。

方案比較：①矩陣式鍵盤：占用I/O口線較少，編程比較復(fù)雜；②獨(dú)立式鍵盤：電路簡(jiǎn)單，編程簡(jiǎn)單，占用I/O口線多。

因?yàn)楸敬位趩纹瑱C(jī)的16鍵多功能電子琴設(shè)計(jì)的琴鍵控制電路需要16個(gè)按鍵，因此，單純地從I/O口線的占用的角度去比較，獨(dú)立式鍵盤就需要占用16條I/O口線，而矩陣式鍵盤卻只需8條。所以，選擇矩陣式鍵盤電路，相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較合理的。

通常掃描方法類型是線反轉(zhuǎn)和行掃描法兩種，本次設(shè)計(jì)采取的是線反轉(zhuǎn)法，將列線作為輸出線，行線作為輸入線。置輸出線全部為0，此時(shí)行線中呈低電平0的為按鍵所在行，如果全部都不是0，則沒(méi)有按鍵按下。將前面的行列狀態(tài)反過(guò)來(lái)，即將行線作為輸出線，列線作為輸入線。置輸出線全部為0，此時(shí)列線呈低電平的為按鍵所在的列。這樣，經(jīng)處理程序，就可以確定了按鍵的位置（X，Y），實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，如圖3所示，這就是原理圖。

圖3 鍵盤掃描模塊電路原理圖

2.3 數(shù)碼管顯示模塊電路

數(shù)碼管顯示模塊電路的關(guān)鍵器件是共陽(yáng)級(jí)數(shù)碼管，圖4所示，I/O口電平變化，這時(shí)候二極管隨之亮或者滅，根據(jù)編碼顯示出相應(yīng)字符，操作人員學(xué)習(xí)起來(lái)效率高還方便。

圖4 數(shù)碼管顯示模塊電路原理圖

2.4 音頻處理模塊電路

對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，增加一個(gè)電路，這個(gè)電路的功能是放大音頻功率。該次設(shè)計(jì)，電子琴的改進(jìn)放大電路是通過(guò)低壓音頻功率放大器（耗能低和增益明顯）實(shí)現(xiàn)的，這樣不但解決了驅(qū)動(dòng)力低，還可以產(chǎn)生想要的音樂(lè)，這個(gè)原理如圖5所示，看出來(lái)模塊電路的具體工作。

圖5 音頻處理模塊電路原理圖

2.5 EEPROM存儲(chǔ)模塊電路

本電子琴加入了EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)錄制的歌曲，如圖6 EEPROM存儲(chǔ)模塊電路原理圖所示，器件有一個(gè)保護(hù)就是寫保護(hù)，這個(gè)功能是通過(guò)IIC總線接口進(jìn)行操作完成的。

圖6 EEPROM存儲(chǔ)模塊電路原理圖