【正文】 目 錄一、設計電子琴的作用與目的 1二、電子琴設計要求 1三、電子琴設計所用設備及軟件 2四、電子琴系統(tǒng)設計方案 2五、電子琴系統(tǒng)硬件設計 3 琴鍵控制電路 3 矩陣式鍵盤 3 獨立式鍵盤 4 方案比較 4 數碼管顯示電路 5 LED數碼管顯示原理 5 LED數碼管靜態(tài)顯示 5 LED數碼管動態(tài)顯示 6 方案比較 7 音頻功放電路 7 時鐘復位電路 8 時鐘電路 8 復位電路 8 電源電路 9 整體電路 10六、電子琴系統(tǒng)軟件設計 10 系統(tǒng)硬件接口定義 10 主函數 10 初始化函數 11 數碼管顯示函數 11 中斷函數 11 鍵值掃描函數 12 音頻處理函數 13七、電子琴設計調試 14 調試工具 14 調試結果 14 電子琴設計中的問題及解決方法 15八、電子琴設計總結 15參考文獻 17附錄1：電子琴系統(tǒng)原理圖 18附錄2：源程序 19基于51單片機的電子琴設計基于51單片機的電子琴設計在電子音樂領域，電子音調作為現代電子科技與音樂結合的產物，它在現代音樂中扮演著重要的角色。目前，由于電子音樂的普及，電子音調合成器（合成器實際上就是一臺聲音的頻率合成儀，可以制作各種聲音，改變各種音色）可以解決相當一部分的歌唱及舞廳的伴奏問題。其中，電子琴就是一種新型的鍵盤電子樂器。一、設計電子琴的作用與目的音樂教育是學校美育的主要途徑和最重要內容，它在陶冶情操、提高素養(yǎng)、開發(fā)智力，特別是在培養(yǎng)學生創(chuàng)新精神和實踐能力方面發(fā)揮著獨特的作用。近年來，我國音樂教育在理論與實踐上都取得了有目共睹的成績，探索并形成了具有中國特色的、較為完整的音樂教育教學體系。但我國音樂教育的改革力度離素質教育發(fā)展的要求還存在一定距離。如今，電子琴作為電子時代的新產物以其獨特的功能和巨大的兼容性被人們廣泛的接受和推崇。而在課堂教學方面，它擁有其它樂器無法比擬的兩個瞬間：瞬間多元素思維的特殊的彈奏方法；瞬間多聲部(包括多音色 )展示的樂隊音響效果的特點。結合電子琴自身強大的功能及獨特的優(yōu)點來進行音樂教育的實施，這樣就應該大力推廣電子琴進入音樂教室，讓電子琴教學在音樂教育中發(fā)揮巨大的作用?，F代樂器中，電子琴是高新科技在音樂領域的一個代表，體現了人類電子技術和藝術的完美結合。電子琴自動伴奏的穩(wěn)定性、準確性，以及鮮明的強弱規(guī)律、隨人設置的速度要求，都更便于人們由易到難、深入淺出的準確掌握歌曲節(jié)奏和樂曲風格，對其節(jié)奏的穩(wěn)定性和準確性訓練能起到非常大的作用。電子琴所包含的巨量的音樂信息和強大的音樂表現力可以幫助音樂教學更好地貫徹和落實素質教育，更有效地提高人們的音樂素質和能力。目前，市場上的電子琴可謂琳瑯滿目，功能也是越來越完備。以單片機作為主控核心，設計并制作的電子琴系統(tǒng)運行穩(wěn)定，其優(yōu)點是硬件電路簡單、軟件功能完善、控制系統(tǒng)可靠、性價比較高等，具有一定的實用與參考價值。這就為電子琴的普及提供了方便。二、電子琴設計要求本設計主要是用AT89C51單片機為核心控制元件，設計一臺電子琴。以單片機作為主控核心，與鍵盤、揚聲器等模塊組成核心主控制模塊，在主控模塊上設有8個按鍵和1個復位按鍵。本系統(tǒng)主要是完成2大功能：音樂自動播放、電子琴彈奏。關于聲音的處理，使用單片機C語言，利用定時器來控制頻率，而每個音符的符號只是存在自定義的表中?？傊?，本設計的電子琴有以下要求：（1）用鍵盤作出電子琴的按鍵，共7個，每鍵代表1個音符。各音符按照符合電子 琴的按鍵順序排列；（2）達到電子琴的基本功能，可以用彈奏出簡單的樂曲；（3）不彈奏時，利用功能鍵可以播放內置音樂。三、電子琴設計所用設備及軟件 本設計除了需要計算機，還會用到三款軟件：作圖軟件Protel99SE、仿真軟件Proteus、編程軟件Keil uVision4。關于這三種軟件的簡介如表1所示。表1 軟件簡介軟件名稱軟件圖標主要特點作用備注Protel99SEProtel99SE是PC環(huán)境下以獨特設計管理和協(xié)作技術為核心的印制電路板設計軟件系統(tǒng)，是基于Windows 95/98/2000/NT的全32位EDA設計系統(tǒng)。它主要采用了SmartDoc技術、SmartTool技術、SmartTeam技術。繪制電路圖和PCB板ProteusProteus軟件具有其它EDA工具軟件的功能，諸如：原理布圖、PCB自動或人工布線、SPICE電路仿真。除此之外還有一些革命性的特點：互動的電路仿真、仿真處理器及其外圍電路。數字電路仿真Keil uVision4uVision4在uVision3 IDE的基礎上，增加了更多大眾化的功能：多顯示器和靈活的窗口管理系統(tǒng)；系統(tǒng)瀏覽器窗口的顯示設備外設寄存器信息；調試還原視圖創(chuàng)建并保存多個調試窗口布局；多項目工作區(qū)簡化與眾多的項目。編寫程序四、電子琴系統(tǒng)設計方案本系統(tǒng)采用AT89C51為主控芯片，因其精度較高，操作比較靈活，輸入電路和輸出電路由芯片來進行處理，電路的系統(tǒng)的穩(wěn)定性高，功耗小。其中，輸入電路有8個獨立按鍵，通過按鍵隨意按下所要表達的音符，作為電平送給主體電路，中央處理器通過識別，解碼輸出音符，在揚聲器中發(fā)出有效的聲音。由于需要顯示的信息不多，顯示電路未采用液晶屏顯示，而是使用數碼管顯示電路負責顯示按下的琴鍵所對應的鍵值，這樣既節(jié)省了成本了，又降低了編程難度。時 鐘復位電路琴 鍵控制電路音 頻功放電路數碼管顯示電路 51單片機圖1 基于51單片機的電子琴電路的原理框圖如圖1所示基于單片機AT89C51的電子琴電路，它主要由琴鍵控制電路、數碼管顯示電路、音頻功放電路、時鐘復位電路和電源電路五部分所構成。五、電子琴系統(tǒng)硬件設計基于單片機AT89C51的電子琴電路由琴鍵控制電路、數碼管顯示電路、音頻功放電路、時鐘復位電路和電源電路五部分所構成。琴鍵控制電路采用了8輸入與門芯片CD4068B，收集8個獨立按鍵的開關狀態(tài)信號，并觸發(fā)單片機的外部中斷來處理；而數碼管顯示電路負責顯示按下的琴鍵所對應的鍵值；同時，音頻功放電路也會播放琴鍵對應的音調；電源電路為整個電路提供能源。 琴鍵控制電路琴鍵控制電路作為人機聯系的輸入部分，也是間接控制數碼顯示和音頻功放的重要組成部分。鍵盤按照連接方式可以分為獨立式和矩陣式鍵盤兩類。 矩陣式鍵盤矩陣式（也稱行列式）鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。由于矩陣式鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號配合，才能確定閉合鍵位置。相對于獨立式鍵盤而言，軟件上編程會稍微復雜些。如圖2所示為4X4矩陣式鍵盤電路，由一個4X4的行、列結構可以構成一個16個按鍵鍵盤，再結合芯片74LS20來觸發(fā)中斷。在按鍵數目較多的場合，要節(jié)省較多的I/O口線。圖2 矩陣式鍵盤電路矩陣中無按鍵按下時，行線為高電平；當有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平決定。列線的電平如果為低，則行線電平為低；列線的電平如果為高，則行線的電平也為高，這是識別按鍵是否按下的關鍵所在。 獨立式鍵盤圖3 獨立式鍵盤電路獨立式鍵盤的特點是一鍵一線，各鍵相互獨立，每個鍵各接一條I/O口線，通過檢測I/O輸入線的電平狀態(tài)，可判斷出被按下的按鍵。顯而易見，這樣電路簡單，各條檢測線獨立，識別按下按鍵的軟件編寫簡單。適用于鍵盤按鍵數目較少的場合，不適用于鍵盤按鍵數目較多的場合，因為將占用較多的I/O口線。獨立式鍵盤電路如圖3所示，8個獨立按鍵分別對應一個I/O口線，當某一按鍵按下時，對應的檢測線就變成了低電平，與其它按鍵相連的檢測線仍為高電平，只需讀入I/O輸入線的狀態(tài)，判別哪一條I/O輸入線為低電平，很容易識別哪個鍵被按下。同時采用了8輸入與門芯片CD4068B，收集8個獨立按鍵的開關狀態(tài)信號，并觸發(fā)單片機的外部中斷來處理，大大提高了單片機CPU的利用率。 方案比較對于以上兩種電路的的優(yōu)缺點比較如表2所示。由于此次設計的琴鍵控制電路需要8個按鍵，故單純從I/O口線的占用的角度比較，獨立式需要占用8條I/O口線，而矩陣式卻只需6條。但是從程序編寫的難易程度來看，若使用矩陣鍵盤電路來設計會比獨立式鍵盤電路難一些，故選擇獨立式鍵盤電路比較合理。表2 獨立式和矩陣式的的優(yōu)缺點比較鍵盤類型優(yōu)點缺點獨立式編程簡單一鍵一線，占用I/O口線多矩陣式占用I/O口線較少，尤其是在按鍵數目多的時候優(yōu)勢明顯