基于單片機的16鍵多功能電子琴硬件設計

葛水河，張窩羊，楊旭輝

（漯河食品職業學院，河南 漯河 462300）

現代電子產品滲透到社會生活各個角落，本次設計的著重點就是在耗能低、工作效率高、生產花費少的條件下達到各項設計需求指標，實用新穎的基于單片機的16鍵多功能電子琴設計，它具有體積小、穩定高、價錢實惠的特點。

1 系統組成

在選定機型的基礎上，依照整個設計的總體要求，確定設計系統中硬件部分的相關元器件，接著確定電路原理圖和總體框圖，進行硬件的設計。

該設計要設計16鍵多功能電子琴，這個電子琴中的單片機工作的時鐘頻率是12 MHz，定時/計數器工作模式設置1，通過調節計數值與，進而得到多種頻率的脈沖信號。音樂發生器通過揚聲器播放出來，來源是依據用戶自己彈奏的音樂，用戶在鍵盤輸入彈奏樂曲的。

運用單片機生成音頻脈沖，來啟動揚聲器，是由于它不足以提供充足的驅動能力，不能夠產生想要的音樂。因此要對設計進行改進，增加一個電路，這個電路的功能是放大音頻功率。該次設計，電子琴的改進放大電路是通過低壓音頻功率放大器實現的，這樣子就可以產生想要的音樂。

在本設計當中，一個很好的特點就是在電流斷開的情況下可以保存數據，不會造成數據的丟失，所以選擇錄制鍵盤，主要是錄制彈奏音樂的這個過程。單片機和總線的連接是通過芯片實現的，這樣電子琴就可以彈奏相應的音樂，完成錄制與回放功能。如圖1系統結構圖所示。

圖1 系統結構圖

2 各功能模塊原理圖

2.1 STC89C52最小系統模塊

STC89C52最小系統的組成部分是12M晶振電路，P0口和復位電路等，結構齊全，特別是單片機存在的四個腳，大大便利了程序，這個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。這個鍵盤在鍵位默認時候處于高電平；按下，改變電平，這個改變取決與之連接的列線的電平值，它們之間是成正比例的，這就是識別按鍵是否按下的關鍵所在；②獨立式：這個鍵盤顧名思義，就是每一個按鍵都有一根獨立的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，編程比較復雜；②獨立式鍵盤：電路簡單，編程簡單，占用I/O口線多。

因為本次基于單片機的16鍵多功能電子琴設計的琴鍵控制電路需要16個按鍵，因此，單純地從I/O口線的占用的角度去比較，獨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，相對來說是比較合理的。

通常掃描方法類型是線反轉和行掃描法兩種，本次設計采取的是線反轉法，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，則沒有按鍵按下。將前面的行列狀態反過來，即將行線作為輸出線，列線作為輸入線。置輸出線全部為0，此時列線呈低電平的為按鍵所在的列。這樣，經處理程序，就可以確定了按鍵的位置（X，Y），實現設計要求，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 數碼管顯示模塊電路

數碼管顯示模塊電路的關鍵器件是共陽級數碼管，圖4所示，I/O口電平變化，這時候二極管隨之亮或者滅，根據編碼顯示出相應字符，操作人員學習起來效率高還方便。

圖4 數碼管顯示模塊電路原理圖

2.4 音頻處理模塊電路

對設計進行改進，增加一個電路，這個電路的功能是放大音頻功率。該次設計，電子琴的改進放大電路是通過低壓音頻功率放大器（耗能低和增益明顯）實現的，這樣不但解決了驅動力低，還可以產生想要的音樂，這個原理如圖5所示，看出來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存儲模塊電路

本電子琴加入了EEPROM用來存儲錄制的歌曲，如圖6 EEPROM存儲模塊電路原理圖所示，器件有一個保護就是寫保護，這個功能是通過IIC總線接口進行操作完成的。

圖6 EEPROM存儲模塊電路原理圖