描述

简易电子琴设计电路图(一)

电子琴稳定的＋5V电源的电路如图所示。

电子琴电源电路

电路工作原理：集成块ICCA6722是该电源电路的核心元件。它能输出精确而稳定的＋5V直流电压。从IC第1脚输人＋9V直流电压，经IC内电路稳压后，由其第6脚和第8脚输出＋5V电压。电压VDD为ROM、RAM以及CPU中的部分电路供电(CPU中其他电路的工作电压也由VDD供给)。电压V(A)DD用于电子琴中模拟电路的小信号部分。电压V(D)DD供电子琴中其他数字电路使用。开关晶体管V受控于IC第3脚。V导通时，输出VCC(＋9V)电压，为两路功率放大器供电。C点接受来自CPU的自动电源控制信号。VDD电压不受C点电平控制，电子琴接通电源时，IC输出VDD电压，CPU中的部分电路工作，使C点为高电平(＋5V)。该高电平送入IC第10脚，不仅控制IC第6脚输出V(A)DD电压和V(D)DD电压，并且使IC第3脚输出控制信号，开关管V导通，输出VCC电压。若在17min内未弹奏电子琴，CPU会发生指令，使C点自动变为低电平，切断V(A)DD、V(DDD和Vcc三路电压的输出。

二极管VD1、VD2可防止因外接电源正、负极接反而损坏电路元件。二极管VD3能保证当外接电源断电时，自动切换为机内电池供电。

简易电子琴设计电路图(二)

简易电子琴设计电路图(三)

SPCE061A做的小型电子琴

我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制 单片机 某个端口的“高”电平或低电平，则在该端口上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调。乐曲中，每一音符对应着确定的频率，这个小制做是采用凌阳SPCE061A的DAC输出来实现，具体做法是，先建立一个有两百个数据的音频数据表，当按不同的按键即以不同的频率往DAC上送数据，从而达到输出不同音符的目的，为了达到电子琴的效果，当然还得在程序方面稍作修饰了，下面将就具体硬件电路进行说明。

键盘控制电路：

在这里采用矩阵式排列键盘，如图所示，这样可以合理应用硬件资源，把16只按键排列成4*4矩阵形式，用一个8位I/O口控制如图所示。把键盘上的行和列分别接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7上。

图 按键控制电路

先置IOA0~IOA3为带数据缓存器的高电平输出，置IOA4~IOA7为带下拉电阻的输管脚，此时若有键按下，取IOA4~IOA7的数据将得到一个值，把此值保存下来，再置IOA4~IOA7为带数据反相器的高电平输出，置IOA0~IOA3为带下拉电阻的输入管脚，此时若键仍没弹起，取IOA0~IOA3的数据将得到另一个值，把这两个值组合就可得知是哪个键按下了，再通过匹配得到键值，实际上在这个小设计中只用到了8个按键，但考虑到为广大电子爱好者自由发挥预留了八个按键，您可以自己设计加入别的音符或是别的好玩的啊。

音频放大电路：

凌阳SPCE061A 单片机 自带双通道DAC音频输出， DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出， DAC输出为电流型输出，经LM396音频放大，即可驱动喇叭放音，放大电路如图三(只列出了DAC1，DAC2类似)。在DAC1、DAC2后面接一个简单的音频放大电路和喇叭就能实现语音播报功能，这为单片机的音频设计提供了极大方便，音频的具体功能主要通过程序来实现。

简易电子琴设计电路图(四)

简易电子琴设计电路图(五)

25键多功能电子琴电路图

简易电子琴设计电路图(六)

通过单片机实现电子琴演奏，实质就是将不同按键和特定频率的方波信号对应起来，以方波信号驱动蜂鸣器发出乐音。下面简单介绍一下乐音的特性。乐音实际上是有固定频率的信号。在音乐理论中，把一组音按音调高低的次序排列起来就成为音节，也就是1、2、3、4、5、6、7和高音1。高音1的频率正好是中音1频率的2倍，而且音节中各音的频率跟1的频率之比都是整数之比。

为了发出某一特定频率的乐音，可以控制单片机的一个I/O口产生该频率的方波信号，经过电流放大后驱动蜂鸣器发出该乐音。对于方波的产生，可以启用单片机的一个定时器进行计时，产生溢出中断。中断发生时，将输出引脚的电平取反，然后重新载入计数器初始值。

因此，正确的设置定时器的工作模式和初始计数值是发出乐音的基础。例如中音1，其频率是523Hz，则周期为T=l/523=1912μs，半个周期为956μs。根据单片机计数器计数的机器周期，就可以算出计数器的预置初始值应为多少。例如，假设采用的单片机的一个计数周期需要12个时钟周期，当采用12MHz晶振时，一个计数周期即lμs。要定时956μs，只需设置其计数初值为计数最大计数值减去956。对应不同的按键，调节Tl的溢出时间，即可输出不同频率的乐音，这样就实现了简易电子琴的设计。

形成每个乐音音高的频率是固定的，下表列出了一个8度以及其上下共16个音的音名、频率及定时器Tl初值对照(设晶体频率为12MHz)。

该简易电子琴的硬件电路设计较简单，通过Pl口进行按键扫描，从P0.1口输出方波信号，经三极管放大后驱动蜂鸣器发出声响。系统硬件电路如下图所示。

简易电子琴设计电路图(七)

时钟电路

本系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。

MCS-51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容CX1和CX2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为16PF。

复位电路

在复位电路方案挑选的时候有两种选择的，上电复位和按扭复位，上电复位是利用电容充电来实现的，而按扭复位是电源对外节电容的充电使RST为高电平，复位松开后，电容通过下拉电阻放电，使RST恢复低电平。为了制作软件的方便我们还是选择用按扭复位，因为它比较直观。

键盘弹奏

本系统利用P1为按键接入口，琴键输入是通过独立式键盘来完成的。由于89C51单片机的八位I/O口足以能实现控制各音阶的输出，并且独立式键盘的编程容易易懂，结构简单，实现起来方便，而且每个按键单独占有一根I/O接口线，每个I/O口的工作状态互不影响，所以采用独立式键盘。利用静态扫描的方法，在P0口输出，当每次按下一个琴键，在共阳极数码管显示相对应的键码号，这样可以使弹奏者清楚知道自己弹奏的音谱。

扬声器电路

扬声器发生原理：只要让扬声器(speaker)通过会产生大小变化的电流，就能使扬声器发出声音。因此，若以程序不断地输出1-》0-》1-》0-》。就可令扬声器发出声音。对检测到得按键值进行判断后，是琴键则跳转至琴键处理程序，根据检测到得按键值，查询音律表，给计时器赋值，使发出相应频率的声音。检测到按键按下的是自动播放歌曲功能键后执行该程序，扬声器会自动播放事先已经存放好的歌曲，直到歌曲播放完毕。

总电路图

简易电子琴设计电路图(八)

基本乐理知识

音调主要由声音的频率决定，乐音(复音)的音调更复杂些，一般可认为主要由基音的频率来决定。也即一定频率的声音对应特定的乐音。在以C调为基准音的八度音阶中，所对应的频率如表1所示。如果能够通过某种电路结构产生特定频率的波形信号，再通过扬声器转换为声音信号，就能制作出简易的乐音发生器，再结合电子琴的一般结构，就可实现电子琴的制作了。

设计电路图如图所示。

图即是八音阶微型电子琴的原理电路图，8个开关对应着电子琴8个音阶琴键，使用时只能同时闭合一个开关。

在实际电路中，为达到起振条件AF》1，常用两个二极管与电阻并联，可实现类似于热敏电阻的功效。另外需要说明的是，理论上电路的初始信号是由环境噪声及电路本身的电压提供的。实际操作时，为使现象更明显，也可通过对电路中的电容充电来实现。

另外，电路中的运算放大器芯片LM324工作电压要求是±5V，所以还需要用7809稳压管、整流桥等元器件制作带负电源的电源电路，同电子琴电路一块整合到电路板上，制作成可直接使用的完整成品。

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