基于單片機的心形聲光電子琴設計

朱自立

（鄭州工業應用技術學院，河南鄭州，451150）

1 研究現狀及發展狀況

由于尺寸緊湊、性能卓越、成本實惠，單片機已被普遍采納，并在中國的各個行業中都有所應用。目前，它主要被用于通信、家庭娛樂、LCD 顯示器等行業，未來，由它開創的新型產品將更加普及。對于一名準備從事電子行業的工作者來說，深入研究并熟練操控單片機的運行原理及操作方法，將成為他們獲取高級職位的重要一步。

本設計的主要內容是制作一個精美的電子琴。經過研究發現，89C51 單片機可以有效地取代傳統電子琴，它可以提供更多復雜、更豐富、更靈活的控制功能，從而使得它可以更好地表達出聲、光、力等多種元素，從而更好地滿足人們演出需求。隨著聲音和觸摸屏的持續改進，電子琴將逐漸進入市場。第四代電子計算機，即單片微型計算機，已經取得了巨大的進步，其優勢在于擁有更強的功率、更快的運行速率、更小的尺寸、更便宜的價格、更強的穩定性和更多的適用范圍。隨著單片機的普及，其對于傳統的控制技術的影響將會徹底改變，這也使得其在高新技術及工業界的廣泛使用受到了極大的關注[1]。

2 系統硬件設計方案

■2.1 系統總體框架

這個設計通過LED 小燈來控制燈光的變化，并通過揚聲器來播放音樂。它的電路由鍵盤、單片機和LED 顯示電路組成，并配備了聲音電路。詳細的功能說明請參見下面的內容。

（1）鍵盤是一種用來演奏音樂的工具，它有八個按鍵，可以演奏8 個音階。

（2）單片機可以通過發送多種電脈沖信號來控制各個組件的運行狀態。

（3）由于單片機的存儲功能，LED 顯示屏上的數據被轉換成可讀的格式，而LED 小燈則將這些格式轉換成可以被揚聲器捕捉的語言。

單片機可以通過程序設計實現對音符輸入信號的讀取，從而產生音頻脈沖。CPU 可以根據讀取的數據，對其進行處理，并通過I/O 口將音樂以高質量的音頻格式傳輸到揚聲器，從而實現音樂的高清晰度和高質量的傳輸[2]。

圖1 系統整體框圖

■2.2 控制器選擇方案

方案1：采用凌陽系列單片機作為系統的控制器，可以有效地提升系統的性能和可靠性。

凌陽系列單片機具備出色的性能，其內置的模塊尺寸小巧，而且結構緊湊，使得整個系統的穩定性得到極大的改善，同時也極易于組裝，使其具備更強的抗干擾性，因此，凌陽系列單片機非常適用于大型實時系統的控制。

方案2：采用51 系列作為系統控制器，可以有效地提升系統的性能和可靠性。

單片機具有出色的計算能力，它的軟件編寫非常靈活，具有很高的自主權。它具有許多獨有的特征，如節省電力、輕巧、高效、經濟、耐久，因此被廣泛地應用到不同的行業[3]。

由于51 單片機的價格比凌陽系列更加實惠，而且本設計不需要極快的處理能力，因此，在經濟性和實用性的雙重考量下，我們最終選擇了方案2。

3 系統硬件設計

■3.1 單片機最小系統

由于最小系統的重要性，它不僅僅只有一個單片機芯片，而且還有許多關鍵的組件，如電源、時鐘、復位，它們都起到了至關重要的作用，保證了該系統的安全和高效率。此外，它還具備極大的彈性，可以實現多種不同的任務，比如存儲、A/D、網絡、多媒體、多任務調度、多任務管理、多任務調度、多任務調度。

STC89C51 擁有一種高增益反相放大，它能夠將振蕩器的信號轉換為電信號，其中RXD 引腳連接到振蕩器的輸入，而TXD 引腳連接到振蕩器的輸出。該放大器的時鐘系統也能夠通過內置的或者外置的方法實現。根據圖2，RXD 與TXD 之 間 的 連接是通過外部的振蕩器實現的，而且不需要考慮其他因素，僅需確保其中的脈沖寬度，通常會選擇12MHz 以上晶振[4]。

圖2 總電路圖

STC89C51 單片機的RST 引腳被激活后，將會進入高電平狀態，這種狀態會維持2 個機器周期，如果該引腳一直處于高電平狀態，則會進入循環復位狀態。

電路復位通常有兩種選擇：自動重置或者按鍵重置。

在最基本的上電自動復位電路中，電容充放電是一種重要的操作，它可以有效地控制Vcc 的上升速度，使其保持在1ms 以內，從而達到自動上電復位的目的。

在這種情況下，我們采用了按鍵手動復位技術。這種技術可以通過兩種方式實現：電平復位和脈沖復位。其中，電平復位需要RST(9)端與電源Vcc 相連。根據圖2，采用11.0592MHz 的時鐘頻率，將C 設置為10μF，將R 設置為10kΩ，以實現按鍵手動復位功能。

■3.2 發聲模塊

該部分為設計最主要的部分。

在此次設計的電路中，CS9013 和其他兩個NPN 型號的三極管被認為是至關重要的，因為它們可以將單片機的噪聲信號進行放大和輸出。為了確保CS9013 的可靠性，我們采取了一系列的檢測措施，包括檢查其引線，檢查其可靠性，檢測其可靠性，檢測其可靠性，從而確保其正常工作[5]。

（1）通過使用NPN 型號的三極管，使用一個黑色的表筆連接一個電極，一個紅色的表筆連接兩個電極，當兩個電極的電阻值均小時，并且在替換表筆之前，這兩個電極的電阻值均大，這就說明第一次使用的黑色表筆連接的正確。但是，當兩個電極的電阻值之間的差異非常大時，這就說明第一次使用的并非正確的基極。

（2）在確認了三極管的基極之后，我們可以使用兩個表筆來檢查e 極與c 極之間的電阻。當兩次檢查的電阻值不一致時，我們可以使用一個紅色的表筆來檢查e 極，而另一個則使用黑色的表筆來檢查c 極。NPN 型號的三極管的檢測過程大致如此，但需要特別留心的是，當使用紅黑表筆檢測e、c 極之間的電阻時，因為它們的V(BR)CEO 非常微弱，所以可能會導致發射結被擊穿。

經過檢測，兩個三極管組成的達林頓系統具有良好的散熱性和抗干擾性，它們在P1.4 口處產生的高電壓使得整個系統的散熱性增強，從而使得在接收到的信號中，噪音得不到有效的抑制，從而使得整個系統的音質得到提升。

■3.3 發光模塊

發光模塊由16 個排列成心形的發光二極管構成，由單片機的P0 口和P2 口控制，低電平點亮，本設計設置了單獨的花樣流水燈功能，可以由按鍵進行切換進入執行。在電子琴彈奏過程中，心形發光二極管會根據音階變換不同的顯示圖形。

■3.4 按鍵控制模塊

這款電子琴擁有11 個按鈕，1 個按鍵用于復位，2 個按鍵用于調節功能，8 個按鍵用于演奏音樂。這8 個按鈕都可以用來進行各個音調的演奏，它們可以用來模擬各種樂器的演奏方式。這款電子琴的操縱系統采用了單片機的P3 口引腳，可以根據用戶的需求進行自動調整。除了這3 個，還有一個用于調節功能的按鈕，可以調節光源的亮度和顏色，并可以調節音量。

4 系統軟件設計

采用單片機，即將需要演繹的音符用按鍵來控制，并將其轉化為一個電訊號，傳送到單片機控制器，經過信息處理后，產生相應的信號傳遞到揚聲器，從而實現對音色的控制。

■4.1 編程語言與開發環境的選擇

編程語言選擇C 語言，C 語言作為面向過程的計算機編程語言與面向對象編程語言的 C++、C# 和Java 不同。它可以簡單地編譯，處理低層內存，只產生很少的代碼，并且在沒有運行環境的情況下就可以操作。同時，C 語言具有更好的通用性，可適用于多種操作系統，且在運行效率方面表現出卓越的優勢。適合用于本設計的編程語言。

開發環境選擇Keil ，Keil 是一款兼容于C語言和單片機的軟件開發工具。它主要用于設計各種應用系統中所需要的程序。Keil 提供了一套完整的開發方案，其中涵蓋了C 編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理以及一個強大的模擬調試器，為用戶提供了全方位的開發解決方案。

■4.2 程序流程圖

該設計程序流程圖如圖3 所示，首先判斷0 號按鍵是否按下，如果按下，切換為花樣流水燈程序，如果沒有按下，再判斷1 號鍵是否按下，如果按下切換為音樂播放程序，播放設置好的音樂，如果沒有按下，接著判斷2～9 號按鍵是否按下，2～9 號按鍵分別對應“哆、來、咪、發、唆、拉、西、哆（高音）”8 個音調，相應的按鍵按下播放對應音調的聲音。

圖3 程序流程圖

圖4 心形流水燈顯示功能圖

■4.3 音階程序

音階程序如下：

■4.4 心形流水燈功能

按下0 號流水燈和電子琴切換按鍵，程序切換到心形流水燈顯示部分執行，按鍵每按下一次16 個LED 燈按照以下順序切換發光顯示。

■4.5 程序調試

根據流程圖編寫相應的程序，使用Keil 進行調試，如果有錯誤進行相應的修改，直到程序無誤，生成可執行的HEX 文件，為了降低成本，首先使用Proteus 軟件進行模擬仿真，繪制電路原理圖，將生成的HEX 文件加載到單片機芯片上，觀察運行效果是否相符，如果不符合進行相應的程序修改，如相符，即可購買元器件進行實物制作。

5 總結

基于51 單片機的心形聲光電子琴設計主要實現了心形聲光顯示和電子琴彈奏功能。通過使用單片機，可以創造出各種頻段的信息，從而控制電子琴的發聲。通過調整頻率，可以創造出需要的音色和節拍。電子琴可以根據的需要創造出各種各樣的旋律。通過使用數字單片機的定時器/記數器T0，可以調整方波頻率信號，從而創造出喜歡的旋律。通過使用先進的技術，可以通過控制功率放大器，并通過測量每個節拍的長度，讓可以準確地聽取每個節拍的音色。經過精心的研究和開發，成功地把單片機、發光和發聲三者有效地結合在一起，創造出一款具有完美音質的心形聲光電子琴，它不僅滿足了的需求，而且還可以提供更多的便利性和可靠性[6]。