基于单片机的16键多功能电子琴硬件设计

葛水河，张窝羊，杨旭辉

（漯河食品职业学院，河南 漯河 462300）

现代电子产品渗透到社会生活各个角落，本次设计的着重点就是在耗能低、工作效率高、生产花费少的条件下达到各项设计需求指标，实用新颖的基于单片机的16键多功能电子琴设计，它具有体积小、稳定高、价钱实惠的特点。

1 系统组成

在选定机型的基础上，依照整个设计的总体要求，确定设计系统中硬件部分的相关元器件，接着确定电路原理图和总体框图，进行硬件的设计。

该设计要设计16键多功能电子琴，这个电子琴中的单片机工作的时钟频率是12 MHz，定时/计数器工作模式设置1，通过调节计数值与，进而得到多种频率的脉冲信号。音乐发生器通过扬声器播放出来，来源是依据用户自己弹奏的音乐，用户在键盘输入弹奏乐曲的。

运用单片机生成音频脉冲，来启动扬声器，是由于它不足以提供充足的驱动能力，不能够产生想要的音乐。因此要对设计进行改进，增加一个电路，这个电路的功能是放大音频功率。该次设计，电子琴的改进放大电路是通过低压音频功率放大器实现的，这样子就可以产生想要的音乐。

在本设计当中，一个很好的特点就是在电流断开的情况下可以保存数据，不会造成数据的丢失，所以选择录制键盘，主要是录制弹奏音乐的这个过程。单片机和总线的连接是通过芯片实现的，这样电子琴就可以弹奏相应的音乐，完成录制与回放功能。如图1系统结构图所示。

图1 系统结构图

2 各功能模块原理图

2.1 STC89C52最小系统模块

STC89C52最小系统的组成部分是12M晶振电路，P0口和复位电路等，结构齐全，特别是单片机存在的四个脚，大大便利了程序，这个模块的电路原理图如图2所示。

2.2 键盘扫描模块电路

键盘主要有矩阵式和独立式两种：①矩阵式：4X4矩阵式键盘电路，键盘按键正方形分布。这个键盘在键位默认时候处于高电平；按下，改变电平，这个改变取决与之连接的列线的电平值，它们之间是成正比例的，这就是识别按键是否按下的关键所在；②独立式：这个键盘顾名思义，就是每一个按键都有一根独立的I/O线，互不干扰，输入线电平可以得到按键是否按下。

方案比较：①矩阵式键盘：占用I/O口线较少，编程比较复杂；②独立式键盘：电路简单，编程简单，占用I/O口线多。

因为本次基于单片机的16键多功能电子琴设计的琴键控制电路需要16个按键，因此，单纯地从I/O口线的占用的角度去比较，独立式键盘就需要占用16条I/O口线，而矩阵式键盘却只需8条。所以，选择矩阵式键盘电路，相对来说是比较合理的。

通常扫描方法类型是线反转和行扫描法两种，本次设计采取的是线反转法，将列线作为输出线，行线作为输入线。置输出线全部为0，此时行线中呈低电平0的为按键所在行，如果全部都不是0，则没有按键按下。将前面的行列状态反过来，即将行线作为输出线，列线作为输入线。置输出线全部为0，此时列线呈低电平的为按键所在的列。这样，经处理程序，就可以确定了按键的位置（X，Y），实现设计要求，如图3所示，这就是原理图。

图3 键盘扫描模块电路原理图

2.3 数码管显示模块电路

数码管显示模块电路的关键器件是共阳级数码管，图4所示，I/O口电平变化，这时候二极管随之亮或者灭，根据编码显示出相应字符，操作人员学习起来效率高还方便。

图4 数码管显示模块电路原理图

2.4 音频处理模块电路

对设计进行改进，增加一个电路，这个电路的功能是放大音频功率。该次设计，电子琴的改进放大电路是通过低压音频功率放大器（耗能低和增益明显）实现的，这样不但解决了驱动力低，还可以产生想要的音乐，这个原理如图5所示，看出来模块电路的具体工作。

图5 音频处理模块电路原理图

2.5 EEPROM存储模块电路

本电子琴加入了EEPROM用来存储录制的歌曲，如图6 EEPROM存储模块电路原理图所示，器件有一个保护就是写保护，这个功能是通过IIC总线接口进行操作完成的。

图6 EEPROM存储模块电路原理图