CN203825998U - 一种基于usb电脑键盘输入的电子琴 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于USB电脑键盘输入的电子琴，包括集成在控制主板上的单片机、复位电路、时钟电路以及分别与单片机电连接的显示装置，外置的发声装置和USB电脑键盘，其中：单片机的引脚RST/VPP端与复位电路中的轻触开关S1的输入端电连接；单片机的引脚XTAL1和引脚XTAL2分别与时钟电路中的晶振Y1两端电连接；单片机的外部中断INT0和外部中断INT1作为键入信号的输入端，与USB电脑键盘相连；该基于USB电脑键盘输入的电子琴，具有高度集成一体化设计的特点，占据内存资源更少，处理速度更快，音符种类更多，可以演奏出更多美妙的音乐。

Description

一种基于USB电脑键盘输入的电子琴

技术领域

本实用新型涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种基于USB电脑键盘输入的电子琴。

背景技术

电子琴的设计，该电子琴采用AT89S51单片机作为核心控制元件、8键键盘、扬声器等模块组成核心主控制模块。该设计利用AT89S51单片机的定时器产生不同频率，每首音乐都是由许多不同的音阶组成的，而且每个音阶对应着不同的频率，因此我们就可以根据不同的频率组合来可构成我们所想要弹奏的音乐。其系统结构组成如图1所示：

1)、键盘输入：

设置7个键，7个按键分别代表7个音符，包括中音段的全部音符，(I/O)口的输入，通过软硬件设计，模式转换按键触发外部中断，中断使程序跳转，实现模式转换，启动电子琴。然后通过查询电子琴所按下的按键，读取电子琴输入状态，跳转到对应的程序入口，实现自编歌曲的。

2)、控制核心AT89S51单片机：

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。

3)、数码管：

该设计是通过一位数码管显示音符，根据输入信号经过单片机的处理，分别显示1、2、3、4、5、6、7等7个音符。

4)、扬声器：

弹奏的效果通过扬声器来展现，播放7个不同音符，最终形成一首较为的歌曲。

上述现有技术的存在如下技术缺陷：

1)、音符太单一，就只有中音段的7个音符。

2)、占用太多的芯片内部资源。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于USB电脑键盘输入的电子琴，以解决上述问题。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型提供了一种基于USB电脑键盘输入的电子琴，包括集成在控制主板上的单片机、复位电路、时钟电路以及分别与所述单片机电连接的显示装置，外置的发声装置和USB电脑键盘，其中：

所述复位电路包括电阻R8、电容C1和轻触开关S1；所述轻触开关S1的输入端与所述电容C1的负极和电阻R8的输入端连接，所述轻触开关S1的输出端分别与所述电容C1的正极和外接5V电源连接；所述电阻R8的输出端接地；

所述时钟电路包括电容C2、电容C3、晶振Y1；所述晶振Y1的两端分别与所述电容C2和电容C3的正极连接；所述电容C2和电容C3的负极均接地；

所述单片机的引脚RST/VPP端与所述复位电路中的所述轻触开关S1的输入端电连接；所述单片机的引脚XTAL1和引脚XTAL2分别与所述时钟电路中的晶振Y1两端电连接；所述单片机的外部中断INT0和外部中断INT1作为键入信号的输入端，与USB电脑键盘相连；

所述显示装置包括7个发光二极管；其中，所述单片机的引脚P1.1、引脚P1.2、引脚P1.3、引脚P1.4、引脚P1.5、引脚P1.6、引脚P1.7分别与7个中一个发光二极管对应电连接构成一支路，且对应支路上分别串联有电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7；所述单片机的引脚P3.7与所述发声装置电连接。

较佳地，所述单片机为STC12C5202AD单片机。

较佳地，所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7的阻值均为560Ω；电容C1的电容量为10F；电容C2、电容C3的电容量均为30pF；所述晶振Y1的频率大小为11.0592M；所述发光二极管的直径φ为5mm。

较佳地，所述发声装置包括扬声器P1和驱动电路，所述驱动电路与所述扬声器电连接，且用于驱动所述扬声器发声。

较佳地，所述驱动电路包括扬声器接口1和扬声器接口2、三极管Q1、电阻R10、电阻R11和滑动变阻器R9；所述电阻R11的输入端与所述单片机的引脚P3.7电连接，所述电阻R11的输出端分别与所述电阻R10的输入端和三极管Q1的b极电连接；所述三极管Q1的e极外接5V电源；所述三极管Q1的c极与所述扬声器接口2连接；所述扬声器的接口1与滑动变阻器R9的输入端连接，所述滑动变阻器的输出端接地。

较佳地，所述三极管Q1为8550三极管；

所述电阻R10的阻值为5.1KΩ、所述电阻R11的阻值为560Ω；所述滑动变阻器R9的最大阻值为500Ω。

较佳地，所述扬声器P1的电阻8Ω，功率为0.5W。

与现有技术相比，本实用新型实施例的优点在于：

本实用新型提供的一种基于USB电脑键盘输入的电子琴，其中，分析上述超声波传感器的结构原理可知，一是在按键上有了改观，相比以前的键盘，采用了USB电脑键盘的按键，可以在电脑键盘上弹奏歌曲，培养自己对音乐的兴趣，与此同时增加了电子琴与一般电子输入设备(即USB键盘)之间的兼容通用性。

二是相比之前的较为单一的中音7个音符，在其基础上增加了高音和低音14个音符。在高音、中音、低音三者的结合下所弹奏的音乐，比单一的中音的音乐要圆润，曲调更为优美动听！

附图说明

图1为现有技术中的电子琴的电路结构原理示意图；

图2为本实用新型实施例提供的基于USB电脑键盘输入的电子琴的电路结构原理示意图；

图3为本实用新型实施例提供的基于USB电脑键盘输入的电子琴中控制主板的各个部分电路结构图；

图3a为本实用新型实施例提供的基于USB电脑键盘输入的电子琴中控制主板的整体电路结构图；

图4为本实用新型实施例提供的基于USB电脑键盘输入的电子琴中的USB电脑键盘的字母键与音符的对应关系示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

参见图3和图3a，本实用新型提供了一种基于USB电脑键盘输入的电子琴，包括集成在控制主板上的单片机10、复位电路11、时钟电路12以及分别与所述单片机电连接的显示装置13，外置的发声装置和USB电脑键盘(未示出)，其中：

所述复位电路11包括电阻R8、电容C1和轻触开关S1；所述轻触开关S1的输入端与所述电容C1的负极和电阻R8的输入端连接，所述轻触开关S1的输出端分别与所述电容C1的正极和外接5V电源连接；所述电阻R8的输出端接地；

所述时钟电路12包括电容C2、电容C3、晶振Y1；所述晶振Y1的两端分别与所述电容C2和电容C3的正极连接；所述电容C2和电容C3的负极均接地；

所述单片机10的引脚RST/VPP端与所述复位电路中的所述轻触开关S1的输入端电连接；所述单片机10的引脚XTAL1和引脚XTAL2分别与所述时钟电路中的晶振Y1两端电连接；所述单片机10的外部中断INT0和外部中断INT1作为键入信号的输入端，与USB电脑键盘相连(参见图3a中编号为15所示意的结构电路部分)；

所述显示装置13包括7个发光二极管；其中，所述单片机10的引脚P1.1、引脚P1.2、引脚P1.3、引脚P1.4、引脚P1.5、引脚P1.6、引脚P1.7分别与7个发光二极管电连接构成一支路，且对应支路上分别串联有电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7；所述单片机的引脚P3.7与所述发声装置电连接。

所述单片机为STC12C5202AD单片机。所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7的阻值均为560Ω；电容C1的电容量为10F；电容C2、电容C3的电容量均为30pF；所述晶振Y1的频率大小为11.0592M；所述发光二极管的直径φ为5mm。所述三极管Q1为8550三极管；所述电阻R10的阻值为5.1KΩ、所述电阻R11的阻值为560Ω；所述滑动变阻器R9的最大阻值为500Ω。所述扬声器P1的电阻8Ω，功率为0.5W，上述电子器件的配置情况具体可以参见下面的所需元器件清单列表：

较佳地，所述发声装置包括扬声器(未示出)和驱动电路14，所述驱动电路14(具体是通过扬声器接口)与所述扬声器电连接，且用于驱动所述扬声器发声。

较佳地，所述驱动电路14包括扬声器接口1和扬声器接口2、三极管Q1、电阻R10、电阻R11和滑动变阻器R9；所述电阻R11的输入端与所述单片机的引脚P3.7电连接，所述电阻R11的输出端分别与所述电阻R10的输入端和三极管Q1的b极电连接；所述三极管Q1的e极外接5V电源；所述三极管Q1的c极与所述扬声器接口2连接；所述扬声器的接口1与滑动变阻器R9的输入端连接，所述滑动变阻器的输出端接地。

下面对本实用新型实施例提供的基于USB电脑键盘输入的电子琴的具体结构做一下进一步说明：

该实用新型实施例的技术方案是通过按键随意按下所要表达的音符，作为电平送给主体电路，中央处理器STC12C5202AD单片机通过识别，解码输出音符，在扬声器中发出有效的声音。其核心工作原理与上述方案相似，同样是利用单片机的定时器产生不同频率。通过这样可以不断的弹奏我们想要的音符或者是音调，电路由复位电路，指示灯电路，和核心控制电路组成，取消了对键盘的设计，采用了一个USB电脑键盘，实现了电脑键盘与单片机通信，从电脑键盘键入信号就可以弹奏音乐。如图2中总体设计框图(即结构原理示意图)。

其中：硬件电路设计：硬件电路的原理图如图3USB电脑键盘电子琴原理图。

核心控制部分：

本实用新型实施例采用STC12C5202AD单片机作为控制核心，以及复位电路和时钟电路单片机最小系统基本电路设计的要求，与之前的方案相比，节约了芯片一半的资源。该单片机的外部中断INT0和外部中断INT1作为键入信号的输入端，与USB电脑键盘相连。单片机接收到键入信号，对信号识别，解码输出低音、中音、高音等21个不同的音符。

显示部分：

由先前的数码管显示改为了由7个发光二极管构成显示部分，中音的7个音符显示从右往左依次单独点亮，高音和低音的显示想相同，从右往左依次挨个点亮。

发生部分：

用扬声器来作为发声元件，用8550三极管来驱动扬声器发声。

接口部分：

给部分由电源接口和USB接口组成。电源接口连接电源，为整个设计提供电源。USB接口连接USB电脑键盘，为整个系统提供键入信号。

所需元器件清单列表：

系统软件设计：

本系统主要是要实现由单片机控制的简单的音乐发生器，矩阵键盘代表21个不同的音阶，用户可以根据乐谱在USB电脑键盘上弹奏出音乐，通过扬声器将音乐播放出来。

电脑键盘与单片机的通信：

利用STC12C5202AD单片机的外部中断0作时钟输入，当按下一个按键时，单片机能正确接受它的扫描码。

下面简述一下如何利用单片机实现音乐节拍：

物体规则震动发出的声音称为乐音，音乐听起来有高、有低，这就是音高，发声物体的振动频率决定着音高。频率低声音就会低，频率高声音就会高。不同的音高的乐音分别用1、2、3、4、5、6、7来表示，这七个乐音名分别念成：DO、RE、ME、FA、SO、LA、SI，这就是唱曲时乐音的发音，我们把它称作唱名。音持续的时间长短，通常用节拍来表示。一首歌通常有不同的音符表示，不同的音符对应着不同的频率，不同频率的组合加上节拍就构成了音乐。

除了音符以外，节拍也是音乐中非常重要的一部分。

节拍实际上就是音持续时间的长短，在单片机中我们可以利用延时来实现。如果是四分之一节拍就延时0.4s，那么一拍就延时1.6s。只需要知道四分之一节拍需要延时多久，其他的节拍就是它延时的倍数了。如果要单片机自己放音乐就要在程序中设置节拍的延时时间，但是此系统是简易的电子琴，只需要用户自己弹奏时把握节拍就可以了，不需要程序设置。对于不同的曲调我们可以由单片机的定时器/计数器来实现音乐，一个节拍为单位(C调),如表1所示：

表1音乐节拍表：

下面介绍一下如何用单片机产生音频脉冲：

音符和频率的关系：

用单片机播放音乐亦或是弹奏电子琴，实际上就是按照一定的频率，输出一连串的方波。为了输出适合的方波，首先我们应该知道音符与频率之间的关系。注意观察一下几个6(LA)的频率，它们都是整数，很容易看出成2倍的关系。其它的音符也是一样的。如220、440等这些频率，它们在琴键上的位置是统一的，不论是电子琴、钢琴还是手风琴，都是一样的。包含黑键和白键在内的所有音符的频率数值都是成“等比数列”的关系，因此它们之间有一个公比q，可以按照“2倍”的规律推算出来。例如：已知最低音的6(LA)的频率是220Hz，我们设它的公比为q，则可以推出7(SI)的频率为220*q*q。因为6(LA)、7(SI)之间隔了一个黑键，所以要乘以两个q。以此类推，两个6之间，一共有12个琴键，可以得出：

220*q*q*q*q*q*q*q*q*q*q*q*q＝440。

马上就可以得出，12个q相乘，等于：

440÷220＝2。

可以求出q＝2，q的12次方根为：1.059463094。

用这个公比q，和已知的220进行计算，我们就可以得出全部琴键所对应的频率，如表2所示

表2音符和频率的关系

定义初值：

用单片机来模拟产生音符，只需要计算出音频的周期T＝1/f，利用音频的变化来产生不同的电平，从而驱动喇叭发声。

利用STC89C51的内部定时器使它工作在计数器的模式下，工作方式设为“1”，改变TH0和TH1来产生不同的频率，从而产生不同的音阶。比如：频率为中音DO(532Hz)，它的周期为：T＝1/532＝1912us,所以计数器只需要计数：956us/1us＝956次，每一次计数956次时将I/O口反向，我们就可以得到我们所需要的音阶中音(DO)了。计数脉冲和频率的关系式：

N＝fi÷2÷fr；

上式中的N为计数值,fi为机器频率，fr为想要产生的频率。

计数的初值T求法如下：

T＝65536-N＝65536-fi÷2÷fr；

例如：K＝65536，fi＝1MHz，求低音DO(261Hz),中音DO(523Hz)，高音DO(1046Hz)的计数值。

T＝65536-N＝65536-fi÷2÷fr＝65536-1000000÷2÷fr＝65536-50000/fr；

低音DO(261Hz)的T＝65536-50000/261＝63627；

中音DO(523Hz)的T＝65536-50000/523＝64580；

高音DO(1046Hz)的T＝65536-50000/1046＝65059；

采用12MHz的晶振，音符与计数值T0的关系如表6所示。本系统主要用到的音符为低音：3、4、5、6、7，中音：1、2、3、4、5、6、7，高音1、2、3、4、5、6、7；用到频率分别为：

63628,63835,64021,64103,64260,64400,64524,

64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,

65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283。

键盘调：USB电脑键盘字母键对应的音符如图4所示；

本实用新型提供了一种基于USB电脑键盘输入的电子琴，具有高度集成一体化设计的特点，占据内存资源更少，处理速度更快，音符种类更多，可以演奏出更多美妙的音乐。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于USB电脑键盘输入的电子琴，其特征在于，包括集成在控制主板上的单片机、复位电路、时钟电路以及分别与所述单片机电连接的显示装置，外置的发声装置和USB电脑键盘，其中：

所述复位电路包括电阻R8、电容C1和轻触开关S1；所述轻触开关S1的输入端与所述电容C1的负极和电阻R8的输入端连接，所述轻触开关S1的输出端分别与所述电容C1的正极和外接5V电源连接；所述电阻R8的输出端接地；

所述时钟电路包括电容C2、电容C3、晶振Y1；所述晶振Y1的两端分别与所述电容C2和电容C3的正极连接；所述电容C2和电容C3的负极均接地；

所述单片机的引脚RST/VPP端与所述复位电路中的所述轻触开关S1的输入端电连接；所述单片机的引脚XTAL1和引脚XTAL2分别与所述时钟电路中的晶振Y1两端电连接；所述单片机的外部中断INT0和外部中断INT1作为键入信号的输入端，与USB电脑键盘相连；

所述显示装置包括7个发光二极管；其中，所述单片机的引脚P1.1、引脚P1.2、引脚P1.3、引脚P1.4、引脚P1.5、引脚P1.6、引脚P1.7分别与7个中一个发光二极管对应电连接构成一支路，且对应支路上分别串联有电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7；所述单片机的引脚P3.7与所述发声装置电连接。

2.如权利要求1所述的基于USB电脑键盘输入的电子琴，其特征在于，

所述单片机为STC12C5202AD单片机。

3.如权利要求2所述的基于USB电脑键盘输入的电子琴，其特征在于，

所述电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7的阻值均为560Ω；电容C1的电容量为10F；电容C2、电容C3的电容量均为30pF；所述晶振Y1的频率大小为11.0592M；所述发光二极管的直径φ为5mm。

4.如权利要求3所述的基于USB电脑键盘输入的电子琴，其特征在于，

所述发声装置包括扬声器P1和驱动电路，所述驱动电路与所述扬声器电连接，且用于驱动所述扬声器发声。

5.如权利要求4所述的基于USB电脑键盘输入的电子琴，其特征在于，

所述驱动电路包括扬声器接口1和扬声器接口2、三极管Q1、电阻R10、电阻R11和滑动变阻器R9；所述电阻R11的输入端与所述单片机的引脚P3.7电连接，所述电阻R11的输出端分别与所述电阻R10的输入端和三极管Q1的b极电连接；所述三极管Q1的e极外接5V电源；所述三极管Q1的c极与所述扬声器接口2连接；所述扬声器的接口1与滑动变阻器R9的输入端连接，所述滑动变阻器的输出端接地。

6.如权利要求5所述的基于USB电脑键盘输入的电子琴，其特征在于，

所述三极管Q1为8550三极管；

所述电阻R10的阻值为5.1KΩ、所述电阻R11的阻值为560Ω；所述滑动变阻器R9的最大阻值为500Ω。

7.如权利要求6所述的基于USB电脑键盘输入的电子琴，其特征在于，

所述扬声器P1的电阻8Ω，功率为0.5W。