基于555的简易电子琴设计.docx
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基于555的简易电子琴设计
基于555的简易电子琴设计
摘要：
电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器，它在音奏中已成为不可缺少的一部分。
本文是介绍一种运用555定时器制作简易电子琴的设计方法。
该方法利用555定时器构成的多谐振荡器，通过按键控制不同的RC组合应用多谐振荡器产生不同频率八个基本音阶的脉冲信号波，然后连到扬声器上，即可发出八个音阶的音乐。
在该设计中，利用了555定时器构成的多谐振荡器产生各音阶不同频率的脉冲，不仅使其频率调节更加方便，而且发出的声音稳定，饱满。
关键词：
电子琴；555定时器；多谐振荡器
Abstract：
Organmusicofmodernelectronictechnologycombinedwiththeproductofanewtypeofkeyboardinstrumentsinitsmusichasbecomeanindispensablepartofit.Thispaperdescribesasimpleelectronickeyboardproducedusing555timerdesignmethod.Themethoduses555timermultivibratorformedbybuttoncontroltoselectadifferentcombinationofapplicationofRCmultivibratorproducesthebasicscaleofeightdifferentfrequencypulsesignalwave,andthenconnectedtothespeaker,youcansendoctaveMusic.Inthisdesign,useofthe555timersmultivibratorproducesofdifferentfrequenciesofvariousscales,notonlymakeitmoreconventtoadjustthefrequencyandsoundstability,full.
Keywords：
keyboard555timermultivibrator
1前言
555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积小，使用起来方便。
只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以有构成施密特触发器，单稳态触发器及多谐振荡器等脉冲信号产生于变换电路。
它在波形的产生于变换，测量与控制，定时电路，家用电器电子玩具，电子乐器等方面有广泛的应用，例如家用电器控制装置，门铃，报警器，信号发生器，电路检测仪器，元器件测量仪，定时器，压频转换电路，电源应用电路，自动控制装置及其它应用电路都有着广泛的应用，这是因为NE555巧妙地将模拟电路和数字电路结合在一起的缘故。
电子琴最早是由美国发明家于上世纪20年代末发明，并于30年代制造投放市场的。
电子琴不是钢琴的简易版，电子琴不是起源于钢琴，它们是两种不同的乐器，电子琴也起源于钢琴，电子琴起源于管风琴。
电子琴分单排键电子琴和双排键电子琴（电子管风琴）。
1959年日本生产出世界上第一台立式双排键电子琴，它有三层键盘。
近年来，电子琴发展迅速，不论是在制造工艺上、操作程序上还是在演奏技法上都有了突飞猛进的发展，这在乐器发展史上是其他任何乐器所不能比拟的。
自从八十年代电子琴进入我国以来，电子琴以它适合中国国情、经济适用、表现力强、功能强大而受到广大的初学者、音乐爱好者、专业音乐工作者，音乐家的喜爱，可以说现在电子琴在中国的普及率是很高的。
这无论是对提高整个人们的音乐素质，还是对音乐的发展都是功德无量的事。
1.1设计背景
电子琴是利用半导体集成电路产生不同频率的音乐，对音乐信号进行放大，通过扬声器产生声响的电子乐器。
通常情况下，电子琴的发音音量可以自由调节，音域较宽，和声丰富。
该设计是用555定时器以及外加电阻，电容构成的，此电路能够发出8个音符。
1.2设计目标
通过课程设计，应能加强我们能力的培养：
（1）培养理论联系实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程问题的能力。
（2）学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和掌握模拟，数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力。
（3）培养我们学生的创新能力。
（4）学习调试电子电路的方法，提高实际动手能力。
（5）了解由555定时器构成简易电子琴的电路及原理。
1.3实施计划
由555电路组成的多谐振荡器，它的振荡频率可以通过改变振荡电路中的RC元件的数值进行改变。
根据这一原理，通过设定一些不同的RC数值并通过控制电路，按照一定的规律依次将不同值的RC组件接入振荡电路，就可以使振荡电路按照设定的需求，有节奏的发出已设定的音频信号或音乐。
1.4必备条件
NE555，按键开关，拨动开关，电阻，电容，电池，导线，扬声器等。
2
总体方案设计
通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了三种技术方案来实现系统功能。
下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。
2.1方案比较
方案一中用555产生脉冲，再通过驱动喇叭，可实现基本要求，其中的电阻电容可以通过脉冲数字电路中学过的公式进行计算，而且可以通过采用可调电阻的高低变化，实现部分提高要求，可行性强，容易实现。
方案二中涉及到单片机的相关知识，而且我们对8051芯片不怎么了解，在所学的知识中也没用找到，所以对其中的电阻电容等一些频率的计算有一定难度。
2.1.1方案一
图2-1方案一原理框图
555定时器
本实验采用两个555集成定时器组成简易电子琴。
整个电路由主振荡器，颤音振荡器，扬声器和琴键按钮等部分组成。
主振荡器由555定时器，七个琴键按钮S1~S7，外接电容C1、C2，外接电阻R8以及R1~R7等元件组成，颤音振荡器由555定时器，电容C5及R9、R10等元件组成，颤音振荡器振荡频率较低为64Hz，若将其输出电压U连接到主振荡器555定时器复位端4，则主振荡器输出端出现颤音。
按图接线后闭合不同开关即可令喇叭发出不同频率的声响，从而模拟出电子琴的工作。
2.1.2方案二
单片机电子琴
程序可分如下：
初始化模块、判断按键模块、键值处理模块、音乐处理模块、中断模块、0处理模块、表单模块
初始化模块：
对8279键盘的部分进行初始化和中断初始化
键值处理模块：
用8279的状态字来判断它是否按键（FIFORAM不能清除已处理的数据，但8279的状态字会发生相应改变）。
输入的键值与1-8的物理值01H-08H进行比较，如果与其中某个数相等，则跳到1-8的键值处理模块；如果是9或者A，则跳到音乐处理模块。
如果输入是0，则跳到0处理模块。
结尾跳到初始化模块。
音乐处理模块：
专门处理音乐中的1-8的发音。
它们发音不同是因为波的频率不同，所以要发出不同的音，只要实现发出的波的频率不同即可。
于是，可通过定时的方法来中断产生不同的方波。
可把1-8的定时初值放在一个表单内。
中断模块：
T0中断是为键值处理模块服务；T1中断是为音乐处理模块服务。
0处理模块：
在音乐处理过程中，按下0则音乐暂停，此时可如其他按键（包括音乐按键）。
当再按下0键时，则最近继续的音乐中断。
表单模块：
TAB音符表单存放1-8的ASCII码值；FREQUENCY音符初值表单存放1-8音符的中断初值；DAT、DAT1分别存放两首歌曲相应的中断初值和节拍等信息。
图2-2方案二原理框图
2.2方案论证
方案一的优点是思维简单，容易想到，而且电路结构也比较简单，对波形和幅度的控制相对准确。
但缺点是可调范围小，555芯片相对比较昂贵。
方案二的优点是可良好的控制，但缺点是我们没有学过单片机的相关知识，而且电路较复杂。
2.3方案选择
基于设计的方便性，准确性，可靠性和可行性理由选择了方案一。
3
单元模块设计
本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
本系统主要分为三个单元模块，它们分别是：
开关模块、555振荡器模块、扬声器模块。
各单元模块功能及相关电路的具体说明如下。
3.1.1开关模块设计
图3.1.1开关模块
此模块的逻辑功能是八个开关与经计算出来的固定电阻串联后再将其并联，给555振荡器产生不同的信号，从而产生不同的频率。
3.1.2555振荡器模块设计
图3.1.2555振荡器模块
此模块的逻辑功能是由555定时器构成的多谐振荡器，R1，R2和C是外接定时元件，电路中将高电平触发端（6脚）和低电平触发端（2脚）并接后接到R2和C的连接处，将放电端（7脚）接到R1，R2的连接处。
由于接通电源瞬间，电容C来不及充电，电容器两端电压uc为低电平，小于（1/3）Vcc，故高电平触发端与低电平触发端均为低电平，输出uo为高电平，放电管VT截止。
这时，电源经R1，R2对电容C充电，使电压uc按指数规律上升，当uc上升到（2/3）Vcc时，输出uo为低电平，放电管VT导通，把uc从（1/3）Vcc上升到（2/3）Vcc这段时间内电路的状态称为第一暂稳态，其维持时间TPH的长短与电容的充电时间有关。
充电时间常数T充=（R1＋R2）C。
由于放电管VT导通，电容C通过电阻R2和放电管放电，电路进人第二暂稳态.其维持时间TPL的长短与电容的放电时间有关，放电时间常数T放＝R2C0随着C的放电，uc下降，当uc下降到（1/3）Vcc时，输出uo。
为高电平，放电管VT截止，Vcc再次对电容c充电，电路又翻转到第一暂稳态。
不难理解，接通电源后，电路就在两个暂稳态之间来回翻转，则输出可得矩形波。
电路一旦起振后，uc电压总是在（1/3～2/3）Vcc之间变化。
3.1.3扬声器模块设计
图3.1.3扬声器模块（用示波器代替）
此模块的逻辑功能是代替扬声器验证产生的频率，用波形来代替。
3.2电路参数的计算及元器件的选择
下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。
3.2.1电源电路
整个电路大部分是数字芯片，需要5V的供电。
电源部分可以220V的市电输入，经
过变压器、桥式整流、滤波、稳压和滤波几个过程。
考虑到输入是220V的正负交流电，
先经过变压器将220V的电压变成9V的交流电，再经过桥式整流在送入滤波电路。
选用
常用的7805三端稳压器作为稳压芯片，经过7805的稳压芯片输出纹波较小的5V电压，
为消除纹波，再经过一次滤波输入系统电路。
3.3特殊器件的介绍
本系统中主要使用了如下一些功能器件：
555芯片，。
下面就这些器件的功能特点、主要参数和使用方法作相应说明。
3.3.1555器件介绍
555定时器的电源电压范围宽，可以在4.5V~16V工作。
图3.3.1555定时器
图3.3.2555内部结构图
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路
VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、TH处于何电
平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，
当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
Vi1（TH）：
高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。
Vi2（TR）：
低电平触发端，简称低触发端，标志为TR。
VCO：
控制电压端。
VO：
输出端。
Dis：
放电端。
Rd：
复位端。
555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。
Rd是复位端，低电平有效。
复位后,基本RS触发器高端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。
图1555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形
根据
的波形图可以确定振荡周期为：
（式3-1）
对应充电时间：
（式3-2）
对应放电时间：
（式3-3）
振荡周期：
（式3-4）
（式3-5）
集成555定时器有双极性型和CMOS型两种产品。
一般双极性型产品型号的最后三位数都是555，CMOS型产品型号的最后四位数都是7555.它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。
器件电源电压推荐为4．5～12V，最大输出电流200mA以内，并能与TTL、CMOS逻辑电平相兼容。
4系统调试
在整个设计过程中，我们对整电路都进行了比较仔细的调试，首先，我们对555这
块芯片进行了调试，看它能不能正常的产生方波，并且改变相关的电阻和电容看波形的
周期是如何变化的，其次是对整个电路进行的调试，在555正常工作的情况下，我们对
后面的电路也进行了调试，通过不断的改变频率，来观察波形。
调试方面，主要是对555的调试，不断的改变开关状态进而改变频率来进行系统的调试。
4.1调试环境
Proteus仿真简介
ISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。
它运行于Windows
操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：
①
实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。
具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片
机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。
②
持主流单片机系统的仿真。
目前支持的单片机类型有：
68000系列、8051系列、AVR系
列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。
③提供软件调试功能。
在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。
④具有强大的原理图绘制功能。
总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件,
功能极其强大。
本章介绍ProteusISIS软件的工作环境和一些基本操作。
一、进入Proteus
ISIS双击桌面上的ISIS6Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始”→“程
序”→“Proteus6Professional”→“ISIS6Professional”，出现如图1-1所示
屏幕，表明进入ProteusISIS集成环境。
二、工作界面
ProteusISIS的工作界面是一种标准的Windows界面，如图1-2所示。
包括：
标题栏、
主菜单、标准工具栏、绘图工具栏、状态栏、对象选择按钮、预览对象方位控制按钮、
仿真进程控制按钮、预览窗口、对象选择器窗口、图形编辑窗口。
三、基本操作
图形编辑窗口在图形编辑窗口内完成电路原理图的编辑和绘制。
为了方便作图坐标系统。
4.2仿真调试
1开关闭合无信号输入波形图
2分别拨动八个开关时的波形图
频率为262
频率为294
频率为330
频率为392
频率为440
频率为494
频率为523
5
系统功能、指标参数
5.1系统能实现的功能
此555简易电子琴能够正常的发出八个不同的音阶。
而且基本实现了预期目标，改变输入频率即开关状态，就可以使扬声器发出音乐里的八个音阶。
5.2系统指标参数测试
主要是在仿真软件里对555电子琴进行调试，用示波器代替扬声器来监视波形的输出。
波形的变换，电压输入为+12V。
5.3系统功能及指标参数分析
通过本次的课程设计，虽然能在仿真软件里做出一个555简易电子琴，但是有些个别环节考虑的还是不太仔细，而且没有做出实物，调试工作只能仿真里模拟，如果有实物的话，可以把简易电子琴设计得更好。
6
结论
在这为期一周多的课程设计操作中，从拿到题目到在网上、图书馆查阅资料，从熟悉芯片原理到实际接线，从起初对实验一知半解到对整个实验设计的脉络渐渐清晰，为期虽然不长，却也增长了很多知识。
首先是了解并分析555和LM386元件原理及各管脚功能。
在刚开始设计这个课题时，有很多的地方感到很生疏，例如，如何确定方案。
后来经过一段时间的学习，基本了解了一些，明白了电子琴的一些功能以及实现这些功能的一些方法，在设计中也遇到了很多问题。
首次接线时，竟将基础元件置于实验箱左侧，而芯片置于右侧，其间增长了导线，也为后期排查增添了麻烦。
再次连接导线，却又由于某些导线接触不良，也使结果迟迟未出。
最后对555、LM386进行逐级排查，才终究出现结果，可惜音量太小。
后队友咨询了指导老师，在老师的建议下把C3、C4、C5的电容等比例缩小为原来的1/10、1/100，再观察结果。
果然，经过两次修改，音量逐渐清晰，且依稀可辨8个基本音调。
设计过程中，也认识到存在的一些缺点。
首先，发现自己以前所学的知识不够扎实，只知道一些理论的知识。
例如，在老师检查本组实验时，老师建议拆卸滑动变阻器时，却由于操作失误，未能理清纷繁的导线，使实验未能得到期望结果。
其次，实际应用能力很差，需要自己努力的提高，在这几天的学习中我学到了很多的东西，提高了自己的动手能力。
最后，也希望学校和老师能多给同学们机会去实践，把书本上学到的知识应用到实践中去，为以后进入社会打下坚实的基础。
7总结与体会
通过对简易电子琴的设计，认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。
我们的学习不但要立足于书本，以解决理论和实际教学中的实际问题为目的，还要
以实践相结合，理论问题即实践课题，解决问题即课程研究，学生自己就是一个专家，
通过自己的手来解决问题比用脑子解决问题更加深刻。
学习就应该采取理论与实践结合
的方式，理论的问题，也就是实践性的课题。
这种做法既有助于完成理论知识的巩固，
又有助于带动实践，解决实际问题，加强我们的动手能力和解决问题的能力。
这次课程设计的题目是基于555的电子琴设计，在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，能起到相当关键的作用。
随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成555简易电子琴。
因为没有做出实物，我们只能用仿真软件来进行仿真的测试和调试。
如果有实物的话，本次设计就会更进一步了。
本次实验我认为是很有必要的，不但是对所学知识的一种检验，可以让我们在课程设计的程中巩固所学的知识，发现自己的不足，而且也是对动手能力的一种培养。
只有将理论与实践相结合，将理论实践的方法反映出来，才是学习这门课程的关键。
通过两周的课程设计，基本完成了简易电子琴的制作。
电子琴的制作主要涉及是模拟电路和数字电路，这是电子领域中的基本电路，此次课题要求完把数字模拟相结合，并且完成模拟电路的调试，做出的电子琴具有发声准、原理简洁、电路简单、制作成本低，有一定的实用性，可以作为某些简易电子琴的实验样品，然后做成小玩具，具有市场前景，有很大的现实意义。
对本次课程设计的建议是如果可以让我们进实验室，亲手操作就好了。
边做实物边摸索，对知识的认识会更加深刻。
8谢辞
经过两个星期的课程设计，通过老师们的悉心指导和我们小组同学积极讨论和思考，终于完成了简易电子琴的课程设计。
首先我要感谢电气信息学院提供这次课程设计的机会和平台；在这期间，我认真思考、细心揣摩，对自己的设计不断地修改完善，这不仅培养了我独立思考的能力，还培养了我的实际动手能力。
当然还有这次课程设计的指导老师：
陈永强老师，他为我们这次设计的大致方向做了建设性的指导，还时常给我们一些设计理念。
最后不能忘记帮助我的同学们。
正是有了你们的帮忙，此次设计才能顺利完成。
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附录
附录1系统的原理电路图及实物
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