基于555定时器电子琴的设计说明.docx
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基于555定时器电子琴的设计说明
基于555定时器电子琴的设计
摘要随着现代社会的发展和进步，音乐已成为现代人们的生活中必不可缺的一部分。
电子琴作为16世纪电子科技和音乐结合的产物，已经在新时代的音乐中扮演着非常重要的角色。
有了555定时器的产生，简易电子琴的设计就更加的简单。
因为，555定时器内部是根据模拟电路和数字电路构成的，可以形成多谐振荡器，发出不同频率的信号。
简易的电子琴采用模拟电路和数字电路产生的不一样频率信号驱动扬声器，发出不同音阶的声音。
本设计是利用数字电路来产生C调的低、中、高二十一个音阶。
对于一些简单功能的设计，数字电路具有结构简易、实现方便、产生频率也相当稳定、成本低廉等优点。
了解555定时器的一些内部原理和功能特征后，再做电子琴的设计。
明确设计目的和设计要求，通过学习和探讨，用仿真软件进行仿真，调试。
最后再组装元器件，进行测试。
设计结果是让八个按键发出八个不同的音阶。
在本次设计中，要理清设计思路。
首先是绪论，概述整个设计的重点和整个设计的流程。
然后，从设计背景到设计主要任务。
设计任务中画好整体电路框图，再用软件仿真，调试。
最后，是元器件的选择和组装，做好的实物也要进行调试。
在软件仿真和实物制作过程中要细心，以防出现较大的误差。
选择555定时器，而没有选择单片机，是因为，555定时器在设计电子琴方面比较简易，555定时器相对来说比较简单，成本低。
本次设计中，最重要的环节有设计电路图，仿真和实物焊接。
都要细心对待每个环节。
关键字：
电子琴；音阶；数字电路；555定时器
keyboarddesignbasedon555timer
Abstract：
Withthedevelopmentofthesociety,musichasbecomeaindispensablepartinlifeofmodernpeople.electronickeyboardasainstrumentwhichcombinedelectronictechnologyandmusicinthe16thcentry,itplaysanimportantpartinmusicofnewrole.
Withthehelpoftimer555,thedesignofsimpleelectronickeyboardismucheasier,andtheinternalsoftimer555isallbasedonsimulationcircuitanddigitalcircuit,sotoformthemultivibratorwhichgeneratessignalsofdifferentfrequency.
simpleelectronickeyboardisworkingonsomesignaldriversofdifferentfrequencybasedonsimulationcircuitanddigitalcircuit,soastomakedifferentmusicscale.Thedesigncanmake21differentmusicscalesinlowCmiddleCandhighC.Forsimpledesigns,digitalcircuithaveit’sadvantagessuchasit’ssimple,easytocontrol,stablefrequencyandlow-cost.
Aftergettingtoknowtheinternalsandfunctionsaboutthetimer555,wealsoconsideredit’sdesigndirection.Aftermakingclearit’sdesignpurposeandrequirements,weranteststhroughsimulationsoftware.andthenweassemblethepartsandtestedagain,weaimtomake8differentkeystomake8differentscales.
Inthisdesign,firstweneedtomakeclearofthedesignidea.Firstofallisintroduction,tooutlinethemainpointandthewholedesignprocess,fromdesignbackgroundanddesignrequirementtothewholecircuitdiagramandsimulationtests.Afterthatischoosingpartsandassemblethem,andruntestsonrealobject.Ofcourseweneedtobecarefulinthesimulationteststoavoiderrors.ThereasonIchoosethisisthatthesinglechipisbeentaken.Idon’tquitefamiliarwithtimer555,andalsobecauseit’sbotheasyandcostless.
Inthisdesign,themostimportantpartisthedesignofcircuitdiagram,simulationandrealwelding.Everysinglestepdemandsfullcarefulness.
Keywords:
keyboard;Scale;digitalcircuits;555Timer
第一章绪论
1.1设计背景
555定时器，是一种能完成多种逻辑功能的芯片。
在学习555定时器时会学到新的知识。
在新时代快速发展中，电子产业的更新换代，集成电路的知识是现代人才必须要熟悉和掌握的应用知识。
用555定时器来做这个设计，有以下的三个原因，首先我们要了解555定时器的意义，它是模拟和数字现结合的小规模的一个集成器件。
大部分是用双极性工艺制作的。
用CMOS制作的定时器，叫7555定时器。
其次，555定时器价格比较低，整体性能比较可靠，外接几个电阻和电容，可以独立完成多谐振荡器还有单稳态触发器的功能等。
最后，555定时器是由两个比较器来实现一些它的主要功能，两个比较器的输出电压可以通过控制RS触发器和放电管来调整。
由于对定时器也不太了解，从毕业设计才开始学习研究，学的越深入就会遇到新的问题和学习到许多知识。
此次毕业设计选择555定时器电子琴的两个原因，第一，简单，设计的知识也很简单，但将理论运用到实践中却没想象的容易。
同时提升主动学习的能力。
第二，电子琴，个人喜爱乐器，而且音乐是上帝的留给人类美妙的声音，所以对电子琴有浓厚的兴趣。
本次毕业设计实现的目标，设计出来的电子琴可以通过按下八个不同的按钮使扬声器发出八个不同的音调，允许存在实验误差。
1.2设计目的
555定时器电子器的设计，是大学四年的学习生涯，最后的一次和同学老师共同在一起合作的设计。
在本次毕业设计中，能够很好的结合所学的专业知识在运用到实践的设计中，在老师和同学的帮助下一起个共同的完成本次设计，给大学学习生涯画上一个圆满的句号。
论文设计的意义，是可以把之前学到专业知识，或者学的不太好的专业知识与实践联系在一起。
加强了发现设计问题，解决设计问题的能力，这是之前没有的学习经历。
毕业设计过程中能学到一些新的知识和加深巩固旧知识。
最终的毕业设计意义，通过所有的理论知识运用到实践中。
设计过程是从设计电路图到软件仿真，调试，再到实物的制作，达到简易电子琴的可以实现的基本功能。
经历了这次论文设计，可以提升以下一些能力：
（1）锻炼动手能力，和在遇到一些设计问题时，解决问题的能力，不是盲目地不知所措。
同时锻炼个人的设计思路。
（2）可以认真的学习一些感兴趣的一些电子产品的设计，和这些电子产品的设计理念。
在学习过程中会发现书本知识与实践中的误差，去解决这些误差问题，提升解决问题的能力。
因为本设计需要设计思路、制作和调试，所以遇到不同的问题是不可避免。
（3）对一些最基本的仪器的使用会更熟练，虽然之前使用过一些基础仪器，经过这次毕业设计后，基本的元器件和仪器仪表的操作更加熟练。
以及仿真软件Protues和一些检测数据的分析都会熟练。
（4）学习和创新调试电子琴电路的方法，提高实际动手能力。
1.3总体概述
谐振荡器是由555定时器组成的，振荡频率可以通过振荡电路中RC元件的数值的大小进行改变的。
根据毕业设计原理，可以通过设定不同的RC数值，改变振荡频率。
改变电阻的大小，按照输出电路，逐个将一些不同数值的RC组件接入振荡电路中。
让振荡电路按照要求来实现，并发出已设定的音频信号，音频信号通过扬声器转换为声音信号。
本次论文设计是基于555定时器简易电子琴的设计。
此论文设计的整个电路的组成器件，有主振荡器，颤音振荡器，扬声器和琴键按钮等。
主振荡器由555定时器，八个琴键按钮S1~S8，外接电容C1、C2，外接电阻R9以及R1~R8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。
也可以根据音乐中8个不同音阶信号，经过分析和测量后可知道。
得到的这八个不同的基本音阶的频率如表1-1
表1-1音阶频率对应图
音阶
1
2
3
4
5
6
7
8
频率Hz
261.4
293.5
329.7
349.3
392.1
440.2
493.7
523.1
在555定时器电路中，多谐振荡电路输出的波形是矩形，周期T为：
T=T（充电）+T（放电）=0.7（R1+2R2i）C1
如果取C1=0.1uF时，为了产生C调的八个不同的音阶，经过公式计算，各个音阶振荡频对应的电阻值如表1-2
表1-2音阶电阻对应图
音阶
1
2
3
4
5
6
7
8
电阻（kΩ）
34.332
28.346
23.685
20.45
16.241
12.248
9.47
7.235
第二章硬件的电路及主要元器件
2.1设计整体电路图
图2-1为根据毕业设计所画的简易电子琴的电路图，由于清晰度和大小的问题，中间的3-8这几个开关省略，用CAD制图工具画图，为后面的Protues仿真调试，和实物的制作提供更好的参考。
总体设计电路图如图2-1
图2-1电子琴电路图
总电路包括有按钮开关和定值电阻还有555定时器和扬声器四部分组成，
1．输入端：
由八个按钮开关与八个不同定值的电阻串联一起为一组，并每一组并联来构成这个输入端。
2．频率产生端：
555定时器的不同频率的产生，是因为组装不同数值的电阻来调控。
3．扬声器端口:
接受信号频率发出特定的频率。
2.2电路设计框图
2.2.1总体框图
整体电路设计过程，可见总体框图如图2-2
图2-2电子琴的总体框图
根据电子琴电路设计的框图，可以进行设计，根据公式来计算电阻值，通过安装不同数值的电阻与按钮开关串联，再把整体的八个按钮并联到555定时器的引，控制发出不同的频率，通过扬声器把音频信号转换成声音信号。
2.2.2元器件的选择
实验器材如表2-1
表2-1试验所需器材
名称
555定时器
按键开关
拨动开关
电阻
电容
电池
导线
电路板
扬声器
数量
1
8
1
9
3
1
N个
1
1
2.3定时器
2.3.1定时器内部构造
定时器的内部结构图如图2-3
图2-3555定时器的内部结构图
Vi1（TH）：
高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，用TH表示。
Vi2（TR）：
低电平触发端，简称低触发端，用TR表示。
VCO：
控制电压端。
VO：
输出端。
Dis：
放电端。
Rd：
复位端。
555定时器的内部构造，里面有一个分压网络，这个分压网络是三个阻值相同的电阻R一起构成的，产生VCC同VCC两个基准电压；有两个电压比较器一个C1一个C2；有一个RS触发器（低电平触发），这个触发器分别是由两个与非门G1、G2构成的；放电三极管T同输出反相缓冲器G3。
[]
里面的Rd是个复位端，低电平有效。
在复位之后,基本RS触发器高端为1（高电平），在经过反相缓冲器之后，输出则变为0（低电平）。
2.3.2逻辑符号
不同555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列分别如图2-4
图（a）
图（b）图（c）
图2-4不同555定时器的内部电路框图以及逻辑符号和管脚排列
多谐振荡器是能产生矩形波的一种自激振荡器电路，由于矩形波中除基波外还含有丰富的高次谐波，故称为多谐振荡器。
多谐振荡器没有稳态，只有两个暂稳态，在自身因素的作用下，电路就在两个暂稳态之间来回转换，故又称它为无稳态电路。
图2-5（a）图中看到555定时器所组成的多谐振荡器，R1，R2和电容C都是安装在外部的定值元器件。
在这个电路中把R2和电容C相连的地方，与高电平的触发端（6引脚）与低电平触发端（2引脚）并联的地方连接在一起。
接通电源的时候，电容C此时还没充上电，这时电容器两端的电压Uc都为低电平，在这时是小于（1/3）电压Vcc，所以，高电平触发端与低电平触发端在这时都是低电平。
但，输出的U则为高电平，放电管VT这时截止。
电源经过R1，R2后，又对电容C充电，让电压Uc按一定的指数规律变高，当电压Uc变高到（2/3）Vcc时，输出电压Uo为低电平，经过放电管VT的导通，把电压Uc从（1/3）Vcc提升到（2/3）Vcc，在这个时间段电路的状态，称之为第一暂稳态，在这个暂稳态相对稳定的时间TPH和电容的充电时间有关。
充电时间常数为：
T0=（R1＋R2）C。
（2—1）
放电管Vt传导，电容C经过电阻R2和放电管后，电路就会进人第二暂稳态。
维持时间TPL时间的长短与电容在这时的放电时间有关，
放电时间常数为：
T1＝R2C0。
[]（2—2）
紧跟着电容C放电的时间，电压Uc也会变低，当Uc下降到（1/3）Vcc的时候，此时的输出就为Uo高电平，接着放电管VT停止，此时Vcc会再一次的对电容c进行充电，这时电路又会回到第一暂稳态。
很容易理解，每当连接电源后，电路就会有两个暂稳态，并且来回交替变换，可以得到矩形波。
电路开始发起振荡后，此时的Uc电压会一直在（1/3-2/3）Vcc之间翻转变化。
图2-5（b）所示为工作波形
图2-5555定时器构成的多谐振荡器电路及工作波形
Uc的波形图来推算出的振荡的周期T为：
T=Tph+Tpl（2-3）
Tph对应的充电时长T为：
T=0.7（R1+R2）C（2-4）
Tpl对应的放电时长T为：
T=0.7R2C（2-5）
振荡周期T：
T=Tph+Tpl=0.7（R1+2R2C）（2-6）
振荡频率f：
f=1/T（2-7）
集成555定时器有两种，一种是双极性型，一种CMOS型。
后三位是555的是双极性的[]。
后四位是7555则是CMOS型的。
虽然是两种名称，不过逻辑功能和外部引线的排列则是一模一样的。
器件电源电压一般在4．5～12V之间，最大输出电流在200mA以下，而且可以同TTL、CMOS逻辑电平相互兼容在一起。
第三章软件仿真
3.1Protuse软件的介绍
在学习单片机的时候，Protues画图仿真软件，具有EDA的功能以外，还有更完善的仿真功能。
Protues现在最方便，最系统的仿真软件，可以和PCB同时协作完成一体化的操作的仿真软件。
Protues也可以仿真外围的一些元器件。
首先要安装，根据安装说明进行的安装。
安装后的使用界面如图3-1
图3-1安装成功后的软件位置
打开软件，出现如图3-2所示
图3-2画图页面
可以在左边的方框下的P按钮中打入需要的元器件的相对英文名称，可点击添加，在图中连线绘图。
最后在左下角运行仿真。
如果做的设计中有如单片机一样的芯片，需要写入程序的，可以用kill来写入软件程序，再运行仿真。
3.2画图过程
1.根据电路图组装电路。
首先，依据元器件种类，找到相对应的元器件在Protues中的对应的英文名称，然后，在P按钮中搜索元器件，根据数量画出来，合理的排版。
2.元件的接线和元器件之间的排版。
把画出来的元器件合理的排版，分布，不要太分散，太拥挤，整体要看着得体，连线要反复检查。
3.接通电源，按各个音阶键，看是否有结果出现。
接线完成后，运行，看是否还出现故障，排查。
如果正常，就可以按每个音阶，试试发出的不同的音阶。
4．观察是否得到了预期的结果。
整体的仿真图如图3-3所示
图3-3仿真整体图
3.3系统仿真
根据简易电子琴原理图，用Protues软件中进行仿真，Prutues中的开关按钮分布调试图如图3-4
图3-4系统开关调试图
逻辑功能：
八个开关与八个不同数值的电阻串联后，再相互并联在振荡器外部，让555振荡器发出不同音频的信号，进而产生不同的频率信号经过扬声器发出声音。
在Protues软件中画555定时器尽量居中，在Protues中设计的电子琴整体连接完成后，运行，按下开关，声音会从扬声器中发出不同的声音。
如图3-5
图3-5系统调试图
扬声器是把不同的音频信号转换成声音信号，可以听到不同的声音。
扬声器如图3-6
图3-6扬声器
逻辑功能：
不同的频率信号通过扬声器转变为声音信号，传达到人耳中。
第四章组装与调试
4.1实物组装与调试
1．根据电路图组装电路。
首先，根据简易电子琴的电路图，写下需要的元器件，和数量，数值大小，然后，剪裁导线，根据电路板的大小剪裁。
2．检查元件的接线头和元器件是否良好。
从正规的网店或者实体店里购买元器件，首先应该和店家沟通好，检查元器件是否能正常使用，为后续的工作减少不必要的麻烦。
3．焊接，接通电源依次按下八个按键，看是否有声音结果出现。
根据电路图，逐步焊接，焊接时，应注意安全，每根接头之间要保持安全距离，防止短路出现的故障，导致结果不好，元器件焊接后，用万用表检测，接通电源，按下八个不同按钮，观察设计结果是否理想。
4．观察是否得到了预期的结果。
5．调试和检测
组装电路时。
按钮中一至八，可用导线替换按键，它使用一个长的线，一端接555电路2，6以这种常见的方式来连接，别的不变，开路端不变来产生不同的音响。
可以使用示波器来帮助检测，测试每个音阶的频率，这样可以更准确，误差更小，也能使实验结果更准确。
也可以用频率计来把每个音阶的频率得到，如果用表中的电阻，可能每个音都会有误差。
在安装的时候，会多多少少出现一些问题，例如，少线多线，或者虚焊一些点，这时不容易发现，所以，最后的调试过程中，要细心地去检查。
线连接错误通常是由于接线错误的原因，或者事后由于大意，而忘记取下实验造成的旧线，这些错误往往在操作中通常很难找到。
因此，可以根据所画的电路图来逐个的排查，检测，每个引脚还有连接端口是否错误，也可以用万用表，每个点的测试，如果有问题会发现的，可能有些地方会虚焊或者短路都能查出来。
在使用烙铁时要小心和注意力集中就会避免这些问题的出现。
检查完成后，只需注意输入电压不要过高，对应12V即可，通过电阻的串并联，按下按钮开关后，有相应的声音发出。
如果还出现问题，可能是在排查问题的时候依然有漏洞，需要从新排查。
在论文设计时，会发现这个现象，在制作过程中刚开始只接了一个电阻按一下开关就会发出响声！
再接两个电阻按一下开关就会发现响声但是响声与第一下不相同，其次以后六次都是与前面一样，多接通一个电阻响声就与前面一次不相同！
全部接好后，每按一个开关所发出的声音与普通钢琴发出的声音一样！
音质也差不多！
而且音调更全
由于设计电路本身的缺陷，当按下按钮，基本能够发出1234567i八个音阶，但效果不是很好，有沙沙的声音。
4.2电阻、电容的选取
在这次论文设计上，主要是元器件的选取，主要元器件555定时器选取往往是不可能出现影响设计结果的误差。
但，电阻电容的选择很重要，可能由于一个电阻的选择失误就会影响整个设计结果。
还有是设计电路的电阻在市场上不一定都能买到。
为了克服这些问题，也可以用可变电阻和两个电阻并联组合，尽量减小误差。
如果市场上买不到的电容或者电阻，我们可以用串联或者并联其他数值的原件来得到需要的数值大小。
4.3元件的焊接和插放
元件插放原则是先低后高的顺序，从电阻开始，然后到电容结束。
焊接时，要注意烙铁的温度和焊接时间，不要将烙铁一直与焊接点接触，不然会导致焊接点一直高温中，而出现连接不良的问题，焊接时间越快越好。
还有就是焊接环境应该注意通风，焊接时冒出的气体是有害的，尽量少呼吸焊接时冒出的气体。
电容的插放是危险的，插放时要分清电容的极性，不然会出现意料之外的事故。
4.4实物
实物正面如图4-1所示。
图4-1简易电子琴实物图正面
实物反面图4-2所示
图4-2简易电子琴实物反面
第五章结论
本次电子琴论文设计，在老师的指导下，和在这几个月来查阅了许多有关此设计的资料和书籍，并与同学交流和学习，从网上也了解学习了相关的论文知识和别人的设计理念，最终完成了这个论文设计。
通过对简易电子琴的设计，感受到“理论和实践相联系”的这句话的重要性与真实性。
因为通过对此毕业论文的设计，不仅学习之前不会的知识，而且也巩固了之前学习过的知识。
最重要的是在这次论文设计过程中，理解要学会把书本上的学过的一些知识通过实践应用到实际中。
也明白老师为什么一直强调要认真完成毕业设计，也明白了老师为什么一直严格的要求要做好论文设计。
在设计电路的调试以及焊接组装的过程中，调试部分是最难的，要细心认真的完成调试，焊接是最有趣的部分。
理论和实际是有差别，虽然设计结果存在误差，但，要在误差控制在允许范围内。
通过自己对设计结果的观察和检测，在每个步骤上都要细心，在可变的数值元器件上要尽量减少元器件对整个设计结果的影响，达到最接近理想状态。
反反复复的调试，改正，调试，改正。
然而参数的调试是一个经验的积累过程，如果没有足够电子产品设计经验的人在短时间内，是很难达到想要的设计结果。
这次电子琴的设计，让我对以前所学的电子电路知识有了很深的理解，也提高自己对电子设计方面的兴趣。
同时也增强了动手能力。
学会了运用理论，大胆实践。
培养了书本知识结合动手实践结合的设计思想。
通过毕业论文的设计，运用所学的理论知识去思考问题，结合实际解决问题，使逻辑思维更加缜密。
不足之处是，扬声器出来的声音有点沙哑，可能有以下原因：
可能是扬声器质量的问
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