### 基于51单片机的简易电子琴设计说明
#### 一、问题提出与背景
在当今数字化时代，电子技术与音乐的结合催生了许多创新产品，简易电子琴便是其中一种。该项目的设计初衷源自对音乐的热爱及对电子琴工作原理的好奇心。音乐不仅是一种艺术形式，更是人们精神世界的食粮。通过对51单片机的强大功能的信任，以及对其在各种应用场景中的广泛使用，本项目旨在利用51单片机设计一款简易电子琴。
#### 二、设计目标与功能需求
**1. 实现基本琴键功能**
- 每按下键盘上的一个键，51单片机能够检测到相应的按键，并根据按键位置的不同，通过预设的程序控制蜂鸣器发出不同频率（音调）的声音。
- 声音会持续一段时间，直到按键被释放，随后声音停止。
- 系统将持续扫描键盘，以检测是否有新的按键被按下。
**2. 音色调节功能**
- 在键盘上设置了特定的功能键，用于选择不同的音色。
- 用户可以通过按键选择不同的音色，如长笛音、钢琴音、小号音、小提琴音或短笛音。默认状态下为钢琴音。
- 选定的音色将在用户按下琴键时持续使用，直到下一次选择其他音色为止。
**3. 自动播放歌曲功能**
- 设计了额外的功能键，按下这些键后，电子琴将自动播放预先设定好的歌曲。
- 用户还可以在播放歌曲之前选择音色，以实现个性化播放体验。
#### 三、总体设计方案
##### 1. 电子琴发声原理
- **声音产生的基本原理**：通过单片机控制输出一定频率的方波，将该方波接入喇叭即可产生相应频率的声音。
- **改变音调的方法**：通过改变输出波形中“高”“低”电平的持续时间，进而改变输出波形的频率，实现音调的变化。
- **音符频率表**：根据不同的音符频率，单片机能够精确控制方波的输出，从而实现不同音符的播放。
##### 2. 外观设计
- 简易电子琴的外观设计应考虑人机工程学，确保用户操作简便舒适。
##### 3. 硬件部分总体方案
- **51单片机P0口通过8155扩展**：连接4*8的矩阵键盘，既作为琴键键盘又作为功能控制键。
- **P2口与EPROM连接**：用于存储预设的音色样本和歌曲数据。
- **P0口接通**：通过适当的接口设备（如音频放大器），将产生的音频信号输出至喇叭或扬声器。
#### 四、软件部分设计
- **主程序框架**：包括初始化模块、键盘扫描模块、音色选择模块、歌曲播放模块等。
- **初始化模块**：设置51单片机的工作模式、中断设置、定时器/计数器的配置等。
- **键盘扫描模块**：检测用户输入，识别按键动作。
- **音色选择模块**：根据用户选择更改音色。
- **歌曲播放模块**：加载并播放预设歌曲，支持用户在播放过程中更改音色。
#### 五、实现细节
- **定时器/计数器的应用**：利用51单片机内部的定时器/计数器T0或T1进行定时控制，实现精准的声音延迟效果。
- **频率计算公式**：根据所需的音符频率，通过公式计算出定时器的初始值，从而实现不同音符的准确播放。
- **音符频率表**：根据标准音阶频率表，设置每个音符对应的频率值，确保音准准确。
#### 六、总结
通过上述设计方案，我们可以利用51单片机实现一款功能丰富的简易电子琴。这款电子琴不仅能够满足基本的琴键演奏需求，还具备多种音色选择和自动播放歌曲的功能，为用户提供了一个集娱乐与学习于一体的平台。此外，该设计还具有较高的扩展性和可玩性，可以根据用户需求进一步增加新功能，使其成为一款极具吸引力的产品。
