基于单片机简易光弦电子琴的开发

摘 要

针对目前市场激光琴价格昂贵、制作复杂等因素，设计和开发一款简易光弦电子琴。以目前市场性价比高的 51单片机为基础，进行设计研发以及验证效果，同时能够增加高校学生对单片机课程的兴趣，应用前景广泛。

【关键词】单片机 光敏电阻 光弦电子琴

自激光理论的提出，激光技术已得到迅速发展。随着科技的进步，人类联想尝试将光和声巧妙结合，产生了一种光弦电子琴。此类电子琴巧妙的将传统的琴弦用光束代替，从而产生一种震撼的效果。自上海世博会以及各大科技馆展览光弦电子琴以来，人们日益迫切需要了解其原理和简易制作。本文从制作简易的角度，研究和开发一款光弦电子琴，并希望能够促进光弦电子琴的发展和推动电子与音乐的进一步融合。

1 设计总体思路与原理

该系统主要由激光发射、激光接收、微控制器（单片机）以及音乐响应四个模块组成，设计与控制流程如图 1所示。

2 硬件功能模块设计

2.1 激光发射模块

为了达到简易的效果以及降低成本，选择发射功率 150mW，激光波长 650nm（红光），出光功率 <5mW，供电电压为直流 +5V的激光铜头管八个，分别产生八条光束，代表音乐上的八个最基本音符。这八个激光管只需将正极相连接单片机的 VCC，负极相连接 GND，即可完成光束产生。

2.2 激光接收模块

本模块需要做八个激光接收器，为了设计方便，可以采用八个光敏电阻，利用其光感应效应产生相应的阻值变化，来迅速的相应光强的变化，以便传导给 51单片机的引脚。

激光接收器与单片机接口电路设计如图 2所示。本电路放弃了复杂的比较原理设计，而是选择简易的分压设计，根据光敏电阻的特性，根据分压原理就可以让输出的 P1口产生相应的高低电平变化，由于光敏电阻的感光响应速度较快，可以忽略其对激光的响应时间。

接口电路工作流程如图 3所示。

2.3 控制器（单片机模块）

本设计采用使用广泛的 STC89C51单片机，因其价格便宜，功能基本完善受到了众多电器公司的青睐。制作一个 51单片机最小系统，该最小系统就是无弦电子琴的控制器部分，负责扫描接收有无光束被遮挡，以及根据相应的情况，执行内部程序产生一定的音符频率，并且传送给音乐响应模块。将激光接收器接在单片机的 P1口， P3.7口作为音乐响应输出，本制作并未涉及复杂的串口通信功能，只是把其接口当作普通的串行数据输出口。单片机通过串行传输数据，不断对 P3.7（扬声器 ）进行高低电平的赋值，使其发出不同频率的音乐。

2.4 音乐响应模块

音乐响应模块需要设计一个音乐驱动电路，本设计选择一款常用的音频功放芯片 LM386作为驱动核心部件。 LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。驱动电路中，其中 LM386的 1，8脚可以接可调电阻，用于增益设定，2，3脚分别为反向输入和正向输入，4，6脚为电源和地， 5脚用于输出。同时可根据实际要求参考该芯片的参考技术手册调整电路，也可以在 1，8脚之间接一个音量可调电路。

3 软件功能程序设计

本程序利用单片机的定时 /计数器 T1来产生相应的频率信号，该信号为方波信号。首先要产生脉冲，先计算出某一音符的周期，利用定时器计时半周期的时间，每当计时结束就将音乐响应输入的 P3.7反向，依次再重复，就可以产生所需频率的脉冲了。软件程序执行流程为：定时器初始化→检测光束→单片机内部响应→音乐驱动电路→扬声器发声。

4 结语

本光弦电子琴的设计与开发，结构简单，制作简易，操作方法新颖，智能化程度，能够充分体现现代科学技术的应用与推广。该作品制作成本低，功耗低，具有十分重要的商业价值，能够促进光弦电子琴的发展与完善，相信不久的将来，会普遍应用在电子乐器领域。

参考文献

[1]郭天祥.51单片机 C语言教程[M].电子工业出版社，2009.12.

[2]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].3版.北京：清华大学出版社，2010.8.

作者单位

中南林业科技大学计算机与信息工程学院 湖南省长沙市 410000