王嘯東 涂林軍 王春燕 李作奇

【摘 要】電子琴是音樂與電子科技結(jié)合的產(chǎn)物，在現(xiàn)代音樂中扮演著重要的角色，單片機(jī)具有強(qiáng)大的控制功能和靈活的編程能力，在人們的生產(chǎn)、生活中得到了普遍應(yīng)用。本文主要介紹了以AT89C51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)智能電子琴的方法，主要包括原理圖設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；音樂；創(chuàng)新；電子琴

1.引言

1907年，美國人卡西爾發(fā)明第一臺用電磁線圈產(chǎn)生音階的電子琴，電子琴在國外的發(fā)展已有上百年的歷史。1978年，中國引進(jìn)了第一臺作為研究用的電子琴，到了20世紀(jì)80年代中期，電子琴已經(jīng)被中國的專業(yè)音樂者和音樂愛好者所普遍認(rèn)識。隨后，中國的電子琴蓬勃發(fā)展起來了，并取得了令國內(nèi)外音樂界、電子琴界所矚目的成就。本文將介紹基于單片機(jī)的智能電子琴的設(shè)計(jì)與制作方法。

2.智能電子琴的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

智能電子琴系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是音樂播放，另一個(gè)就是電子琴彈奏。關(guān)于聲音的處理，使用匯編語言編程實(shí)現(xiàn)，利用定時(shí)器來控制頻率，而每個(gè)音符的符號，存放在定義的表中。具體要求如下：要求達(dá)到電子琴的基本功能，可以用彈奏出簡單的樂曲。用鍵盤作出電子琴的按鍵，每鍵代表一個(gè)音符。各音符按一定的順序排列，必須符合電子琴的按鍵排列順序。固定音樂播放有按鍵控制：“播放”、“彈奏/停止”，并且在播放音樂時(shí)，相應(yīng)按鍵的指示燈亮，便于模仿學(xué)習(xí)。彈奏電子琴時(shí)能播放出準(zhǔn)確的聲音，不彈奏時(shí)可以播放內(nèi)置音樂。

3.智能電子琴的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的組成

單片機(jī)因體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格低廉而得到廣泛應(yīng)用?；趩纹瑱C(jī)設(shè)計(jì)的智能琴系統(tǒng)組成有：AT89C51、擴(kuò)展矩陣鍵盤、發(fā)光二極管等。

從功能方面分，智能電子琴系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是音樂播放部分，另一個(gè)就是電子琴彈奏部分。

音樂播放部分：電子琴利用AT89C51的兩個(gè)定時(shí)器（如T0，T1）控制，在P3.5腳上輸出方波周期信號，產(chǎn)生音樂，通過矩陣鍵盤按鍵產(chǎn)生不同的音符，彈奏人員可以隨心所欲的彈奏自己所喜愛的樂曲，當(dāng)不想彈奏時(shí)通過按放歌鍵可以演奏事先存放在單片機(jī)中的動(dòng)聽的曲子。當(dāng)歌曲演奏完時(shí)，通過按復(fù)位鍵便可回到初始狀態(tài)，這樣就做出了一臺智能電子琴。

由于一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當(dāng)然對于單片機(jī)來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號。樂曲中，每一音符對應(yīng)著確定的頻率，我們將每一音符的時(shí)間常數(shù)和其相應(yīng)的節(jié)拍常數(shù)作為一組，按順序?qū)非械乃谐?shù)排列成一個(gè)表，然后由查表程序依次取出，產(chǎn)生音符并控制節(jié)奏，就可以實(shí)現(xiàn)演奏效果。

電子琴彈奏部分：把每個(gè)按鍵所對應(yīng)的值經(jīng)過處理后發(fā)給單片機(jī)，再在單片機(jī)內(nèi)把數(shù)字當(dāng)作指針指向所對應(yīng)的音符。

3.2 硬件電路設(shè)計(jì)

智能電子琴采用AT89C51單片機(jī)作為核心控制元件（如圖1所示），鍵盤按鍵作為輸入端，通過鍵盤，可發(fā)出DO、RE、MI等音符的高中低音。系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)功能選擇鍵，一個(gè)音樂選擇鍵和一個(gè)蜂鳴器。通過按下功能選擇鍵，可以實(shí)現(xiàn)彈奏功能和樂曲播放功能的切換。在彈奏功能下，可以通過不同的按鍵來彈奏不同的音調(diào)；在音樂播放功能下，可以通過音樂選擇按鍵來選擇不同的樂曲進(jìn)行播放，在播放樂曲時(shí)，相應(yīng)按鍵的指示燈亮。

圖1 智能電子琴系統(tǒng)圖

圖2 程序流程圖

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在智能電子琴開始工作時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)電子琴處于彈奏狀態(tài)，歌曲選擇功能鍵的目的是賦予鍵盤第二功能，即對系統(tǒng)內(nèi)置的歌曲進(jìn)行選擇，在放歌時(shí)能且只能通過彈奏/停止鍵來結(jié)束放歌，選歌時(shí)必須先按下歌曲選擇功能鍵，在通過鍵盤來選擇和切換曲目。軟件系統(tǒng)控制程序編程思路是：根據(jù)樂譜及定時(shí)常數(shù)、延時(shí)常數(shù)數(shù)值表，利用定時(shí)器T0，工作模式采用方式1（16位定時(shí)器），利用定時(shí)器的定時(shí)功能，將數(shù)值表制成數(shù)據(jù)表格，其中音調(diào)對應(yīng)的定時(shí)常數(shù)制成表1（TABLE1），樂曲中音符和節(jié)拍對應(yīng)的數(shù)值制成表2（TABLE）。在程序中，采用查表方式，將樂譜對應(yīng)的定時(shí)常數(shù)讀入計(jì)數(shù)器中，同時(shí)利用延時(shí)程序，控制樂譜的節(jié)拍，使喇叭發(fā)出音樂聲。

智能電子琴程序處理流程圖（如圖2所示），系統(tǒng)初始化后，進(jìn)行鍵盤掃描，確定有無鍵盤按下。如沒有鍵盤按下，則繼續(xù)掃描，有鍵盤按下，識別當(dāng)前按鍵，選擇音樂播放，或者選擇電子琴彈奏。

部分程序如下：

4.結(jié)束語

基于單片機(jī)的智能電子琴電路簡潔，運(yùn)行穩(wěn)定，其優(yōu)點(diǎn)是硬件電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，操作方便，性價(jià)比較高等，具有一定的實(shí)用和參考價(jià)值。本設(shè)計(jì)還可以擴(kuò)展其他功能，比如記憶功能，可以存儲彈奏者所彈奏的音樂且保存。

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基金項(xiàng)目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201313106003Y）。