基于单片机智能电子琴的设计

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摘 要： 研究发现儿童学习弹奏钢琴或电子琴，可以提高儿童的神经反应能力、增强记忆力、促进智力发展。本文介绍了基于单片机智能电子琴的系统设计方法，主要包括：音乐设计的原理介绍、硬件电路设计、软件系统设计等内容。

关键词： 单片机智能电子琴 功能介绍 设计方法

1.引言

当今社会，家长对孩子的教育越来越重视，不仅关心孩子语文、数学等基础课程，对孩子的音乐、绘画等才能的培养也十分重视，希望孩子不要输在起跑线上。研究发现儿童学习弹奏钢琴或电子琴，可以提高儿童的神经反应能力、增强记忆力、陶冶情操、促进智力发展。孩子在传统电子琴上学习弹奏时，往往是先熟悉键盘的功能、手型练习，再学习五线谱，再练习弹琴，漫长的学习过程一点点打磨了孩子的学习兴趣。在没弹出一首完整曲目时，孩子已失去了学习音乐的兴趣。为了便于儿童学习电子琴，激发儿童的学习兴趣，项目组设计、制作了基于单片机的智能电子琴，本文将介绍基于单片机智能电子琴的系统设计方法。

2.智能电子琴的功能介绍

基于单片机的智能电子琴除了具有传统电子琴弹奏功能之外，还能播放乐曲；在播放乐曲时，相应按键的指示灯亮，便于儿童模仿学习。几次模仿弹奏，儿童就熟悉了当前曲目的按键弹奏方法，然后，关掉乐曲播放功能，让孩子独立弹奏；反复几次，孩子就能独立弹奏出一首完整曲目。在学会怎么弹之后，还要学习键盘的功能、五线谱等理论知识，再进行系统教学，实现“做、学、教”一体，提高儿童学习音乐的兴趣和效率。

基于单片机的智能电子琴还具有以下两种创新功能。

（1）添加曲目功能。有好听的新歌出现后，家长可以通过按键输入曲谱，及时更新曲目，添加曲目后，可以播放练习，能够让孩子以最快的速度学习弹奏最新曲目。

（2）闹钟功能。在智能电子琴中，增加了闹钟功能。早晨，让孩子在熟悉的闹铃曲目中起床，开始一天的学习。

3.智能电子琴的设计

音乐主要是由音符和节拍决定的，音符对应于不同的声波频率，而节拍则表达的是声音持续的时间。通过控制定时器的定时时间可以产生不同频率的方波，用于驱动喇叭发出不同的音符，然后利用延时子程序来控制发音时间的长短，即可控制节拍。

3.1硬件电路设计

智能电子琴采用AT89C51单片机作为核心控制元件（如图1），独立矩阵键盘按键作为输入端，通过独立矩阵键盘，可发出DO、RE、MI等音符的高中低音。系统设有一个功能选择键、一个音乐选择键和一个蜂鸣器。通过按功能选择键，实现弹奏功能和乐曲播放功能的切换。在弹奏功能下，可以通过不同的按键来弹奏不同的音调；在音乐播放功能下，可以通过音乐选择按键来选择不同的乐曲进行播放，在播放乐曲时，相应按键的指示灯亮，便于儿童模仿学习。根据设计的要求，我们将整个设计分为三大模块：AT89C51单片机作为核心控制模块，独立矩阵键盘和控制按键作为输入端，数码管以及蜂鸣器作为输出端。

图1 智能电子琴系统控制原理图

3.2软件系统设计

以《祝你生日快乐》的乐曲为例，它的最低音为5（低音So），最高音为5（中音So），作出其对应的简谱码、定时常数、节拍数表。其次，建立音乐代码库先找出乐曲的最低音和最高音的范围，然后确立音符表T的顺序；把T值表建立在一个表格中，在编程时，常将构成发音的计数值放在“TABLE1”中；简谱码（音符）为高四位，节拍码（节拍数）为低4位，音符节拍码放在程序的另一个表格中，常用“TABLE”中；音符节拍码00H为音乐结束标志。

软件系统控制程序编程思路是：根据乐谱及定时常数、延时常数数值表，利用定时器T0，工作模式采用方式1（16位定时器），利用定时器的定时功能，将数值表制成数据表格，其中音调对应的定时常数制成表1（TABLE1），乐曲中音符和节拍对应的数值制成表2（TABLE）。在程序中，采用查表方式，将乐谱对应的定时常数读入计数器中，同时利用延时程序，控制乐谱的节拍，使喇叭发出音乐声。

4.结语

本文主要利用AT89系列单片机的强大功能，以较为简单的硬件电路和相对复杂的软件系统，实现了基于单片机的智能电子琴的设计。依据本文制作的智能电子琴电路简洁、操作方便、性能稳定，智能化程度高，便于儿童对电子琴的学习掌握，激发儿童的学习兴趣。

参考文献：

[1]于海生.微型计算机控制技术.北京：清华大学出版社，1999.3.

[2]李广弟.单片机基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2001.

基金项目：南京铁道职业技术学院大学生实践创新项目基金（SKC201203）。