基于AT89C51單片機的簡易電子琴設計

王大為 黨世紅

摘要：設計了用單片機AT89C51作為主控制器，附帶鍵盤、功放、揚聲器的簡易電子琴系統(tǒng)，給出了相關軟硬件，經(jīng)試驗表明，該系統(tǒng)具有結構簡單，運行可靠，抗擾能力強，有較好參考價值。

關鍵詞：AT89C51單片機；音色；電子琴系統(tǒng)

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）23-5548-03

單片微型計算機是大規(guī)模集成電路技術發(fā)展的產(chǎn)物，具有體積小、運算快、性能優(yōu)良、應用廣泛的特點。電子琴在現(xiàn)代音樂中扮演著重要的角色，是現(xiàn)代電子技術與音樂結合的新型的鍵盤樂器。該文采用單片機AT89C51作為主控制器，附帶鍵盤、功放、揚聲器等模塊，設計了簡易電子琴系統(tǒng)。

1 設計任務及要求

設計電子琴，能實現(xiàn)基本音級和音程，具有一般演奏功能；按鍵不同，音調(diào)不同；具有手動演奏，能手動演奏四個八度音的樂音，音色純正，音長由按鍵按下持續(xù)時間控制；能自動演奏。能存儲播放6首以上的不同曲目，每首曲長度（即音符個數(shù)）不少于50個，音調(diào)、音色優(yōu)美；可選曲重復演奏；功能開關（手動，自動切換）可由硬件撥動開關構成，也可由鍵盤完成手動/自動切換；功率≤500mW ，音質(zhì)悅耳，無失真。

2 系統(tǒng)設計

2.1 設計分析

1） 樂音產(chǎn)生的原理分析

音的物理屬性有高低、長短、強弱和音色四個方面。音調(diào)反映聲音振動的頻率，聲音振動越快，頻率越高，音調(diào)就越高，反之，頻率低，音調(diào)就低；音強反映的是聲音的振動幅度，聲音振動幅度越大，聲音越強，振幅小，音強??；音長指的是聲音持續(xù)時間的長短，聲音持續(xù)時間長，音長就長，聲音持續(xù)時間短，音長則短；音色指發(fā)聲體的特色，由發(fā)聲體本身的結構、材質(zhì)等固有性質(zhì)決定，不同的發(fā)聲體，音色不同。

兩個音的音高的距離叫做音程，度是音程的最小單位；音階是由一系列向上或向下逐級進行的音構成，各音之間具備一定的音程關系。

十二平均律是將一組音（八度）分成十二個半音音程的方法；頻率決定音樂的音高（音調(diào)）。樂音有八十四音階，八十四音階中最低音頻率為21.827Hz，每高八度則頻率加倍。

一個八度音音程內(nèi)分為十二個半音，每相鄰半音比值相等而構成十二平均律，其中任何兩相鄰半音頻率的比值為K= =1.0595，據(jù)此可得所有八十四音的頻率。

2） 簡易電子琴設計模型的分析

本設計中，驅動揚聲器的脈沖頻率和持續(xù)時間是產(chǎn)生音樂的關鍵，是本系統(tǒng)設計的切入點。

位觸發(fā)方式（位控法）產(chǎn)生音樂：位觸發(fā)方式是根據(jù)音調(diào)頻率算出周期從而確定初值，使單片機的定時器每1/2周期中斷一次，并在中斷服務程序中將某一指定的I/O口取反，即可在該端口輸出該頻率的方波，接到揚聲器即可產(chǎn)生對應于該音調(diào)的樂音。實際設計中因方波含有高次諧波，若直接驅動揚聲器，音質(zhì)較差，應采用平滑濾波處理。

3） 簡易電子琴設計的難點分析

音調(diào)的控制 設音頻為 fM，一個半波（脈寬）所需時間為1/（2× fM）s，用這個時間來控制端口輸出脈沖的延時時間，也就控制了脈沖頻率，從而驅動揚聲器產(chǎn)生給定頻率的樂音。因此，在設計中應計算出音頻、音長及定時器初值之間的對應關系。

定時時間常數(shù)（初值）算法如下：置定時器T1為工作方式1，即TH1 和TL1構成16位定時器，根據(jù)t=1/（2× fM），計算出脈沖信號的周期；再由下式（2-1）即可求出定時器初值。

按照每個音階對應的頻率，分別計算出對應的定時器初值，在片內(nèi)ROM中形成一個4×7的矩陣，這就是音階表。

音長的控制 音長控制可以采用延時程序定時或者定時器中斷的方式控制節(jié)拍來實現(xiàn)。 采用延時程序定時的方法，給定延時初值控制循環(huán)次數(shù)來實現(xiàn)各種節(jié)拍的控制。此方案避免了中斷嵌套使程序結構簡單，但缺點是使用延時程序定時效率低下。 采用定時器中斷的方式控制節(jié)拍，根據(jù)音符節(jié)拍所對應的時間常數(shù)，向定時器寫入相應初值，通過變換中斷的循環(huán)次數(shù)，得到音樂的節(jié)拍數(shù)。此方案程序運行效率高，并且在中斷服務程序中加入控制子程序便于控制其他功能；但缺點是使用中斷嵌套，增加了程序的復雜程度。

手動演奏 在手動演奏過程中，音階由按鍵決定，音長由彈奏者按鍵時間的長短決定。程序不斷查詢鍵盤狀態(tài)，一旦有鍵按下立刻算出鍵值，查頻率表取出初值，給定時器T1送初值，啟動計數(shù)，開始發(fā)聲；然后繼續(xù)監(jiān)視鍵盤。一旦鍵盤釋放，立即停止計數(shù)，返回查詢，等待下一次按鍵。在手動演奏中，音高的選擇可由硬件開關或者鍵盤定義，其控制方式在原理上是相同的。手動演奏和自動演奏由開關控制切換，控制邏輯由設計者確定。

自動演奏 在自動演奏中，音長由音長代碼決定，對一首歌曲的樂譜編碼后形成一段連續(xù)的數(shù)據(jù)，而樂譜中的每一個音符具有音階、音高和音長三種屬性，所以編程中將樂譜每一個音符的音階、音高和音長定義為三個數(shù)據(jù)表。程序根據(jù)樂譜表中每個音符的音階及音高來確定音符對應的頻率，同時根據(jù)音長取出相應的節(jié)拍計數(shù)初值以控制這一音調(diào)的長短。

樂譜代碼 考慮到常用音樂節(jié)拍4種，音高4種和音階7個，因此可以把每個音樂代碼存在同一個字節(jié)內(nèi)，將音階存低三位，音高存四五位，音長存六七位，最高位為結束符。這樣雖然譯碼相對麻煩，但音樂代碼占用空間較小，每個樂譜代碼比前一方案可節(jié)省2/3的空間。可達4個八度音的樂譜代碼如下：

2.2 系統(tǒng)設計

1） 系統(tǒng)硬件設計

（1） 矩陣鍵盤設計。手動演奏需要用到低音、中音、高音和高高音分別對應的7個音階鍵以及功能切換鍵；自動演奏需要用到曲目選擇鍵、暫停鍵、曲目切換鍵和功能切換鍵?？紤]到音階鍵和曲目選擇鍵可以復用，系統(tǒng)總共需要至少29個按鍵。鍵盤設計可以采用8×4的矩陣鍵盤方案，這樣按鍵一目了然，軟件控制比較簡單。

（2） 獨立式按鍵設計。采用7個單獨鍵以及2個控制鍵的4個狀態(tài)實現(xiàn)28個音階，音階鍵和曲目選擇鍵復用，1個單獨鍵作為功能切換鍵（手動、自動切換），這樣可以節(jié)省系統(tǒng)硬件資源，同時也便于系統(tǒng)的擴展，但軟件設計相對復雜。

（3） 揚聲器。揚聲器是一種能把電信號轉換為聲音信號的電聲換能器件。揚聲器的好壞直接影響聲音的播放效果，本設計選用電磁式揚聲器。

（4） 系統(tǒng)硬件電路的總體設計

2） 系統(tǒng)軟件設計

將程序導入AT89C51芯片，調(diào)試成功后，再放到電路板中，按下按鍵可任意彈奏自己想要的旋律。

3 結論

本文通過分析音階與頻率的關系，利用單片機的定時/計數(shù)器T0來產(chǎn)生方波頻率信號，按音階對應頻率關系組合，構成想要表達的音樂，再利用功放電路來將音樂聲音放大，通過顯示模塊來確知自己所彈的音符，就制作成簡易琴了。

參考文獻：

[1] 劉樂喜.微機計算機接口技術及應用[M].北京：華中科技大學出版社，2005.

[2] 石東海.單片機數(shù)據(jù)通信技術從入門到精通[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[3] 長德，李華，李東.MC51/98系列單片機原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.