基于單片機智能電子琴的設計

王嘯東 王春燕 涂林軍 汪夢迪

摘要： 研究發現兒童學習彈奏鋼琴或電子琴，可以提高兒童的神經反應能力、增強記憶力、促進智力發展。本文介紹了基于單片機智能電子琴的系統設計方法，主要包括：音樂設計的原理介紹、硬件電路設計、軟件系統設計等內容。

關鍵詞： 單片機智能電子琴功能介紹設計方法

1.引言

當今社會，家長對孩子的教育越來越重視，不僅關心孩子語文、數學等基礎課程，對孩子的音樂、繪畫等才能的培養也十分重視，希望孩子不要輸在起跑線上。研究發現兒童學習彈奏鋼琴或電子琴，可以提高兒童的神經反應能力、增強記憶力、陶冶情操、促進智力發展。孩子在傳統電子琴上學習彈奏時，往往是先熟悉鍵盤的功能、手型練習，再學習五線譜，再練習彈琴，漫長的學習過程一點點打磨了孩子的學習興趣。在沒彈出一首完整曲目時，孩子已失去了學習音樂的興趣。為了便于兒童學習電子琴，激發兒童的學習興趣，項目組設計、制作了基于單片機的智能電子琴，本文將介紹基于單片機智能電子琴的系統設計方法。

2.智能電子琴的功能介紹

基于單片機的智能電子琴除了具有傳統電子琴彈奏功能之外，還能播放樂曲；在播放樂曲時，相應按鍵的指示燈亮，便于兒童模仿學習。幾次模仿彈奏，兒童就熟悉了當前曲目的按鍵彈奏方法，然后，關掉樂曲播放功能，讓孩子獨立彈奏；反復幾次，孩子就能獨立彈奏出一首完整曲目。在學會怎么彈之后，還要學習鍵盤的功能、五線譜等理論知識，再進行系統教學，實現“做、學、教”一體，提高兒童學習音樂的興趣和效率。

基于單片機的智能電子琴還具有以下兩種創新功能。

（1）添加曲目功能。有好聽的新歌出現后，家長可以通過按鍵輸入曲譜，及時更新曲目，添加曲目后，可以播放練習，能夠讓孩子以最快的速度學習彈奏最新曲目。

（2）鬧鐘功能。在智能電子琴中，增加了鬧鐘功能。早晨，讓孩子在熟悉的鬧鈴曲目中起床，開始一天的學習。

3.智能電子琴的設計

音樂主要是由音符和節拍決定的，音符對應于不同的聲波頻率，而節拍則表達的是聲音持續的時間。通過控制定時器的定時時間可以產生不同頻率的方波，用于驅動喇叭發出不同的音符，然后利用延時子程序來控制發音時間的長短，即可控制節拍。

3.1硬件電路設計

智能電子琴采用AT89C51單片機作為核心控制元件（如圖1），獨立矩陣鍵盤按鍵作為輸入端，通過獨立矩陣鍵盤，可發出DO、RE、MI等音符的高中低音。系統設有一個功能選擇鍵、一個音樂選擇鍵和一個蜂鳴器。通過按功能選擇鍵，實現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；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行播放，在播放樂曲時，相應按鍵的指示燈亮，便于兒童模仿學習。根據設計的要求，我們將整個設計分為三大模塊：AT89C51單片機作為核心控制模塊，獨立矩陣鍵盤和控制按鍵作為輸入端，數碼管以及蜂鳴器作為輸出端。

圖1智能電子琴系統控制原理圖

3.2軟件系統設計

以《祝你生日快樂》的樂曲為例，它的最低音為5（低音So），最高音為5（中音So），作出其對應的簡譜碼、定時常數、節拍數表。其次，建立音樂代碼庫先找出樂曲的最低音和最高音的范圍，然后確立音符表T的順序；把T值表建立在一個表格中，在編程時，常將構成發音的計數值放在“TABLE1”中；簡譜碼（音符）為高四位，節拍碼（節拍數）為低4位，音符節拍碼放在程序的另一個表格中，常用“TABLE”中；音符節拍碼00H為音樂結束標志。

軟件系統控制程序編程思路是：根據樂譜及定時常數、延時常數數值表，利用定時器T0，工作模式采用方式1（16位定時器），利用定時器的定時功能，將數值表制成數據表格，其中音調對應的定時常數制成表1（TABLE1），樂曲中音符和節拍對應的數值制成表2（TABLE）。在程序中，采用查表方式，將樂譜對應的定時常數讀入計數器中，同時利用延時程序，控制樂譜的節拍，使喇叭發出音樂聲。

4.結語

本文主要利用AT89系列單片機的強大功能，以較為簡單的硬件電路和相對復雜的軟件系統，實現了基于單片機的智能電子琴的設計。依據本文制作的智能電子琴電路簡潔、操作方便、性能穩定，智能化程度高，便于兒童對電子琴的學習掌握，激發兒童的學習興趣。

參考文獻：

[1]于海生.微型計算機控制技術.北京：清華大學出版社，1999.3.

[2]李廣弟.單片機基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001.

基金項目：南京鐵道職業技術學院大學生實踐創新項目基金（SKC201203）。