基于單片機(jī)智能電子琴的設(shè)計(jì)

王嘯東 王春燕 涂林軍 汪夢(mèng)迪

摘要： 研究發(fā)現(xiàn)兒童學(xué)習(xí)彈奏鋼琴或電子琴，可以提高兒童的神經(jīng)反應(yīng)能力、增強(qiáng)記憶力、促進(jìn)智力發(fā)展。本文介紹了基于單片機(jī)智能電子琴的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，主要包括：音樂(lè)設(shè)計(jì)的原理介紹、硬件電路設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī)智能電子琴功能介紹設(shè)計(jì)方法

1.引言

當(dāng)今社會(huì)，家長(zhǎng)對(duì)孩子的教育越來(lái)越重視，不僅關(guān)心孩子語(yǔ)文、數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)課程，對(duì)孩子的音樂(lè)、繪畫(huà)等才能的培養(yǎng)也十分重視，希望孩子不要輸在起跑線上。研究發(fā)現(xiàn)兒童學(xué)習(xí)彈奏鋼琴或電子琴，可以提高兒童的神經(jīng)反應(yīng)能力、增強(qiáng)記憶力、陶冶情操、促進(jìn)智力發(fā)展。孩子在傳統(tǒng)電子琴上學(xué)習(xí)彈奏時(shí)，往往是先熟悉鍵盤的功能、手型練習(xí)，再學(xué)習(xí)五線譜，再練習(xí)彈琴，漫長(zhǎng)的學(xué)習(xí)過(guò)程一點(diǎn)點(diǎn)打磨了孩子的學(xué)習(xí)興趣。在沒(méi)彈出一首完整曲目時(shí)，孩子已失去了學(xué)習(xí)音樂(lè)的興趣。為了便于兒童學(xué)習(xí)電子琴，激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)興趣，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)、制作了基于單片機(jī)的智能電子琴，本文將介紹基于單片機(jī)智能電子琴的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

2.智能電子琴的功能介紹

基于單片機(jī)的智能電子琴除了具有傳統(tǒng)電子琴?gòu)椬喙δ苤?，還能播放樂(lè)曲；在播放樂(lè)曲時(shí)，相應(yīng)按鍵的指示燈亮，便于兒童模仿學(xué)習(xí)。幾次模仿彈奏，兒童就熟悉了當(dāng)前曲目的按鍵彈奏方法，然后，關(guān)掉樂(lè)曲播放功能，讓孩子獨(dú)立彈奏；反復(fù)幾次，孩子就能獨(dú)立彈奏出一首完整曲目。在學(xué)會(huì)怎么彈之后，還要學(xué)習(xí)鍵盤的功能、五線譜等理論知識(shí)，再進(jìn)行系統(tǒng)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“做、學(xué)、教”一體，提高兒童學(xué)習(xí)音樂(lè)的興趣和效率。

基于單片機(jī)的智能電子琴還具有以下兩種創(chuàng)新功能。

（1）添加曲目功能。有好聽(tīng)的新歌出現(xiàn)后，家長(zhǎng)可以通過(guò)按鍵輸入曲譜，及時(shí)更新曲目，添加曲目后，可以播放練習(xí)，能夠讓孩子以最快的速度學(xué)習(xí)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(kāi)始一天的學(xué)習(xí)。

3.智能電子琴的設(shè)計(jì)

音樂(lè)主要是由音符和節(jié)拍決定的，音符對(duì)應(yīng)于不同的聲波頻率，而節(jié)拍則表達(dá)的是聲音持續(xù)的時(shí)間。通過(guò)控制定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間可以產(chǎn)生不同頻率的方波，用于驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)出不同的音符，然后利用延時(shí)子程序來(lái)控制發(fā)音時(shí)間的長(zhǎng)短，即可控制節(jié)拍。

3.1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），獨(dú)立矩陣鍵盤按鍵作為輸入端，通過(guò)獨(dú)立矩陣鍵盤，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(lè)選擇鍵和一個(gè)蜂鳴器。通過(guò)按功能選擇鍵，實(shí)現(xiàn)彈奏功能和樂(lè)曲播放功能的切換。在彈奏功能下，可以通過(guò)不同的按鍵來(lái)彈奏不同的音調(diào)；在音樂(lè)播放功能下，可以通過(guò)音樂(lè)選擇按鍵來(lái)選擇不同的樂(lè)曲進(jìn)行播放，在播放樂(lè)曲時(shí)，相應(yīng)按鍵的指示燈亮，便于兒童模仿學(xué)習(xí)。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，我們將整個(gè)設(shè)計(jì)分為三大模塊：AT89C51單片機(jī)作為核心控制模塊，獨(dú)立矩陣鍵盤和控制按鍵作為輸入端，數(shù)碼管以及蜂鳴器作為輸出端。

圖1智能電子琴系統(tǒng)控制原理圖

3.2軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以《祝你生日快樂(lè)》的樂(lè)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(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)譜碼、定時(shí)常數(shù)、節(jié)拍數(shù)表。其次，建立音樂(lè)代碼庫(kù)先找出樂(lè)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(gè)表格中，在編程時(shí)，常將構(gòu)成發(fā)音的計(jì)數(shù)值放在“TABLE1”中；簡(jiǎn)譜碼（音符）為高四位，節(jié)拍碼（節(jié)拍數(shù)）為低4位，音符節(jié)拍碼放在程序的另一個(gè)表格中，常用“TABLE”中；音符節(jié)拍碼00H為音樂(lè)結(jié)束標(biāo)志。

軟件系統(tǒng)控制程序編程思路是：根據(jù)樂(lè)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(duì)應(yīng)的定時(shí)常數(shù)制成表1（TABLE1），樂(lè)曲中音符和節(jié)拍對(duì)應(yīng)的數(shù)值制成表2（TABLE）。在程序中，采用查表方式，將樂(lè)譜對(duì)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(lè)譜的節(jié)拍，使喇叭發(fā)出音樂(lè)聲。

4.結(jié)語(yǔ)

本文主要利用AT89系列單片機(jī)的強(qiáng)大功能，以較為簡(jiǎn)單的硬件電路和相對(duì)復(fù)雜的軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于單片機(jī)的智能電子琴的設(shè)計(jì)。依據(jù)本文制作的智能電子琴電路簡(jiǎn)潔、操作方便、性能穩(wěn)定，智能化程度高，便于兒童對(duì)電子琴的學(xué)習(xí)掌握，激發(fā)兒童的學(xué)習(xí)興趣。

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基金項(xiàng)目：南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目基金（SKC201203）。