何健諾 謝樹(shù)波 曾敏羽

【摘? 要】 在1958年，我國(guó)就制造出了電子琴，訖今為止它的設(shè)計(jì)方法和發(fā)聲原理各種各樣，主要是利用單片機(jī)、PLC技術(shù)、EDA技術(shù)等發(fā)出聲音和控制音調(diào)?，F(xiàn)代的電子琴通常采用的是PCM技術(shù)進(jìn)行采樣音源，它依舊和以前的電子琴一樣內(nèi)置濾波器和振蕩器，靠同樣的原理來(lái)產(chǎn)生和使用音色。本研究設(shè)計(jì)的電子琴是一種能夠發(fā)出8種音階的小型、簡(jiǎn)易的單片機(jī)電子琴。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片，通過(guò)連接硬件電路和編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是采用單片機(jī)的定時(shí)器相關(guān)寄存器輸出的值控制輸出PWM來(lái)發(fā)出不同音調(diào)，實(shí)現(xiàn)升調(diào)降調(diào)、自動(dòng)演奏，還可以演奏簡(jiǎn)單的音樂(lè)。

【關(guān)鍵詞】 電子琴；STM32F103C8T6；定時(shí)器；PWM

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

如今電子琴是通常采用PCM或者AWM技術(shù)采樣音源的形式來(lái)完成對(duì)傳統(tǒng)樂(lè)器的音色呈現(xiàn)，一般的原理是先對(duì)樂(lè)器的聲音進(jìn)行采樣記錄，然后通過(guò)ADC數(shù)字化存儲(chǔ)在ROM中，再按鍵盤(pán)模仿所記錄的頻率回放聲音，用振蕩電路和濾波器形成各種音色。

事實(shí)上，音樂(lè)有一個(gè)穩(wěn)定的周期信號(hào)。該設(shè)計(jì)采用STM32F130C8T6的定時(shí)器進(jìn)行控制，在IO口輸出PWM信號(hào)產(chǎn)生聲音。利用按鍵控制選擇每次輸出的頻率，發(fā)出不同的音調(diào)，這樣就可以制作出簡(jiǎn)單的電子琴。該設(shè)計(jì)的電子琴在演奏方面要求的音色并不是很高，用單片機(jī)自身產(chǎn)生的一般頻率就可以滿(mǎn)足此次設(shè)計(jì)的基本要求。

對(duì)電子琴的電路功能進(jìn)行系統(tǒng)的解析，采取由上到下的設(shè)計(jì)理念，先從設(shè)計(jì)的整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研討，把整體設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行步驟詳細(xì)化，最終實(shí)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)對(duì)電子琴系統(tǒng)的用途和優(yōu)劣并沒(méi)有十分精準(zhǔn)和完整的要求，系統(tǒng)的效果需求有基本的按鍵功能、自行進(jìn)行演奏功能、主動(dòng)升調(diào)降調(diào)功能共3種。

（二）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1. 此次設(shè)計(jì)的無(wú)線(xiàn)電子琴還有音樂(lè)儲(chǔ)存功能，能夠自動(dòng)彈奏存儲(chǔ)好的歌曲。通過(guò)編程把數(shù)首曲子的頻率編入系統(tǒng)中，按下設(shè)置的演奏按鈕，電子琴便能夠播放歌曲。

2. 設(shè)置相關(guān)按鍵。當(dāng)按鍵按下時(shí)，使用存儲(chǔ)好的一組音調(diào)，這里存儲(chǔ)了兩組音調(diào)，分別是低音和中音，通過(guò)查詢(xún)資料，可以得出都是不同頻率的do、re、mi、fa、so、la、si、do八個(gè)音調(diào)。

3. 設(shè)計(jì)的主要工作原理是利用STM32內(nèi)置的定時(shí)器TIM3產(chǎn)生一個(gè)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生特定頻率的聲音，通過(guò)改變定時(shí)器TIM3的分頻預(yù)置數(shù)改變PWM信號(hào)的頻率，從而產(chǎn)生不同音調(diào)的聲音，通過(guò)改變占空比，產(chǎn)生不同音量的聲音。

4. 用ST32F103C8T6來(lái)做核心控制，設(shè)計(jì)中運(yùn)用單片機(jī)的定時(shí)寄存器來(lái)產(chǎn)生PWM，然后把音調(diào)分別對(duì)應(yīng)不同的頻率信號(hào)，最后用無(wú)線(xiàn)激光進(jìn)行控制，通過(guò)揚(yáng)聲器進(jìn)行輸出。

5. 設(shè)計(jì)中用KEIL5進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)編寫(xiě)，然后搭建硬件電路運(yùn)行，采取中斷系統(tǒng)和定時(shí)器對(duì)應(yīng)寄存器的原理掌握電子琴發(fā)聲的頻率，用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲演奏必須明確樂(lè)曲的音調(diào)，通過(guò)它來(lái)演奏、播放音樂(lè)。

二、模塊化分析

（一）揚(yáng)聲器模塊

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是英文Pulse Width Modulation的縮寫(xiě)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制，應(yīng)用未處理器的數(shù)字輸出來(lái)模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)。PWM的周期就是由定時(shí)器的自動(dòng)重裝值和CNT計(jì)數(shù)頻率決定的，而CNT的計(jì)數(shù)時(shí)鐘是CK_PSC經(jīng)分頻器PSC得到，通過(guò)脈寬調(diào)制解決電子琴的發(fā)聲問(wèn)題。

揚(yáng)聲器引腳是PB1。把PB1作為定時(shí)器通道，定時(shí)器作為單片機(jī)的重點(diǎn)難點(diǎn)，定時(shí)器的溢出時(shí)間如下：

Tout=（（arr+1）*（psc+1））/Tclk。

式中，Tout是溢出時(shí)間；psc（分頻系數(shù)）決定數(shù)數(shù)字的快慢；arr為自動(dòng)重裝值；Tclk為輸入時(shí)鐘頻率，設(shè)置頻率為72/（8+1）=8MHz。

頻率為arr，Tout=arr+1/8000000，而頻率是時(shí)間的倒數(shù)，音調(diào)與頻率有關(guān)，音調(diào)（頻率）用：Autoreload=（8000000/usFraq）-1方法自動(dòng)重裝值。

因?yàn)槿硕荒苈?tīng)到大于20Hz小于20000Hz頻率的聲音，自動(dòng)重裝值最大為65535，所以對(duì)應(yīng)值為122。為了防止有噪聲輸出，需要一個(gè)判斷頻率的函數(shù)。判斷輸入的頻率小于122Hz大于20000Hz頻率為靜音，使用語(yǔ)句TIM_SetCompare4（TIM3，0）來(lái)停止發(fā)聲。

（二）自動(dòng)演奏模塊

每一段音樂(lè)都是不同頻率的聲音按照一定的時(shí)間節(jié)拍變換發(fā)出。演奏出音樂(lè)需要熟悉音樂(lè)的音調(diào)和節(jié)拍的信息。查閱到各首音樂(lè)的頻率和節(jié)拍。創(chuàng)建兩個(gè)數(shù)組AllBGM1［］和AllBGM2［］分別用來(lái)存放兩首音樂(lè)，里面存放的是音樂(lè)的頻率，當(dāng)自動(dòng)演奏的時(shí)候就依次使用數(shù)組里的頻率，但演奏音樂(lè)時(shí)，每個(gè)音調(diào)需要節(jié)拍都不同，需要在每一次調(diào)用數(shù)組里面的頻率時(shí)就延時(shí)一段時(shí)間，音符節(jié)奏分為一拍、半拍、1/4拍、1/8拍，制作者設(shè)定一拍音符的時(shí)間為1，半拍為0.5，1/4拍為0.25，1/8拍為0.125……每個(gè)音符以這樣的拍子播放出來(lái)，音樂(lè)就完成了。用實(shí)驗(yàn)板的KEY5和KEY6作為AllBGM1和AllBGM2的按鍵，KEY5或KEY6按下后，揚(yáng)聲器就可以開(kāi)始自動(dòng)演奏內(nèi)置音樂(lè)。

（三）激光頭傳感器模塊

設(shè)計(jì)中采用激光頭傳感器模塊KY-008作為無(wú)線(xiàn)電子琴的琴鍵。激光頭傳感器模塊KY-008，中間是正極，S是控制腳，工作電壓為5V，規(guī)格為15*24mm，光源波長(zhǎng)為650nm，重量為2.2g。當(dāng)電路中的激光被物體擋住時(shí)，激光頭傳感器模塊就會(huì)輸出不同的電平，比傳統(tǒng)固定直接式按鍵更加靈敏，激光頭傳感器輸出電平信號(hào)接到單片機(jī)IO口，單片機(jī)識(shí)別之后就做出相應(yīng)的反應(yīng)。使用時(shí)更加簡(jiǎn)便，觸摸激光線(xiàn)便能使電子琴發(fā)聲，保證了電子琴演奏的新穎性。

三、硬件設(shè)計(jì)

（一）激光頭傳感器電路設(shè)計(jì)

激光頭傳感器模塊KY-008作為琴鍵是無(wú)線(xiàn)電子琴，通過(guò)設(shè)計(jì)8個(gè)激光光傳感器作為8個(gè)音階，及8個(gè)激光發(fā)射端、8個(gè)激光信號(hào)接收端，電路設(shè)計(jì)如圖1所示。

（二）主控模塊電路設(shè)計(jì)

主控模塊采用STM32單片機(jī)，主控單元的IO口接收激光信號(hào)，經(jīng)過(guò)程序判斷對(duì)應(yīng)IO口，輸出設(shè)定的PWM頻率信號(hào)，不同頻率信號(hào)對(duì)應(yīng)不同的Do-Re-Mi-Fa-Sol-La-Ti-Do音符，每個(gè)音符一個(gè)音節(jié)，主控電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

（三）輸出驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì)

輸出的揚(yáng)聲器使用TDA7279驅(qū)動(dòng)，芯片TDA7279性能穩(wěn)定，屬于是立體聲雙橋式放大器，工作電壓范圍寬，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

四、軟件設(shè)計(jì)

（一）低音/高音選擇程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)下載完成后，初始化完成等待選擇模式，按下key1，進(jìn)入低音模式，按下key2，進(jìn)入高音模式，可以開(kāi)始彈奏。低音，高音對(duì)應(yīng)的升調(diào)和降調(diào)程序。

u16 CL［8］={262，294，330，349，392，440，494，523｝；

u16 CM［8］=｛523，587，659，698，784，880，988，1047｝；

void play（u32 tone）

｛switch（tone_level）

｛case1：buzzerSound（CL［tone］，1）；break；

case2：buzzerSound（CM［tone］，1）；break；｝｝

if（KEY11_STA==KEY_DN）

｛tone_level=2；｝

if（KEY12_STA==KEY_DN）

｛tone_level=1；｝

創(chuàng)建兩個(gè)數(shù)組CL［］和CM［］分別用來(lái)存放低音和中音，里面存放的是各個(gè)音調(diào)的頻率，使用的時(shí)候就從數(shù)組里提取。用實(shí)驗(yàn)板的KEY1（KEY11_STA）和KEY2（KEY12_STA）作為升調(diào)和降調(diào)的按鍵，在主函數(shù)中設(shè)置按鍵初始化，使用while函數(shù)掃描按鍵狀態(tài)，用if函數(shù)判斷按鍵是否按下，KEY1或KEY1按下后，選用低音或高音。這樣就可以實(shí)現(xiàn)電子琴的升調(diào)和降調(diào)功能。

（二）程序流程圖設(shè)計(jì)

通過(guò)判斷無(wú)線(xiàn)激光器的線(xiàn)，使用while函數(shù)掃描激光頭傳感器模塊輸出狀態(tài)，程序設(shè)計(jì)流程如圖4所示。