基于STM32單片機(jī)的無線電子琴系統(tǒng)設(shè)計

何健諾 謝樹波 曾敏羽

【摘? 要】 在1958年，我國就制造出了電子琴，訖今為止它的設(shè)計方法和發(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)。現(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，靠同樣的原理來產(chǎn)生和使用音色。本研究設(shè)計的電子琴是一種能夠發(fā)出8種音階的小型、簡易的單片機(jī)電子琴。該系統(tǒng)設(shè)計是以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控芯片，通過連接硬件電路和編寫程序來實現(xiàn)。該設(shè)計的特點是采用單片機(jī)的定時器相關(guān)寄存器輸出的值控制輸出PWM來發(fā)出不同音調(diào)，實現(xiàn)升調(diào)降調(diào)、自動演奏，還可以演奏簡單的音樂。

【關(guān)鍵詞】 電子琴；STM32F103C8T6；定時器；PWM

一、系統(tǒng)總體設(shè)計

（一）系統(tǒng)總體框架設(shè)計

如今電子琴是通常采用PCM或者AWM技術(shù)采樣音源的形式來完成對傳統(tǒng)樂器的音色呈現(xiàn)，一般的原理是先對樂器的聲音進(jìn)行采樣記錄，然后通過ADC數(shù)字化存儲在ROM中，再按鍵盤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。

事實上，音樂有一個穩(wěn)定的周期信號。該設(shè)計采用STM32F130C8T6的定時器進(jìn)行控制，在IO口輸出PWM信號產(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單的電子琴。該設(shè)計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足此次設(shè)計的基本要求。

對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)計理念，先從設(shè)計的整個結(jié)構(gòu)進(jìn)行研討，把整體設(shè)計的內(nèi)容進(jìn)行步驟詳細(xì)化，最終實行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計。該設(shè)計對電子琴系統(tǒng)的用途和優(yōu)劣并沒有十分精準(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、主動升調(diào)降調(diào)功能共3種。

（二）系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1. 此次設(shè)計的無線電子琴還有音樂儲存功能，能夠自動彈奏存儲好的歌曲。通過編程把數(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，使用存儲好的一組音調(diào)，這里存儲了兩組音調(diào)，分別是低音和中音，通過查詢資料，可以得出都是不同頻率的do、re、mi、fa、so、la、si、do八個音調(diào)。

3. 設(shè)計的主要工作原理是利用STM32內(nèi)置的定時器TIM3產(chǎn)生一個PWM信號驅(qū)動揚(yáng)聲器產(chǎn)生特定頻率的聲音，通過改變定時器TIM3的分頻預(yù)置數(shù)改變PWM信號的頻率，從而產(chǎn)生不同音調(diào)的聲音，通過改變占空比，產(chǎn)生不同音量的聲音。

4. 用ST32F103C8T6來做核心控制，設(shè)計中運用單片機(jī)的定時寄存器來產(chǎn)生PWM，然后把音調(diào)分別對應(yīng)不同的頻率信號，最后用無線激光進(jìn)行控制，通過揚(yáng)聲器進(jìn)行輸出。

5. 設(shè)計中用KEIL5進(jìn)行軟件的設(shè)計編寫，然后搭建硬件電路運行，采取中斷系統(tǒng)和定時器對應(yīng)寄存器的原理掌握電子琴發(fā)聲的頻率，用編程語言實現(xiàn)樂曲演奏必須明確樂曲的音調(diào)，通過它來演奏、播放音樂。

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，簡稱脈寬調(diào)制，應(yīng)用未處理器的數(shù)字輸出來模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)。PWM的周期就是由定時器的自動重裝值和CNT計數(shù)頻率決定的，而CNT的計數(shù)時鐘是CK_PSC經(jīng)分頻器PSC得到，通過脈寬調(diào)制解決電子琴的發(fā)聲問題。

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

Tout=（（arr+1）*（psc+1））/Tclk。

式中，Tout是溢出時間；psc（分頻系數(shù)）決定數(shù)數(shù)字的快慢；arr為自動重裝值；Tclk為輸入時鐘頻率，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方法自動重裝值。

因為人耳只能聽到大于20Hz小于20000Hz頻率的聲音，自動重裝值最大為65535，所以對應(yīng)值為122。為了防止有噪聲輸出，需要一個判斷頻率的函數(shù)。判斷輸入的頻率小于122Hz大于20000Hz頻率為靜音，使用語句TIM_SetCompare4（TIM3，0）來停止發(fā)聲。

（二）自動演奏模塊

每一段音樂都是不同頻率的聲音按照一定的時間節(jié)拍變換發(fā)出。演奏出音樂需要熟悉音樂的音調(diào)和節(jié)拍的信息。查閱到各首音樂的頻率和節(jié)拍。創(chuàng)建兩個數(shù)組AllBGM1［］和AllBGM2［］分別用來存放兩首音樂，里面存放的是音樂的頻率，當(dāng)自動演奏的時候就依次使用數(shù)組里的頻率，但演奏音樂時，每個音調(diào)需要節(jié)拍都不同，需要在每一次調(diào)用數(shù)組里面的頻率時就延時一段時間，音符節(jié)奏分為一拍、半拍、1/4拍、1/8拍，制作者設(shè)定一拍音符的時間為1，半拍為0.5，1/4拍為0.25，1/8拍為0.125……每個音符以這樣的拍子播放出來，音樂就完成了。用實驗板的KEY5和KEY6作為AllBGM1和AllBGM2的按鍵，KEY5或KEY6按下后，揚(yáng)聲器就可以開始自動演奏內(nèi)置音樂。

（三）激光頭傳感器模塊

設(shè)計中采用激光頭傳感器模塊KY-008作為無線電子琴的琴鍵。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，光源波長為650nm，重量為2.2g。當(dāng)電路中的激光被物體擋住時，激光頭傳感器模塊就會輸出不同的電平，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接到單片機(jī)IO口，單片機(jī)識別之后就做出相應(yīng)的反應(yīng)。使用時更加簡便，觸摸激光線便能使電子琴發(fā)聲，保證了電子琴演奏的新穎性。

三、硬件設(shè)計

（一）激光頭傳感器電路設(shè)計

激光頭傳感器模塊KY-008作為琴鍵是無線電子琴，通過設(shè)計8個激光光傳感器作為8個音階，及8個激光發(fā)射端、8個激光信號接收端，電路設(shè)計如圖1所示。

（二）主控模塊電路設(shè)計

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

（三）輸出驅(qū)動模塊電路設(shè)計

輸出的揚(yáng)聲器使用TDA7279驅(qū)動，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)動電路設(shè)計如圖3所示。

四、軟件設(shè)計

（一）低音/高音選擇程序設(shè)計

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，可以開始彈奏。低音，高音對應(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)建兩個數(shù)組CL［］和CM［］分別用來存放低音和中音，里面存放的是各個音調(diào)的頻率，使用的時候就從數(shù)組里提取。用實驗板的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。這樣就可以實現(xiàn)電子琴的升調(diào)和降調(diào)功能。

（二）程序流程圖設(shè)計

通過判斷無線激光器的線，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)計流程如圖4所示。