基于单片机的微型电子琴的实现开题报告
2021-03-11 12:03
1. 研究目的与意义（文献综述）
乐器的发展与科学技术的发展密切相关，而现代电子技术的兴起，使一些机械的装置逐步电动化、电子化。这些变化无不促进着乐器的发展，因而出现许多新的电子乐器，如电子琴、电钢琴、电风琴、电子合成器、电吉他等。而对于学习音乐的人来说，键盘乐器必然是首选。
电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。电子琴是高科技在音乐领域的一个代表，它是古典文化与现代文明的一个浓缩体。它不但可以帮助我们的音乐教师进行传统音乐文化的教育教学工作，而且由于它又具备现代音乐，特别是电子音乐、电脑音乐的基本结构、特征，因而使我们的教师在进行现代音乐、电子音乐、电脑音乐的教学时，更直接、更简便。它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经融入现代任命的生活中，成为不可替代的一部分。
电子键盘发展历史不长，但发展速度很快，具有较大的发展潜力，30多年来发展速度是惊人的。我们通常拿电子琴和钢琴来对比，两者又确实是具有可比性的。电子琴起源于有2200年历史的乐器上帝管风琴，钢琴根本不是电子琴的主要研究范围。用一千块钱的电子琴和十万块的钢琴对比，自然会得出电子琴音效不好的结论。但是，一千块只是底端的电子琴，还不是低端，而是底端，其采样于钢琴，所以它的音质实际上是高于钢琴的。与钢琴相比，电子琴不仅是复合乐器，它还是多音色乐器，可以同时演奏多个音色声部。因此电子琴的发展潜力巨大，随着电子技术的发展，其发展前景是光明的。搞音乐学、作曲，电子琴绝对是首选。
2. 研究的基本内容与方案
本次设计的目的是开发出一种适用于玩具和小型物件，能够产生需要音色效果的微型电子琴，设计的原则是多功能、低成本、扩展性强，尽量采用成熟技术，保证系统的稳定和安全。通过单片机和矩形键盘，实现微型电子琴的奏乐功能，并利用存储技术使电子琴具有记忆功能，将自己编写的歌曲或录音进行保存，可通过按键控制能够实现歌曲的添加、删除、换曲功能。
本次设计的大致硬件电路图如下，主要由以下几部分组成：
本设计中利用定时器可发出不同频率的脉冲，不同频率的脉冲经音频放大电路滤波后，通过扬声器能够发出不同音调。其次定时器按设定的定时参数产生中断，就能够根据设定的参数来发出不同频率的脉冲。
键盘电路选择使用矩阵式键盘。虽然独立式按键具有编程简单的特点，但其占用I/O口资源较多，而且也不适合在电子琴这种按键较多的场合应用。矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成16个按键，比将端口线直接用于键盘多了一倍，而且线数越多，区别越明显。
电子琴演奏音乐，需要演奏出不同的音符。不同的音符是由相应频率的振动产生。由89S51单片机模拟产生音符，只需要算出音频周期，利用音频的变化产生不用电平驱动发生模块，来达到产生音乐的目的。下图为不同音符所对应的振动频率，以及计算出的单片机计数器T0的数值。
| 音符 | 频率 | T0值 | 音符 | 频率 | T0值 | 音符 | 频率 | T0值 |
| 低1 | 262 | 63628 | 中1 | 523 | 64580 | 高1 | 1046 | 65058 |
| #1 | 277 | 63731 | #1 | 554 | 64633 | #1 | 1109 | 65085 |
| 低2 | 294 | 63835 | 中2 | 587 | 64684 | 高2 | 1175 | 65110 |
| #2 | 311 | 63928 | #2 | 622 | 64732 | #2 | 1245 | 65134 |
| 低3 | 330 | 64021 | 中3 | 659 | 64777 | 高3 | 1318 | 65157 |
| 低4 | 349 | 64103 | 中4 | 698 | 64820 | 高4 | 1397 | 65178 |
| #4 | 370 | 64185 | #4 | 740 | 64860 | #4 | 1480 | 65198 |
| 低5 | 392 | 64260 | 中5 | 784 | 64898 | 高5 | 1568 | 65217 |
| #5 | 415 | 64331 | #5 | 831 | 64934 | #5 | 1661 | 65235 |
| 低6 | 440 | 64400 | 中6 | 880 | 64968 | 高6 | 1760 | 65252 |
| #6 | 466 | 64463 | #6 | 932 | 64994 | #6 | 1865 | 65268 |
| 低7 | 494 | 64524 | 中7 | 988 | 65030 | 高7 | 1967 | 65283 |
同时，利用单片机的定时器/计数器T1的延时功能还可以产生音乐的不同节拍。音拍与延时时间的对应关系如下表。
| 音拍 | 延时时间（ms） |
| 4/4调 | 125 |
| 3/4调 | 187 |
| 2/4调 | 250 |
3. 研究计划与安排
第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容及其目的和意义，根据所要实现的功能确定方案，完成开题报告。
第4－5周：完成微型电子琴的设计方案并修改完善。
第6周-7周：根据实现方案所需完成硬件设计，绘制仿真电路图。
4. 参考文献（12篇以上）
[1] [1] 徐春晖．单片微机原理及应用．北京：电子工业出版社，2013．
[2] [2] 陈忠平．51单片机c语言程序设计经典实例．北京：电子工业出版社，2012．
[3] [3] 郭天祥．51单片机c语言教程－入门、提高、开发、拓展全攻略．北京：电子工业出版社，2010．
[4] [4] richard stevens．advanced programming in the unix environment[m]. 2012,upper saddle river．
