基于STM32单片机的无线电子琴系统设计

何健诺 谢树波 曾敏羽

【摘  要】 在1958年，我国就制造出了电子琴，讫今为止它的设计方法和发声原理各种各样，主要是利用单片机、PLC技术、EDA技术等发出声音和控制音调。现代的电子琴通常采用的是PCM技术进行采样音源，它依旧和以前的电子琴一样内置滤波器和振荡器，靠同样的原理来产生和使用音色。本研究设计的电子琴是一种能够发出8种音阶的小型、简易的单片机电子琴。该系统设计是以STM32F103C8T6单片机为主控芯片，通过连接硬件电路和编写程序来实现。该设计的特点是采用单片机的定时器相关寄存器输出的值控制输出PWM来发出不同音调，实现升调降调、自动演奏，还可以演奏简单的音乐。

【关键词】 电子琴；STM32F103C8T6；定时器；PWM

一、系统总体设计

（一）系统总体框架设计

如今电子琴是通常采用PCM或者AWM技术采样音源的形式来完成对传统乐器的音色呈现，一般的原理是先对乐器的声音进行采样记录，然后通过ADC数字化存储在ROM中，再按键盘模仿所记录的频率回放声音，用振荡电路和滤波器形成各种音色。

事实上，音乐有一个稳定的周期信号。该设计采用STM32F130C8T6的定时器进行控制，在IO口输出PWM信号产生声音。利用按键控制选择每次输出的频率，发出不同的音调，这样就可以制作出简单的电子琴。该设计的电子琴在演奏方面要求的音色并不是很高，用单片机自身产生的一般频率就可以满足此次设计的基本要求。

对电子琴的电路功能进行系统的解析，采取由上到下的设计理念，先从设计的整个结构进行研讨，把整体设计的内容进行步骤详细化，最终实行系统结构的整体设计。该设计对电子琴系统的用途和优劣并没有十分精准和完整的要求，系统的效果需求有基本的按键功能、自行进行演奏功能、主动升调降调功能共3种。

（二）系统总体方案设计

1. 此次设计的无线电子琴还有音乐储存功能，能够自动弹奏存储好的歌曲。通过编程把数首曲子的频率编入系统中，按下设置的演奏按钮，电子琴便能够播放歌曲。

2. 设置相关按键。当按键按下时，使用存储好的一组音调，这里存储了两组音调，分别是低音和中音，通过查询资料，可以得出都是不同频率的do、re、mi、fa、so、la、si、do八个音调。

3. 设计的主要工作原理是利用STM32内置的定时器TIM3产生一个PWM信号驱动扬声器产生特定频率的声音，通过改变定时器TIM3的分频预置数改变PWM信号的频率，从而产生不同音调的声音，通过改变占空比，产生不同音量的声音。

4. 用ST32F103C8T6来做核心控制，设计中运用单片机的定时寄存器来产生PWM，然后把音调分别对应不同的频率信号，最后用无线激光进行控制，通过扬声器進行输出。

5. 设计中用KEIL5进行软件的设计编写，然后搭建硬件电路运行，采取中断系统和定时器对应寄存器的原理掌握电子琴发声的频率，用编程语言实现乐曲演奏必须明确乐曲的音调，通过它来演奏、播放音乐。

二、模块化分析

（一）扬声器模块

脉冲宽度调制（PWM）是英文Pulse Width Modulation的缩写，简称脉宽调制，应用未处理器的数字输出来模拟电路进行控制的一种技术。PWM的周期就是由定时器的自动重装值和CNT计数频率决定的，而CNT的计数时钟是CK_PSC经分频器PSC得到，通过脉宽调制解决电子琴的发声问题。

扬声器引脚是PB1。把PB1作为定时器通道，定时器作为单片机的重点难点，定时器的溢出时间如下：

Tout=（（arr+1）*（psc+1））/Tclk。

式中，Tout是溢出时间；psc（分频系数）决定数数字的快慢；arr为自动重装值；Tclk为输入时钟频率，设置频率为72/（8+1）=8MHz。

频率为arr，Tout=arr+1/8000000，而频率是时间的倒数，音调与频率有关，音调（频率）用：Autoreload=（8000000/usFraq）-1方法自动重装值。

因为人耳只能听到大于20Hz小于20000Hz频率的声音，自动重装值最大为65535，所以对应值为122。为了防止有噪声输出，需要一个判断频率的函数。判断输入的频率小于122Hz大于20000Hz频率为静音，使用语句TIM_SetCompare4（TIM3，0）来停止发声。

（二）自动演奏模块

每一段音乐都是不同频率的声音按照一定的时间节拍变换发出。演奏出音乐需要熟悉音乐的音调和节拍的信息。查阅到各首音乐的频率和节拍。创建两个数组AllBGM1［］和AllBGM2［］分别用来存放两首音乐，里面存放的是音乐的频率，当自动演奏的时候就依次使用数组里的频率，但演奏音乐时，每个音调需要节拍都不同，需要在每一次调用数组里面的频率时就延时一段时间，音符节奏分为一拍、半拍、1/4拍、1/8拍，制作者设定一拍音符的时间为1，半拍为0.5，1/4拍为0.25，1/8拍为0.125……每个音符以这样的拍子播放出来，音乐就完成了。用实验板的KEY5和KEY6作为AllBGM1和AllBGM2的按键，KEY5或KEY6按下后，扬声器就可以开始自动演奏内置音乐。

（三）激光头传感器模块

设计中采用激光头传感器模块KY-008作为无线电子琴的琴键。激光头传感器模块KY-008，中间是正极，S是控制脚，工作电压为5V，规格为15*24mm，光源波长为650nm，重量为2.2g。当电路中的激光被物体挡住时，激光头传感器模块就会输出不同的电平，比传统固定直接式按键更加灵敏，激光头传感器输出电平信号接到单片机IO口，单片机识别之后就做出相应的反应。使用时更加简便，触摸激光线便能使电子琴发声，保证了电子琴演奏的新颖性。

三、硬件设计

（一）激光头传感器电路设计

激光头传感器模块KY-008作为琴键是无线电子琴，通过设计8个激光光传感器作为8个音阶，及8个激光发射端、8个激光信号接收端，电路设计如图1所示。

（二）主控模块电路设计

主控模块采用STM32单片机，主控单元的IO口接收激光信号，经过程序判断对应IO口，输出设定的PWM频率信号，不同频率信号对应不同的Do-Re-Mi-Fa-Sol-La-Ti-Do音符，每个音符一个音节，主控电路设计如图2所示。

（三）输出驱动模块电路设计

输出的扬声器使用TDA7279驱动，芯片TDA7279性能稳定，属于是立体声双桥式放大器，工作电压范围宽，驱动电路设计如图3所示。

四、軟件设计

（一）低音/高音选择程序设计

单片机下载完成后，初始化完成等待选择模式，按下key1，进入低音模式，按下key2，进入高音模式，可以开始弹奏。低音，高音对应的升调和降调程序。

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；｝

创建两个数组CL［］和CM［］分别用来存放低音和中音，里面存放的是各个音调的频率，使用的时候就从数组里提取。用实验板的KEY1（KEY11_STA）和KEY2（KEY12_STA）作为升调和降调的按键，在主函数中设置按键初始化，使用while函数扫描按键状态，用if函数判断按键是否按下，KEY1或KEY1按下后，选用低音或高音。这样就可以实现电子琴的升调和降调功能。

（二）程序流程图设计

通过判断无线激光器的线，使用while函数扫描激光头传感器模块输出状态，程序设计流程如图4所示。