基于AVR单片机的自动作曲钢琴

1、2021年10月18日 第1页基于AVR单片机的自动作曲钢琴2021年10月18日 第2页一、课题研究的目的意义一、课题研究的目的意义二、国外研究现状二、国外研究现状三、采取的研究路线三、采取的研究路线四、总结四、总结目目 录录2021年10月18日 第3页 创作音乐对于没有受过系统音乐训练的人来说，是一件非常艰巨的任务。由于复杂的创作规律，即便是一个业余音乐爱好者，独立创作一小段遵循创作规则的音乐并且听起来悦耳动听，也是一个具有挑战性的任务。 本次设计的是一个自动作曲钢琴，是集电子琴和单片机于一体的新型电子琴。它以AVR单片机为核心，并辅有一些外围器件，经程序编写，实现音乐采集、自动合成音乐

2、、播放音乐等功能。系统具有硬件电路简单，控制系统可靠，性价比高等优点，在现代生活中具有一定的推广价值和实用价值。一、课题研究的目的意义一、课题研究的目的意义2021年10月18日 第4页微软的SongSmith项目，就是用电脑产生和弦，给用户所唱的节奏进行伴奏，它采用了希登马尔科夫模型来预测用户下一个会唱的音符，并产生相应的和弦。 Allan和William的研究论文“和谐概率推理的赞美诗”，侧重于通过希登马尔科夫模型，产生与旋律协调一致的和弦。Chuan和Chew的研究论文“自动生成特定伴奏风格的系统”，他们的系统通过引入新黎曼检查点，并将其转化成一个马尔科夫矩阵，能够为一首旋律生成特定风格

3、的和弦。二、国外研究现状二、国外研究现状2021年10月18日 第5页三、采取的研究路线三、采取的研究路线基本原理：利用程序控制单片机输出端口的高、低电平,产生一定频率的方波,然后通过喇叭可以发出一定频率的声音；通过控制高、低电平的输出时间,可以改变波形,进而改变音调。系统硬件设计框图三、采取的研究路线钢琴输入8-3优先编码器低通滤波器扬声器按键输入PUTTY用户界面2021年10月18日 第6页ATmega 16单片机2021年10月18日 第7页 钢琴键盘输入钢琴键盘输入钢琴键盘的24个键分别用导线通过5K电阻连接到电路板VCC上，当按键处于空闲状态时，输出电压是VCC，当键被按下时，输出

4、电压接近零。 按键输入按键输入按键输入部分使用了4个按键，每个按键都与单片机的输入端相连，用于判断用户所选择的模式或者练习模式中的指令。 低通滤波输出低通滤波输出由于方波边缘的缘故，从单片机输出的脉宽调制信号含有高频分量。从扬声器发出的声音有些刺耳，如果不处理，会破坏整体音质。因此，添加一个低通滤波器，一个10K的电阻和一个0.1uF的电容使,时间常数为1ms。此滤波器可以有效地消除PWM输出中不需要的粗糙的谐波。三、采取的研究路线一、硬件设计三、采取的研究路线2021年10月18日 第8页软件设计流程图二、软件设计2021年10月18日 第9页 （一）（一）音序器设计音序器设计 1 1、音调

5、和速度测定音调和速度测定第一步是确定乐曲的速度和音调。音乐的速度由四分音符的长度确定，而四分音符的长度是由两个音符之间的时间间隔决定。由于我们使用定时器1中断来计算时间，当计时器1计数到T1时，演奏下一个音符，可以通过改变T1的值来控制音乐的速度。欢快基调的T1值设定为200ms，舒缓基调的T1值设定为350ms。因此，欢快基调的速度是每分钟150拍，舒缓基调的速度大概是每分钟85拍。2 2、旋律旋律确定确定旋律的确定过程中，会产生一个1*120的旋律矩阵。这个矩阵的输入值代表旋律音符到C2的距离，-1代表空音符。旋律产生有两个步骤：设置节奏和设置音调。三、采取的研究路线2021年10月18日

6、 第10页（1 1）设设置置节奏节奏整首乐曲由15小节组成，每个小节包含8个八分音符，每个八分音符对应旋律矩阵的一个元素。节奏模式中的一个1表示一个节拍，一个0表示空节拍。对于旋律的15小节的每一个小节，系统产生一个随机数，来选择已选基调的八个节奏模式中的一个。（2 2）设置音调设置音调选择旋律下一个音符的过程如下：首先产生介于0到127的随机数。然后，系统在概率矩阵中找到对应当前音符的行，将随机数与该行中每一列逐渐增加的概率值相比较，直到超过该随机数。然后选择该列对应的音符成为下一个音符。三、采取的研究路线2021年10月18日 第11页3 3、和弦确定和弦确定为了确保和弦和旋律在任何情况下

7、都可以合成一首动听的乐曲，一个旋律音符对应的和弦音符有三种选择。旋律音符之后，可以是5个、7个或12个半音。旋律音符后的5个半音正好构成第四位音符; 之后七个半音正好构成第五位音符，之后十二个半音正好构成一个相同的低八度音符。这三个选择与原音符非常和谐，在任何情况下，听起来都很悦耳。三、采取的研究路线2021年10月18日 第12页 （二）（二）钢琴合成器钢琴合成器使用频率调制合成器（FM）来合成钢琴声音，因为频率调制（FM）合成是音频合成的一种形式，通过调制频率改变一个简单波形的音色，在音频范围内也可以通过频率调制，产生更复杂的波形和不同声音的音调。三、采取的研究路线2021年10月18日 第13页四、总结 就总体而言，自动作曲钢琴系统如我们所预期的一样，运行良好。合成的音乐是一个类似钢琴的声音，合成算法运行良好。对于硬件输入，由于键盘电路布线，钢琴键盘上的个别几个按键有时不能馈送到单片机。因此，当用户在弹奏音乐时，可以使用旁边的小键。 将程序导入ATmega16,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律，也可以合成自己想要的音乐。本课题通过制作电子琴，将几个模块很好的融合起来，对使用单片机设计自动作曲的电子琴进行了分析，并介绍了基于单片机的电子琴系统硬件组成。 对于未来的改进，我们可以通过学习更深的知识，使用更多的器件，使作曲系统能够更准确的搜集用