简介：这是一套面向电子设计初学者与单片机课程实践者的完整8音键电子琴DIY项目资源，聚焦51单片机系统开发与Proteus仿真调试全流程。资源包含Proteus仿真工程（.DSN/.PWI）、Keil C51源码（2个.c文件及配套.uvproj工程）、AD设计文件（原理图.SchDoc、PCB.PcbDoc及.PRJPCB工程）、BOM清单（.doc）、可烧录.hex文件及详细元件清单，覆盖从电路设计、代码编写、仿真验证到PCB落地的全链路环节。共19个文件，总大小仅101KB，轻量实用，便于快速导入学习。已有199人下载学习，适合课程设计、电子实训或毕业设计参考。用户可直接运行仿真观察8键弹奏、录音回放、内置乐曲播放等功能，深入理解AT89C52定时器驱动音阶、24C02掉电存储、LM386音频功放电路及功能按键逻辑设计等核心知识点。 这个DIY项目我前前后后做了好几版，从Proteus仿真到打板焊接都跑了一遍，过程中踩了不少坑。很多刚接触51单片机的朋友都问过我：学完定时器、外部中断之后，有没有一个既能练手、又有完整流程的题目？我的回答通常是——做一个8音键电子琴。它看似简单，只用到8个按键和一个发声元件，但涉及单片机最小系统、定时器精确延时、按键消抖、音阶频率计算，甚至还能延伸到PCB设计、BOM整理和生产文件输出。这篇文章就把整个制作过程，包括仿真图、源代码、AD原理图和PCB图的思路，以及我实测中遇到的问题，一次性整理清楚。
先说清楚这个项目能做什么。8音键电子琴，就是通过8个独立按键，让单片机输出对应音阶频率的方波，驱动蜂鸣器或扬声器发声，对应的音阶是1（do）、2（re）、3（mi）、4（fa）、5（sol）、6（la）、7（si）、1（高音do）。你按下哪个键，就响哪个音，松开就停。别小看这8个音，简单的儿歌、练习曲完全能弹出来。对于单片机入门者来说，它比单纯点灯有乐趣，又比做语音播报、显示菜单这种项目更容易跑通。适合大学生课程设计、电子竞赛热身，也适合想从仿真走向实物的DIY爱好者。
1. 项目概述与整体设计思路
1.1 8音键电子琴的核心功能与扩展方向
从功能上看，这个设备就是一个简单的音源发生器。单片机通过定时器产生指定频率的方波，这个方波经过驱动电路送到扬声器，就变成了人可以听到的蜂鸣声。频率越高，音调越高；频率越低，音调越低。要让8个按键对应8个不同音高，只需要在程序里预先存好一组“定时器初值”，按键按下时把对应初值装载进定时器，输出方波的频率就会跟着变。
这个项目虽然基础，但扩展方向很多。有的版本会加上录音和回放功能，把按键状态和时值存进RAM或EEPROM；有的加上数码管显示当前音名；还有的把8个按键改成16键甚至矩阵键盘，扩展音域。我建议先把手动演奏版本做出来，再考虑扩展，因为基础版本已经把51单片机最核心的定时器、中断、GPIO输入输出全用上了。
1.2 为什么选51单片机、Proteus仿真和Altium Designer这套组合
很多人会问：现在Arduino和STM32那么流行，为什么还要用51单片机？我的理由是：51单片机资料全、结构简单、定时器逻辑清楚，非常适合理解底层原理。Arduino封装太狠，你写一行 tone() 就能发声，但定时器怎么工作、初值怎么算，完全无感；STM32功能强，但库函数和寄存器配置对初学者是个不小的坎。51单片机正好卡在“能看到硬件细节”和“不至于过度复杂”之间。
Proteus（经常被人拼成protues）则是硬件仿真的利器。它可以在不买元件、不打板的情况下，把单片机程序烧进仿真芯片里跑，按键、扬声器、晶振这类东西都能模拟。这样做的好处很直接：程序逻辑对不对，电路连线有没有错，点一下运行就能看到结果。把硬件问题全部在软件里解决之后，再去做真实的PCB，成功率会高很多。
Altium Designer（简称AD）在电子设计领域用得非常多，从原理图绘制、PCB布局布线到BOM导出一步到位。标题里提到的AD原理图、PCB图、BOM，正是实际产品开发中必须输出的交付物。把这套流程走下来，等于提前体验了从研发到生产的完整链路。
1.3 系统模块划分与工作流程
整个系统可以拆成四个模块：电源、单片机最小系统、按键输入、发声输出。电源负责给单片机和外部电路供电，最小系统保证单片机能够正常启动运行，按键输入负责采集演奏者的操作，发声输出则由定时器控制的方波驱动扬声器。
工作流程很简单：单片机不断扫描P1口上的按键状态，一旦检测到某个按键被按下，就根据按键编号到音符表里查对应的定时器初值，然后启动定时器。定时器溢出时进入中断服务函数，翻转蜂鸣器引脚的电平，这样在引脚上就形成了连续方波，方波频率就是该音阶的频率。松开按键后，定时器停止，发声结束。
2. 核心硬件电路设计解析
2.1 单片机最小系统：复位、晶振和电源去耦
最小系统是一切单片机项目的地基。它由三部分构成：复位电路、晶振电路和电源去耦电容。复位电路通常采用“10k电阻加10uF电容”的结构：10k电阻把复位引脚RST拉低到地，保证正常工作时不复位；按键或电容在上电瞬间给RST提供一个高电平脉冲，让程序从头开始执行。晶振电路则是12MHz晶振配两个30pF负载电容，分别接到单片机的XTAL1和XTAL2引脚上，构成稳定的时钟源。电源去耦电容一般用10uF电解电容并联0.1uF陶瓷电容，放在单片机电源引脚附近，滤除低频和高频干扰。
很多人画原理图时容易忽略这几点：晶振离单片机越远，时钟波形越容易受到干扰；复位电容和电阻的位置搞错，板子会上电不复位；电源引脚直接接VCC，没有去耦电容，按键按下瞬间可能造成程序跑飞。以上这些问题在仿真里看不明显，但做成实物后就会暴露出来。我在第一版PCB里，就是把复位电容放得离RST脚太远，结果上电后单片机经常要手动复位才能工作，后来重新布局才解决。
2.2 按键输入电路的设计与消抖逻辑
8个琴键用的是8个独立轻触按键，一端接P1口，另一端接地。当按键按下时，对应引脚被拉低为低电平；松开后，引脚由内部上拉电阻恢复为高电平。这里可以直接使用51单片机P1口内部的弱上拉，不需要额外接上拉电阻，这也是选P1口做按键输入的原因之一。
按键有一个所有单片机项目都躲不开的问题：机械抖动。按键内部的金属触点接触瞬间会弹跳，电平不是干净地从高到低，而是会几次反复跳动。如果程序不去处理，可能出现按一次响两声、松手后声音断断续续的情况。处理办法分硬件和软件两种。硬件上可以在按键两端并联一个104瓷片电容，利用电容充放电把抖动吸收掉；软件上则在检测到按键按下后延时10ms再读一次，确认确实处于按下状态。这个项目我用的是软件延时消抖，因为不需要额外元件，代码也简单。
2.3 发声电路：从蜂鸣器到扬声器的驱动方式
发声部分是这个项目最容易翻车的地方，原因是很多初学者分不清“有源蜂鸣器”和“无源蜂鸣器”。有源蜂鸣器内部自带振荡源，通电就会响，频率固定，只能当报警器用，做电子琴发不出不同音高的音；无源蜂鸣器内部不带振荡源，需要外部给一定频率的方波才会响，所以电子琴必须用无源蜂鸣器或扬声器。
驱动电路上，单片机引脚驱动能力有限，直接推8Ω扬声器声音很小，甚至带不动。我常用的做法是加一个NPN三极管做电流放大：单片机P2.0引脚通过一个1k电阻接到S8050三极管基极，发射极接地，集电极接扬声器一端，扬声器另一端接VCC。三极管工作状态相当于一个开关，P2.0输出高电平，三极管导通，电流流过扬声器；P2.0输出低电平，三极管截止。方波在不断翻转时，扬声器线圈中流过变化的电流，就发出了对应频率的声音。
实际测试时，如果声音偏小，可以适当减小基极电阻，或者把扬声器换成带驱动板的喇叭模块；如果想获得更好的音质，可以再加一个LM386音频功放电路，输出几瓦的功率，效果会完全不一样。不过对基础版本来说，S8050驱动8Ω扬声器已经够用了。
2.4 AD原理图与PCB设计必须注意的几个点
在Altium Designer中画原理图，建议从Proteus仿真图的基础上改。元件放置要按模块分区：电源放左上角，单片机放中间，按键放右侧，发声电路放左下角。连线时优先使用网络标号而不是到处拉线，这样图面会非常清爽，也不容易连错。
转换成PCB之后，布局和布线是重头戏。晶振和两个30pF电容要紧紧挨着单片机的XTAL1/XTAL2引脚；10uF和0.1uF去耦电容要靠近单片机的VCC和GND脚；按键尽量放在板子边缘，方便安装外壳；扬声器接口放到板子一角，别和晶振靠太近。布线时先布电源和地，再布信号线。电源线宽度至少1mm，GND线尽量采用大面积覆铜；信号线可以细一些，但不要小于0.3mm，否则后焊容易断。
3. 软件设计：定时器、音符频率与按键程序
3.1 音阶频率和定时器初值的计算方法
要发声，先要知道每个音对应多少赫兹。标准C大调从中央C（C4）开始，do、re、mi、fa、sol、la、si、高音do（C5）的频率如下表：
| 音阶 | 音名 | 频率（Hz） |
|---|---|---|
| 1（do） | C4 | 261.63 |
| 2（re） | D4 | 293.66 |
| 3（mi） | E4 | 329.63 |
| 4（fa） | F4 | 349.23 |
| 5（sol） | G4 | 392.00 |
| 6（la） | A4 | 440.00 |
| 7（si） | B4 | 493.88 |
| 1（高音do） | C5 | 523.25 |
51单片机用定时器T0方式1，也就是16位定时器。定时器每计数一次耗时一个机器周期，12MHz晶振下机器周期是1微秒。为了产生某个频率的方波，可以让引脚电平在半个周期翻转一次，方波的周期就是两次翻转的时间。定时器的初值计算公式为：
初值 = 65536 - (500000 ÷ 频率)
这里的500000是半周期微秒值，也就是1000000微秒除以2，再除以频率。举个例子：中央C，频率261.63Hz，500000除以261.63约等于1911，65536减去1911等于63625，换算成16进制就是0xF889。程序设计时先把每个音的音符初值算好，存成数组，按键按下时直接查表，不用在运行中做浮点运算。
我整理了一份12MHz晶振下的初值表，方便直接使用：
| 音阶 | 频率（Hz） | 定时器初值 |
|---|---|---|
| 1（do） | 261.63 | 63625 |
| 2（re） | 293.66 | 63833 |
| 3（mi） | 329.63 | 64019 |
| 4（fa） | 349.23 | 64104 |
| 5（sol） | 392.00 | 64260 |
| 6（la） | 440.00 | 64400 |
| 7（si） | 493.88 | 64524 |
| 1（高音do） | 523.25 | 64580 |
注意，这里频率取的是自然音阶值，实际听感上已经足够准。如果要更精确，可以在代码里用浮点数重新计算，但没必要。51单片机定时器初值本身会有少量取整误差，频率越高误差占比越大，但8个音阶在可接受范围内。
3.2 定时器T0的初始化与中断处理
软件部分的核心是定时器。先把T0设置成方式1，即16位定时器模式。初始化时需要清空TH0和TL0，然后开启定时器0中断和总中断。定时器开始运行后，每从初值计数到65536溢出一次，就会触发中断，CPU自动跳转到中断服务函数。
中断服务函数里做的事情只有两件：重新把当前音符对应的初值赋给TH0和TL0，让下一次溢出时间依然准确；然后将发声引脚P2.0电平取反。这样每次中断翻转一次，引脚上的方波频率正好等于音符频率。有的初学者会把初值装载写在主函数里，而不在中断里更新，这样第一次发声正常，第二次周期就错了，音调会漂移。
#include <reg52.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit BEEP = P2^0; // 发声引脚 code uint tone_tab[8] = { 63625, 63833, 64019, 64104, 64260, 64400, 64524, 64580 }; uchar tone_index = 0; // 当前音阶索引 void Timer0_Init() { TMOD &= 0xF0; // 清空T0位 TMOD |= 0x01; // T0工作在方式1，16位定时器 TH0 = tone_tab[0] >> 8; TL0 = tone_tab[0] & 0xFF; ET0 = 1; // 允许T0中断 EA = 1; // 允许总中断 } void Timer0_ISR(void) interrupt 1 { TH0 = tone_tab[tone_index] >> 8; TL0 = tone_tab[tone_index] & 0xFF; BEEP = !BEEP; // 翻转波 }3.3 按键扫描、消抖与主循环逻辑
主循环的任务是不断读取P1口的8个按键状态，判断当前按下的是哪一个，然后更新tone_index，开启或关闭定时器。我建议写一个独立的按键读取函数ReadKey，返回当前被按下的键号，如果没有按键按下，就返回一个无效值，比如8。
消抖的处理方式是：先读到键号，延时10ms，再读一次，如果两次一致，才认为是有效按键。这样机械抖动基本被过滤掉了。主循环里还有一个关键逻辑：按键全部松开时，必须关掉定时器，否则声音会一直响下去。因此每隔一段时间就调用ReadKey判断一次，无按键时将TR0置0，同时把BEEP引脚拉低。
void Delay10ms(void) { uchar i, j; i = 20; j = 113; do { while (--j); } while (--i); } uchar ReadKey(void) { uchar key = 8; // 默认无按键 P1 = 0xFF; if ((P1 & 0x01) == 0) key = 0; else if ((P1 & 0x02) == 0) key = 1; else if ((P1 & 0x04) == 0) key = 2; else if ((P1 & 0x08) == 0) key = 3; else if ((P1 & 0x10) == 0) key = 4; else if ((P1 & 0x20) == 0) key = 5; else if ((P1 & 0x40) == 0) key = 6; else if ((P1 & 0x80) == 0) key = 7; return key; } void main(void) { Timer0_Init(); while (1) { uchar key = ReadKey(); if (key < 8) { Delay10ms(); // 软件消抖 if (ReadKey() == key) { tone_index = key; TR0 = 1; // 启动定时器发声 } } else { TR0 = 0; BEEP = 0; } } }这段代码我在Proteus仿真和实物上都跑过，直接可用。如果你需要旋律播放功能，可以把音符序列存储在一个数组里，配合另一个定时器产生节拍，按下“播放键”后自动扫描数组，依次修改tone_index，中间加延时作为音符时值。这个扩展并不复杂。
3.4 源代码组织与注释习惯
源代码可以放在一个main.c里，也可以拆成key.c、timer.c、music.c几个模块。我建议初学阶段先不要过度拆分，一个main.c加一个头文件就够了，重点是理解逻辑。函数命名要有意义，比如ReadKey、Delay10ms、Timer0_Init，而不是写f1、f2这种。注释要写“为什么”，不要写“是什么”。比如“65536 - 500000 / 频率”这一行，注释可以写“定时器初值，使中断周期为音符半周期”，比写“给TH0赋值”有价值得多。
4. Proteus仿真搭建与调试实录
4.1 Proteus工程的元件清单和选型
打开Proteus后，新建一个工程，在元件库里搜索并放置以下元件：AT89C51或AT89C52作为单片机；8个BUTTON按键；RES电阻；CAP电容；CAP-ELEC电解电容；CRYSTAL晶体振荡器；SPEAKER或SOUNDER作为发声元件；如果需要模拟三极管驱动电路，再加一个NPN三极管，例如2N2222。
这里要特别注意发声元件的选取。Proteus里有两种常用元件，一种叫BUZZER，另一种叫SOUNDER。BUZZER模拟的是有源蜂鸣器，只要加直流电压就会响，频率不可控，不适合本项目；SOUNDER模拟的是无源蜂鸣器/扬声器，需要外部信号驱动，才能发出可变音调的声音。所以在电子琴仿真里，一定要选择SOUNDER或者SPEAKER，并且要按照硬件电路那样，让P2.0通过电阻接到三极管基极，再驱动扬声器，这样仿真效果和实物最接近。
4.2 建好电路后如何加载程序并运行
电路连好后，双击单片机元件，在弹出的属性对话框中找到Program File项，点击旁边的文件夹图标，选择用Keil编译生成的HEX文件。同时把ClockFrequency设置成12MHz，和程序里的定时器计算保持一致。这一步经常有人忽略，默认频率可能是1MHz，结果仿真出的声音频率完全不对，听起来像蚊子叫。
设置完成后点击左下角的运行按钮，仿真就会开始。按下任意一个按键，听扬声器是否有对应音调的声音，同时观察P2.0引脚有没有红色脉冲。Proteus仿真里，引脚变红代表高电平，变蓝代表低电平，如果声音正常且引脚频率随按键改变，说明电路和程序都没问题。
4.3 仿真中最容易遇到的三类问题
第一类是按键按下后扬声器不响。先看P1口对应引脚有没有变蓝，如果引脚没变，说明按键连线有误或没接地；如果引脚变了但没声音，大概率是发声元件选错了，比如选了BUZZER。第二类是声音很尖或者很低。这种情况要检查单片机的时钟频率，确保仿真属性里设置的是12MHz。第三类是按下按键时响，但松开后仍然响几秒才停。这是主循环里没有及时关掉定时器导致的，检查程序里无按键分支是否把TR0清零，同时BEEP引脚有没有拉低。
我把这三个问题整理成表格，方便你排查：
| 现象 | 可能原因 | 处理办法 |
|---|---|---|
| 按键无反应 | 按键未接地或引脚接错 | 检查按键连线和网络标号 |
| 无声但有方波输出 | 发声元件选成有源蜂鸣器 | 换成SOUNDER或SPEAKER |
| 音调偏高或偏低 | 单片机仿真频率与代码不一致 | 设置ClockFrequency为12MHz |
| 松手后仍响 | 未关闭定时器 | 主循环无按键时TR0=0 |
5. 从仿真到实物：PCB设计与BOM清单
5.1 用Altium Designer重新绘制原理图的步骤
仿真通过之后，就可以在AD里画正式原理图了。不建议直接拿仿真图截图去画PCB，而是要在AD的元件库里重新放置元件。AT89C51或STC89C52在AD自带库中可能找不到，需要自己创建元件，或者从网上导入现成的原理图库和封装库。这个步骤看起来麻烦，但它能让你掌握“新建元件”的基本功，后面做什么项目都用得到。
放置元件后，按照仿真电路连线。连线时尽量使用网络标签，而不是把线拉得很长。电源和地可以用VCC、GND网络标签代替，这样原理图会更干净。检查无误后用菜单里的Design→Update PCB Document生成PCB文件。
5.2 PCB布局布线实操技巧
新生成的PCB上所有元件都会散落在一起，第一步是布局。布局的原则是先固定单片机的位置，再围绕它摆放外围元件。晶振和匹配电容要放在单片机第18、19引脚旁边，这是系统稳定性的关键；去耦电容要放在VCC引脚附近，越近越好；按键按行列排整齐，并且标注好对应的音阶，方便弹奏和焊接；扬声器接口放在板边，插接线方便。
布线时我习惯先布地线，再布电源线，最后布信号线。信号线可以细一点，但电源线尽量加宽，至少1mm。单片机底部可以考虑大面积覆铜接地，既能改善抗干扰，也能减少PCB腐蚀时的浪费。在Altium Designer里，覆铜操作就是Place→Polygon Pour，选择GND网络，画一个覆盖板框的多边形。覆铜后别忘了放置过孔连接上下层地。
5.3 BOM清单怎么整理才不容易漏件
BOM（Bill of Materials）就是物料清单，是生产采购和焊接时的重要依据。基本内容包括序号、元件名称、型号规格、封装、数量、位号、备注。整理BOM时，我建议按模块分块，比如电源部分、单片机部分、按键部分、发声部分，这样采购时不容易乱。
下面这个表格是我做这版电子琴时的BOM，可以直接参考：
| 序号 | 元件名称 | 型号/规格 | 封装 | 数量 | 备注 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 单片机 | STC89C52RC | DIP-40 | 1 | 可换AT89C51 |
| 2 | 晶振 | 12MHz | HC-49S | 1 | 与程序一致 |
| 3 | 瓷片电容 | 30pF | 0805 | 2 | 晶振负载 |
| 4 | 电解电容 | 10uF/16V | 5x5mm | 1 | 复位电路 |
| 5 | 陶瓷电容 | 0.1uF | 0805 | 1 | 电源去耦 |
| 6 | 电阻 | 10k | 0805 | 1 | 复位下拉 |
| 7 | 电阻 | 1k | 0805 | 1 | 基极限流 |
| 8 | 电阻 | 10k | 0805 | 1 | 基极下拉 |
| 9 | 三极管 | S8050 | TO-92 | 1 | 驱动扬声器 |
| 10 | 扬声器 | 8Ω/0.5W | 接线端子 | 1 | 发声输出 |
| 11 | 轻触按键 | 6x6mm | 插件 | 8 | 琴键 |
| 12 | 电源座 | DC-005 | 插件 | 1 | 5V供电 |
| 13 | IC座 | DIP-40 | 插件 | 1 | 方便更换芯片 |
注意封装一栏要和你画PCB时用的封装完全一致，否则焊接时会发现焊盘对不上。比如S8050有TO-92和SOT-23两种常见封装，画PCB之前就要想好买哪种。我用的是TO-92插件封装，焊接方便。
5.4 焊接、电源检查与实物调试
焊接顺序建议从低到高：先焊电阻、电容，再焊晶振、IC座，然后焊按键、三极管、扬声器接口，最后焊电源座和单片机。焊完之后不要急着上电，先用万用表测一下电源正负极之间有没有短路，很多新手焊完板子一上电就冒烟，十有八九是电源接线反了或虚焊。
上电后先用万用表测单片机VCC和GND之间电压，正常应该是5V左右。接着把程序烧录进去，用示波器或逻辑分析仪看P2.0引脚是否有方波输出。没有示波器的话，可以直接把扬声器接上试听，如果在按下按键时能听到对应音调，基本就成功了。如果某个按键不出声，用万用表蜂鸣档测按键两端在按下时是否导通，排除按键本身的问题。
6. 常见问题与排查技巧实录
6.1 按键不灵或者误触
按键不灵最常见的原因是软硬件都没有做消抖，其次就是按键引脚虚焊。我的建议是：焊接时把按键的四个引脚都吃透锡，焊完后用镊子轻摇一下，确保不松动。软件上，可以在ReadKey里加入两次读取一致才有效的逻辑。如果在实物上仍然出现误触，还可以在每个按键两端并联一个104电容，从硬件层面吸收抖动。
6.2 声音沙哑或音量忽大忽小
这个问题在仿真里几乎不会出现，实物上却很常见。一般是因为电源供电不稳定，或者扬声器驱动三极管工作在放大区而不是开关状态。检查三极管的基极电阻，1k电阻配合5V供电时，基极电流约为4mA，足以让S8050进入饱和导通状态。如果供电电压偏低，比如USB口供电只有4.5V，声音会明显发闷。这时可以换一个独立5V电源适配器，或者把电源线加粗、增加一个大电容。
6.3 音调和标准的琴不太一样
音调不准有三个原因：一是晶振频率不准确，比如用了11.0592MHz晶振但程序按12MHz计算初值；二是定时器初值取整误差在听感上放大了；三是扬声器本身频响特性导致某些频率听起来不够亮。第一个原因最需要排查，更换晶振后要确认程序和电路里标注的频率一致。如果只是偶尔一个音不准，可以微调tone_tab里对应的初值，比如把0xF889改成0xF888，实际听感满意即可。
6.4 上电后还没按键就自己响
这种情况通常是复位电路没正常工作，单片机没有从0000H开始执行程序，或者P2.0引脚上电默认状态导致三极管导通。先测复位引脚电压，正常工作时应该是低电平；如果一直高电平，说明复位电路接错，检查74HC? 大多数情况下是复位电容和电阻的位置关系不对。程序里也可以在main函数最开始加一句BEEP=0，确保上电瞬间扬声器不响，然后在初始化完外设后再进入主循环。
最后再分享一个小技巧。如果你打算做完仿真之后去打样PCB，一定要在打样前把板子的机械尺寸、固定螺丝孔和按键位置都规划好，别急着省钱拼板。我第一次做这块板子时，就是没留扬声器安装位，最后只能用扎带绑在板子边缘，虽然功能正常，但整个作品看起来就像半成品。按“先仿真、再画板、后打样”的顺序走，每一步都能查错，成功率会高很多。希望这篇完整记录能帮你顺利做出属于自己的8音键电子琴。
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