基于单片机的音乐器设计(4)

3软件设计

软件设计是指在硬件电路的基础上，以程序的形式实现算法，进而实现音乐播放器的功能。软件是整个控制系统设计的核心，采用模块化设计，具有充分的灵活性，在硬件结构不变的情况下，只需要改变软件就能实现一些不同的功能，满足用户多样性需求。

本系统采用模块化的编程思想，把整个软件系统化分为多个功能模块，主程序通过调用各个子程序来完成各个功能的实现。软件的程序主要由主程序、发声模块程序、控制模块程序、LCD1602显示程序组成。

本设计使用Keil μVison3软件完成程序的编写和调试。

3.1软件开发平台

Keil μVison系列是德国Keil Software公司推出的51系列兼容单片机软件开发系统。μVison3是集成的可视化Windows操作界面，其提供了丰富的库函数和各种编译工具，能够对51系列单片机以及和51系列兼容的绝大部分类型的单片机进行设计。Keil μVison系列可以支持单片机C51程序设计语言，也可以直接进行汇编语言的设计与编译。

目前，Keil公司已经被ARM公司收购，成为ARM旗下的产品。Keil μVison系列的集成开发环境最高版本是μVison3，版本号为V8.08。Keil μVison系列是一个非常优秀的编译器，受到广大单片机设计者的广泛使用。

其主要特点如有：支持汇编语言、C51语言等多种单片机设计语言；可视化的文件管理，界面友好；支持丰富的产品线，除了51及其兼容内核的单片机外，还新增加了对ARM内核产品的支持；具有完善的编译连接工具；具备丰富的仿真调试功能，可以仿真串口、并口、A/D、D/A、定时器/计数器以及中断等资源，同时也可以和外部仿真器联合进行在线调试；内嵌RTX-51实时多任务操作系统；支持在一个工作空间中进行多项目的程序设计。支持多级代码优化。

图3-1为在μVision3中编写程序时的界面。

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图3-1 μVision3的界面

3.2单片机发音原理

声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，利用单片机定时器的中断功能，可以从I/O口线上形成一定频率的脉冲，经过滤波和功率放，接上蜂鸣器就可以发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制输出各个频率脉冲的时间，即可实现音乐发生器功能。使用单片机配合蜂鸣器来发音，只需弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和“节拍”。其中，音调表示一个音符唱多高的频率；节拍表示一个音符唱多长的时间。下面分别介绍音调和节拍的相关知识，以及如何使用单片机来实现音调和节拍。

3.2.1音调

音调表示一个音符唱多高的频率，和平时所说的“音高”十分类似。这是音乐学中的名词，在音乐中常把中央C上方的A音定为标准音高，其频率f=440Hz。其余音均通过和其比较获得。

如果f1和f2两个音符的频率相差一倍时，也即f2=2×f1时，则称f2比f1高一个倍频程。音符1（低音do）与音符i（中音do），??，等之间正好相差一个倍频程，在音乐学中一般称其相差一个八度音。

音乐中规定，在一个八度音内，共有12个半音。以1—八音区为例，这12个半音分别是：1—＃1、＃1—2、2—＃2、＃2—3、3—4、4—＃4，＃4—5、5—

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＃5、＃5—6、6—＃6、＃6—7、7—i。由于人耳的听觉效果是非线性的，因此这12个音阶的分度基本上是以对数关系来划分的。

要让单片机产生音频脉冲，只要计算出某一音频的周期，将此周期除以2得到半周期，利用定时器对此半周期进行定时，每当定时时间到，将P1.7口线上的电平取反，从而得到所需要的音频脉冲。产生音频的定时器初值计算公式如下：

式中，k根据单片机工作方式确定，可为13（方式0）、16（方式1）、8（方式2），

fosc为单片机工作频率，

为希望产生的音频。

例如中音DO的频率为523Hz,若单片机的工作频率为12MHz,定时器T0设置为工作方式1，按以上公式计算得定时器初值为64580；高音DO的频率为1047Hz，计算定时器初值为65058。

3.2.2节拍

节拍表示一个音符唱多长的时间，同样是音乐学中的名词。在一张完整乐谱的开头，都有如1=C 、1=G ?? 等的标识。例如图3-2所示为1=C 的节拍示意图。

这里的、用来表示节拍，而1=C、1=G表示一个乐谱的曲调，简单地说就是跟音调有关系。

图3-2 节拍示意图

可以通过延时程序来产生不同的节拍。如果1拍为0.4秒，则1/4为0.1秒，只要设定延时时间就可以求得节拍时间。例如一段延时程序Delay为1/4拍，则一拍只要调用4次Delay程序，依此类推。

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3.2.3音符码表的编制

编写一段音乐的音符码表时，先把乐谱的音符找出，按表3-1建立对应的音调码码及定时器初值表，按表3-2建立节拍码表。每个音符使用1个字节，字节的高4位存放音符的音调码，低4位存放音符的节拍码。 表3-1 与音符对应的音调码表和定时器初值表(fosc=12MHz) 简谱 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 发声 低音SO 低音LA 低音SI 中音DO 中音RE 中音ME 中音FA 中音SO 中音LA 中音SI 高音DO 高音RE 高音ME 高音FA 高音SO 不发音 音调码 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F 0 定时器初值 FB04 FB90 FC09 FC44 FCAC FD09 FD34 FD82 FDC8 FE06 FE22 FE56 FE85 FE9A FEC1 用C语言将音调码表和定时器初值表表示出来即为： uchar code TABLE[ ]={ //音符对应的定时器初值表

0xfb,0x04,0xfb,0x90,0xfc,0x09,0xfc,0x44, 0xfc,0xac,0xfd,0x09,0xfd,0x34,0xfd,0x82, 0xfd,0xc8,0xfe,0x06,0xfe,0x22,0xfe,0x56, 0xfe,0x85,0xfe,0x9a,0xfe,0xc1};

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表3-2节拍码表 节拍码 1 2 3 4 5 6 8 A C F 节拍数 1/4拍 2/4拍 3/4拍 1拍 1又1/4拍 1又2/4拍 2拍 2又2/4拍 3拍 3又3/4拍 按照上述原理可以编写出“Amazing Grace”乐曲的音符码表。“Amazing Grace”的简谱如下：

5.|1 - 31 |3- 2| 1 - 6. |5.- 5.|1-31|3-2|5--|5-| 3 |5·3 53|1-5.| 6·1 16.|5.-5.|1-31|3-2|1--|1-| 对应的音符码表为：

uchar code GRACE[ ]={ //《奇异恩典》音符码表

0x14,0x48,0x62,0x42,0x68,0x54,0x48,0x24,0x18, 0x14,0x48,0x62,0x42,0x68,0x54,0x8c,0x88

0x64,0x86,0x62,0x82,0x62,0x48,0x14,0x26,0x42,0x42,0x22,0x18,

0x14,0x48,0x62,0x42,0x68,0x54,0x4c,0x48,0x00};

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