基于单片机的电子音乐盒的设计 - 图文(2)

2 音乐程序的设计原理

2.1 音乐的基本知识说明

声音是由物体振动产生，正在发声的物体叫声源。振动的频率高，为高音；振动的频率低，为低音。人耳比较容易辨识的声音频率范围是20Hz到20,000Hz之间，一般音响电路是用正弦波信号驱动喇叭，从而产生悦耳的音乐；在数字电路里，则是用数字脉冲信号信号驱动喇叭，从而产生声音。如果声音的频率相同，人类耳朵很难区分哪个是脉冲信号产生的声音，哪个是正弦波信号产生的声音。

图2.1.1 声音的波形

2.2 音调

不同音高的乐音是用C、D、E、F、G、A、B来表示，这7个字母就是音乐的音名，它们一般依次唱成DO、RE、MI、FA、SO、LA、SI,即唱成简谱的1、2、3、4、5、6、7，相当于汉字“多来米发梭拉西”的读音，这是唱曲时乐音的发音，所以叫“音调”，即Tone。把C、D、E、F、G、A、B这一组音的距离分成12个等份，每一个等份叫一个“半音”。两个音之间的距离有两个“半音”，就叫“全音”。在钢琴等键盘乐器上，C–D、D–E、F–G、G–A、A–B两音之间隔着一个黑键，他们之间的距离就是全音；E–F、B–C两音之间没有黑键相隔，它们之间的距离就是半音。通常唱成1、2、3、4、5、6、7的音叫自然音，那些在它们的左上角加上﹟号或者b号的叫变化音。﹟叫升记号，表示把音在原来的基础上升高半音，b叫降记音，表示在原来的基础上降低半音。例如高音DO的频率（1046Hz）刚好是中音DO的频率（523Hz）的一倍，中音DO的频率（523Hz）刚好是低音DO频率（266 Hz）的一倍；同样的，高音RE的频

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率（1175Hz）刚好是中音RE的频率（587Hz）的一倍，中音RE的频率（587Hz）刚好是低音RE频率（294 Hz）的一倍。

2.3 节拍

若要构成音乐，光有音调是不够的，还需要节拍，让音乐具有旋律（固定的律动），而且可以调节各个音的快满度。“节拍”,即Beat，简单说就是打拍子，就像我们听音乐不自主的随之拍手或跺脚。若1拍实0.5s，则1/4 拍为0.125s。至于1拍多少s，并没有严格规定，就像人的心跳一样，大部分人的心跳是每分钟72下，有些人快一点，有些人慢一点，只要听的悦耳就好。音持续时间的长短即时值，一般用拍数表示。休止符表示暂停发音。

一首音乐是由许多不同的音符组成的，而每个音符对应着不同频率，这样就可以利用不同的频率的组合，加以与拍数对应的延时，构成音乐。了解音乐的一些基础知识，我们可知产生不同频率的音频脉冲即能产生音乐。对于单片机来说，产生不同频率的脉冲是非常方便的，利用单片机的定时/计数器来产生这样的方波频率信号。因此，需要弄清楚音乐中的音符和对应的频率，以及单片机定时计数的关系。

2.4 音调的产生

前面讲到声音只是某一范围的频率，也就所谓的音频。因为扬声器发生只需要半个周期即可，所以用单片机产生声音只要送电半个周期的时间就可以实现，我们用音调Do来举例，音调Do周期波形如图9。我们可以用延迟函数或者Timer定时中断可以产生音调。 计算音调Do的周期：

Do频率=262 Hz→T=1/f=1/262=3186μs 所以实际送电的时间只有3826/2=1908μs Do f=3186μs

2.5 延迟函数

对于12M Hz的8051系统而言，若要延迟1ms，可以用“delay1ms（1）;”指令，若需要延迟5ms，则可使用“delay1ms（5）;”.很明显，这个函数的刻度为1ms，但是如果要求小于1ms，我们可以改变内循环的数量决定延迟时间，因为内循环的数量为120，可延迟1ms，该函数的最小刻度为1ms；将内循环的数量改为12，可延迟0.1ms，

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该函数的最小刻度为0.1ms，即100μs。如表1。

表1

内循环数量 120 60 6 3 1 最小延迟时间（ms） 1 0.5 0.05 0.025 0.0083 最小延迟时间（μs） 1000 500 50 25 8.3 1ms延迟函数如下： void delay1ms（unsigned char x） { unsigned char i，j； //声明变量 for（i=0；i

for(j=0;j<120;j++) //内循环 }

8μs延迟函数如下：

void delay8μs（unsigned char x） { unsigned char i，j； //声明变量 for（i=0；i

for(j=0;j<120;j++) //内循环 }

音乐的拍子种类，找出其中最短的拍子，例如整首音乐中，包含1/4拍、1/2拍、3/4拍、1拍、2拍，则以1/4拍为基准，然后写一段1/4拍长度的延迟函数，若要产生1/4拍的长度，则执行该函数时，变量为1；若要产生1/2拍的长度，则执行该函数时，变量为2；如要产生3/4拍的长度，则执行该函数时，变量为3；若要产生1拍的长度，则执行该函数时，变量为4，如要产生2拍的长度，则执行该函数时，变量为8??依次类推。

2.6 定时中断

在Mode 1模式下，定时量最多可达65536，也就是65536μs，足以产生低音Do所需的半周期1908。所以，若要产生低音Do的音频，则只需要执行1908定时量的timer中断即可。每中断一次，就改变连接喇叭的输入/输出的状态，就能发出低音Do的声音。如要产生其他音阶，只需要按表1-1的T字段设定定时量即可。 如下程序一Mode 1来产生低音的Do： #include

sbit speaker=P1^0; //声明输出端

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main（）

{speaker=0; //喇叭初始值 IE=0x82; //启用Timer0

TH0=(65536-1908)/256; //填入定时量的高八位 TL0=(65536-1908)%6; //填入定时量的低八位 TR0=1; //启动Timer0 While(1); //停止 } //主程序结束 //========Timer0中断子程序===========

void tone_int(void)interrupt 1 //Timer 0中断之程序 {TH0=Do_H; //填入定时量的高八位 TH0=Do_L; //填入定时量的低八位 speaker=~speaker; } //喇叭反向输出

音乐中最短的拍子，例如在整首音乐中，最短的拍子为1/4拍，若1/4拍的时间为0.125s，则以1/4拍为基准，然后设定每0.125s产生一次中断，其定时量为125000，假设采用Mode 1，定时量设为62500，只要执行2次中断，即可产生1/4拍的时间长度。同理，若要产生1/2拍的长度，则执行4次中断，若要产生3/4拍的长度，则执行6次中断??依次类推。如表2。

表2

拍数 1/8 1/4 8/3 中断次数 1 2 3 拍数 1/2 3/4 1 中断次数 4 6 8 拍数 1又1/4 1又1/2 2 中断次数 10 12 16 2.7 节拍的产生

音阶的频率是固定的，而节拍有快有慢，拍子越短，节奏越快，拍子越长，节奏越慢。产生节拍的方法也是一种处理时间的方法。我们以生日快乐歌为例，它的前两个音节︱1· 1 2 1︱4 3 —︱，第一个音是Do，发生这个音的时间长度是250ms；停顿一下，再发出第二个音Do，还是持续250ms；接下来发Re的音，时间长达500ms、改发出Do的音，时间长达500ms，第一小节结束。紧接着是第二小节，首先发Fa的音，时间长达500ms；在发出Mi的音，时间长达1000ms，以下以此类推。节拍的产生我们同样可以采用延迟函数或者Timer定时中断两种方式。

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3．硬件电路设计

3.1总体方案设计

晶振电路LCDAT89C51复位电路键盘电路蜂鸣器

图1 总体方案图

以AT89C51为核心，通过单片机的定时器产生一定长度的方波，方波脉冲驱动蜂鸣器发声。要产生音频脉冲，只需算出某一音频的周期（1/音频），然后取半周期的时间定时。利用定时器计时这个半周期时间,每当计时到后就将输出脉冲的I/O反相,然后重复计时此半周期时间再对I/O口反相,就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。当键盘有键按下时，判断键值，启动计数器T0，产生一定频率的脉冲，驱动扬声器，放出乐曲。同时在LCD显示歌曲序号和歌曲名称。

3.2器件选择

3.2.1 单片机的选择

单片机型号的选择是根据控制系统的目标、功能、可靠性、性价比、精度和速度等来决定的。根据本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑；一是要有较强的抗干扰能力。二是要有较高的性价比。由于51系列在我国使用最广，且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，特别是ATMEL公司89C系列单片机，其典型产品AT89C51单片机，具有较高的性能价格比。故本系统采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机作为电子音乐盒的核心部件，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，

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