單片機典型案例開(kāi)發(fā)（三）

　　如果用Proteus 軟件來(lái)仿真的話(huà)，電路更加簡(jiǎn)單，見(jiàn)圖2。

　　圖2 在Proteus 環(huán)境下用單片機控制蜂鳴器發(fā)聲的原理圖。

　　需要的關(guān)鍵元件：單片機和蜂鳴器。

　　為了便于軟件編程，先要了解單片機唱歌的基本原理。

　　什么是聲音呢？聲音是空氣的振蕩，不同的振蕩頻率我們就可以聽(tīng)到不同聲調的聲音。 音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲。

　　其次，如何讓蜂鳴器發(fā)聲？蜂鳴器有很多種類(lèi)，但大致分為兩類(lèi)：有源式（直流電就發(fā)聲，但頻率單一）;無(wú)源式（根據輸入方波頻率而發(fā)出不同的聲音）。 這里選擇無(wú)源式蜂鳴器。

　　單片機唱歌的基本原理：利用程序來(lái)控制單處機某個(gè)口線(xiàn)出一定頻率的方波到蜂鳴器，蜂鳴器就可以發(fā)出一定音調的聲音，若再利用不同的延時(shí)程序改變輸出頻率，就可以改變音調，進(jìn)而就可讓單片機發(fā)出“1”、“2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”的音樂(lè )。

　　2 軟件設計

　　通過(guò)軟件延時(shí)或者定時(shí)器延時(shí)來(lái)的方式以不同頻率改變口線(xiàn)的的高低電平狀態(tài)來(lái)實(shí)現的。 如果只是讓蜂鳴器發(fā)聲這已經(jīng)夠了。 但是我們要的是唱歌，所以還有一些工作需要作。

　　2.1 音調

　　輸出不同頻率的方波，以實(shí)現1、2、3、4 等的不同音調;比如，發(fā)出200HZ 的音頻，其周期為1/200s，即5ms. 這樣，當 P2.5 的高電平或低電平的持續時(shí)間為2.5ms 時(shí)，就能發(fā)出200HZ 的音調。 我們可以寫(xiě)一個(gè)延時(shí)子程序，用R3 來(lái)提供參數，R3=1 時(shí)，延時(shí)為20us，那么R3 取2500/20=125（7DH）時(shí)，就可以發(fā)出200Hz 的音調，提供不同的R3 常數，可以得到不同的音調變化。

　　利用通用發(fā)聲程序可以編寫(xiě)樂(lè )曲演奏程序，樂(lè )曲是按照一定的高低，長(cháng)短和強弱的關(guān)系組成的音調，在一首樂(lè )曲中，每音符的音高和音長(cháng)與頻率和節拍有關(guān)（如圖3 所示）。

　　圖3 音符的音高和音長(cháng)與頻率的關(guān)系

　　圖3 畫(huà)出了兩個(gè)音階（一個(gè)音階是8 個(gè)音符）的鋼琴鍵和每個(gè)鍵的音符名及其頻率（HZ），低音階以低C（130.8Hz）到中C（261.7Hz）高音階以中C 到高C（523.3Hz）黑鍵比它旁邊的白鍵高半個(gè)音或低半個(gè)音。 組成樂(lè )曲的每個(gè)音符的頻率和持續時(shí)間是樂(lè )曲程序發(fā)聲所需要的兩個(gè)重要數據。 頻率可以從圖中得到，音符的持續時(shí)間可根據樂(lè )曲速度及每個(gè)音符的節拍數來(lái)確定，是可以從樂(lè )譜中得到的。

　　2.2 節拍

　　控制一個(gè)音符輸出的時(shí)間，比如1 拍、1/4 拍。 在4/4（四四拍）中，四分音符為一拍，每小節4 拍，全音符持續4 拍，二分音符持續2 拍，四分音符持續1 拍，八分音符持續半拍。 而全音符需要1s 的時(shí)間，則二分音符持續時(shí)間為0.5s（50×10ms），四分音符的持續時(shí)間為0.25s（25×10ms），八分音符持續時(shí)間為0.125s（12.5×10ms）。

　　知道了音調與頻率和時(shí)間的關(guān)系，就可以按照樂(lè )曲的曲譜將每個(gè)音符的頻率和持續時(shí)間定義成兩個(gè)數據表，然后編寫(xiě)程序依次取出表中的時(shí)間值和頻率值。

　　僅上所敘還不夠，要準確奏出一首曲子，必須準確地控制樂(lè )曲節奏，即一音符的持續時(shí)間。 例如，一首曲子的節奏為每分種94 拍，那么一拍就為60/94=0.64s.

　　音樂(lè )的節拍我們可用定時(shí)器來(lái)控制，簡(jiǎn)單的說(shuō)，一個(gè)一拍的音符唱0.64s，我們就設置一個(gè)定時(shí)器定時(shí)0.64s，時(shí)間一到就換下一個(gè)音符。 但是，由于單片機的T0，在12MHz 晶振下最大定時(shí)時(shí)間只能為65ms，因此不可能直接用改變T0 的時(shí)間初值來(lái)實(shí)現不同節拍。 如何定時(shí)一個(gè)更大的時(shí)間，我們可以用T0 來(lái)產(chǎn)生10ms 的時(shí)間基準，然后設置 一個(gè)中斷計數器，通過(guò)判別中斷計數器的值來(lái)控制節拍時(shí)間的長(cháng)短。

　　例如對1/4 拍音符，定時(shí)時(shí)間為0.16s，相應的時(shí)間常數（中段計數器）為16（即10H）;對3 拍音符，定時(shí)時(shí)間為1.92s，相應時(shí)間長(cháng)數為192（即C0H）。

2.3 電路實(shí)現

　　因為一首曲子不止一個(gè)音符，我們不可能對每一個(gè)音符的音階都去“手工”的提供時(shí)間常數，為了實(shí)現的簡(jiǎn)化，我們編制一個(gè)將每一音符的時(shí)間常數和其相應的節拍常數作為一組，按順序將樂(lè )曲中的所有常數排列成的表格，在程序里用查表指令依次查出每一個(gè)音符的頻率和對應節拍時(shí)間，產(chǎn)生音符并控制節奏，就可以實(shí)現演奏效果。

　　此外，結束符和體止符可以分別用代碼00H 和FFH 來(lái)表示，若查表結果為00H，則表示曲子終了;若查表結果為FFH，則產(chǎn)生相應的停頓效果。

　　為了產(chǎn)生手彈的節奏感，在某些音符（例兩個(gè)相同音符）音插入一個(gè)時(shí)間單位的頻率略有不同的音符。

　　程序框圖如下圖4. 本程序演奏的是民歌“八月桂花遍地開(kāi)”，C 調，節奏為94 拍/min。

　　用Keil 對程序進(jìn)行編譯，見(jiàn)圖5，具體方法可文獻［5］，編譯無(wú)誤后生成。hex 文件，然后雙擊Proteus環(huán)境下的原理圖中的AT89C51，找到這個(gè)。 hex 文件，然后點(diǎn)按鈕Play，這時(shí)單片機控制的蜂鳴器就可以開(kāi)始播放音樂(lè )了。

　　圖4 程序流程圖

　　圖5 在Keil 環(huán)境下對程序進(jìn)行編譯

　　3 結論

　　以上介紹的方法已通過(guò)測試，運行良好。 對初學(xué)單片機者有一定的啟示作用。 讀者也可以自行找出一首歌，將樂(lè )曲翻譯成碼表輸入單片機，而程序不變。 本實(shí)驗方法簡(jiǎn)便，即使不懂音樂(lè )的人，也可方便地將一首陌生的曲子翻譯成代碼。