基于A(yíng)rduino的電子音樂(lè )發(fā)聲器設計

作者 趙云娥1 吳振強2 1.青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院(青海 西寧 810012) 2.陜西師范大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院(陜西 西安 710119)

摘要：Arduino 是一塊基于開(kāi)放原始代碼的Simple I/O平臺，具有使用簡(jiǎn)單，功能多樣，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于電子系統設計和互動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面。系統以ArduinoUNO開(kāi)發(fā)平臺為控制核心，充分利用其內部Tone 庫，以數組形式組織樂(lè )曲的音高和節拍數據，通過(guò)串口和外圍無(wú)源蜂鳴器進(jìn)行通信，實(shí)現了電子音樂(lè )播放，隨音樂(lè )節拍亮滅的LED為設計添加了溫馨感。本系統成本低廉，可靠性高，可實(shí)現樂(lè )曲DIY，有良好的擴展性。

引言

　　Arduino 是一個(gè)基于開(kāi)放原始代碼的Simple I/O平臺，由硬件(MCU及外圍電路)和軟件(編程接口和語(yǔ)言)兩部分組成。它基于單片機系統開(kāi)發(fā)，具有使用簡(jiǎn)單，功能多樣，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于電子系統設計和互動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面。目前市場(chǎng)所見(jiàn)電子音樂(lè )發(fā)聲器調節不便，價(jià)格較高，不能很好地實(shí)現和使用者的交互。本電子音樂(lè )發(fā)聲器的設計以ArduinoUNO板為控制核心，在相關(guān)樂(lè )理基礎知識上，充分利用Arduino編輯器自帶Tone擴展庫，以數組形式輸出各音符的指定頻率和節拍，送到無(wú)源蜂鳴器和彩色LED，實(shí)現了音樂(lè )播放和隨音樂(lè )節奏亮滅的LED效果。在操作方面，可以通過(guò)簡(jiǎn)單修改數組數據(音高和節拍)實(shí)現電子音樂(lè )的DIY，在欣賞美妙音樂(lè )的同時(shí)，充分發(fā)揮使用者的創(chuàng )造性。

1 系統硬件設計

　　本發(fā)聲器以ArduinoUNO為控制核心，外部電路包括控制電路、蜂鳴器電路、LED顯示節奏電路，系統硬件電路圖如圖1所示。開(kāi)關(guān)S1對整個(gè)電路起控制作用，當檢測到開(kāi)關(guān)按下，即D3端口為高電平時(shí)，電路開(kāi)始工作。預先組織好的音符數據(音高和節拍)通過(guò)數字端口D8發(fā)送到5V無(wú)源蜂鳴器J1，無(wú)源蜂鳴器接收到特定頻率的(即特定的音高)方波去驅動(dòng)它，可以發(fā)出“Do Re Mi Fa Sol La Si”的音樂(lè )效果。各數據加上延時(shí)(即節拍數據)即可實(shí)現樂(lè )曲的播放。無(wú)源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是聲音頻率可控，可以和LED復用一個(gè)控制口。所以，D8端口的數據同時(shí)加到LED1、LED2、LED3上時(shí)，其節奏性的亮滅實(shí)現了節拍的顯示。

2 軟件設計

2.1 樂(lè )曲播放原理

　　2.1.1 單音符的演奏原理

　　一首樂(lè )曲由若干音符組成。從物理的角度來(lái)說(shuō)，每一個(gè)音符唯一對應一個(gè)發(fā)聲頻率。Arduino只要把這個(gè)頻率數據發(fā)送給蜂鳴器或喇叭，就會(huì )發(fā)出對應的音符。Arduino IDE自帶的頭文件“pitches.h”中以宏定義的形式給出了各個(gè)音符和頻率的對應關(guān)系表。例如“#define NOTE_C4 262”語(yǔ)句給出了鋼琴標準鍵盤(pán)小字一組C4(唱名為Do)按鍵對應的頻率是262Hz。因此，只要能夠識別給定的樂(lè )譜，就能得到一組對應該樂(lè )曲的頻率數據，即制作出其數組形式的韻律函數。

　　2.1.2 節拍

　　除了音高，構成旋律的另一個(gè)重要因素是節拍，即音符演奏的持續時(shí)間。它決定了音樂(lè )進(jìn)行的快慢程度。本發(fā)聲器的設計中，通過(guò)讀取旋律的節拍速度，來(lái)確定基本的延時(shí)單位。如二分音符為一拍，每拍延時(shí)1/2秒，則四分音符延時(shí)1/4秒，八分音符延時(shí)為1/8秒，均為基本延時(shí)的偶數倍。最終，采用了noteDurations[thisNote]數組來(lái)存放每個(gè)音符的節拍數據。在應用過(guò)程中，我們也可以通過(guò)調節基本延時(shí)來(lái)調節樂(lè )曲速度。頻率數據按照節拍數據的延時(shí)來(lái)驅動(dòng)蜂鳴器，就實(shí)現了一首樂(lè )曲的播放。

2.2 樂(lè )曲播放的軟件實(shí)現

　　ArduinoIDE包含的Tone庫可以很方便地幫助用戶(hù)制作音樂(lè )。本設計主要采用了Tone(pin, frequency, duration)函數來(lái)產(chǎn)生電子音樂(lè )。此函數中，pin表示頻率數據的數字輸出接口，int型;frequency是音符頻率，int型;duration是節拍數據，單位是毫秒，unsigned long型。只要把上述頻率和節拍數據連續賦值給Tone函數，就可以實(shí)現樂(lè )曲的播放，系統軟件實(shí)現的程序流程圖見(jiàn)圖2。

　　Arduino語(yǔ)言是以setup( )開(kāi)頭，loop( )作為主體的一個(gè)程序構架。本發(fā)聲器的軟件實(shí)現過(guò)程中， loop( )函數內部包含了控制按鍵判斷函數，樂(lè )曲播放函數和延時(shí)函數。其中，樂(lè )曲播放函數play( )是發(fā)聲器軟件實(shí)現的核心語(yǔ)句，函數內所有語(yǔ)句周而復始地循環(huán)執行。下面以《生日快樂(lè )歌》(簡(jiǎn)譜見(jiàn)圖3)的第一小節為例，給出了play( )函數的實(shí)現過(guò)程。

　　int melody[] = {

　　NOTE_G4,//5

　　NOTE_G4,//5

　　NOTE_A4,//6

　　NOTE_G4,//5

　　NOTE_C5,//1.

　　NOTE_B4,//7

　　0,

　　……};

　　int noteDurations[] = {

　　8,8,4,4,4,4,

　　4,

　　……

　　};

　　void play()

　　{

　　for (int thisNote = 0; thisNote < 29; thisNote++)

　　{

　　int noteDuration = 1000/noteDurations[thisNote];

　　tone(8, melody[thisNote],noteDuration);

　　int pauseBetweenNotes = noteDuration * 1.30;

　　delay(pauseBetweenNotes);

　　noTone(8);

　　}}

3 結論

　　本系統利用了目前較為流行的Arduino電子互動(dòng)平臺，通過(guò)對ARDUINO IDE平臺進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)來(lái)控制外圍部件，實(shí)現了電子音樂(lè )的播放和節奏的顯示。Arduino是基于源代碼的軟硬件平臺，具有價(jià)格便宜，互動(dòng)多樣，支持實(shí)時(shí)ISP在線(xiàn)燒錄等特點(diǎn)。因此，本發(fā)聲器價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單，編輯方便，節拍速度可以調節，靈活性較高。該發(fā)聲器功能可以進(jìn)一步拓展，如果使用者具有一定的音樂(lè )素養，可以實(shí)現電子音樂(lè )DIY,為生活添加樂(lè )趣。

參考文獻:

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本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第36頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。