摘要：介紹了基于Proteus 的單片機(jī)演奏系統(tǒng)的基本原理、硬件電路及軟件設(shè)計(jì)。 在編輯樂曲的過程中，每一音符對(duì)應(yīng)著確定的頻率，將每一音符的時(shí)間常數(shù)和其相應(yīng)的節(jié)拍常數(shù)作為一組，按順序?qū)非械乃谐?shù)排列成一個(gè)表，然后由查表程序依次取出，產(chǎn)生音符并控制節(jié)奏，就可以實(shí)現(xiàn)演奏效果。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案電路簡(jiǎn)單，切實(shí)可行且效果不錯(cuò)。
當(dāng)前的很多用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)音樂演奏的系統(tǒng)都是利用開發(fā)板結(jié)合仿真器實(shí)現(xiàn)的，這種方法不是很復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)也較方便，但是調(diào)試不是很方便，且成本也較高。 本文提出的一種基于Proteus 的單片機(jī)演奏音樂的方法，非常簡(jiǎn)單實(shí)用，且該方法基于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以成本非常低，調(diào)試方便，效果也很不錯(cuò)，適合于愛好音樂的單片機(jī)學(xué)習(xí)者。 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分兩大部分：硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分。
1 硬件設(shè)計(jì)
硬件部分比較簡(jiǎn)單，如果在開發(fā)板上做實(shí)驗(yàn)可仿下面圖1 電路連接。
AT89C51 單片機(jī)的P2.5 口控制一個(gè)8550 的三極管，三極管控制電磁蜂鳴器的電源通斷。
如果用Proteus 軟件來(lái)仿真的話，電路更加簡(jiǎn)單，見圖2。
圖2 在Proteus 環(huán)境下用單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)聲的原理圖。
需要的關(guān)鍵元件：?jiǎn)纹瑱C(jī)和蜂鳴器。
為了便于軟件編程，先要了解單片機(jī)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到不同聲調(diào)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，但大致分為兩類：有源式（直流電就發(fā)聲，但頻率單一）；無(wú)源式（根據(jù)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(jī)唱歌的基本原理：利用程序來(lái)控制單處機(jī)某個(gè)口線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(diào)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(diào)，進(jìn)而就可讓單片機(jī)發(fā)出"1"、"2","3","4","5","6","7"的音樂。
2 軟件設(shè)計(jì)
通過軟件延時(shí)或者定時(shí)器延時(shí)來(lái)的方式以不同頻率改變口線的的高低電平狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)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(diào)
輸出不同頻率的方波，以實(shí)現(xiàn)1、2、3、4 等的不同音調(diào)；比如，發(fā)出200HZ 的音頻，其周期為1/200s,即5ms. 這樣，當(dāng) P2.5 的高電平或低電平的持續(xù)時(shí)間為2.5ms 時(shí)，就能發(fā)出200HZ 的音調(diào)。 我們可以寫一個(gè)延時(shí)子程序，用R3 來(lái)提供參數(shù)，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(diào)，提供不同的R3 常數(shù)，可以得到不同的音調(diào)變化。
利用通用發(fā)聲程序可以編寫樂曲演奏程序，樂曲是按照一定的高低，長(zhǎng)短和強(qiáng)弱的關(guān)系組成的音調(diào)，在一首樂曲中，每音符的音高和音長(zhǎng)與頻率和節(jié)拍有關(guān)（如圖3 所示）。
圖3 音符的音高和音長(zhǎng)與頻率的關(guān)系
圖3 畫出了兩個(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。 組成樂曲的每個(gè)音符的頻率和持續(xù)時(shí)間是樂曲程序發(fā)聲所需要的兩個(gè)重要數(shù)據(jù)。 頻率可以從圖中得到，音符的持續(xù)時(shí)間可根據(jù)樂曲速度及每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)來(lái)確定，是可以從樂譜中得到的。
2.2 節(jié)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(jié)4 拍，全音符持續(xù)4 拍，二分音符持續(xù)2 拍，四分音符持續(xù)1 拍，八分音符持續(xù)半拍。 而全音符需要1s 的時(shí)間，則二分音符持續(xù)時(shí)間為0.5s（50×10ms），四分音符的持續(xù)時(shí)間為0.25s（25×10ms），八分音符持續(xù)時(shí)間為0.125s（12.5×10ms）。
知道了音調(diào)與頻率和時(shí)間的關(guān)系，就可以按照樂曲的曲譜將每個(gè)音符的頻率和持續(xù)時(shí)間定義成兩個(gè)數(shù)據(jù)表，然后編寫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(zhǔn)確奏出一首曲子，必須準(zhǔn)確地控制樂曲節(jié)奏，即一音符的持續(xù)時(shí)間。 例如，一首曲子的節(jié)奏為每分種94 拍，那么一拍就為60/94=0.64s.
音樂的節(jié)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(shè)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(jī)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(xiàn)不同節(jié)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(zhǔn)，然后設(shè)置 一個(gè)中斷計(jì)數(shù)器，通過判別中斷計(jì)數(shù)器的值來(lái)控制節(jié)拍時(shí)間的長(zhǎng)短。
例如對(duì)1/4 拍音符，定時(shí)時(shí)間為0.16s,相應(yīng)的時(shí)間常數(shù)（中段計(jì)數(shù)器）為16（即10H）；對(duì)3 拍音符，定時(shí)時(shí)間為1.92s,相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)數(shù)為192（即C0H）。
2.3 電路實(shí)現(xiàn)
因?yàn)橐皇浊硬恢挂粋�(gè)音符，我們不可能對(duì)每一個(gè)音符的音階都去"手工"的提供時(shí)間常數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化，我們編制一個(gè)將每一音符的時(shí)間常數(shù)和其相應(yīng)的節(jié)拍常數(shù)作為一組，按順序?qū)非械乃谐?shù)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(duì)應(yīng)節(jié)拍時(shí)間，產(chǎn)生音符并控制節(jié)奏，就可以實(shí)現(xiàn)演奏效果。
此外，結(jié)束符和體止符可以分別用代碼00H 和FFH 來(lái)表示，若查表結(jié)果為00H,則表示曲子終了；若查表結(jié)果為FFH,則產(chǎn)生相應(yīng)的停頓效果。
為了產(chǎn)生手彈的節(jié)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",C 調(diào)，節(jié)奏為94 拍/min。
用Keil 對(duì)程序進(jìn)行編譯，見圖5,具體方法可文獻(xiàn)[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(jī)控制的蜂鳴器就可以開始播放音樂了。
圖4 程序流程圖
圖5 在Keil 環(huán)境下對(duì)程序進(jìn)行編譯
3 結(jié)論
以上介紹的方法已通過測(cè)試，運(yùn)行良好。 對(duì)初學(xué)單片機(jī)者有一定的啟示作用。 讀者也可以自行找出一首歌，將樂曲翻譯成碼表輸入單片機(jī)，而程序不變。 本實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)便，即使不懂音樂的人，也可方便地將一首陌生的曲子翻譯成代碼。
