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單片機(jī)播放音樂的基本知識(shí)及設(shè)計(jì)原理解析
時(shí)間：2018-07-26 來源：未知
單片機(jī)播放音樂的基本知識(shí)及設(shè)計(jì)原理解析，使用單片機(jī)播放音樂或播放電子琴，實(shí)際上，根據(jù)特定的頻率輸出一系列方波。為了輸出適當(dāng)?shù)姆讲ǎ覀兪紫纫酪舴皖l率之間的關(guān)系。
1.音名
從常見的電子琴的鍵盤談起。
在下表中，可以看到一列黑白相間的琴鍵(示意)。主要分成低音、中音和高音三個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都有12個(gè)琴鍵。其中的白鍵，簡譜音符標(biāo)為1、2、3、4、5、6、7，大家一般都讀成哆、來、咪、發(fā)、嗦、拉、西。
2.頻率
注意看一下幾個(gè)6(拉)的頻率，它們是整數(shù)，容易看出規(guī)律――是成2倍的關(guān)系。其它的音符，也有同樣的規(guī)律。這些頻率，如220、440等，它們?cè)谇冁I上的位置是世界統(tǒng)一的，無論是鋼琴、手風(fēng)琴，還是電子琴，都是一樣的。
包括黑鍵和白鍵在內(nèi)的全部音符的頻率數(shù)值，是成“等比數(shù)列”的關(guān)系，它們之間有個(gè)公比，可以按照“2倍”的規(guī)律推算出來。
已知最低音的6(拉)的頻率是220，設(shè)公比為q，那么：7的頻率就是220*q*q 。
乘了兩個(gè)q，是因?yàn)?、7之間隔了個(gè)黑鍵。以此類推，兩個(gè)6之間，共有12個(gè)琴鍵，所以：
低音區(qū)的6(拉)的頻率就是：220*q*q*q*q*q*q*q*q*q*q*q*q = 440。
馬上就可以看出，12個(gè)q相乘，等于： 440 / 220 = 2。
那么就可以求出公比：q = 2的12次方根 = 1.059463094。
用這個(gè)公比，和已知的220進(jìn)行計(jì)算，可以得出全部琴鍵所對(duì)應(yīng)的頻率，如下表中所示。
3.定時(shí)初值
頻率的倒數(shù)是周期，用單片機(jī)輸出方波，應(yīng)該在半個(gè)周期的時(shí)刻，將輸出取反。
設(shè)單片機(jī)的晶振為12MHz，那么定時(shí)器將在1us進(jìn)行一次加一，加到65536就會(huì)出現(xiàn)中斷。據(jù)此，就可計(jì)算出定時(shí)器定時(shí)半個(gè)周期所需的初值，如下表中所示。4.音調(diào)數(shù)據(jù)表
單片機(jī)發(fā)出不同頻率的方波，人聽起來，就是不同的音調(diào)。
上表中的頻率數(shù)值，有些過多，去掉不常用的黑鍵頻率，只是把白鍵對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)中，即可滿足絕大部分的應(yīng)用需求。
定義音調(diào)數(shù)據(jù)表的程序如下：
DW 63625, 63833, 64019, 64104, 64260, 64400, 64524 ;低音區(qū):1 2 3 4 5 6 7
DW 64580, 64685, 64778, 64820, 64898, 64968, 65030 ;中音區(qū):1 2 3 4 5 6 7
DW 65058, 65110, 65157, 65178, 65217, 65252, 65283 ;高音區(qū):1 2 3 4 5 6 7
DW 65297 ;超高音:1
把這個(gè)數(shù)據(jù)表，放在程序中，需要播音的時(shí)候，就從表中取出一個(gè)數(shù)據(jù)送到定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)器溢出中斷的時(shí)候，再對(duì)輸出引腳取反，那么，在揚(yáng)聲器中，即可聽到上表中頻率的聲音。
單片機(jī)的基本發(fā)音實(shí)驗(yàn)
我們知道，聲音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲，若能利用程序來控制單處機(jī)某個(gè)口線的“高”電平或低電平，則在該口線上就能產(chǎn)生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發(fā)出一定頻率的聲音，若再利用延時(shí)程序控制“高”“低”電平的持續(xù)時(shí)間，就能改變輸出頻率，從而改變音調(diào)。
例如，要產(chǎn)生200HZ的音頻信號(hào)，按圖1接入喇叭(若屬臨時(shí)實(shí)驗(yàn)，也可將喇叭直接接在P1口線上)，實(shí)驗(yàn)程序?yàn)椋?/p>
其中子程序DEL為延時(shí)子程序，當(dāng)R3為1時(shí)，延時(shí)時(shí)間約為20us，R3中存放延時(shí)常數(shù)，對(duì)200HZ音頻，其周期為1/200秒，即5ms。這樣，當(dāng)P1.4的高電平或低電平的持續(xù)時(shí)間為2.5ms，即R3的時(shí)間常數(shù)取2500/20=125(7DH)時(shí)，就能發(fā)出200HZ的音調(diào)。將上述程序鍵入學(xué)習(xí)機(jī)，并持續(xù)修改R3的常數(shù)能感到音調(diào)的變化。樂曲中，每一音符對(duì)應(yīng)著確定的頻率，表1給出C調(diào)時(shí)各音符頻率及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。讀者能根據(jù)表1所供給的常數(shù)，將其16進(jìn)制代碼送入R3，反復(fù)練習(xí)體會(huì)。根據(jù)表1能奏出音符。僅這還不夠，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。
音符的節(jié)拍我們能用定時(shí)器T0來控制，送入不一樣的初值，就能產(chǎn)生不一樣的定時(shí)時(shí)間。便如某歌曲的節(jié)奏為每分鐘94拍，即一拍為0.64秒。其它節(jié)拍與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。
但時(shí)，由于T0的最大定時(shí)時(shí)間只能為131毫秒，因此不可能直接用改變T0的時(shí)間初值來實(shí)現(xiàn)不一樣節(jié)拍。我們能用T0來產(chǎn)生10毫秒的時(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)器的值來控制節(jié)拍時(shí)間的長短。表2中也給出了各種節(jié)拍所對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。例如對(duì)1/4拍音符，定時(shí)時(shí)間為0.16秒，對(duì)應(yīng)的時(shí)間常數(shù)為16(即10H);對(duì)3拍音符，定時(shí)時(shí)間為1.92秒，對(duì)應(yīng)時(shí)間長數(shù)為192(即C0H)。
我們將每一音符的時(shí)間常數(shù)和其對(duì)應(yīng)的節(jié)拍常數(shù)作為一組，按次序?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，就能實(shí)現(xiàn)演奏效果。此外，結(jié)束符和體止符能分別用代碼00H和FFH來表示，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)生對(duì)應(yīng)的停頓效果。為了產(chǎn)生手彈的節(jié)奏感，在某些音符(例如兩個(gè)相同音符)音插入一個(gè)時(shí)間單位的頻率略有不一樣的音符。
下面給出程序序清單，可直接在TD-III型學(xué)習(xí)機(jī)上演奏，對(duì)其它不一樣型號(hào)的學(xué)習(xí)機(jī)，只需對(duì)應(yīng)地改變一下地址即可。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/分。讀者也能自行找出一首歌，按表1和表2給定的常數(shù)，將樂曲翻譯成碼表輸入機(jī)器，而程序不變。本實(shí)驗(yàn)辦法簡便，即使不懂音樂的人，將一首陌生的曲子翻譯成代碼也是易事，和著機(jī)器的演奏學(xué)唱一首歌曲，其趣味無窮。
