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。 在編輯樂曲的過程中，每一音符對應(yīng)著確定的頻率，將每一音符的時間常數(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)驗結(jié)果表明，該方案電路簡單，切實(shí)可行且效果不錯。
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，非常簡單實(shí)用，且該方法基于軟件來實(shí)現(xiàn)的，所以成本非常低，調(diào)試方便，效果也很不錯，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)計分兩大部分：硬件設(shè)計部分和軟件設(shè)計部分。
1 硬件設(shè)計
硬件部分比較簡單，如果在開發(fā)板上做實(shí)驗可仿下面圖1 電路連接。
AT89C51 單片機(jī)的P2.5 口控制一個8550 的三極管，三極管控制電磁蜂鳴器的電源通斷。
如果用Proteus 軟件來仿真的話，電路更加簡單，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：單片機(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）。 這里選擇無源式蜂鳴器。
單片機(jī)唱歌的基本原理：利用程序來控制單處機(jī)某個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
通過軟件延時或者定時器延時來的方式以不同頻率改變口線的的高低電平狀態(tài)來實(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)時間為2.5ms 時，就能發(fā)出200HZ 的音調(diào)。 我們可以寫一個延時子程序，用R3 來提供參數(shù)，R3=1 時，延時為20us,那么R3 取2500/20=125（7DH）時，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 音符的音高和音長與頻率的關(guān)系
圖3 畫出了兩個音階（一個音階是8 個音符）的鋼琴鍵和每個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音或低半個音。 組成樂曲的每個音符的頻率和持續(xù)時間是樂曲程序發(fā)聲所需要的兩個重要數(shù)據(jù)。 頻率可以從圖中得到，音符的持續(xù)時間可根據(jù)樂曲速度及每個音符的節(jié)拍數(shù)來確定，是可以從樂譜中得到的。
2.2 節(jié)拍
控制一個音符輸出的時間，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 的時間，則二分音符持續(xù)時間為0.5s（50×10ms），四分音符的持續(xù)時間為0.25s（25×10ms），八分音符持續(xù)時間為0.125s（12.5×10ms）。
知道了音調(diào)與頻率和時間的關(guān)系，就可以按照樂曲的曲譜將每個音符的頻率和持續(xù)時間定義成兩個數(shù)據(jù)表，然后編寫程序依次取出表中的時間值和頻率值。
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)拍我們可用定時器來控制，簡單的說，一個一拍的音符唱0.64s,我們就設(shè)置一個定時器定時0.64s,時間一到就換下一個音符。 但是，由于單片機(jī)的T0,在12MHz 晶振下最大定時時間只能為65ms,因此不可能直接用改變T0 的時間初值來實(shí)現(xiàn)不同節(jié)拍。 如何定時一個更大的時間，我們可以用T0 來產(chǎn)生10ms 的時間基準(zhǔn)，然后設(shè)置 一個中斷計數(shù)器，通過判別中斷計數(shù)器的值來控制節(jié)拍時間的長短。
例如對1/4 拍音符，定時時間為0.16s,相應(yīng)的時間常數(shù)（中段計數(shù)器）為16（即10H）；對3 拍音符，定時時間為1.92s,相應(yīng)時間長數(shù)為192（即C0H）。
2.3 電路實(shí)現(xiàn)
因為一首曲子不止一個音符，我們不可能對每一個音符的音階都去"手工"的提供時間常數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)的簡化，我們編制一個將每一音符的時間常數(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音符的頻率和對應(yīng)節(jié)拍時間，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（例兩個相同音符）音插入一個時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 對程序進(jìn)行編譯，見圖5,具體方法可文獻(xiàn)[5],編譯無誤后生成。hex 文件，然后雙擊Proteus環(huán)境下的原理圖中的AT89C51,找到這個。 hex 文件，然后點(diǎn)按鈕Play,這時單片機(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)境下對程序進(jìn)行編譯
3 結(jié)論
以上介紹的方法已通過測試，運(yùn)行良好。 對初學(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)驗方法簡便，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。
