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单片机播放音乐的基本知识及设计原理解析 时间:2018-07-26      来源:未知

单片机播放音乐的基本知识及设计原理解析,使用单片机播放音乐或播放电子琴,实际上,根据特定的频率输出一系列方波。为了输出适当的方波,我们首先要知道音符和频率之间的关系。

1.音名

从常见的电子琴的键盘谈起。

在下表中,可以看到一列黑白相间的琴键(示意)。主要分成低音、中音和高音三个区域,每个区域都有12个琴键。其中的白键,简谱音符标为1、2、3、4、5、6、7,大家一般都读成哆、来、咪、发、嗦、拉、西。

2.频率

注意看一下几个6(拉)的频率,它们是整数,容易看出规律――是成2倍的关系。其它的音符,也有同样的规律。这些频率,如220、440等,它们在琴键上的位置是世界统一的,无论是钢琴、手风琴,还是电子琴,都是一样的。

包括黑键和白键在内的全部音符的频率数值,是成“等比数列”的关系,它们之间有个公比,可以按照“2倍”的规律推算出来。

已知最低音的6(拉)的频率是220,设公比为q,那么:7的频率就是220*q*q 。

乘了两个q,是因为6、7之间隔了个黑键。以此类推,两个6之间,共有12个琴键,所以:

低音区的6(拉)的频率就是:220*q*q*q*q*q*q*q*q*q*q*q*q = 440。

马上就可以看出,12个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。

用这个公比,和已知的220进行计算,可以得出全部琴键所对应的频率,如下表中所示。

3.定时初值

频率的倒数是周期,用单片机输出方波,应该在半个周期的时刻,将输出取反。

设单片机的晶振为12MHz,那么定时器将在1us进行一次加一,加到65536就会出现中断。据此,就可计算出定时器定时半个周期所需的初值,如下表中所示。4.音调数据表

单片机发出不同频率的方波,人听起来,就是不同的音调。

上表中的频率数值,有些过多,去掉不常用的黑键频率,只是把白键对应的数据存放在单片机中,即可满足绝大部分的应用需求。

定义音调数据表的程序如下:

DW 63625, 63833, 64019, 64104, 64260, 64400, 64524 ;低音区:1 2 3 4 5 6 7

DW 64580, 64685, 64778, 64820, 64898, 64968, 65030 ;中音区:1 2 3 4 5 6 7

DW 65058, 65110, 65157, 65178, 65217, 65252, 65283 ;高音区:1 2 3 4 5 6 7

DW 65297 ;超高音:1

把这个数据表,放在程序中,需要播音的时候,就从表中取出一个数据送到定时器,当定时器溢出中断的时候,再对输出引脚取反,那么,在扬声器中,即可听到上表中频率的声音。

单片机的基本发音实验

我们知道,声音的频谱范围约在几十到几千赫兹,若能利用程序来控制单处机某个口线的“高”电平或低电平,则在该口线上就能产生一定频率的矩形波,接上喇叭就能发出一定频率的声音,若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间,就能改变输出频率,从而改变音调。

例如,要产生200HZ的音频信号,按图1接入喇叭(若属临时实验,也可将喇叭直接接在P1口线上),实验程序为:

其中子程序DEL为延时子程序,当R3为1时,延时时间约为20us,R3中存放延时常数,对200HZ音频,其周期为1/200秒,即5ms。这样,当P1.4的高电平或低电平的持续时间为2.5ms,即R3的时间常数取2500/20=125(7DH)时,就能发出200HZ的音调。将上述程序键入学习机,并持续修改R3的常数能感到音调的变化。乐曲中,每一音符对应着确定的频率,表1给出C调时各音符频率及其对应的时间常数。读者能根据表1所供给的常数,将其16进制代码送入R3,反复练习体会。根据表1能奏出音符。仅这还不够,要准确奏出一首曲子,必须准确地控制乐曲节奏,即一音符的持续时间。

音符的节拍我们能用定时器T0来控制,送入不一样的初值,就能产生不一样的定时时间。便如某歌曲的节奏为每分钟94拍,即一拍为0.64秒。其它节拍与时间的对应关系见表2。

但时,由于T0的最大定时时间只能为131毫秒,因此不可能直接用改变T0的时间初值来实现不一样节拍。我们能用T0来产生10毫秒的时间基准,然后设置一个中断计数器,通过判别中断计数器的值来控制节拍时间的长短。表2中也给出了各种节拍所对应的时间常数。例如对1/4拍音符,定时时间为0.16秒,对应的时间常数为16(即10H);对3拍音符,定时时间为1.92秒,对应时间长数为192(即C0H)。

我们将每一音符的时间常数和其对应的节拍常数作为一组,按次序将乐曲中的所有常数排列成一个表,然后由查表程序依次取出,产生音符并控制节奏,就能实现演奏效果。此外,结束符和体止符能分别用代码00H和FFH来表示,若查表结果为00H,则表示曲子终了;若查表结果为FFH,则产生对应的停顿效果。为了产生手弹的节奏感,在某些音符(例如两个相同音符)音插入一个时间单位的频率略有不一样的音符。

下面给出程序序清单,可直接在TD-III型学习机上演奏,对其它不一样型号的学习机,只需对应地改变一下地址即可。本程序演奏的是民歌“八月桂花遍地开”,C调,节奏为94拍/分。读者也能自行找出一首歌,按表1和表2给定的常数,将乐曲翻译成码表输入机器,而程序不变。本实验办法简便,即使不懂音乐的人,将一首陌生的曲子翻译成代码也是易事,和着机器的演奏学唱一首歌曲,其趣味无穷。

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