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基于Arduino的电子音乐发声器的设计方案
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2017-12-06
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摘要：Arduino 是一块基于开放原始代码的Simple I/O平台，具有使用简单，功能多样，价格低廉等优点，广泛应用于电子系统设计和互动产品开发方面。系统以ArduinoUNO开发平台为控制核心，充分利用其内部Tone 库，以数组形式组织乐曲的音高和节拍数据，通过串口和外围无源蜂鸣器进行通信，实现了电子音乐播放，随音乐节拍亮灭的LED为设计添加了温馨感。本系统成本低廉，可靠性高，可实现乐曲DIY，有良好的扩展性。
引言
Arduino是一个基于开放原始代码的Simple I/O平台，由硬件（MCU及外围电路）和软件（编程接口和语言）两部分组成。它基于单片机系统开发，具有使用简单，功能多样，价格低廉等优点，广泛应用于电子系统设计和互动产品开发方面。目前市场所见电子音乐发声器调节不便，价格较高，不能很好地实现和使用者的交互。本电子音乐发声器的设计以ArduinoUNO板为控制核心，在相关乐理基础知识上，充分利用Arduino编辑器自带Tone扩展库，以数组形式输出各音符的指定频率和节拍，送到无源蜂鸣器和彩色LED，实现了音乐播放和随音乐节奏亮灭的LED效果。在操作方面，可以通过简单修改数组数据（音高和节拍）实现电子音乐的DIY，在欣赏美妙音乐的同时，充分发挥使用者的创造性。
1 系统硬件设计
本发声器以ArduinoUNO为控制核心，外部电路包括控制电路、蜂鸣器电路、LED显示节奏电路，系统硬件电路图如图1所示。开关S1对整个电路起控制作用，当检测到开关按下，即D3端口为高电平时，电路开始工作。预先组织好的音符数据（音高和节拍）通过数字端口D8发送到5V无源蜂鸣器J1，无源蜂鸣器接收到特定频率的（即特定的音高）方波去驱动它，可以发出“Do Re Mi Fa Sol La Si”的音乐效果。各数据加上延时（即节拍数据）即可实现乐曲的播放。无源蜂鸣器的优点是声音频率可控，可以和LED复用一个控制口。所以，D8端口的数据同时加到LED1、LED2、LED3上时，其节奏性的亮灭实现了节拍的显示。
2 软件设计
2.1 乐曲播放原理
2.1.1 单音符的演奏原理
一首乐曲由若干音符组成。从物理的角度来说，每一个音符唯一对应一个发声频率。Arduino只要把这个频率数据发送给蜂鸣器或喇叭，就会发出对应的音符。Arduino IDE自带的头文件“pitches.h”中以宏定义的形式给出了各个音符和频率的对应关系表。例如“#define NOTE_C4 262”语句给出了钢琴标准键盘小字一组C4（唱名为Do）按键对应的频率是262Hz。因此，只要能够识别给定的乐谱，就能得到一组对应该乐曲的频率数据，即制作出其数组形式的韵律函数。
2.1.2 节拍
除了音高，构成旋律的另一个重要因素是节拍，即音符演奏的持续时间。它决定了音乐进行的快慢程度。本发声器的设计中，通过读取旋律的节拍速度，来确定基本的延时单位。如二分音符为一拍，每拍延时1/2秒，则四分音符延时1/4秒，八分音符延时为1/8秒，均为基本延时的偶数倍。最终，采用了noteDurations［thisNote］数组来存放每个音符的节拍数据。在应用过程中，我们也可以通过调节基本延时来调节乐曲速度。频率数据按照节拍数据的延时来驱动蜂鸣器，就实现了一首乐曲的播放。
2.2 乐曲播放的软件实现
ArduinoIDE包含的Tone库可以很方便地帮助用户制作音乐。本设计主要采用了Tone（pin， frequency， duration）函数来产生电子音乐。此函数中，pin表示频率数据的数字输出接口，int型;frequency是音符频率，int型;duration是节拍数据，单位是毫秒，unsigned long型。只要把上述频率和节拍数据连续赋值给Tone函数，就可以实现乐曲的播放，系统软件实现的程序流程图见图2。
Arduino语言是以setup（ ）开头，loop（ ）作为主体的一个程序构架。本发声器的软件实现过程中， loop（ ）函数内部包含了控制按键判断函数，乐曲播放函数和延时函数。其中，乐曲播放函数play（ ）是发声器软件实现的核心语句，函数内所有语句周而复始地循环执行。下面以《生日快乐歌》（简谱见图3）的第一小节为例，给出了play（ ）函数的实现过程。
引言
Arduino是一个基于开放原始代码的Simple I/O平台，由硬件（MCU及外围电路）和软件（编程接口和语言）两部分组成。它基于单片机系统开发，具有使用简单，功能多样，价格低廉等优点，广泛应用于电子系统设计和互动产品开发方面。目前市场所见电子音乐发声器调节不便，价格较高，不能很好地实现和使用者的交互。本电子音乐发声器的设计以ArduinoUNO板为控制核心，在相关乐理基础知识上，充分利用Arduino编辑器自带Tone扩展库，以数组形式输出各音符的指定频率和节拍，送到无源蜂鸣器和彩色LED，实现了音乐播放和随音乐节奏亮灭的LED效果。在操作方面，可以通过简单修改数组数据（音高和节拍）实现电子音乐的DIY，在欣赏美妙音乐的同时，充分发挥使用者的创造性。
1 系统硬件设计
本发声器以ArduinoUNO为控制核心，外部电路包括控制电路、蜂鸣器电路、LED显示节奏电路，系统硬件电路图如图1所示。开关S1对整个电路起控制作用，当检测到开关按下，即D3端口为高电平时，电路开始工作。预先组织好的音符数据（音高和节拍）通过数字端口D8发送到5V无源蜂鸣器J1，无源蜂鸣器接收到特定频率的（即特定的音高）方波去驱动它，可以发出“Do Re Mi Fa Sol La Si”的音乐效果。各数据加上延时（即节拍数据）即可实现乐曲的播放。无源蜂鸣器的优点是声音频率可控，可以和LED复用一个控制口。所以，D8端口的数据同时加到LED1、LED2、LED3上时，其节奏性的亮灭实现了节拍的显示。
2 软件设计
2.1 乐曲播放原理
2.1.1 单音符的演奏原理
一首乐曲由若干音符组成。从物理的角度来说，每一个音符唯一对应一个发声频率。Arduino只要把这个频率数据发送给蜂鸣器或喇叭，就会发出对应的音符。Arduino IDE自带的头文件“pitches.h”中以宏定义的形式给出了各个音符和频率的对应关系表。例如“#define NOTE_C4 262”语句给出了钢琴标准键盘小字一组C4（唱名为Do）按键对应的频率是262Hz。因此，只要能够识别给定的乐谱，就能得到一组对应该乐曲的频率数据，即制作出其数组形式的韵律函数。
2.1.2 节拍
除了音高，构成旋律的另一个重要因素是节拍，即音符演奏的持续时间。它决定了音乐进行的快慢程度。本发声器的设计中，通过读取旋律的节拍速度，来确定基本的延时单位。如二分音符为一拍，每拍延时1/2秒，则四分音符延时1/4秒，八分音符延时为1/8秒，均为基本延时的偶数倍。最终，采用了noteDurations［thisNote］数组来存放每个音符的节拍数据。在应用过程中，我们也可以通过调节基本延时来调节乐曲速度。频率数据按照节拍数据的延时来驱动蜂鸣器，就实现了一首乐曲的播放。
2.2 乐曲播放的软件实现
ArduinoIDE包含的Tone库可以很方便地帮助用户制作音乐。本设计主要采用了Tone（pin， frequency， duration）函数来产生电子音乐。此函数中，pin表示频率数据的数字输出接口，int型;frequency是音符频率，int型;duration是节拍数据，单位是毫秒，unsigned long型。只要把上述频率和节拍数据连续赋值给Tone函数，就可以实现乐曲的播放，系统软件实现的程序流程图见图2。
Arduino语言是以setup（ ）开头，loop（ ）作为主体的一个程序构架。本发声器的软件实现过程中， loop（ ）函数内部包含了控制按键判断函数，乐曲播放函数和延时函数。其中，乐曲播放函数play（ ）是发声器软件实现的核心语句，函数内所有语句周而复始地循环执行。下面以《生日快乐歌》（简谱见图3）的第一小节为例，给出了play（ ）函数的实现过程。
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