單片機播放音樂的基本知識及設計原理解析
時間：2018-07-26 來源：未知
單片機播放音樂的基本知識及設計原理解析，使用單片機播放音樂或播放電子琴，實際上，根據特定的頻率輸出一系列方波。為了輸出適當的方波，我們首先要知道音符和頻率之間的關系。
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、中音和高音三個區域，每個區域都有12個琴鍵。其中的白鍵，簡譜音符標為1、2、3、4、5、6、7，大家一般都讀成哆、來、咪、發、嗦、拉、西。
2.頻率
注意看一下幾個6(拉)的頻率，它們是整數，容易看出規律――是成2倍的關系。其它的音符，也有同樣的規律。這些頻率，如220、440等，它們在琴鍵上的位置是世界統一的，無論是鋼琴、手風琴，還是電子琴，都是一樣的。
包括黑鍵和白鍵在內的全部音符的頻率數值，是成“等比數列”的關系，它們之間有個公比，可以按照“2倍”的規律推算出來。
已知最低音的6(拉)的頻率是220，設公比為q，那么：7的頻率就是220*q*q 。
乘了兩個q，是因為6、7之間隔了個黑鍵。以此類推，兩個6之間，共有12個琴鍵，所以：
低音區的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。
用這個公比，和已知的220進行計算，可以得出全部琴鍵所對應的頻率，如下表中所示。
3.定時初值
頻率的倒數是周期，用單片機輸出方波，應該在半個周期的時刻，將輸出取反。
設單片機的晶振為12MHz，那么定時器將在1us進行一次加一，加到65536就會出現中斷。據此，就可計算出定時器定時半個周期所需的初值，如下表中所示。4.音調數據表
單片機發出不同頻率的方波，人聽起來，就是不同的音調。
上表中的頻率數值，有些過多，去掉不常用的黑鍵頻率，只是把白鍵對應的數據存放在單片機中，即可滿足絕大部分的應用需求。
定義音調數據表的程序如下：
DW 63625, 63833, 64019, 64104, 64260, 64400, 64524 ;低音區:1 2 3 4 5 6 7
DW 64580, 64685, 64778, 64820, 64898, 64968, 65030 ;中音區:1 2 3 4 5 6 7
DW 65058, 65110, 65157, 65178, 65217, 65252, 65283 ;高音區:1 2 3 4 5 6 7
DW 65297 ;超高音:1
把這個數據表，放在程序中，需要播音的時候，就從表中取出一個數據送到定時器，當定時器溢出中斷的時候，再對輸出引腳取反，那么，在揚聲器中，即可聽到上表中頻率的聲音。
單片機的基本發音實驗
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某個口線的“高”電平或低電平，則在該口線上就能產生一定頻率的矩形波，接上喇叭就能發出一定頻率的聲音，若再利用延時程序控制“高”“低”電平的持續時間，就能改變輸出頻率，從而改變音調。
例如，要產生200HZ的音頻信號，按圖1接入喇叭(若屬臨時實驗，也可將喇叭直接接在P1口線上)，實驗程序為：
其中子程序DEL為延時子程序，當R3為1時，延時時間約為20us，R3中存放延時常數，對200HZ音頻，其周期為1/200秒，即5ms。這樣，當P1.4的高電平或低電平的持續時間為2.5ms，即R3的時間常數取2500/20=125(7DH)時，就能發出200HZ的音調。將上述程序鍵入學習機，并持續修改R3的常數能感到音調的變化。樂曲中，每一音符對應著確定的頻率，表1給出C調時各音符頻率及其對應的時間常數。讀者能根據表1所供給的常數，將其16進制代碼送入R3，反復練習體會。根據表1能奏出音符。僅這還不夠，要準確奏出一首曲子，必須準確地控制樂曲節奏，即一音符的持續時間。
音符的節拍我們能用定時器T0來控制，送入不一樣的初值，就能產生不一樣的定時時間。便如某歌曲的節奏為每分鐘94拍，即一拍為0.64秒。其它節拍與時間的對應關系見表2。
但時，由于T0的最大定時時間只能為131毫秒，因此不可能直接用改變T0的時間初值來實現不一樣節拍。我們能用T0來產生10毫秒的時間基準，然后設置一個中斷計數器，通過判別中斷計數器的值來控制節拍時間的長短。表2中也給出了各種節拍所對應的時間常數。例如對1/4拍音符，定時時間為0.16秒，對應的時間常數為16(即10H);對3拍音符，定時時間為1.92秒，對應時間長數為192(即C0H)。
我們將每一音符的時間常數和其對應的節拍常數作為一組，按次序將樂曲中的所有常數排列成一個表，然后由查表程序依次取出，產生音符并控制節奏，就能實現演奏效果。此外，結束符和體止符能分別用代碼00H和FFH來表示，若查表結果為00H，則表示曲子終了;若查表結果為FFH，則產生對應的停頓效果。為了產生手彈的節奏感，在某些音符(例如兩個相同音符)音插入一個時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型學習機上演奏，對其它不一樣型號的學習機，只需對應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，節奏為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，將樂曲翻譯成碼表輸入機器，而程序不變。本實驗辦法簡便，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，和著機器的演奏學唱一首歌曲，其趣味無窮。
