音乐发生器的设计与实现

实验课程名称：监测控制系统应用实验五
实验项目名称：音乐发生器的设计与实现实验成绩：实验者：专业班级：电信130 班同组者：实验日期：周四3~4节课一．实验内容
掌握单片机片内定时器应用设计技巧，会确定定时器的时间常数，能够进行定时器的初始化编程。

掌握利用微处理器设计音乐发生器的方法
二．探究内容
1.利用定时器产生特定的频率信号，设计一个音乐发生器，可以循环播放音乐，候选乐曲3首。

2.用按键选择播放哪一首音乐。

有音乐播放的启停键。

3.用8个LED灯随节拍闪烁（选做）
4．扩展内容（选做），用7个按键分别产生音阶1、2、3、4、5、6、7，按一下键，即产生一个节拍的相应音符，也就是设计电子琴。

三．实验设计：
1.设计要求
具体任务：
（1）设计一个音乐发生器，候选音乐有三种，K1可启动停止音乐，K2用于选择音乐段；
（2）用proteous仿真电路，保证设计的正确性；
（3）基于开发板完成实物制作。

2. 探究内容：
（1）如何利用音阶计算定时器的时间常数？
（2）音乐声音的洪亮稳定如何保证？
（3）节拍如何实现？
三、实验设计：
1.设计音乐发生器的基本任务的基本任务：
（1）研究产生音阶1、2、3、4、5、6、7的方法，计算7个音阶对应的时间常数 （2）设计产生单首乐曲循环的软件，调试后下载到开发板
（3） 设计产生3首乐曲的音乐发生器，用按键选择循环的单曲，调试后下载到开发板，
运行。

2.相关知识介绍
2.3 音阶对应频率计数初值的计算
单片机的振荡频率为f osc ＝12MHz ，通过定时器T0溢出后对P3.0口取反产生方波，故定时器溢出时间为1/2f 。

由：n
osc n f f X ⨯=
⨯-21
12)2(16 ， 则定时初值为：16224osc n n f X f =- 以音阶“1”为例：f ＝523 Hz ，则T ＝1/f
定时初值：616
16
12102264580442424523
osc n n f X FC H
f ⨯=-=-==⨯
用同一方法可求出其它音阶所对应的频率定时初值，将其制表放在程序中，通过查表向定时器T0装入所要求的定时初值，即可产生某一音阶所对应的频率的方波信号。

C 调的音阶及其频率、在单片机中的定时初值对应如下：
四．原理图
1.音乐播放器原理图
因为开发板上面的蜂鸣器为无源蜂鸣器，所以设计时要适应开发板的情况进行设计。

K1、K2按键用来进行上一曲和下一曲的选择，K3为暂停/开始按键，P2.0接蜂鸣器，P1口接LED灯，用LED灯显示节拍。

2.电子琴原理图
上面七个键按下分别发出哆嘞咪发嗦啦嘻的音，第八个按键选择音调的高低。

最下面的按键用来控制使用和暂停。

五．实验结果
音乐播放器仿真和实物都能正常的播放音乐，并且能够实现上一曲、下一曲的选择，并且有暂停和播放的功能，电子琴也能够正常发音，可以演奏音乐。

六、结果分析及总结
（1）如何利用音阶计算定时器的时间常数？
单片机的振荡频率为f osc ＝12MHz ，通过定时器T0溢出后对P3.0口取反产生方波，故定时器溢出时间为1/2f 。

由：n
osc n f f X ⨯=
⨯-21
12)2(16 ， 则定时初值为：16224osc n n f X f =- 以音阶“1”为例：f ＝523 Hz ，则T ＝1/f
定时初值：616
16
12102264580442424523
osc n n f X FC H f ⨯=-=-==⨯
用同一方法可求出其它音阶所对应的频率定时初值，将其制表放在程序中，通过查表向
定时器T0装入所要求的定时初值，即可产生某一音阶所对应的频率的方波信号。

（2）节拍如何实现？
取乐曲节拍的长度为0.4s ，即1拍＝0.4s ，由定时器T1控制延时。

设置定时器T1的定时中断T ＝50ms ，采用定时方式1。

由：T f X osc
=⨯-12
)2(16，则定时初值X ＝3C0BH
因此1拍＝0.4s ＝8*50ms ，即通过定时器T1的定时中断8次，产生8*50ms 的定时，就可以满足1节拍的定时要求。

以此类推，通过定时中断N 次，可产生N*50ms 的定时以满足1/4拍、1/2拍、1拍、2拍等不同节拍的定时要求。

由此可知，节拍值只能是整数值。

（3）音乐声音的洪亮稳定如何保证？
这里的“源”不是指电源。

而是指震荡源。

也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫。

而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。

必须用2K~5K的方波去驱动它。

此次设计初，由于没意识到蜂鸣器驱动分为有源驱动和无源驱动，在使用网上的乐谱和相应的函数设计音乐播放器时，不能正确产生音乐，后来查资料才发现有无源和有源之分，有源和无源蜂鸣器的发声原理不同，故其乐谱会有所不同。

乐谱可以放在一个乐谱表中，通过查表来实现音乐的播放，要想循环播放一首歌，可以加一句查询语句，因为一条语句的执行时间非常短，对乐曲的演奏没有影响，在判断乐曲播放完后，继续回到乐曲开始，便可实现循环播放。

附录：
音乐播放器程序
#include<reg52.h>
/*------------------------------------------------
硬件端口定义
------------------------------------------------*/
sbit SPK=P2^0; //定义音乐输出端口
sbit key1=P3^2; //定义按键用于暂停
sbit key2=P3^3; //定义按键用于切换
unsigned char W=0,T;//用于选择音乐
unsigned char Timer0_H,Timer0_L,Time;
void delay5ms(void) //误差0us
{
unsigned char a,b;
for(b=185;b>0;b--)
for(a=12;a>0;a--);
}
void delay500ms(void) //误差0us
{
unsigned char a,b,c;
for(c=205;c>0;c--)
for(b=116;b>0;b--)
for(a=9;a>0;a--);
}
//世上只有妈妈好数据表音谱,高中低音,音长
code unsigned char MUSIC[102]={
6,2,3, 5,2,1, 3,2,2, 5,2,2, 1,3,2, 6,2,1, 5,2,1,
6,2,4, 3,2,2, 5,2,1, 6,2,1, 5,2,2, 3,2,2, 1,2,1,
6,1,1, 5,2,1, 3,2,1, 2,2,4, 2,2,3, 3,2,1, 5,2,2,
5,2,1, 6,2,1, 3,2,2, 2,2,2, 1,2,4, 5,2,3, 3,2,1,
2,2,1, 1,2,1, 6,1,1, 1,2,1, 5,1,6, 0,0,0 };
//送别数据表音谱,高中低音,音长
code unsigned char MUSIC1[174]={
5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,4,6,2,2,1,3,2,5,2,4, 5,2,2,1,2,1,2,2,1,3,2,2,2,2,1,1,2,1, 2,2,8, 5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,3,7,2,1, 6,2,2,1,3,2, 5,2,4, 5,2,2, 2,2,1,3,2,1,4,2,3,7,1,1, 1,2,8,
6,2,2,1,3,2,1,3,4, 7,2,2,6,2,1,7,2,1,1,3,4, 6,2,1,7,2,1,1,3,1,6,2,1,6,2,1,5,2,1, 3,2,1, 1,2,1, 2,2,8, 5,2,2,3,2,1,5,2,1,1,3,3,7,2,1,
6,2,2,1,3,2,5,2,4, 5,2,2,2,2,1,3,2,1,4,2,3, 7,1,1, 1,2,8 };
//新年好数据表音谱,高中低音,音长
code unsigned char MUSIC2[90]={
1,2,1,1,2,1,1,2,2,5,1,2,
3,2,1,3,2,1,3,2,2,1,2,2,
1,2,1,3,2,1,5,2,2,5,2,2,
4,2,1,3,2,1,2,2,4, 2,2,1,
3,2,1,4,2,2,4,2,2, 3,2,1,
2,2,1,3,2,2,1,2,2, 1,2,1,
3,2,1,2,2,2,5,1,2, 7,1,1,
2,2,1,1,2,4 };
//童年数据表音谱,高中低音,音长
code unsigned char MUSIC3[423]={
5,1,1,5,1,1,3,1,1,5,1,2,3,1,1,5,1,2, 6,1,1, 6,1,1,1,2,1,6,1,2,6,1,1,1,2,2, 2,2,1,2,2,1,
3,2,1,2,2,2,5,1,1,6,1,1,5,1,1, 1,2,1,1,2,1, 5,1,1,1,2,1,1,2,1,1,2,2,1,2,1, 1,2,1,5,1,2, 1,2,1,6,1,1,5,1,1,3,1,1,2,1,1, 1,1,2,3,1,1, 5,1,1,5,1,2,5,1,1,3,1,1, 6,1,1,6,1,1,1,2,1, 6,1,1,6,1,1,6,1,1,6,1,1,5,1,1, 1,2,2,1,2,1, 1,2,1,1,2,1,6,1,1,1,2,1,6,1,1, 5,1,2,0,2,1, 3,1,1,6,1,1,1,2,1,6,1,1,5,1,1, 3,1,1,2,1,1, 3,1,1,5,1,1,5,1,2,5,1,1,3,1,1, 6,1,1,6,1,1, 1,2,1,6,1,1,6,1,1,6,1,1,6,1,1,5,1,1, 1,2,2, 1,2,1,1,2,1,1,2,1,6,1,1,6,1,1,1,2,1, 2,2,2, 0,2,1,5,1,1,2,2,1,5,2,1,2,2,2, 5,2,1,5,2,2, 5,2,1,5,2,1,5,2,1,3,2,1,2,2,1, 1,2,1,1,2,2, 6,1,1,6,1,1,1,2,1,6,1,1,1,2,1, 2,2,1, 2,2,1, 2,2,1,2,2,1,2,2,1,1,2,1,3,2,1,2,2,1, 2,2,8, 3,2,1,3,2,2,3,2,1,3,2,2,2,2,2, 1,2,1,1,2,2, 1,2,1,2,2,1,1,2,1,6,1,1,5,1,1, 5,1,1,5,1,2, 5,1,1,6,1,1,5,1,1,2,2,1,3,2,1, 1,2,8, 1,2,1, 5,1,2,1,2,1,6,1,1,5,1,1,3,1,1,2,1,1, 1,2,6, 0,2,2 };
// 音阶频率表高八位
code unsigned char FREQH[]={
0xF2,0xF3,0xF5,0xF5,0xF6,0xF7,0xF8, 0xF9,0xF9,0xFA,0xFA,0xFB,0xFB,0xFC,
0xFC, 0xFC,0xFD,0xFD,0xFD,0xFD,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFF,
} ; //1,2,3,4,5,6,7,8,i
// 音阶频率表低八位
code unsigned char FREQL[]={
0x42,0xC1,0x17,0xB6,0xD0,0xD1,0xB6,0x21,0xE1,0x8C,0xD8,0x68,0xE9,0x5B,
0x8F,0xEE,0x44,0x6B,0xB4,0xF4,0x2D,0x47,0x77,0xA2,0xB6,0xDA,0xFA,0x16,
};//1,2,3,4,5,6,7,8,i
/*------------------------------------------------
uS延时函数，含有输入参数unsigned char t，无返回值
unsigned char 是定义无符号字符变量，其值的范围是
0~255 这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编,大致延时
长度如下T=tx2+5 uS
------------------------------------------------*/
void DelayUs2x(unsigned char t)
{
while(--t);
/*------------------------------------------------
mS延时函数，含有输入参数unsigned char t，无返回值unsigned char 是定义无符号字符变量，其值的范围是
0~255 这里使用晶振12M，精确延时请使用汇编
------------------------------------------------*/
void DelayMs(unsigned char t)
{
while(t--)
{
//大致延时1mS
DelayUs2x(245);
DelayUs2x(245);
}
}
/*------------------------------------------------
节拍延时函数
各调1/4节拍时间：
调4/4 125ms
调2/4 250ms
调3/4 187ms
------------------------------------------------*/
void delay(unsigned char t)
{
unsigned char i;
for(i=0;i<t;i++)
DelayMs(250);
TR0=0;
}
/*------------------------------------------------
定时器0中断
------------------------------------------------*/
void TIM0_ISR() interrupt 1
{
TR0=0;
SPK=!SPK;
TH0=Timer0_H;
TL0=Timer0_L;
TR0=1;
}
/*------------------------------------------------
歌曲处理函数
------------------------------------------------*/
void Song()
TH0=Timer0_H;//赋值定时器时间，决定频率
TL0=Timer0_L;
TR0=1; //打开定时器
delay(Time); //延时所需要的节拍
}
/*------------------------------------------------
主函数
------------------------------------------------*/
void led(unsigned char a);
void main(void)
{
unsigned int i;
unsigned char k;
TMOD|=0x01; //置定时器0工作方式1
EA=1; //打开全局中断
ET0=1; //打开定时器0 中断
EX0=1;//打开外部中断0 中断
IT0=1;//设置为下降沿中断
EX1=1;//打开外部中断1 中断
IT1=1;//设置为下降沿中断
PX1=1;//设置外部中断1 为高优先级
while(1)
{
//i=0;
if(W==0)
{
T=W;
for(i=0;i<100;i=i+3)
{ //音乐数组长度，唱完从头再来
led(MUSIC[i]);
k=MUSIC[i]+7*MUSIC[i+1]-1;//去音符振荡频率所需数据
Timer0_H=FREQH[k];
Timer0_L=FREQL[k];
Time=MUSIC[i+2]; //节拍时长
// i=i+3;
Song();
if(T!=W)
break;
}
}
if(W==1)
{
T=W;
for(i=0;i<174;i=i+3)
{ //音乐数组长度，唱完从头再来
led(MUSIC1[i]);
k=MUSIC1[i]+7*MUSIC1[i+1]-1;//去音符振荡频率所需数据
Timer0_H=FREQH[k];
Timer0_L=FREQL[k];
Time=MUSIC1[i+2]; //节拍时长
// i=i+3;
Song();
if(T!=W)
break;
}
}
if(W==2)
{
T=W;
for(i=0;i<90;i=i+3)
{ //音乐数组长度，唱完从头再来
led(MUSIC2[i]);
k=MUSIC2[i]+7*MUSIC2[i+1]-1;//去音符振荡频率所需数据
Timer0_H=FREQH[k];
Timer0_L=FREQL[k];
Time=MUSIC2[i+2]; //节拍时长
// i=i+3;
Song();
if(T!=W)
break;
}
}
if(W==3)
{
T=W;
for(i=0;i<423;i=i+3)
{ //音乐数组长度，唱完从头再来
led(MUSIC3[i]);
k=MUSIC3[i]+7*MUSIC3[i+1]-1;//去音符振荡频率所需数据
Timer0_H=FREQH[k];
Timer0_L=FREQL[k];
Time=MUSIC3[i+2]; //节拍时长
// i=i+3;
Song();
if(T!=W)
break;
}
}
}
}
// 频谱函数
void led(unsigned char a)
{
switch(a)
{
case 0:P1=0xff;break;
case 1:P1=0x7f;break;
case 2:P1=0x7e;break;
case 3:P1=0x7c;break;
case 4:P1=0x78;break;
case 5:P1=0x70;break;
case 6:P1=0x60;break;
case 7:P1=0x40;break;
case 8:P1=0x00;break;
}
}
//外部中断0 中断服务程序用于暂停
void zhongduan0() interrupt 0
{
delay5ms();//按键去抖
if(!key1)
{
while(!key1);//松手检测
while(key1&&T==W);//检测按键是否按下
delay5ms();//按键去抖
while(key1&&T==W);//检测按键是否按下
while(!key1&&T==W);//松手检测
}
}
//外部中断1 中断服务程序
void zhongduan1() interrupt 2
{
delay5ms();//按键去抖
if(!key2)
{
if(W==3)
W=0;
else
W++;
while(!key2);//松手检测
delay500ms();
}
}
电子琴程序
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
//*******子函数声明*************//
void Run();
void PlayKey();
void KeyScan();
void KeyScan1();
//********手动弹奏按键定义****************// sbit Beep=P1^0;
sbit key1=P2^0;
sbit key2=P2^1;
sbit key3=P2^2;
sbit key4=P2^3;
sbit key5=P2^4;
sbit key6=P2^5;
sbit key7=P2^6;
sbit key8=P2^7;//*******播放模式下按键定义***********//
sbit s3=P3^5;//暂停/播放键
uchar Th0,Tl0;
uchar key=0;//按键代号
uchar yinfu,jiepai,i,j,m;
uchar gaodi=0;
uchar flag=0;//暂停、开始
uchar num;//全局变量
uchar s1num;//暂停/播放键按下的次数
//歌曲音符
/*uchar code MusicCode[]={0xfc,0x0b,0xfc,0x43,0xfc,0xab,0xfd,0x08,0xfd,
0x33,0xfd,0x81,0xfd,0xc7,0xfe,0x05,0xfe,0x21,0xfb,0x8f,0xfb,0x03};*/
uchar code MusicCode[]={0xfc,0x44,0xfc,0xac,0xfd,0x09,0xfd,0x34,0xfd,0x82,
0xfd,0xc8,0xfe,0x06,0xfb,0x04,0xfb,0x90,0xfc,0x0c,0xfe,0x22,0xf9,0x5b,0xfa,0x15}; //按键音符
uchar code KeyCode[]={
0xf8,0x8b,0xf9,0x5b,0xfa,0x14,0xfa,0x66,0xfb,0x03,0xfb,0x8f,0xfc,0x0b,
/*低音*/
0xfc,0x43,0xfc,0xab,0xfd,0x08,0xfd,0x33,0xfd,0x81,0xfd,0xc7,0xfe,0x05,
/*中音*/
0xfe,0x21,0xfe,0x55,0xfe,0x84,0xfe,0x99,0xfe,0xc0,0xfe,0xe3,0xff,0x02
/*高音*/};
//**********使能中断*************************//
void interrupt0() interrupt 0 //外部终端0
{
flag=~flag;
}
//************曲目选择外部中断**********************//
void interrupt1() interrupt 2//外部终端1
{
flag1=1;
}
//********延时子程序*******************//
void delay_1ms(uint i)
{
uint k,x;
for(x=0;x<i;x++)
{
for(k=0;k<110;k++);
}
}
//*******手动弹奏按键扫描子程序***********************// void KeyScan()
{
if(key8==0)//如果P2.2=0
{
delay_1ms(5);
if(key8==0)
{
//while(!key8)
gaodi++;
if(gaodi>2)
{
gaodi=0;
}
}
}
else if(key1==0)
{
delay_1ms(5);
if(key1==0)
while(!key1);
key=1;
}
else if(key2==0)
{
delay_1ms(5);
if(key2==0)
while(!key2);
key=2;
}
else if(key3==0)
{
delay_1ms(5);
if(key3==0)
while(!key3);
key=3;
}
else if(key4==0)
delay_1ms(5);
if(key4==0)
while(!key4);
key=4;
}
else if(key5==0)
{
delay_1ms(5);
if(key5==0)
while(!key5);
key=5;
}
else if(key6==0)
{
delay_1ms(5);
if(key6==0)
while(!key6);
key=6;
}
else if(key7==0)
{
delay_1ms(5);
if(key7==0)
while(!key7);
key=7;
}
else
return;
}
//**********手动弹奏按键发声子程序**************// void PlayKey()
{
if(key==0)
return;
else
{
Th0=KeyCode[gaodi*14+key*2];
Tl0=KeyCode[gaodi*14+key*2+1];
TR0=1;
delay_1ms(187);
TR0=0;
key=0;
}
//***********音乐发生定时中断************************// void time0()interrupt 1//定时器0中断
{
TH0=Th0;
TL0=Tl0;
Beep=~Beep;
}
//********暂停/播放按键扫描子程序***************//
void KeyScan1()
{
if(s3==0)
{
delay_1ms(5);
if(s3==0)
{
s1num++;
while(!s3);
if(s1num==1)
{
EA=0;
TR0=0;
}
if(s1num==2)
{
s1num=0;
EA=1;
TR0=1;
}
}
}
else
TR0=1;
}
void Run()//功能程序
{
if(flag==1)
while(1);
}
else
{
KeyScan();
PlayKey();
}
}
//********主程序*********//
void main()
{
key1=1;
key2=1;
key3=1;
key4=1;
key5=1;
key6=1;
key7=1;
key8=1;
TMOD=0x01;
EA=1;//开放总中断
ET0=1;//T0中断允许
TR0=0;//关闭定时器0
IT0=1;//置外部中断为边沿(下降沿)触发方式EX0=1;//开放外部中断0允许位
EX1=1;
IT1=1;
init();
while(1)
{
Run();
}
}。