基于51单片机的节奏训练器的设计

基于51单片机的节奏训练器的设计
摘要针对现在主流节奏训练器训练时发出节奏声这一问题，使用单片机技术，设计出基于AT89C52型单片机的便携、智能音乐节奏训练器。

该训练器携带更加方便，能提高学习兴趣和学习效率。

关键词单片机；节奏训练器；信号处理
中图分类号：TP317 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）04-0030-03
现在主流的节奏训练器是电脑软件式和机械式的，功能是发出特定节奏的声音，让练习者跟随[1-2]。

由于有节奏声发出，会对练习者产生提示，不能独立地练习，比较适合初期练习。

本文探索利用51单片机来实现一款具有如下功能的节奏训练器：可以预先设定一个要练习的节奏，如一秒一拍；采集练习者的击掌，并判断击掌是否符合预先设定的节奏。

这款节奏训练器比主流的节奏训练器更具便携性，并且能够让练习者在没有任何提示的情况下独自练习，对目前主流的节奏训练器在节奏训练上的弱点具有很强的针对性，学习效率高。

1 硬件部分设计
1.1 模块规划及系统框图
训练器的详细功能设定是：内置不同训练速度，可预先设定训练速度，开始训练后采集训练时的击掌声并将信号送单片机，由单片机处理并判断击掌速度是否符合预先设定速度，然后给出符合与否的显示。

依据功能需求，系统框图设计包括：信号处理模块，能量转换，放大，比较；单片机；输入模块；输出模块[3]。

系统框图如图1所示。

图1 系统框图
1.2 电路设计
1.2.1 信号处理模块
信号处理部分是整个训练器的重要组成部分，是训练器系统中采集信号并且判断信号有效性的模块，然后将实际有效的信号提供给单片机，具体实现了包括能量之间的转换，信号的放大，信号判断并接入数字电路。

电路图如图2所示。

图2 信号处理模块
如何将击掌声引入电路，是信号处理的第一步。

驻极体拾音器可以实现声音信号对电信号的转换，其原理也是训练器实现声音采集的理论基础。

原理示意图如图3所示。

图3 驻极体拾音器原理示意图
驻极体是一种在充电后能长久保持电极化状态的电介质，这种电介质一般是高分子聚合物。

如图3所示，充电的驻极体弹性薄膜与金属铜板之间形成了一个空气介质电容，并有电场E=Q/C（Q为电容充电电荷，C为电容量）；当声
波作用在驻极体弹性薄膜上时，引起薄膜的振动，薄膜振动时产生的形变促使电容发生了变化△C，根据驻极体长久保持电极化状态的特性，Q是不变的，因此产生了与声波变化对应的变容电压信号△E=Q/△C。

经过在半自由声场室中的测试，对于一般的击掌声，得出距离声源1 m处的声压级范围为60dB～70dB；结合训练实际，在声源1 m范围内的击掌声声压级实际应≥60dB。

根据实验数据，本设计采用EM-B9760UL型驻极体电容拾音器。

其最大环境噪声为36dB；灵敏度级为-50dB±3dB
（0dB=1V/Pa，1KHz），则灵敏度M≈3.16mV/Pa；信噪比为56dB（最小），则固有噪声Vn<5?V；单指向性拾音器，在94dB，1000Hz标准点声源下，距点声源1 m处，0角度与90度测得声压级偏差不超过5dB，而超过90度有很大的衰减，在实际使用时，能起到一定的噪音屏蔽作用。

由于驻极体与铜板之间电容量非常小，在低频状态输出阻抗很大，这样高的阻抗不能直接与音频放大器相匹配；EM-B9760UL内部集成场效应晶体管，利用其输入阻抗高，输出阻抗低的特性，在电路中起阻抗变换作用[4]。

通过驻极体拾音器转换成的电压信号为毫伏数量级2～20mV，是非常微弱的信号，而比较器的工作电压在伏数量级。

为了使信号强度匹配比较器的正常工作电压范围，确保声音采集的准确性，必须在后端对信号进行放大。

使用J6
型三极管来放大信号，组态为NPN共发射极放大器。

当声音信号变大时，基极电流增大，受基极控制的集电极电流增大，三极管C点电位降低，即三极管导通程度受基极控制。

击掌声对应的电压信号经放大、滤波后是一个迅速衰减的模拟量，单片机还不能直接有效处理，需要使用比较器将信号接入单片机。

比较器还有一个重要功能，是在整个训练器系统中对信号有效性进行判断的唯一环节，对应的实际意义为判断是否击掌且有效。

本设计使用LM393M型双电压比较器的一路比较电路；其消耗电流小，Icc=0.8mA；工作电源电压范围宽；输出与AT89C52兼容，只需接入一个上拉电阻使其电压匹配单片机接口[5]。

比较器的负端通过一个可调电阻接地，用来调节比较器负端的电位（参考电位）。

当没有击掌时，正端电位高于负端电位，输出端为高电平；当有击掌时，信号通过电容C7耦合到三极管基极，经三极管放大，使三极管C点电位降低，此时比较器正端电位低于负端电位，输出端翻转为低电平；比较器的输出端接入了一个LED灯，输出端低电平时会亮灯。

1.2.2 主电路
单片机是训练器系统中判断接入有效信号准确性的模块，即训练者击掌的速度是否符合预先设定速度，并管理输入、输出设备。

主电路图如图4所示。

图4 主电路图
1.3 AT89C52型单片机
训练器系统的实现，需要具备信号识别和逻辑处理能力的器件。

训练器系统以AT89C52型单片机为核心来集成[6]。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATEML公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。

AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用，其良好的硬件配置和灵活的软件编程使训练器的开发成为可能。