引言

Arduino是一個(gè)基于開放原始代碼的Simple I/O平臺(tái)，由硬件(MCU及外圍電路)和軟件(編程接口和語言)兩部分組成。它基于單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡(jiǎn)單，功能多樣，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)方面。目前市場(chǎng)所見電子音樂發(fā)聲器調(diào)節(jié)不便，價(jià)格較高，不能很好地實(shí)現(xiàn)和使用者的交互。本電子音樂發(fā)聲器的設(shè)計(jì)以ArduinoUNO板為控制核心，在相關(guān)樂理基礎(chǔ)知識(shí)上，充分利用Arduino編輯器自帶Tone擴(kuò)展庫，以數(shù)組形式輸出各音符的指定頻率和節(jié)拍，送到無源蜂鳴器和彩色LED，實(shí)現(xiàn)了音樂播放和隨音樂節(jié)奏亮滅的LED效果。在操作方面，可以通過簡(jiǎn)單修改數(shù)組數(shù)據(jù)(音高和節(jié)拍)實(shí)現(xiàn)電子音樂的DIY，在欣賞美妙音樂的同時(shí)，充分發(fā)揮使用者的創(chuàng)造性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本發(fā)聲器以ArduinoUNO為控制核心，外部電路包括控制電路、蜂鳴器電路、LED顯示節(jié)奏電路，系統(tǒng)硬件電路圖如圖1所示。開關(guān)S1對(duì)整個(gè)電路起控制作用，當(dāng)檢測(cè)到開關(guān)按下，即D3端口為高電平時(shí)，電路開始工作。預(yù)先組織好的音符數(shù)據(jù)(音高和節(jié)拍)通過數(shù)字端口D8發(fā)送到5V無源蜂鳴器J1，無源蜂鳴器接收到特定頻率的(即特定的音高)方波去驅(qū)動(dòng)它，可以發(fā)出“Do Re Mi Fa Sol La Si”的音樂效果。各數(shù)據(jù)加上延時(shí)(即節(jié)拍數(shù)據(jù))即可實(shí)現(xiàn)樂曲的播放。無源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是聲音頻率可控，可以和LED復(fù)用一個(gè)控制口。所以，D8端口的數(shù)據(jù)同時(shí)加到LED1、LED2、LED3上時(shí)，其節(jié)奏性的亮滅實(shí)現(xiàn)了節(jié)拍的顯示。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 樂曲播放原理

2.1.1 單音符的演奏原理

一首樂曲由若干音符組成。從物理的角度來說，每一個(gè)音符唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)聲頻率。Arduino只要把這個(gè)頻率數(shù)據(jù)發(fā)送給蜂鳴器或喇叭，就會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)的音符。Arduino IDE自帶的頭文件“pitches.h”中以宏定義的形式給出了各個(gè)音符和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系表。例如“#define NOTE_C4 262”語句給出了鋼琴標(biāo)準(zhǔn)鍵盤小字一組C4(唱名為Do)按鍵對(duì)應(yīng)的頻率是262Hz。因此，只要能夠識(shí)別給定的樂譜，就能得到一組對(duì)應(yīng)該樂曲的頻率數(shù)據(jù)，即制作出其數(shù)組形式的韻律函數(shù)。