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单片机模拟钢琴播放音乐

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本文字数： 2.6k 阅读时长 ≈ 13 分钟

简介

使用单片机的蜂鸣器模拟钢琴声进而播放出完整乐曲，2点要素：1.单片机使用无源蜂鸣器，2.如何识别乐谱，并转化为单片机可识别的信号，无源蜂鸣器可以实现不同频率的音调，而音乐，最重要的是搞懂音调和节拍，音调我们知道就是不同频率的高低→蜂鸣器改变频率，节拍就是时长→单片机的定时器可以实现毫秒级定时。万事俱备，开工。

硬件条件

蜂鸣器是一种将电信号转化为声音信号的器件，常用来产生设备的按键音、报警音等提示音。
按照驱动方式可以分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。
有源蜂鸣器：内部自带震荡源，将正负极接上直流电压即可持续发生，频率固定；
无源蜂鸣器：内部不带震荡源，需要控制器提供震荡脉冲才可发声，调整提供震荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音。
我们想要控制频率来实现歌曲的音调，所以选用的是无源蜂鸣器。

由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的*(但AVR可以驱动小功率蜂鸣器)，所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。

上图是普中51单片机开发板的原理图，J7连接的是芯片的一个I/O口。可以看到，当 J7 端子有一个高电平进来时，PNP 三极管TP1截止，蜂鸣器(BZ1)不得电，当 J7 端子有一个低电平进来时，PNP 三极管TP1 导通，蜂鸣器得电，如果 J7 端子有一个一定频率的脉冲信号（高低电平不断翻转）时，这个无源蜂鸣器发出声音。
硬件基础完毕，接下来是软件编程。

软件条件

想要编程，就得知道音乐是怎么产生的。
首先，我们拿到一张谱子，然后看谱，当我们识别完乐谱后，按照乐谱用手操纵乐器从头到尾按顺序演奏完毕。
所以首先识谱，分辨出音调和节拍。
不过音乐的基本知识就不为难自己了，我是个音乐白痴。。所以我就这么理解了…
隐约记得音乐课上似乎讲过do、re、mi、fa、sol、la、si、do…
OK，百度了下，钢琴键盘与五线谱、简谱音高对照表，本次使用简谱。

钢琴按键音调

从上图看到，最上面一排是钢琴键盘，左边的音名那里，我们看到钢琴键盘上是CDEFGABC，然后小写字母再循环一遍，然后小写字母加上标再循环一遍，分别叫做大字组，小字组，小字一组，小字二组，以此类推，每组分别是7个白键+5个黑键。其中，大写字母C和小写字母c、c1、c2等相差8度，而钢琴的黑键和白键相差半音，乐谱符号“#”代表升音，“b”代表降音。

引用百度的回答：在音乐中，一个音就叫一度，音阶1234567中，1到2就是两度（有大二度，小二度之分），1到3就是三度（大三度、小三度），。。。。1到7就是七度，而从中音1到高音1就是一个八度。 那么我们就可以说高音1比中音1高一个八度。这就是“一个音比另一个音高八度”的意思。

从上图中可以看出，其实就是7个音调，然后按照音量高低被命名为不同组(大字组、小字组…)，加上黑白键相差的高/低半音，一组可以有7+5=12个音调，这12个音调有个人工规律，叫十二平均律，音调对应频率的关系为等比数列，推导如下：

条件1：相隔纯八度的两个音，它们的频率比值是1比2，不是其他的比值
条件2：十二平均律的原理就是将相隔纯八度的两音之间，划分为十二份，每相邻的两个音，其比值要相同，才能称之为平均，注意，是比值，而不是差值
要满足条件1与2，则这个比值只能是2开12次方

我们知道，要做比较必定有基准。国际通用的标准音定义a1=440HZ，以C调为例，其音调和频率关系如下：

根据公式T（周期）=1/f（频率），频率我们已经确定了，就可以使用单片机的定时器做出不同频率的音调了，接下来就是节拍(时长)的实现了。

节拍

乐谱的左上方有写“1=C 4/4”，其中“1=C”意思就是乐谱是C调，乐谱里面的1234567(do、re、mi、fa、sol、la、si)相对应的不是ABCDEFG而是CDEFGAB！而如果这里规定是F调的话，那么就说明1唱F，2就要唱G，3要唱A，……7要唱E，就是所谓的要相应的左移或者右移，以此类推。

“4/4”叫作拍号，图中从下往上读，意思是以四分音符为一拍，每小节四拍。每拍的时间应该多长，在音乐上一般用BPM（beats per minute，每分钟多少拍）来标识。演奏时其实不用真的去追求严格意义上的拍长，感觉对了就行了。就像炒菜一样，淡一点就是少放点盐，不用真的去称出精准的 1.34 克来~

在五线谱中，会注明每分钟的拍数，

OK，现在已经有了一拍的时间长度了，不过肯定是不够用的，如果想表示半拍，或者1/4拍，或者 2 拍、4拍，那该怎么办？

在给出答案前，我们得先学习一个新的东西：音符时值。

音符时值是个相对时长的单位，它的参考系是拍长，我们先来了解一下各种音符时值的表示符号：

  • 全音符 = 2 * 二分音符 ：一个空心圆
  • 二分音符 = 2 * 四份音符 ：空心圆带一条杠
  • 四分音符 = 2 * 八分音符号 ：实心圆带一条杠
  • 八分音符 = 2 * 十六分音符 ： 符尾一条线
  • 十六分音符 = 2 * 三十二分音符：符尾两条线

以上都是二分关系，那如果是 1.5 倍关系怎么搞？音乐家们使用附点音符的概念来解决这个问题。

这个点表示增加原来时长的一半，而减少时长的线是加在音符下面的，叫减时线，每增加一条减时线，时值减少二分之一。

这样音乐的时长问题就解决了，从上面再看一遍，时长是2倍关系，和二进制一样，太好了，大道至简,殊途同归。

程序

基本思想是把12个音调的频率做成一张表，按照简谱在程序中调用对应频率，并乘以相应音符时值，这样一首曲子就出来了。
下面是来自B站江协科技的程序，可以作为固定模板使用，只需要更改SPEED和unsigned char code Music[]部分即可，SPEED就是节拍，另一个是我们从简谱上得出的音符和时值，程序其它部分不用改动。嗯，音乐完成。

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#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "Timer0.h"

//蜂鸣器端口定义
sbit Buzzer=P1^5;

//播放速度，值为四分音符的时长(ms)
#define SPEED	500

//音符与索引对应表，P：休止符，L：低音，M：中音，H：高音，下划线：升半音符号#
#define P	0
#define L1	1
#define L1_	2
#define L2	3
#define L2_	4
#define L3	5
#define L4	6
#define L4_	7
#define L5	8
#define L5_	9
#define L6	10
#define L6_	11
#define L7	12
#define M1	13
#define M1_	14
#define M2	15
#define M2_	16
#define M3	17
#define M4	18
#define M4_	19
#define M5	20
#define M5_	21
#define M6	22
#define M6_	23
#define M7	24
#define H1	25
#define H1_	26
#define H2	27
#define H2_	28
#define H3	29
#define H4	30
#define H4_	31
#define H5	32
#define H5_	33
#define H6	34
#define H6_	35
#define H7	36

//索引与频率对照表
unsigned int FreqTable[]={
	0,
	63628,63731,63835,63928,64021,64103,64185,64260,64331,64400,64463,64528,
	64580,64633,64684,64732,64777,64820,64860,64898,64934,64968,65000,65030,
	65058,65085,65110,65134,65157,65178,65198,65217,65235,65252,65268,65283,
};

//乐谱
unsigned char code Music[]={
	//音符,时值,
	
	//1
	P,	4,
	P,	4,
	P,	4,
	M6,	2,
	M7,	2,
	
	H1,	4+2,
	M7,	2,
	H1,	4,
	H3,	4,
	
	M7,	4+4+4,
	M3,	2,
	M3,	2,
	
	//2
	M6,	4+2,
	M5,	2,
	M6, 4,
	H1,	4,
	
	M5,	4+4+4,
	M3,	4,
	
	M4,	4+2,
	M3,	2,
	M4,	4,
	H1,	4,
	
	//3
	M3,	4+4,
	P,	2,
	H1,	2,
	H1,	2,
	H1,	2,
	
	M7,	4+2,
	M4_,2,
	M4_,4,
	M7,	4,
	
	M7,	8,
	P,	4,
	M6,	2,
	M7,	2,
	
	//4
	H1,	4+2,
	M7,	2,
	H1,	4,
	H3,	4,
	
	M7,	4+4+4,
	M3,	2,
	M3,	2,
	
	M6,	4+2,
	M5,	2,
	M6, 4,
	H1,	4,
	
	//5
	M5,	4+4+4,
	M2,	2,
	M3,	2,
	
	M4,	4,
	H1,	2,
	M7,	2+2,
	H1,	2+4,
	
	H2,	2,
	H2,	2,
	H3,	2,
	H1,	2+4+4,
	
	//6
	H1,	2,
	M7,	2,
	M6,	2,
	M6,	2,
	M7,	4,
	M5_,4,
	
	
	M6,	4+4+4,
	H1,	2,
	H2,	2,
	
	H3,	4+2,
	H2,	2,
	H3,	4,
	H5,	4,
	
	//7
	H2,	4+4+4,
	M5,	2,
	M5,	2,
	
	H1,	4+2,
	M7,	2,
	H1,	4,
	H3,	4,
	
	H3,	4+4+4+4,
	
	//8
	M6,	2,
	M7,	2,
	H1,	4,
	M7,	4,
	H2,	2,
	H2,	2,
	
	H1,	4+2,
	M5,	2+4+4,
	
	H4,	4,
	H3,	4,
	H3,	4,
	H1,	4,
	
	//9
	H3,	4+4+4,
	H3,	4,
	
	H6,	4+4,
	H5,	4,
	H5,	4,
	
	H3,	2,
	H2,	2,
	H1,	4+4,
	P,	2,
	H1,	2,
	
	//10
	H2,	4,
	H1,	2,
	H2,	2,
	H2,	4,
	H5,	4,
	
	H3,	4+4+4,
	H3,	4,
	
	H6,	4+4,
	H5,	4+4,
	
	//11
	H3,	2,
	H2,	2,
	H1,	4+4,
	P,	2,
	H1,	2,
	
	H2,	4,
	H1,	2,
	H2,	2+4,
	M7,	4,
	
	M6,	4+4+4,
	P,	4,
	
	0xFF	//终止标志
};

unsigned char FreqSelect,MusicSelect;

void main()
{
	Timer0Init();
	while(1)
	{
		if(Music[MusicSelect]!=0xFF)	//如果不是停止标志位
		{
			FreqSelect=Music[MusicSelect];	//选择音符对应的频率
			MusicSelect++;
			Delay(SPEED/4*Music[MusicSelect]);	//选择音符对应的时值
			MusicSelect++;
			TR0=0;
			Delay(5);	//音符间短暂停顿
			TR0=1;
		}
		else	//如果是停止标志位
		{
			TR0=0;
			while(1);
		}
	}
}

void Timer0_Routine() interrupt 1
{
	if(FreqTable[FreqSelect])	//如果不是休止符
	{
		/*取对应频率值的重装载值到定时器*/
		TL0 = FreqTable[FreqSelect]%256;		//设置定时初值
		TH0 = FreqTable[FreqSelect]/256;		//设置定时初值
		Buzzer=!Buzzer;	//翻转蜂鸣器IO口
	}
}