引言

Arduino是一個基于開放原始代碼的Simple I/O平臺，由硬件(MCU及外圍電路)和軟件(編程接口和語言)兩部分組成。它基于單片機系統(tǒng)開發(fā)，具有使用簡單，功能多樣，價格低廉等優(yōu)點，廣泛應用于電子系統(tǒng)設計和互動產品開發(fā)方面。目前市場所見電子音樂發(fā)聲器調節(jié)不便，價格較高，不能很好地實現(xiàn)和使用者的交互。本電子音樂發(fā)聲器的設計以ArduinoUNO板為控制核心，在相關樂理基礎知識上，充分利用Arduino編輯器自帶Tone擴展庫，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，可以通過簡單修改數(shù)組數(shù)據(jù)(音高和節(jié)拍)實現(xiàn)電子音樂的DIY，在欣賞美妙音樂的同時，充分發(fā)揮使用者的創(chuàng)造性。

1 系統(tǒng)硬件設計

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S1對整個電路起控制作用，當檢測到開關按下，即D3端口為高電平時，電路開始工作。預先組織好的音符數(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)方波去驅動它，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(即節(jié)拍數(shù)據(jù))即可實現(xiàn)樂曲的播放。無源蜂鳴器的優(yōu)點是聲音頻率可控，可以和LED復用一個控制口。所以，D8端口的數(shù)據(jù)同時加到LED1、LED2、LED3上時，其節(jié)奏性的亮滅實現(xiàn)了節(jié)拍的顯示。

2 軟件設計

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，每一個音符唯一對應一個發(fā)聲頻率。Arduino只要把這個頻率數(shù)據(jù)發(fā)送給蜂鳴器或喇叭，就會發(fā)出對應的音符。Arduino IDE自帶的頭文件“pitches.h”中以宏定義的形式給出了各個音符和頻率的對應關系表。例如“#define NOTE_C4 262”語句給出了鋼琴標準鍵盤小字一組C4(唱名為Do)按鍵對應的頻率是262Hz。因此，只要能夠識別給定的樂譜，就能得到一組對應該樂曲的頻率數(shù)據(jù)，即制作出其數(shù)組形式的韻律函數(shù)。

2.1.2 節(jié)拍

除了音高，構成旋律的另一個重要因素是節(jié)拍，即音符演奏的持續(xù)時間。它決定了音樂進行的快慢程度。本發(fā)聲器的設計中，通過讀取旋律的節(jié)拍速度，來確定基本的延時單位。如二分音符為一拍，每拍延時1/2秒，則四分音符延時1/4秒，八分音符延時為1/8秒，均為基本延時的偶數(shù)倍。最終，采用了noteDurations[thisNote]數(shù)組來存放每個音符的節(jié)拍數(shù)據(jù)。在應用過程中，我們也可以通過調節(jié)基本延時來調節(jié)樂曲速度。頻率數(shù)據(jù)按照節(jié)拍數(shù)據(jù)的延時來驅動蜂鳴器，就實現(xiàn)了一首樂曲的播放。

2.2 樂曲播放的軟件實現(xiàn)

ArduinoIDE包含的Tone庫可以很方便地幫助用戶制作音樂。本設計主要采用了Tone(pin, frequency, duration)函數(shù)來產生電子音樂。此函數(shù)中，pin表示頻率數(shù)據(jù)的數(shù)字輸出接口，int型;frequency是音符頻率，int型;duration是節(jié)拍數(shù)據(jù)，單位是毫秒，unsigned long型。只要把上述頻率和節(jié)拍數(shù)據(jù)連續(xù)賦值給Tone函數(shù)，就可以實現(xiàn)樂曲的播放，系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的程序流程圖見圖2。

Arduino語言是以setup( )開頭，loop( )作為主體的一個程序構架。本發(fā)聲器的軟件實現(xiàn)過程中， loop( )函數(shù)內部包含了控制按鍵判斷函數(shù)，樂曲播放函數(shù)和延時函數(shù)。其中，樂曲播放函數(shù)play( )是發(fā)聲器軟件實現(xiàn)的核心語句，函數(shù)內所有語句周而復始地循環(huán)執(zhí)行。下面以《生日快樂歌》(簡譜見圖3)的第一小節(jié)為例，給出了play( )函數(shù)的實現(xiàn)過程。

int melody[] = {

NOTE_G4,//5

NOTE_G4,//5

NOTE_A4,//6

NOTE_G4,//5

NOTE_C5,//1.

NOTE_B4,//7

0,

……};

int noteDurations[] = {

8,8,4,4,4,4,

4,

……

};

void play()

{

for (int thisNote = 0; thisNote < 29; thisNote++)

{

int noteDuration = 1000/noteDurations[thisNote];

tone(8, melody[thisNote],noteDuration);

int pauseBetweenNotes = noteDuration * 1.30;

delay(pauseBetweenNotes);

noTone(8);

}}

3 結論

本系統(tǒng)利用了目前較為流行的Arduino電子互動平臺，通過對ARDUINO IDE平臺進行軟件開發(fā)來控制外圍部件，實現(xiàn)了電子音樂的播放和節(jié)奏的顯示。Arduino是基于源代碼的軟硬件平臺，具有價格便宜，互動多樣，支持實時ISP在線燒錄等特點。因此，本發(fā)聲器價格低廉，操作簡單，編輯方便，節(jié)拍速度可以調節(jié)，靈活性較高。該發(fā)聲器功能可以進一步拓展，如果使用者具有一定的音樂素養(yǎng)，可以實現(xiàn)電子音樂DIY,為生活添加樂趣。