基于Arduino的电子音乐发声器设计

引言

Arduino是一个基于开放原始代码的Simple I/O平台，由硬件(MCU及外围电路)和软件(编程接口和语言)两部分组成。它基于单片机系统开发，具有使用简单，功能多样，价格低廉等优点，广泛应用于电子系统设计和互动产品开发方面。目前市场所见电子音乐发声器调节不便，价格较高，不能很好地实现和使用者的交互。本电子音乐发声器的设计以ArduinoUNO板为控制核心，在相关乐理基础知识上，充分利用Arduino编辑器自带Tone扩展库，以数组形式输出各音符的指定频率和节拍，送到无源蜂鸣器和彩色LED，实现了音乐播放和随音乐节奏亮灭的LED效果。在操作方面，可以通过简单修改数组数据(音高和节拍)实现电子音乐的DIY，在欣赏美妙音乐的同时，充分发挥使用者的创造性。

1 系统硬件设计

本发声器以ArduinoUNO为控制核心，外部电路包括控制电路、蜂鸣器电路、LED显示节奏电路，系统硬件电路图如图1所示。开关S1对整个电路起控制作用，当检测到开关按下，即D3端口为高电平时，电路开始工作。预先组织好的音符数据(音高和节拍)通过数字端口D8发送到5V无源蜂鸣器J1，无源蜂鸣器接收到特定频率的(即特定的音高)方波去驱动它，可以发出“Do Re Mi Fa Sol La Si”的音乐效果。各数据加上延时(即节拍数据)即可实现乐曲的播放。无源蜂鸣器的优点是声音频率可控，可以和LED复用一个控制口。所以，D8端口的数据同时加到LED1、LED2、LED3上时，其节奏性的亮灭实现了节拍的显示。

2 软件设计

2.1 乐曲播放原理

2.1.1 单音符的演奏原理

一首乐曲由若干音符组成。从物理的角度来说，每一个音符唯一对应一个发声频率。Arduino只要把这个频率数据发送给蜂鸣器或喇叭，就会发出对应的音符。Arduino IDE自带的头文件“pitches.h”中以宏定义的形式给出了各个音符和频率的对应关系表。例如“#define NOTE_C4 262”语句给出了钢琴标准键盘小字一组C4(唱名为Do)按键对应的频率是262Hz。因此，只要能够识别给定的乐谱，就能得到一组对应该乐曲的频率数据，即制作出其数组形式的韵律函数。