摘要：Arduino 是一塊基于開(kāi)放原始代碼的Simple I/O平臺(tái)，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(kāi)發(fā)方面。系統(tǒng)以ArduinoUNO開(kāi)發(fā)平臺(tái)為控制核心，充分利用其內(nèi)部Tone 庫(kù)，以數(shù)組形式組織樂(lè)曲的音高和節(jié)拍數(shù)據(jù)，通過(guò)串口和外圍無(wú)源蜂鳴器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了電子音樂(lè)播放，隨音樂(lè)節(jié)拍亮滅的LED為設(shè)計(jì)添加了溫馨感。本系統(tǒng)成本低廉，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)樂(lè)曲DIY，有良好的擴(kuò)展性。
　　引言
　　Arduino是一個(gè)基于開(kāi)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(yǔ)言）兩部分組成。它基于單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)方面。目前市場(chǎng)所見(jiàn)電子音樂(lè)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(lè)發(fā)聲器的設(shè)計(jì)以ArduinoUNO板為控制核心，在相關(guān)樂(lè)理基礎(chǔ)知識(shí)上，充分利用Arduino編輯器自帶Tone擴(kuò)展庫(kù)，以數(shù)組形式輸出各音符的指定頻率和節(jié)拍，送到無(wú)源蜂鳴器和彩色LED，實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)播放和隨音樂(lè)節(jié)奏亮滅的LED效果。在操作方面，可以通過(guò)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(lè)的DIY，在欣賞美妙音樂(lè)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(kāi)關(guān)S1對(duì)整個(gè)電路起控制作用，當(dāng)檢測(cè)到開(kāi)關(guān)按下，即D3端口為高電平時(shí)，電路開(kāi)始工作。預(yù)先組織好的音符數(shù)據(jù)（音高和節(jié)拍）通過(guò)數(shù)字端口D8發(fā)送到5V無(wú)源蜂鳴器J1，無(wú)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(lè)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(lè)曲的播放。無(wú)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(lè)曲播放原理
　　2.1.1 單音符的演奏原理
　　一首樂(lè)曲由若干音符組成。從物理的角度來(lái)說(shuō)，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(yǔ)句給出了鋼琴標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)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(lè)譜，就能得到一組對(duì)應(yīng)該樂(lè)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(gòu)成旋律的另一個(gè)重要因素是節(jié)拍，即音符演奏的持續(xù)時(shí)間。它決定了音樂(lè)進(jìn)行的快慢程度。本發(fā)聲器的設(shè)計(jì)中，通過(guò)讀取旋律的節(jié)拍速度，來(lái)確定基本的延時(shí)單位。如二分音符為一拍，每拍延時(shí)1/2秒，則四分音符延時(shí)1/4秒，八分音符延時(shí)為1/8秒，均為基本延時(shí)的偶數(shù)倍。最終，采用了noteDurations［thisNote］數(shù)組來(lái)存放每個(gè)音符的節(jié)拍數(shù)據(jù)。在應(yīng)用過(guò)程中，我們也可以通過(guò)調(diào)節(jié)基本延時(shí)來(lái)調(diào)節(jié)樂(lè)曲速度。頻率數(shù)據(jù)按照節(jié)拍數(shù)據(jù)的延時(shí)來(lái)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，就實(shí)現(xiàn)了一首樂(lè)曲的播放。
　　
　　2.2 樂(lè)曲播放的軟件實(shí)現(xiàn)
　　ArduinoIDE包含的Tone庫(kù)可以很方便地幫助用戶(hù)制作音樂(lè)。本設(shè)計(jì)主要采用了Tone（pin， frequency， duration）函數(shù)來(lái)產(chǎn)生電子音樂(lè)。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(shí)現(xiàn)樂(lè)曲的播放，系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的程序流程圖見(jiàn)圖2。
　　Arduino語(yǔ)言是以setup（ ）開(kāi)頭，loop（ ）作為主體的一個(gè)程序構(gòu)架。本發(fā)聲器的軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中， loop（ ）函數(shù)內(nèi)部包含了控制按鍵判斷函數(shù)，樂(lè)曲播放函數(shù)和延時(shí)函數(shù)。其中，樂(lè)曲播放函數(shù)play（ ）是發(fā)聲器軟件實(shí)現(xiàn)的核心語(yǔ)句，函數(shù)內(nèi)所有語(yǔ)句周而復(fù)始地循環(huán)執(zhí)行。下面以《生日快樂(lè)歌》（簡(jiǎn)譜見(jiàn)圖3）的第一小節(jié)為例，給出了play（ ）函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。