淺談井下語音設備利用單片機發聲的原因

楊 彬

(新疆焦煤集團1930煤礦)

淺談井下語音設備利用單片機發聲的原因

楊 彬①

(新疆焦煤集團1930煤礦)

井下語音設備發聲主要利用AT89C51單片機制作的發音電路,介紹了AT89C51單片機產生音樂的要素,由AT89C51單片機制作的發音電路和通過匯編好的語言程序而實現的蜂鳴器,以及單片機演奏音樂的原理。

井下語音設備;單片機;定時器中斷;延時;音調;節拍;發音電路;原理

隨著科學技術的發展,井下的語音設備越來越多,功能各一,有的傳遞信息,有的放音樂為井下工人消除疲勞等等,語音設備是怎樣發出聲音的,現在介紹井下語音設備發聲原理。

當物體振動時,能夠發出聲音。振動的頻率高則音高,頻率低則音低。音頻的范圍為20～200 Hz,人類的耳朵比較容易辨別的聲音是200 Hz～20 kHz。一般音響電路是以正弦波信號驅動喇叭,產生悅耳的音樂,在數字電路里,則是以脈沖信號驅動喇叭以產生聲音,同樣的頻率,脈沖信號或正弦波信號產生的音效,對于人類的耳朵來說很難區別。

1 單片機產生音樂的要素

一般說來,單片機演奏音樂基本都是單音頻率,它不包含相應幅度的諧波頻率,也就是說不能象電子琴那樣能奏出多種音色的聲音。因此,單片機奏樂只需弄清楚兩個概念,也就是“音調”和“節拍”。音調表示一個音符唱多高的頻率,節拍表示一個音符唱多長的時間。

在音樂中所謂“音調”,其實就是常說的“音高”。以C調音階為例,包括3個音階(低音、中音與高音),每個音階為8音度,其中細分為12個半音(即DO、DO#、RE、RE#、Mi、Fa、Fa#、So、So#、La、La#、Si),而每個音階之間的頻率相差一倍,例如高音Do的頻率(1 046 Hz)剛好是中音Do的頻率(523 Hz)的一倍、中音Do的頻率(523 Hz)剛好是低音Do的頻率(266 Hz)的一倍;同樣,高音Re(1 109 Hz)剛好是中音Re的頻率(554 Hz)的一倍、中音Re的頻率(554 Hz)剛好是低音Do的頻率(277 Hz)的一倍,依此類推。因此,兩個半音之間的頻率比為1.059,以中音為例,Do的頻率為523 Hz,所以Do#的頻率為523×1.059,約為554 Hz、Re的頻率為554×1.059,約為587 Hz……依此類推。

音符的節拍可以舉例來說明。在一張樂譜中,經常會看到這樣的表達式,如等等,這里1=C,1=G表示樂譜的曲調,和前面所談的音調有很大的關聯就是用來表示節拍的。以為例加以說明,它表示樂譜中以四分音符為節拍,每一小結有三拍。比如:

其中,1、2為一拍,3、4、5為一拍,6為一拍,共三拍。1、2的時長為四分音符的一半,即為八分音符長,3、4的時長為八分音符的一半,即為十六分音符長,5的時長為四分音符的一半,即為八分音符長,6的時長為四分音符長。一般說來,如果樂曲沒有特殊說明,一拍的時長大約為400～500 ms。以一拍的時長為400 ms為例,則當以四分音符為節拍時,四分音符的時長就為400 ms,八分音符的時長就為200 ms,十六分音符的時長就為100 ms。

2 音調的產生

若要AT89C51單片機產生聲音,可利用程序產生音頻脈沖,只要算出某一音頻的周期,然后將此周期除以2,即為半周期的時間,利用定時器計時或利用延時程序計時這半個周期時間,每當計時到后就將輸出脈沖的I/O反相,就可以在I/O端上得到此脈沖。

2.1 定時器中斷

利用89C51的內部定時器使其工作在計數器模式MODE1下,改變計數值TH0及TL0以產生不同頻率的方法。例如,頻率為523 Hz,其周期T=1/523 =1 912μs,因此,只要令計數器計時956μs/1μs= 956,在每計數956次時將I/O反相,就可得到中音DO(523 Hz)。計數脈沖值與頻率的關系如下:

式中:

N—計數值;

Fi—內部計時一次為1μs,故其頻率為1 MHz;

Fr—要產生的頻率;

以標準音高A為例:

A的頻率f=440 Hz,其對應的周期為:

脈沖時間周期示意圖見圖1。

由圖1可知,單片機上對應蜂鳴器的I/O口來回取反的時間應為:

t=T/2=2 272/2=1 136μs

時間t也就是單片機上定時器應有的中斷觸發時間。一般情況下,單片機奏樂時,其定時器為工作

圖1 脈沖時間周期示意圖

方式1,它以振蕩器的十二分頻信號為計數脈沖。設振蕩器頻率為f0,則定時器的預置初值由下式來確定:

式中:

TALL=216=65 536,THL為定時器待確定的計數初值。因此定時器的高低計數器的初值為:

將t=1 136μs代入上面兩式(注意:計算時應將時間和頻率的單位換算一致),即可求出標準音高A在單片機晶振頻率f0=12 MHz,定時器在工作方式1下的定時器高低計數器的予置初值為:

T H440Hz=(65 536-1 136×12/12)/256=FBH TL440Hz=(65 536-1 136×12/12)%256=90 H

根據上面的求解方法,結合音階頻率對應表(見表1),可求出其他音調相應的計數器的予置初值。

表1 音階頻率對應表

2.2 利用延時子程序

首先編寫一個基本的延時子程序(10μs),即T_

DELA Y子程序,如下:

只要在調用T_DELA Y子程序之前,先賦值ACC則:

t=10×ACC+2

與預期的半周期相差不多就可以了。

3 節拍的產生

節拍有快有慢,拍子越短節奏越快,拍子越長節奏越慢,而控制節拍的方法同樣是調用延時子程序或采用定時器中斷兩種方式。

3.1 延時子程序

首先整理出整首音樂曲目中拍子的種類,找出其中最短的拍子,例如整首樂曲中,包含1/4拍、1/2拍、3/4拍、1拍及2拍,則以1/4拍為基準,然后寫一段1/4拍長度的DELA Y程序,若要產生1/4拍的長度,則執行1次該子程序;若要產生1/2拍的長度,則執行2次該子程序;若要產生3/4拍的長度,則執行3次該子程序;若要產生1拍的長度,則執行4次該子程序;若要產生2拍的長度,則執行8次該子程序……依次類推。

3.2 定時器中斷

同樣,找出整首音樂曲目中拍子的種類,找出其中最短的拍子,例如整首樂曲中,最短的是1/4拍,若1/4拍的時間是0.125μs,則以1/4拍為基準,然后設定每0.125μs產生一次中斷,其定時器值為125 000,超過任何一個定時器模式的定時值。若采用mode1,而定時值設定為62 500,則只要執行2次中斷,即可產生1/4拍的時間長度,同時,若要產生1/2拍的長度,則執行4次中斷;若要產生3/4拍的長度,則執行6次中斷……依次類推。

4 發聲電路

若要89C51產生聲音,可利用程序產生頻率,送到輸入/輸出口(一位即可),例如P1.0,再從該點連接到喇叭的驅動電路,即可驅動喇叭。

5 結束語

井下所用的語音設備很多,但它們主要是利用單片機制作發音電路,本文介紹了單片機產生音樂的要素,由AT89C51單片機制作發音電路,并通過匯編語言程序實現蜂鳴器,以及單片機演奏音樂的原理。

[1] 張義和,陳敵北.例說89C51[M].北京:人民郵電出版社,2002:85-102.

[2] 付家才.單片機控制工程實踐技術[M].北京:化學工業出版社,1999:123-160.

[3] 胡漢才.單片機原理及其接口技術[M].北京:清華大學出版社,2004:96-125.

Discussion on Sound Production Reason of Underground Pronunciation Equipment by Using SCM

Yang Bin

Pronounced device in the underground can be sent out pronunciation which mainly use the pronounced circuit to sound by AT89C51 SCM,now mainly introduce the element of music produced by the AT89C51 SCM,the pronounced circuit made by AT89C51 SCM and the buzzer achieved by the assembled language and the principle of performed music by SCM.

Underground pronunciation equipment;SCM;The timer interruption;Timelag;Tone;Beat; Pronunciation circuit;Principle

book=4,ebook=138

TD679

A

1672-0652(2010)04-0026-03

2010-03-21

楊 彬 男 1979年出生 2003年畢業于新疆工業高等專科學校 助理工程師 烏魯木齊 830025