基于Arduino的電子音樂發聲器設計

趙云娥　吳振強

摘要：Arduino是一塊基于開放原始代碼的Simple 110平臺，具有使用簡單，功能多樣，價格低廉等優點，廣泛應用于電子系統設計和互動產品開發方面。系統以ArduinoUNO開發平臺為控制核心，充分利用其內部Tone庫，以數組形式組織樂曲的音高和節拍數據，通過串口和外圍無源蜂鳴器進行通信，實現了電子音樂播放，隨音樂節拍亮滅的LED為設計添加了溫馨感。本系統成本低廉，可靠性高，可實現樂曲DIY，有良好的擴展性。

關鍵詞：Arduino；音樂發聲器；音高；節拍

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.010

引言

Arduino是一個基于開放原始代碼的Sireple 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。它基于單片機系統開發，具有使用簡單，功能多樣，價格低廉等優點，廣泛應用于電子系統設計和互動產品開發方面。目前市場所見電子音樂發聲器調節不便，價格較高，不能很好地實現和使用者的交互。本電子音樂發聲器的設計以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，以數組形式輸出各音符的指定頻率和節拍，送到無源蜂鳴器和彩色LED，實現了音樂播放和隨音樂節奏亮滅的LED效果。在操作方面，可以通過簡單修改數組數據（音高和節拍）實現電子音樂的DIY，在欣賞美妙音樂的同時，充分發揮使用者的創造性。

1 系統硬件設計

本發聲器以ArduinoUNO為控制核心，外部電路包括控制電路、蜂鳴器電路、LED顯示節奏電路，系統硬件電路圖如圖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據（音高和節拍）通過數字端口D8發送到SV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，可以發出“Do Re Mi Fa sol La si”的音樂效果。各數據加上延時（即節拍數據）即可實現樂曲的播放。無源蜂鳴器的優點是聲音頻率可控，可以和LED復用一個控制口。所以，D8端口的數據同時加到LED1、LED2、LED3上時，其節奏性的亮滅實現了節拍的顯示。

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聲頻率。Ard uino只要把這個頻率數據發送給蜂鳴器或喇叭，就會發出對應的音符。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262 Hz。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據，即制作出其數組形式的韻律函數。

2.1.2 節拍

除了音高，構成旋律的另一個重要因素是節拍，即音符演奏的持續時間。它決定了音樂進行的快慢程度。本發聲器的設計中，通過讀取旋律的節拍速度，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倍。最終，采用了noteDurations[thisNote]數組來存放每個音符的節拍數據。在應用過程中，我們也可以通過調節基本延時來調節樂曲速度。頻率數據按照節拍數據的延時來驅動蜂鳴器，就實現了一首樂曲的播放。

2.2 樂曲播放的軟件實現

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）函數來產生電子音樂。此函數中，pin表示頻率數據的數字輸出接口，int型；frequency是音符頻率，int型；duration是節拍數據，單位是毫秒，unsigned long型。只要把上述頻率和節拍數據連續賦值給Tone函數，就可以實現樂曲的播放，系統軟件實現的程序流程圖見圖2。

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

intmelody[]={

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 noteDu ration：1000/noteDurations[thisNote]

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

int pauseBetweenNotes=noteDuration*1.30；

delay（pauseBetweenNotes）；

noTone（8）；

}}

3 結論

本系統利用了目前較為流行的Arduino電子互動平臺，通過對ARDUINO IDE平臺進行軟件開發來控制外圍部件，實現了電子音樂的播放和節奏的顯示。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，本發聲器價格低廉，操作簡單，編輯方便，節拍速度可以調節，靈活性較高。該發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，可以實現電子音樂DIY，為生活添加樂趣。