基于51單片機(jī)的電子節(jié)拍器設(shè)計(jì)

摘 要：節(jié)拍器是一種專門用來打奏拍子的設(shè)備，它可以使練音者或練琴者正確掌握樂曲速度，對(duì)音樂練習(xí)達(dá)到事半功倍的效果。鑒于此，設(shè)計(jì)了一款電子式節(jié)拍器，以AT89C51為控制核心，通過C語言設(shè)計(jì)程序，充分利用單片機(jī)內(nèi)部中斷和定時(shí)系統(tǒng)控制外部電路，準(zhǔn)確產(chǎn)生拍子，且實(shí)現(xiàn)了節(jié)拍類型和節(jié)拍速度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、數(shù)碼管的清晰顯示。該節(jié)拍器音色優(yōu)美、精度較高，具有很好的視覺和聽覺效果。

關(guān)鍵詞：節(jié)拍器；單片機(jī)；中斷；數(shù)碼管

中圖分類號(hào)：TP202? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）03-0032-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.008

0? ? 引言

在音樂的教學(xué)和學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者的音準(zhǔn)感和節(jié)奏感非常重要，但是速度感同樣不可忽視，精準(zhǔn)地確定所需要表達(dá)的速度，在音樂學(xué)習(xí)和創(chuàng)作中逐步建立敏銳的速度感對(duì)于一個(gè)優(yōu)秀的音樂人尤為重要。節(jié)拍器就是在各種速度中發(fā)出穩(wěn)定節(jié)拍的裝置，它不僅可以提高音樂練習(xí)的效率，而且能提高練習(xí)者的注意力，使演奏更均勻平衡[1]。目前主流的節(jié)拍器有機(jī)械式和電子式兩種，機(jī)械式節(jié)拍器調(diào)節(jié)不便，不宜攜帶，精確度不高且價(jià)格昂貴，所以本次設(shè)計(jì)將要完成一個(gè)電子式節(jié)拍器[2]。它基于單片機(jī)系統(tǒng)，不僅能發(fā)出聲音信號(hào)，同時(shí)能在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前的節(jié)拍類型和節(jié)拍速度，使用者可以通過鍵盤實(shí)時(shí)更改節(jié)拍類型、調(diào)整節(jié)拍速度。設(shè)計(jì)采用單片機(jī)的中斷程序?qū)崿F(xiàn)按鍵檢測(cè)、數(shù)碼管掃描和蜂鳴器發(fā)音等一系列功能。

1? ? 硬件設(shè)計(jì)

節(jié)拍用于控制各個(gè)音的快慢，即各個(gè)音產(chǎn)生及持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)，在單片機(jī)中可用延時(shí)程序或定時(shí)器來控制。節(jié)拍器發(fā)出的強(qiáng)弱拍聲音由兩個(gè)不同的頻率驅(qū)動(dòng)，每個(gè)拍子的時(shí)長(zhǎng)由另一個(gè)定時(shí)器控制。設(shè)計(jì)基于AT89C51芯片完成，運(yùn)行的單片機(jī)最小系統(tǒng)中，用P0口作為數(shù)碼管的接口，用P1.6端口作為蜂鳴器電路信號(hào)輸出口，用P2口高四位作為按鍵的接口；T0中斷用于定期掃描按鍵輸入模塊、數(shù)碼管顯示模塊和節(jié)拍延時(shí)模塊，T1中斷用于反轉(zhuǎn)蜂鳴器發(fā)出不同頻率的音。

本系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，一部分是節(jié)拍類型切換，另一部分是節(jié)拍速度調(diào)整。對(duì)于節(jié)拍的處理，使用單片機(jī)C語言來編寫，用定時(shí)器T1來控制脈沖頻率發(fā)音，用定時(shí)器T0來控制每個(gè)節(jié)拍的時(shí)長(zhǎng)[3]，電路共5個(gè)按鍵。具體功能如下：

按鍵A和按鍵B用于切換節(jié)拍類型，使節(jié)拍類型在1～6幾個(gè)檔位間循環(huán)，分別實(shí)現(xiàn)1/4拍、2/4拍、3/4拍、4/4拍、3/8拍、6/8拍這些常用拍子。復(fù)位電路按鍵用于停止節(jié)拍器發(fā)音，且復(fù)位后節(jié)拍類型顯示0。按鍵C和按鍵D用于調(diào)整節(jié)拍速度，初始節(jié)拍速度設(shè)置為90拍/min。按下按鍵，數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示節(jié)拍器當(dāng)前的參數(shù)值。節(jié)拍速度在40～200拍/min循環(huán)。根據(jù)節(jié)拍速度可以求出每個(gè)節(jié)拍的時(shí)長(zhǎng)，即一個(gè)音符該唱多長(zhǎng)時(shí)間。設(shè)計(jì)中以四分音符為一拍，則八分音符的時(shí)長(zhǎng)為四分音符的一半，時(shí)長(zhǎng)越短，節(jié)奏越輕快[4]。

由于本次設(shè)計(jì)的電子節(jié)拍器要實(shí)現(xiàn)按鍵輸入、數(shù)碼管顯示、蜂鳴器發(fā)音等功能，利用Proteus仿真設(shè)計(jì)的硬件電路如圖1所示，實(shí)現(xiàn)過程為：以AT89C51作為控制核心，通過按鍵輸入來改變節(jié)拍類型和節(jié)拍速度，74HC245芯片在數(shù)碼管LED小燈和單片機(jī)I/O口間起電流緩沖作用，防止電流產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，保證通道足夠暢通[5]。74HC245具有雙向緩沖作用，無任何邏輯功能，1引腳DIR是方向引腳，當(dāng)1引腳輸入為高電平時(shí)，使B等于A的狀態(tài)。74HC138芯片開啟數(shù)碼管段選功能，顯示當(dāng)前節(jié)拍類型和節(jié)拍速度[6]。段的選擇（指該段的亮滅）是通過單片機(jī)的P0口控制，經(jīng)過74HC245驅(qū)動(dòng)，再將T0中斷以1 ms為定時(shí)，實(shí)現(xiàn)4個(gè)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。電路設(shè)計(jì)中，4個(gè)數(shù)碼管都是共陽極，第一個(gè)數(shù)碼管用于顯示節(jié)拍類型，后三個(gè)數(shù)碼管用于顯示節(jié)拍速度。由于本次節(jié)拍器的設(shè)計(jì)中用到的按鍵較少，所以按鍵部分選用獨(dú)立式按鍵。4條輸入線分別連接到單片機(jī)的P2.4～2.7端口上。發(fā)聲部分的蜂鳴器電路采用無源蜂鳴器設(shè)計(jì)，BUZZ引腳連接至單片機(jī)P1.6端口，由于蜂鳴器電流依然相對(duì)較大，所以用三極管來驅(qū)動(dòng)，并加連一個(gè)100 Ω的電阻來限流，此外還增加一個(gè)D4續(xù)流二極管，從而很好地避免電感電流的反向沖擊，接續(xù)關(guān)斷電流。程序控制單片機(jī)I/O口反轉(zhuǎn)，使蜂鳴器發(fā)出有節(jié)奏的聲音[7]。電子節(jié)拍器復(fù)位電路為含手動(dòng)開關(guān)復(fù)位的復(fù)位電路，連接到單片機(jī)的9引腳RST（Reset）復(fù)位引腳上。復(fù)位按鍵可作為節(jié)拍器的停止發(fā)音開關(guān)。

2? ? 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件部分全部用C語言編寫，軟件程序由主程序、數(shù)碼管顯示子程序、按鍵輸入子程序和音頻輸出子程序幾個(gè)模塊組成。主程序用來開啟74HC138使能和啟動(dòng)定時(shí)器T0、T1，T0中斷負(fù)責(zé)按鍵檢測(cè)，刷新數(shù)碼管顯示和控制每個(gè)拍子的時(shí)長(zhǎng)，T1中斷控制單片機(jī)I/O口反轉(zhuǎn)，使蜂鳴器發(fā)音。現(xiàn)就各個(gè)程序模塊的執(zhí)行流程分別進(jìn)行敘述。

2.1? ? 主程序流程

圖2為系統(tǒng)主程序流程圖。當(dāng)給節(jié)拍器上電后，數(shù)碼管顯示節(jié)拍類型為0，此時(shí)無節(jié)拍，節(jié)拍器不發(fā)音。當(dāng)按下A、B鍵后，切換節(jié)拍類型，節(jié)拍器開始打拍；按下C、D鍵開始動(dòng)態(tài)調(diào)整節(jié)拍速度；按下復(fù)位鍵，節(jié)拍器回到上電時(shí)狀態(tài)。

2.2? ? 音頻輸出子程序

節(jié)拍器開始打奏節(jié)拍時(shí)，發(fā)出的強(qiáng)弱拍聲音實(shí)質(zhì)為兩個(gè)不同的脈沖頻率產(chǎn)生，由單片機(jī)內(nèi)部的T1中斷控制，通過反轉(zhuǎn)與蜂鳴器電路連接的單片機(jī)I/O口來實(shí)現(xiàn)，過程如圖3所示。

2.3? ? 數(shù)碼管顯示和按鍵檢測(cè)子程序

節(jié)拍器的數(shù)碼管顯示和按鍵檢測(cè)執(zhí)行過程都是用T0中斷實(shí)現(xiàn)，每1 ms刷新一次數(shù)碼管顯示且檢測(cè)一次按鍵狀態(tài)值并保存，連續(xù)檢測(cè)四次，如果四次檢測(cè)到的按鍵狀態(tài)值相同，說明按鍵已經(jīng)穩(wěn)定地按下或彈起，相應(yīng)地要改變按鍵值，即實(shí)現(xiàn)了按鍵消抖功能。同時(shí)備份當(dāng)前按鍵狀態(tài)（按下或彈起），方便下次檢測(cè)比較用。

3? ? 系統(tǒng)調(diào)試

在上電前確保電路中不存在短路和斷路的情況，這是整個(gè)調(diào)試過程的第一步，也是最重要的一步。萬用表是這一步驟的主要工具，用萬用表的兩個(gè)探頭檢測(cè)電路中是否存在短路和斷路等情況，特別要注意焊點(diǎn)是否虛焊、焊點(diǎn)之間有無短接以及焊點(diǎn)的美觀，確保電路沒有開路、短路問題。

實(shí)物電路沒問題后，接下來從電子節(jié)拍器的顯示、按鍵和聲音等方面進(jìn)行調(diào)試：

（1）顯示觀察：起初將程序燒錄單片機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管在顯示時(shí)有些不應(yīng)亮的段似乎微微在發(fā)亮，但持續(xù)的時(shí)間很短，只是一閃而過。這是數(shù)碼管消影問題，解決方法是在數(shù)碼管刷新之前關(guān)閉所有的段，改變好位選后再打開即可。即在數(shù)碼管掃描程序switch（i）代碼之前，加入P0=0xFF，這樣數(shù)碼管所有的段都關(guān)閉了，當(dāng)把位選“ADDR”全部賦值之后，再給P0賦對(duì)應(yīng)的值即可，數(shù)碼管“鬼影”問題就順利解決。程序如下：

static unsigned char i = 0;? //動(dòng)態(tài)掃描的索引

P0 = 0xFF;? ?//顯示消影

switch （i）

{

case 0： ADDR2=0; ADDR1=0; ADDR0=0; i++; P0=LedBuff[0]; break;

case 1： ADDR2=0; ADDR1=0; ADDR0=1; i++; P0=LedBuff[1]; break;

case 2： ADDR2=0; ADDR1=1; ADDR0=0; i++; P0=LedBuff[2]; break;

case 3： ADDR2=0; ADDR1=1; ADDR0=1; i=0; P0=LedBuff[3]; break;

default： break;

}

（2）聲音調(diào)試：在設(shè)計(jì)電子節(jié)拍器時(shí)，暫不確定強(qiáng)拍和弱拍該用什么頻率較為合適，通過在程序中反復(fù)修改頻率，燒錄單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試，最終決定用1 400 Hz和1 000 Hz兩個(gè)頻率來表示強(qiáng)弱拍，起始拍和其余拍聲音區(qū)別明顯，短促有力更耐聽，在鋼琴?gòu)椬喹h(huán)境中清晰可聞。

（3）按鍵測(cè)試：初期程序中沒加入按鍵消抖代碼，經(jīng)常按一下按鍵，數(shù)字卻不止加1，而是加2或者更多，于是考慮按鍵消抖問題。最后通過單片機(jī)T0中斷的1 ms定時(shí)來解決，每1 ms中斷就記錄一次按鍵狀態(tài)，記錄四次，如果四次按鍵狀態(tài)一樣，說明按鍵已穩(wěn)定按下或彈起。將程序燒錄單片機(jī)測(cè)試，即使快速按下按鍵，數(shù)字也能準(zhǔn)確地加1，實(shí)現(xiàn)了按鍵消抖功能[8]。程序如下：

unsigned char i;

static unsigned char keybuf[4] = {? //按鍵掃描緩沖區(qū)

0xFF， 0xFF， 0xFF， 0xFF? ?};

//將一行的4個(gè)按鍵值移入緩沖區(qū)

keybuf[0] = （keybuf[0] << 1） | KEY_IN_1;

keybuf[1] = （keybuf[1] << 1） | KEY_IN_2;

keybuf[2] = （keybuf[2] << 1） | KEY_IN_3;

keybuf[3] = （keybuf[3] << 1） | KEY_IN_4;

//消抖后更新按鍵狀態(tài)

for （i=0; i<4; i++）? //4個(gè)按鍵，所以循環(huán)4次

{

if （（keybuf[i] & 0x0F） == 0x00）

{? ?//連續(xù)4次掃描值為0，即4 ms內(nèi)都是按下狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為按鍵已穩(wěn)定地按下

KeySta[i] = 0;

}

else if （（keybuf[i] & 0x0F） == 0x0F）

{? ?//連續(xù)4次掃描值為1，即4 ms內(nèi)都是彈起狀態(tài)時(shí)，可認(rèn)為按鍵已穩(wěn)定地彈起

KeySta[i] = 1;

}

}

（4）節(jié)拍器精度測(cè)試：使用秒表測(cè)量節(jié)拍器400拍所用時(shí)間。節(jié)拍速度分別為90、120、160拍/min的時(shí)候，用時(shí)分別為267.7、200.7、151.3 s，誤差分別為0.22%、0.35%、0.86%，節(jié)拍器精度較高。

4? ? 結(jié)束語

最終將程序燒錄硬件電路，經(jīng)測(cè)試，節(jié)拍器能打奏響亮而有規(guī)律的節(jié)奏，并可任意切換不同類型節(jié)拍，節(jié)拍速度也可實(shí)時(shí)調(diào)整。數(shù)碼管能清晰地顯示當(dāng)前節(jié)拍類型和節(jié)拍速度，無論是音樂初學(xué)者還是專業(yè)音樂人，都能輕松上手，調(diào)節(jié)一個(gè)適合自己的速度，練習(xí)起來效果顯著。該節(jié)拍器基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，成本較低，可靠性高，使用方便，控制功能強(qiáng)，容易產(chǎn)品化，若將產(chǎn)品外形工藝化，市場(chǎng)空間廣闊。

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收稿日期：2023-10-10

作者簡(jiǎn)介：楊輝（1992—），男，云南云龍人，碩士研究生，助理講師，研究方向：電子信息技術(shù)。