【51单片机】蜂鸣器演奏音乐——小星星&天空之城
学习使用的开发板：STC89C52RC/LE52RC
编程软件：Keil5
烧录软件：stc-isp
开发板实图：
蜂鸣器
蜂鸣器在开发板的位置如下：
蜂鸣器是一种将电信号转换为声音信号的器件，常用来产生设备的按键音、报警音等提示信号
蜂鸣器按驱动方式可分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器
有源蜂鸣器：内部自带振荡源，将正负极接上直流电压即可持续发生，频率固定。可用于按键音，报警音无源蜂鸣器：内部不带振荡源，需要控制器提供振荡脉冲才可发声，调整提供振荡脉冲的频率，可发出不同频率的声音
蜂鸣器的原理图如下：
- VCC：电源正极
- BZ1：蜂鸣器
- BEEP：蜂鸣器I/O口
本单片机使用五线四项步进电机 ULN2003D 驱动电路
可以看到 BEEP 连通 P25
常见的蜂鸣器驱动电路为三极管驱动
- Buzzer：蜂鸣器
- VCC：电源正极
- GND：电源接地
三极管分为 NPN 和 PNP，其中 N 为 N(Native)型半导体，P 为 P(Positive)型半导体。
三极管认识可参看B站“爱上半导体”《三极管是如何导电？超形象动画让你一看就懂！》、《三极管的饱和与放大》
此处了解，NPN型，R1处给高电平导通，低电平截止；PNP型，R1处给低电平导通，高电平截止
按键发声
蜂鸣器的使用很简单，因为只有一个I/O口——BEEP(P2^5)
控制蜂鸣器发声有两个因素——频率和时长
频率控制蜂鸣器发声的音高，时长控制此次发声持续多久。代码如下：
#include <REGX52.h>
#include <INTRINS.h>
#include "Delay.h"
sbit Buzzer_BZ = P2^5;
/**
* @brief软件延时500us
* @parm无
* @retval无
*/
void Delay500us()//@11.0592MHz
{
unsigned char i;
_nop_();
i = 227;
while (--i);
}
/**
* @brief控制蜂鸣器发声时长
* @parmmx:发声的时长
* @retval无
*/
void Buzzer_Time(unsigned int mx)
{
unsigned int i;
//若传入mx:500，预期是响500ms
//但一次for循环耗时0.5ms，若要响500ms，for循环次数要加倍
for(i = 0; i < 2 * mx; ++i)
{
Buzzer_BZ = !Buzzer_BZ;
Delay500us();//每1ms响一次，1ms对应频率为1KHz
}
}
Buzzer_Time() 为发声逻辑，通过控制Buzzer_BZ(P2^5)变化的频率实现发声频率，500us变化一次，1 -> 0 -> 1为1ms，则频率为1KHz
完整代码如下：
蜂鸣器模块
Buzzer.h
#ifndef __BUZZER_H__
#define __BUZZER_H__
void Buzzer_Time(unsigned int mx);
#endif
Buzzer.c
#include <REGX52.h>
#include <INTRINS.h>
#include "Delay.h"
sbit Buzzer_BZ = P2^5;
/**
* @brief软件延时500us
* @parm无
* @retval无
*/
void Delay500us()//@11.0592MHz
{
unsigned char i;
_nop_();
i = 227;
while (--i);
}
/**
* @brief控制蜂鸣器发声时长
* @parmmx:发声的时长
* @retval无
*/
void Buzzer_Time(unsigned int mx)
{
unsigned int i;
//若传入mx:500，预期是响500ms
//但一次for循环耗时0.5ms，若要响500ms，for循环次数要加倍
for(i = 0; i < 2 * mx; ++i)
{
Buzzer_BZ = 1;
Delay500us();//每2ms响一次，1ms对应频率为1KHz，2ms对应频率为500Hz
}
}
按键模块
SoleKey.h
#ifndef __SOLEKEY_H__
#define __SOLEKEY_H__
unsigned char SoleKey();
#endif
SoleKey.c
#include <REGX52.h>
#include "Delay.h"
/**
* @brief 获取独立按键的键码(哪个被按下)
* @parm无
* @retval独立按键的键码
*/
unsigned char SoleKey()
{
unsigned char keyNum = 0;
if(P3_1 == 0){Delayms(20);while(P3_1 == 0);Delayms(20);keyNum = 1;}
if(P3_0 == 0){Delayms(20);while(P3_0 == 0);Delayms(20);keyNum = 2;}
if(P3_2 == 0){Delayms(20);while(P3_2 == 0);Delayms(20);keyNum = 3;}
if(P3_3 == 0){Delayms(20);while(P3_3 == 0);Delayms(20);keyNum = 4;}
return keyNum;
}
延时器模块
Delay.h
#ifndef __DELAY_H__
#define __DELAT_H__
void Delayms(unsigned int xms);//等待指定毫秒
#endif
Delay.c
/**
* @brief 延迟一定时间
* @parm延迟的时间，单位是毫秒，范围：0 ~ 65535
* @retval无
*/
void Delayms(unsigned int xms)//@12.000MHz
{
while(xms--)
{
unsigned char i, j;
i = 2;
j = 239;
do
{
while (--j);
} while (--i);
}
}
数码管模块
Nixie.h
#ifndef __NIXIE_H__
#define __NIXIE_H__
void LightNixieTube(unsigned char location, unsigned char num);
#endif
Nixie.c
#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
//指定的数字有哪些地方要亮，对应数值的数组
unsigned char NixieTubeNums[] = {0x3F, 0x06, 0x5B, 0x4F,0x66, 0x6D, 0x7D, 0x07, 0x7F, 0x6F};
/**
* @brief 显示指定位置指定数字
* @parm 第一个参数是从左往右要显示的位置 范围: 1~8
* @parm 第二个参数是要显示的数字 范围: 0~9
* @retval 无
*/
void LightNixieTube(unsigned char location, unsigned char num)
{
//第一个位置是LED8，对应38译码器111
switch(location)
{
case 1:P2_4 = 1;P2_3 = 1;P2_2 = 1;break;
case 2:P2_4 = 1;P2_3 = 1;P2_2 = 0;break;
case 3:P2_4 = 1;P2_3 = 0;P2_2 = 1;break;
case 4:P2_4 = 1;P2_3 = 0;P2_2 = 0;break;
case 5:P2_4 = 0;P2_3 = 1;P2_2 = 1;break;
case 6:P2_4 = 0;P2_3 = 1;P2_2 = 0;break;
case 7:P2_4 = 0;P2_3 = 0;P2_2 = 1;break;
case 8:P2_4 = 0;P2_3 = 0;P2_2 = 0;break;
}
//指定的数字有哪些地方要亮
P0 = NixieTubeNums[num];
}
主程序——获取按键键码，显示在数码管上，并发出按键提示音
main.c
#include <REGX52.h>
#include "Buzzer.h"
#include "Nixie.h"
#include "SoleKey.h"
void main()
{
unsigned char Key;
LightNixieTube(1, 0);
while(1)
{
Key = SoleKey();
if(Key)
{
LightNixieTube(1, Key);
Buzzer_Time(100);
}
}
}
项目链接：蜂鸣器——按键发声
无源蜂鸣器演奏音乐
简单乐理
c1为中央C，中音1，最中间的按键，以此划分区域
钢琴上每8个白键一组，算上黑键则12一组，例如从c ~ b
相邻的黑白键相差半音，升半音符号和降半音符号如下：
一组按键对应简谱如下：
相邻组的音高相差八度，如小字1组的 c 比小字组的 c 高八度。对应简谱如下：
无源蜂鸣器通过调整振荡脉冲的频率实现发出不同频率的声音。
我们通过定时器中断函数实现频率的变化，定时器使用参看【51单片机】定时器
定时器中断函数模版如下：
//定时器中断函数——实现蜂鸣器不同音高发声
void Timer0_Rountine(void) interrupt 1
{
TH0 = ??
TL0 = ??
}
定时器逻辑简单描述就是：
- 有两个8位计数器，TH0 和 TL0，TH0 存储高位数据。TL0 存储低位数据。两个计数器记录完整的数据，范围：0 ~ 65535
- 根据系统频率，如12MHz，12T模式，则 12 / 12 = 1MHz，即每 1us 对计数器加一
- 当计数器溢出时，发出定时器中断，执行上述定时器中断函数
- 通过设置 TH0 和 TL0 重载值，可以实现不同时间发出中断，如 TH0 和 TL0 组合为 64535，距离溢出还有 1000，则溢出还需 1000us，即1ms，如此就实现了每1ms发出一次中断
如何通过定时器实现不同频率的发声呢？—— 通过设置 TH0 和 TL0 重装值，并在中断函数中改变BEEP状态，就可以实现每隔一段时间改变BEEP状态，这就是频率。
不同的重装值，就会对应不同的频率，发出不同的音高
对此，我们需要获取相应音符对应的重装值
频率与C调音符对照表如下：
后续曲目只涉及小字组(低音) ~ 小字2组(高音)
对频率进行如下转变：如低音1
262Hz = 0.000262MHz = 3816.793893us(周期)
因为BEEP进行两次操作为一次发生，所以周期需要 / 2
3816.793893 / 2 = 1908.396947，取整为1908，即需要每1908us 对 BEEP 状态改变一次
重装值：65535 - 1908 = 63628
重装值如下：
有了重装值就可以进行编码了
小星星
小星星简谱如下：
重装值可以设置频率，音高，但还需要控制音符的演奏时长
对应时长，有二分音符，四分音符…
音符之间为两倍差值
定义四分音符——500ms为基准，二分音符则持续1000ms，八分音符持续250ms，十六分音符持续125ms
简谱的左侧4/4表示以四分音符为一拍，每小节四拍
第二小节6 6 5 -，每个音符都是四分音符，持续500ms，但-表示延续，即5 - ，表示中音5延迟一拍，持续两个四分音符，1000ms
小星星较为简单，到此就可以进行编码了
先定义每个音符对应的重装值
unsigned int code Frequency[] = {
0,
63628, 63731, 63835, 63928, 64021, 64103, 64185, 64260, 64331, 64400, 64463, 64524,
64580, 64633, 64684, 64732, 64777, 64820, 64860, 64898, 64934, 64968, 65000, 65030,
65058, 65085, 65110, 65134, 65157, 65178, 65198, 65217, 65235, 65252, 65268, 65283
};
0表示休止符，不发声
再对音符进行编号，对应重装值下标，并设置基准四分音符时长为500ms
//播放速度，值为四分音符的时长(ms)
#define SPEED 500
//音阶和频率对照表的索引
#define P 0 //休止符
//低音
#define L1 1
#define L1_ 2
#define L2 3
#define L2_ 4
#define L3 5
#define L4 6
#define L4_ 7
#define L5 8
#define L5_ 9
#define L6 10
#define L6_ 11
#define L7 12
//中音
#define M1 13
#define M1_ 14
#define M2 15
#define M2_ 16
#define M3 17
#define M4 18
#define M4_ 19
#define M5 20
#define M5_ 21
#define M6 22
#define M6_ 23
#define M7 24
//高音
#define H1 25
#define H1_ 26
#define H2 27
#define H2_ 28
#define H3 29
#define H4 30
#define H4_ 31
#define H5 32
#define H5_ 33
#define H6 34
#define H6_ 35
#define H7 36
其中，L1_ 表示 L1 升半音，也就是 c 右侧的黑键
接下来就可以扒谱了，将简谱抽象成一个数组，每两个元素为一组，分别为频率对应重装值的下标 和 持续时长，持续时长以125ms为单位
如1 1 5 5 | 6 6 5 -，转化为数组为
M1,4,
M1,4,
M5,4,
M5,4,
M6,4,
M6,4,
M5,4+4
小星星简谱如下：
//小星星乐谱
//两个一组：频率索引，播放时长
unsigned char code Music[] = {
//S1
M1, 4,
M1, 4,
M5, 4,
M5, 4,
//S2
M6, 4,
M6, 4,
M5, 4+4,
//S3
M4, 4,
M4, 4,
M3, 4,
M3, 4,
//S4
M2, 4,
M2, 4,
M1, 4+4,
//S5
M5, 4,
M5, 4,
M4, 4,
M4, 4,
//S6
M3, 4,
M3, 4,
M2, 4+4,
//S7
M5, 4,
M5, 4,
M4, 4,
M4, 4,
//S8
M3, 4,
M3, 4,
M2, 4+4,
//S9
M1, 4,
M1, 4,
M5, 4,
M5, 4,
//S10
M6, 4,
M6, 4,
M5, 4+4,
//S11
M4, 4,
M4, 4,
M3, 4,
M3, 4,
//S12
M2, 4,
M2, 4,
M1, 4+4,
//终止符
0xFF
};
最后用终止符防止数组越界，在遇到终止符时关闭定时器
演奏音乐的逻辑如下：
//控制频率 遍历乐谱
unsigned char FrequencySelect, MusicSelect;
void main()
{
Timer0_Init();
while(1)
{
//终止符:音乐结束
if(Music[MusicSelect] != 0xFF)
{
FrequencySelect = Music[MusicSelect];//选择音符对应频率
MusicSelect++;
Delayms(SPEED / 4 * Music[MusicSelect]);//选择播放时长
MusicSelect++;
//相邻音符停顿一下下
TR0 = 0;
Delayms(5);
TR0 = 1;
}
else//终止符，停止播放
{
TR0 = 0;//关闭定时器
while(1);
}
}
}
//蜂鸣器按频率发声
void Timer0_Rountine(void) interrupt 1
{
//如果不是休止符
if(Frequency[FrequencySelect])
{
TH0 = Frequency[FrequencySelect] / 256;//高8位
TL0 = Frequency[FrequencySelect] % 256;//低8位
Buzzer_BZ = !Buzzer_BZ;
}
}
- 在主函数中，遍历乐谱，选择对应频率的下标。
- Delayms 实现发声的持续时长，在Delayms 前和 Delayms期间，通过定时器中断实现不同频率的发声
- 遇到休止符则不改变Buzzer_ER，不发声
- 遇到终止符则关闭定时器，停止演奏
天空之城
对一些音符进行说明
半音，即四分音符的一半——八分音符，对应频率和时长如下：
M6, 2,
M7, 2,
延音，延长原音符的一半，即四分音符+八分音符，对应频率和时长如下：
H1, 4+2,
升半音，对应频率和时长如下：
M4_, 2,
连音，连线的音符为同一音，对应频率和时长如下：
H1, 2,
M7, 2+2,
H1, 2+4
循环符号，回到乐谱最开始循环
完整乐谱如下：
//天空之城乐谱
unsigned char code Music[] = {
//S1
P,4,
P,4,
P,4,
M6,2,
M7,2,
//S2
H1,4+2,
M7,2,
H1,4,
H3,4,
//S3
M7,4+4+4,
M3,2,
M3,2,
//S4
M6,4+2,
M5,2,
M6,4,
H1,4,
//S5
M5,4+4+4,
M3,4,
//S6
M4,4+2,
M3,2,
M4,4,
H1,4,
//S7
M3,4+4,
P,2,
H1,2,
H1,2,
H1,2,
//S8
M7,4+2,
M4_,2,
M4,4,
M7,4,
//S9
M7,4+4,
P,4,
M6,2,
M7,2,
//S10
H1,4+2,
M7,2,
H1,4,
H3,4,
//S11
M7,4+4+4,
M3,2,
M3,2,
//S12
M6,4+2,
M5,2,
M6,4,
H1,4,
//S13
M5,4+4+4,
M2,2,
M3,2,
//S14
M4,4,
H1,2,
M7,2+2,
H1,2+4,
//S15
H2,2,
H2,2,
H3,2,
H1,2+4+4,
//S16
H1,2,
M7,2,
M6,2,
M6,2,
M7,4,
M5_, 4,
//S17
M6,4+4+4,
H1,2,
H2,2,
//S18
H3,4+2,
H2,2,
H3,4,
H5,4,
//S19
H2,4+4+4,
M5,2,
M5,2,
//S20
H1,4+2,
M7,2,
H1,4,
H3,4,
//S21
H3,4+4+4+4,
//S22
M6,2,
M7,2,
H1,4,
M7,4,
H2,2,
H2,2,
//S23
H1,4+2,
M5,2+4+4,
//S24
H4,4,
H3,4,
H2,4,
H1,4,
//S25
H3,4+4+4,
H3,4,
//S26
H6,4+4,
H5,4,
H5,4,
//S27
H3,2,
H2,2,
H1,4+4,
P,2,
H1,2,
//S28
H2,4,
H1,2,
H2,2,
H2,4,
H5,4,
//S29
H3,4+4+4,
H3,4,
//S30
H6,4+4,
H5,4+4,
//S31
H3,2,
H2,2,
H1,4+4,
P,2,
H1,2,
//S32
H2,4,
H1,2,
H2,2+4,
M7,4,
//S33
M6,4+4+4,
P,4,
0xFF//终止标志
};
项目链接：蜂鸣器——播放音乐
效果如下：
51单片机蜂鸣器演奏天空之城
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