摘要：Arduino 是一塊基于開放原始代碼的Simple I/O平臺，具有使用簡單，功能多樣，價格低廉等優(yōu)點，廣泛應用于電子系統設計和互動產品開發(fā)方面。系統以ArduinoUNO開發(fā)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(jié)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(jié)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。
　　引言
　　Arduino是一個基于開放原始代碼的Simple 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(fā)，具有使用簡單，功能多樣，價格低廉等優(yōu)點，廣泛應用于電子系統設計和互動產品開發(fā)方面。目前市場所見電子音樂發(fā)聲器調節(jié)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(fā)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(jié)拍，送到無源蜂鳴器和彩色LED，實現了音樂播放和隨音樂節(jié)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(jié)拍）實現電子音樂的DIY，在欣賞美妙音樂的同時，充分發(fā)揮使用者的創(chuàng)造性。
　　1 系統硬件設計
　　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(jié)拍）通過數字端口D8發(fā)送到5V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(fā)出“Do Re Mi Fa Sol La Si”的音樂效果。各數據加上延時（即節(jié)拍數據）即可實現樂曲的播放。無源蜂鳴器的優(yōu)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(jié)奏性的亮滅實現了節(jié)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(fā)聲頻率。Arduino只要把這個頻率數據發(fā)送給蜂鳴器或喇叭，就會發(fā)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262Hz。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(jié)拍
　　除了音高，構成旋律的另一個重要因素是節(jié)拍，即音符演奏的持續(xù)時間。它決定了音樂進行的快慢程度。本發(fā)聲器的設計中，通過讀取旋律的節(jié)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(jié)拍數據。在應用過程中，我們也可以通過調節(jié)基本延時來調節(jié)樂曲速度。頻率數據按照節(jié)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(jié)拍數據，單位是毫秒，unsigned long型。只要把上述頻率和節(jié)拍數據連續(xù)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，loop（ ）作為主體的一個程序構架。本發(fā)聲器的軟件實現過程中， loop（ ）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(fā)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(huán)執(zhí)行。下面以《生日快樂歌》（簡譜見圖3）的第一小節(jié)為例，給出了play（ ）函數的實現過程。