单片机音乐中音调和节拍的确定方法.docx

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单片机音乐中音调和节拍的确定方法

调号-音乐上指用以确定乐曲主音高度的符号。

很明显一个八度就有12个半音。

A、B、C、D、E、F、G。

经过声学家的研究，全世界都用这些字母来表示固定的音高。

比如，A这个音，标准的音高为每秒钟振动440周。

升C调：

1＝#C，也就是降D调：

1＝BD；277（频率）

升D调：

1＝#D，也就是降E调：

1＝BE；311

升F调：

1＝#F，也就是降G调：

1＝BG；369

升G调：

1＝#G，也就是降A调：

1＝BA；415

升A调：

1＝#A，也就是降B调：

1＝BB。

466,

C262#C277D294#D（bE）311E330F349#F369G392#G415

A440.#A466B494

所谓1＝A，就是说，这首歌曲的“导”要唱得同A一样高，人们也把这首歌曲叫做A调歌曲，或叫“唱A调”。

1＝C，就是说，这首歌曲的“导”要唱得同C一样高，或者说“这歌曲唱C调”。

同样是“导”，不同的调唱起来的高低是不一样的。

各调的对应的标准频率为：

单片机演奏音乐时音调和节拍的确定方法

经常看到一些刚学单片机的朋友对单片机演奏音乐比较有兴趣，本人也曾是这样。

在此，本人将就这方面的知识做一些简介，但愿能对单片机演奏音乐比较有兴趣而又不知其解的朋友能有所启迪。

一般说来，单片机演奏音乐基本都是单音频率，它不包含相应幅度的谐波频率，也就是说不能象电子琴那样能奏出多种音色的声音。

因此单片机奏乐只需弄清楚两个概念即可，也就是“音调”和“节拍”。

音调表示一个音符唱多高的频率，节拍表示一个音符唱多长的时间。

在音乐中所谓“音调”，其实就是我们常说的“音高”。

在音乐中常把中央C上方的A音定为标准音高，其频率f=440Hz。

当两个声音信号的频率相差一倍时，也即f2=2f1时，则称f2比f1高一个倍频程,在音乐中1（do）与

，2（来）与

……正好相差一个倍频程，在音乐学中称它相差一个八度音。

在一个八度音内，有12个半音。

以1—i八音区为例，　12个半音是：

1—＃1、＃1—2、2—＃2、＃2—3、3—4、4—＃4，＃4—5、5一＃5、＃5—6、6—＃6、＃6—7、7—i。

这12个音阶的分度基本上是以对数关系来划分的。

如果我们只要知道了这十二个音符的音高，也就是其基本音调的频率，我们就可根据倍频程的关系得到其他音符基本音调的频率。

知道了一个音符的频率后，怎样让单片机发出相应频率的声音呢？

一般说来，常采用的方法就是通过单片机的定时器定时中断，将单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反，或者说来回清零，置位，从而让蜂鸣器发出声音，为了让单片机发出不同频率的声音，我们只需将定时器予置不同的定时值就可实现。

那么怎样确定一个频率所对应的定时器的定时值呢？

以标准音高A为例：

A的频率f=440Hz,其对应的周期为：

T=1/f=1/440=2272μs

由上图可知,单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反的时间应为：

t=T/2=2272/2=1136μs

这个时间t也就是单片机上定时器应有的中断触发时间。

一般情况下，单片机奏乐时，其定时器为工作方式1，它以振荡器的十二分频信号为计数脉冲。

设振荡器频率为f0，则定时器的予置初值由下式来确定：

t=12*（TALL–THL）/f0

式中TALL=216=65536,THL为定时器待确定的计数初值。

因此定时器的高低计数器的初值为：

TH=THL/256=（TALL–t*f0/12）/256

TL=THL%256=（TALL–t*f0/12）%256

将t=1136μs代入上面两式（注意：

计算时应将时间和频率的单位换算一致），即可求出标准音高A在单片机晶振频率f0=12Mhz，定时器在工作方式1下的定时器高低计数器的予置初值为：

TH440Hz=（65536–1136*12/12）/256=FBH

TL440Hz=（65536–1136*12/12）%256=90H

根据上面的求解方法，我们就可求出其他音调相应的计数器的予置初值。

音符的节拍我们可以举例来说明。

在一张乐谱中，我们经常会看到这样的表达式，如1=C

、1=G

……等等，这里1=C,1=G表示乐谱的曲调，和我们前面所谈的音调有很大的关联，

、

就是用来表示节拍的。

以

为例加以说明，它表示乐谱中以四分音符为节拍，每一小结有三拍。

比如：

其中1、2为一拍，3、4、5为一拍，6为一拍共三拍。

1、2的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，3、4的时长为八分音符的一半，即为十六分音符长，5的时长为四分音符的一半，即为八分音符长，6的时长为四分音符长。

那么一拍到底该唱多长呢？

一般说来，如果乐曲没有特殊说明，一拍的时长大约为400—500ms。

我们以一拍的时长为400ms为例，则当以四分音符为节拍时，四分音符的时长就为400ms，八分音符的时长就为200ms，十六分音符的时长就为100ms。

可见，在单片机上控制一个音符唱多长可采用循环延时的方法来实现。

首先，我们确定一个基本时长的延时程序，比如说以十六分音符的时长为基本延时时间，那么，对于一个音符，如果它为十六分音符，则只需调用一次延时程序，如果它为八分音符，则只需调用二次延时程序，如果它为四分音符，则只需调用四次延时程序，依次类推。

通过上面关于一个音符音调和节拍的确定方法，我们就可以在单片机上实现演奏音乐了。

具体的实现方法为：

将乐谱中的每个音符的音调及节拍变换成相应的音调参数和节拍参数，将他们做成数据表格，存放在存储器中，通过程序取出一个音符的相关参数，播放该音符，该音符唱完后，接着取出下一个音符的相关参数……，如此直到播放完毕最后一个音符，根据需要也可循环不停地播放整个乐曲。

另外，对于乐曲中的休止符，一般将其音调参数设为FFH，FFH，其节拍参数与其他音符的节拍参数确定方法一致，乐曲结束用节拍参数为00H来表示。

下面给出部分音符（三个八度音）的频率以及以单片机晶振频率f0=12Mhz，定时器在工作方式1下的定时器高低计数器的予置初值：

C调音符

频率Hz

262

277

293

311

329

349

370

392

415

440

466

494

TH/TL

F88B

F8F2

F95B

F9B7

FA14

FA66

FAB9

FB03

FB4A

FB8F

FBCF

FC0B

C调音符

频率Hz

523

553

586

621

658

697

739

783

830

879

931

987

TH/TL

FC43

FC78

FCAB

FCDB

FD08

FD33

FD5B

FD81

FDA5

FDC7

FDE7

FE05

C调音符

频率Hz

1045

1106

1171

1241

1316

1393

1476

1563

1658

1755

1860

1971

TH/TL

FB21

FE3C

FE55

FE6D

FE84

FE99

FEAD

FEC0

FE02

FEE3

FEF3

FF02

音符与频率关系小结

电子工程师之路2010-04-2116:

37:

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乐曲中不同的音符实质上表示的是不同频率的声音。

在单片机中要发出不同频率的声音，只要产生不同频率的脉冲，再通过喇叭等播放出来即可。

又由于方波容易用定时器产生，故一般单片机使用方波脉冲。

（1）单片机产生不同频率脉冲信号的原理：

要产生音频脉冲，只要算出某一音频的脉冲（1/频率），然后将此周期除以2，即为半周期的时间，利用定时器计时这个半周期的时间，每当计时到后就将输出脉冲的I/O反相，然后重复计时此半周期的时间再对I/O反相，就可以在I/O脚上得到此频率的脉冲。

（可根据下图理解）

以8051单片机为例（8051单片机的定时器每次计数时间为1us）。

利用8051的内部定时器使其工作在计数器模式MODE1下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法如下：

例如，频率为523Hz，其周期为1/523S=1912uS，因此只要令计数器计时956，在每计数956次时就将I/O反接，就可得到中音DO（532Hz）。

其计数值N可以根据以下公式得到：

2N=Fi/Fr（Fi为内部时钟频率，Fr为对应音符频率）

而单片机定时器所需的预计数值T=65536-N=65536-Fi/2/Fr

计算举例：

设F=1000000=Fi=1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。

T=65536-N=65536-Fi/2/Fr=65536-1000000/2/Fr=65536-500000/Fr

低音DO的T=65536-500000/262=63627

中音DO的T=65536-500000/523=64580

高音DO的T=65536-500000/1047=65059

附表：

音符与频率对应表

（“#”表示半音，用于上升或下降半个音）

表9.1C调各音符频率与计数值T的对照表

音符频率（Hz）简谱码T值

低1DO26263628

#1DO#27763731

低2RE29463835

#2RE#31163928

低3M33064103

低4FA34964103

#4FA#37064260

低5SO39264260

#5SO#41564331

低6LA44064400

#646664463

低7SI49464524

中1DO52364580

#1DO#554

中2RE578FC9F;

#2RE#622

中3MI659FD09;

中4FA698FD34

#4FA#740

中5SO784FD82

#5SO#831

中6LA880FDC8

#6LA#932

中7SI988FE06

（2）节拍

每个音符使用1个字节，字节的高4位代表音符的高低，低4位代表音符的节拍，下表为节拍码的对照。

但如果1拍为0.4秒，1/4拍是0.1秒，只要设定延迟时间就可求得节拍的时间。

假设1/4节拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY，以此类推。

所以只要求得1/4拍的DELAY时间，其余的节拍就是它的倍数，如下表为1/4和1/8节拍的时间设定。

表9.2节拍码对照表

1/4节拍1/8节拍

节拍码节拍数节拍码节拍数

11/4拍11/8拍

22/4拍21/4拍

33/4拍33/8拍

41拍41/2拍

51又1/4拍55/8拍

61又1/2拍63/4拍

71又3/4拍77/8拍

82拍81拍

92又1/4拍91又1/8拍

A2又1/2拍A1又1/4拍

B2又3/4拍B1又3/8拍

C3拍C1又1/2拍

D3又1/4拍D1又5/8拍

E3又1/2拍E1又3/4拍

F3又3/4拍F1又7/8拍

节拍延时参考：

曲调1/4拍的延迟时间1/8拍的延迟时间

4/4125ms62ms

3/4187ms94ms

2/4250ms125ms

这个需要自己把乐谱转换为十六进制数据：