基于MIDI音樂(lè)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

基于MIDI音樂(lè)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)作者：王曉爽夏振華摘要針對(duì)單片機(jī)課程教學(xué)的特點(diǎn)，介紹一個(gè)基于項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的設(shè)計(jì)。該案例利用單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生不同長(zhǎng)度和頻率的方波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)MIDI音樂(lè)的演奏，學(xué)生自由選取自己喜歡的樂(lè)曲，音樂(lè)播放可采用按鍵啟動(dòng)或光電檢測(cè)啟動(dòng)，在實(shí)際教學(xué)應(yīng)用中可以吸引學(xué)生研究單片機(jī)程序的興趣，具有較強(qiáng)的趣味性。關(guān)鍵詞單片機(jī);MIDI音樂(lè);實(shí)驗(yàn)教學(xué)單片機(jī)課程是一門(mén)應(yīng)用性和實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，基于單片機(jī)的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)單片機(jī)課程的方法，該方法具有一定的挑戰(zhàn)性、創(chuàng)造性、開(kāi)拓性和趣味性[1-3]。音樂(lè)是大家都喜愛(ài)的一種藝術(shù)形式，而MIDI技術(shù)是數(shù)字音頻技術(shù)在音樂(lè)制作和處理中的使用。因此，將MIDI音樂(lè)引入單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)，可以極大地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的自主MIDI音樂(lè)是由不同頻率和不同節(jié)拍長(zhǎng)度的正弦信號(hào)（或方波信號(hào)）組成的波形序列，利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生不同長(zhǎng)度和頻率的方波信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)MIDI音樂(lè)的演奏[4-5]。在單片機(jī)程序的控制下，產(chǎn)生與MIDI音樂(lè)對(duì)應(yīng)的波形序列，通過(guò)功率放大和電聲轉(zhuǎn)換產(chǎn)生聲波信號(hào)，通過(guò)人們的聽(tīng)覺(jué)器官（耳朵）欣賞動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)。該實(shí)驗(yàn)還利用光敏電阻檢測(cè)光線(xiàn)強(qiáng)度的變化，來(lái)確認(rèn)是否有人在光敏電阻周?chē)顒?dòng)，當(dāng)有人在附近時(shí)會(huì)自動(dòng)觸發(fā)音樂(lè)程序的執(zhí)的要求，所以采用16位程序初值重裝方式[6]。根據(jù)音符頻率，計(jì)算出定時(shí)器的重裝值，表1中最右邊一欄是定時(shí)器需要裝入的初值[7]。音樂(lè)數(shù)據(jù)由音符（輸出信號(hào)頻率）、節(jié)拍（長(zhǎng)度）和力度（輸出信號(hào)幅度）組成，由于單將信號(hào)簡(jiǎn)化為頻率高低—音符和發(fā)聲的長(zhǎng)度—節(jié)拍兩個(gè)控制參數(shù)[7]。因?yàn)榘ㄐ葜狗l率有16個(gè)狀態(tài)，節(jié)拍不超過(guò)16個(gè)狀態(tài)，所以可把每個(gè)音符的兩個(gè)參數(shù)壓縮在一個(gè)字節(jié)中，用高4現(xiàn)，所以當(dāng)遇到00H時(shí)表示音樂(lè)結(jié)束。其中每首音樂(lè)的長(zhǎng)度由樂(lè)譜數(shù)據(jù)表的長(zhǎng)度控制。樂(lè)譜數(shù)據(jù)表根據(jù)演奏歌曲的簡(jiǎn)譜翻譯得到。音樂(lè)信號(hào)的頻率由定時(shí)器0控制，用一個(gè)16位的變量保存當(dāng)前需要輸出頻率的半周期值，當(dāng)定時(shí)器溢出時(shí)產(chǎn)生中斷，將初值重新裝入定時(shí)器，同時(shí)輸出信號(hào)的引腳取反。當(dāng)定時(shí)器啟動(dòng)后就會(huì)不停地輸出波形，如果要停止波形的產(chǎn)生，用關(guān)閉定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。音樂(lè)信號(hào)的節(jié)拍長(zhǎng)度用定時(shí)器1控制，設(shè)每秒演奏2個(gè)節(jié)拍，每拍8個(gè)基本單元，每秒需），程序基本節(jié)拍時(shí)間到。初值為音符的基本節(jié)拍數(shù)，用一個(gè)軟件計(jì)數(shù)器對(duì)基本節(jié)拍標(biāo)志進(jìn)行計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了通過(guò)按鍵啟動(dòng)和通過(guò)光線(xiàn)變化自動(dòng)啟動(dòng)兩種方式開(kāi)啟音樂(lè)演奏。通過(guò)設(shè)置一個(gè)首先要求學(xué)生課前根據(jù)MIDI音樂(lè)的數(shù)據(jù)構(gòu)成和歌曲簡(jiǎn)譜，利用表2和表3把自己喜歡的2）輸出有節(jié)拍信號(hào)：設(shè)置定時(shí)器1，將方波信號(hào)調(diào)制成間歇信號(hào)，每秒兩次，信號(hào)長(zhǎng)度4）簡(jiǎn)單音樂(lè)信號(hào)輸出：編寫(xiě)音樂(lè)數(shù)據(jù)表，修改演奏程序，完成等長(zhǎng)度音樂(lè)音符的演奏;5）音樂(lè)信號(hào)輸出：編寫(xiě)節(jié)拍控制表，修改演奏程序，完成歌曲的演奏;7）光感應(yīng)啟動(dòng)：用光敏電阻設(shè)計(jì)光檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)變化對(duì)音樂(lè)的啟動(dòng)。該實(shí)驗(yàn)充分利用了單片機(jī)的定時(shí)器資源、中斷資源、比較器資源，用引腳的邏輯操作輸出方波信號(hào)完成MIDI音樂(lè)演奏，具有較強(qiáng)的趣味性。不僅可以引起學(xué)生研究編寫(xiě)單片機(jī)程序的興趣，而且利用光的檢測(cè)和使用揭開(kāi)了自動(dòng)控制的神秘面紗，為后續(xù)學(xué)習(xí)傳感器檢測(cè)課程打下良好基礎(chǔ)。該實(shí)驗(yàn)還可以進(jìn)一步擴(kuò)展，如引入鍵盤(pán)設(shè)計(jì)制作成簡(jiǎn)易電子琴，讓學(xué)生對(duì)電子產(chǎn)品參考文獻(xiàn)[1]曹建樹(shù)，代峰燕，俞建榮，等.應(yīng)用型工科院