单片机音乐中音调和节拍的确定方法.doc

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：1BD；277（频率）升D调：1#D，也就是降E调：1BE；311升F调：1#F，也就是降G调：1BG；369升G调：1#G，也就是降A调：1BA；415升A调：1#A，也就是降B调：1BB。466,C 262 #C277 D 294 #D(bE)311 E 330 F 349 #F369 G 392 #G415A 440. #A466 B 494所谓1A，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”。1C，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1i八音区为例，12个半音是：11、12、22、23、34、44，45、5一5、56、66、67、7i。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 = 440 Hz,其对应的周期为：T = 1/ f = 1/440 =2272s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 = 1136s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) / 256TL = THL % 256 = ( TALL t* f0/12) %256将t=1136s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 = FBHTL440Hz = (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400500ms 。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Hz262277293311329349370392415440466494TH/TLF88BF8F2F95BF9B7FA14FA66FAB9FB03FB4AFB8FFBCFFC0BC调音符11#22#344#55#66#7频率Hz523553586621658697739783830879931987TH/TLFC43FC78FCABFCDBFD08FD33FD5BFD81FDA5FDC7FDE7FE05C调音符频率Hz104511061171124113161393147615631658175518601971TH/TLFB21FE3CFE55FE6DFE84FE99FEADFEC0FE02FEE3FEF3FF02音符与频率关系小结电子工程师之路 2010-04-21 16:37:07 阅读20 评论0 字号：大中小 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1/523 S=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9.1 C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1DO 262 63628 #1DO# 277 63731 低2RE 294 63835 #2RE# 311 63928 低3M 330 64103 低4FA 349 64103 #4FA# 370 64260 低5SO 392 64260 #5SO# 415 64331 低6LA 440 64400 #6 466 64463 低7SI 494 64524 中1DO 523 64580 #1DO# 554 中2RE 578 FC9F;#2RE# 622 中3MI 659 FD09;中4FA 698 FD34#4FA# 740中5SO 784 FD82#5SO# 831中6LA 880 FDC8#6LA# 932中7SI 988 FE06 （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1 1/4拍 1 1/8拍2 2/4拍 2 1/4拍3 3/4拍 3 3/8拍4 1拍 4 1/2拍5 1又1/4拍 5 5/8拍6 1又1/2拍 6 3/4拍7 1又3/4拍 7 7/8拍8 2拍 8 1拍9 2又1/4拍 9 1又1/8拍A 2又1/2拍 A 1又1/4拍B 2又3/4拍 B 1又3/8拍C 3拍 C 1又1/2拍D 3又1/4拍 D 1又5/8拍E 3又1/2拍 E 1又3/4拍F 3又3/4拍 F 1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 4/4 125ms 62ms 3/4 187ms 94ms 2/4 250ms 125ms 这个需要自己把乐谱转换为十六进制数据：相关知识： 1.要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（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时间再对I/O反相，就可在I/O脚上得到此频率的脉冲。 2.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。 3.例如频率为523Hz，其周期T=1/523=1912us，因此只要令计数器计时956us/1us=956,在每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。 计数脉冲值与频率的关系公式如下： N=Fi2Fr N：计数值； Fi：内部计时一次为1us，故其频率为12MHz； Fr：要产生的频率； 4.其计数值的求法如下： T=65536-N=65536-Fi2Fr 例如：设K=65536，F=1000000=Fi=1MHz，求低音DO（261MHz）、中音DO（523MHz）、高音DO（1046MHz）的计数值。 T=65536-N=65536-Fi2Fr=65536-10000002Fr=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 5.C调各音符频率与计数值T的对照表如下：表1 C调各音符频率与计数值T的对照表音符 低1DO 频率（Hz） 简谱码（T值） 音符 频率（Hz） 简谱码（T值） 262 63628 #4FA# 740 64860#1DO# 277 63731 中5SO 784 64898低2RE#2RE# 294 63835 #5SO# 831 64934 311 63928 中6LA 880 64968低3M 330 64021 #6 932 64994低4FA 349 64103 中7SI 988 65030#4FA# 370 64185 高1DO 1046 65058低5SO 392 64260 #1DO# 1109 65085#5SO# 415 64331 高2RE 1175 65110低6LA 440 64400 #2RE# 1245 65134#6 466 64463 高3M 1318 65157低7SI 494 64524 高4FA 1397 65178中1DO 523 64580 #4FA# 1480 65198#1DO# 554 64633 高5SO 1568 65217中2RE 587 64684 #5SO# 1661 65235#2RE# 622 64732 高6LA 1760 65252中3M 659 64777 #6 1865 65268中4FA 698 64820 高 1967 65283表2 节拍与节拍码对照节 拍 码 节 拍 数 节 拍 码 节 拍 数1 1/4拍 1 1/8拍2 2/4拍 2 1/4拍3 3/4拍 3 3/8拍4 1拍 4 1/2拍5 1又1/4拍 5 5/8拍6 1又1/2拍 6 3/4拍8 2拍 8 1A 2又1/2拍 A 1又1/4拍C 3拍 C 1又1/2拍F 3又3/4拍 表3各调1/4节拍的时间设定 各调1/4节拍的时间设定曲 调 值 DELAY 曲 调 值 DELAY调4/4 125毫秒 调4/4 62毫秒调3/4 187毫秒 调3/4 94毫秒调2/4 250毫秒 调2/4 125毫秒1/4拍的延迟时间=187毫秒DELAY: MOV R7,#02D2: MOV R4,#187 别的延迟值，只需修改这儿的值为相应值，即可。D3: MOV R3,#248 DJNZ R3,$ DJNZ R4,D3 DJNZ R7,D2 DJNZ R5,DELAY 节拍值放在R5，决定节拍 RET建立音乐的步骤： 1. 先把乐谱的音符找出，然后建立T值表的顺序。 2. 把T值表建立在TABLE1，构成发音符是计数值放在“TABLE”。 3. 简谱码（音符）为高位，节拍为（节拍数）为低4位，音符节拍码放在程序的“TABLE”处。相关知识： 每一音符使用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，表2为节拍与节拍码的对照。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 。假使1/4拍为1DELAY，则1拍应为4DELAY，以此类推。所以只要求得1/4拍的DEALY时间，其余的节拍就是它的倍数，如表3为1/4和1/8节拍的时间设定。简 谱 发 音 简 谱 码 T值5 低音SO 1 642606 低音LA 2 644007 低音TI 3 645241 中音DO 4 645802 中音RE 5 646843 中音MI 3 647774 中音FA 7 648205 中音SO 8 648986 中音LA 9 649687 中音TI A 650301 高音DO B 650582 高音RE C 651103 高音MI D 651574 高音FA E 651785 高音SO F 65217 不发音 0 节 拍 码 节 拍 数1 1/4拍2 2/4拍3 3/4拍4 1拍5 1又1/4拍6 1又1/2拍8 2拍A 2又1/2拍C 3拍F 3又3/4拍表4 简谱对应的简谱码、T值、节拍数 #include reg51.h #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar * TABLE ; code uint TABLE1 15=64260,64400,64524,64580, 64684,64777,64820,64898, 64968,65030,65058,65110, 65157,65178,65217; code uchar SONG = /1. 迟来的爱 /0 0x08,0x08, /1 0x02,0x12,0x42,0x62,0x52,0x42,0x21,11, 0x18,0x18, 0x02,0x22,0x42,0x82,0x92,0x82,0x61,0x51,0x42, 0x58,0x58, /2 0x66,0x51,0x61,0x84,0x62,0x82, 0x52,0x62,0x42,0x52,0x28, 0x52,0x42,0x52,0x62,0x94,0x81,0x91,0x81,0x61, 0x1C,0x12,0x82, /3 0x68,0x02,0x92,0x82,0x42, 0x5C,0x12,0x62, 0x58,0x02,0x42,0x51,0x41,0x22, 0x4C,0x62,0x52, /4 0x66,0x82,0x92,0x82,0x61,0x51,0x41,0x51, 0x6C,0x52,0x62, 0x53,0x63,0x52,0x42,0x42,0x22, 0x1C,0x12,0x22, /5 0x42,0x44,0x51,0x61,0x82,0x84,0x61,0x81, 0x96,0x82,0x66,0x51,0x61, 0x56,0x42,0x22,0x42,0x82,0x62, 0x5C,0x62,0x52, /6 0x66,0x82,0x92,0x82,0x61,0x51,0x41,0x51, 0x6C,0x52,0x62, 0x56,0x62,0x52,0x42,0x42,0x22, 0x1C,0x12,0x22, /7 0x42,0x44,0x51,0x61,0x82,0x84,0x61,0x81, 0x96,0x82,0x66,0x51,0x61, 0x56,0x62,0x92,0x82,0x62,0x52, 0x4C,0x62,0x61,0x81, /8 0x9C,0x81,0x91,0x81,0x61, 0x6C,0x82,0x62, 0x56,0x42,0x24,0x42,0x52, 0x6C,0x62,0x61,0x81, /9 0x9C,0xB2,0x92, 0x8C,0x82,0x92, 0xB2,0xB2,0xB2,0x92,0xD4,0xC1,0xD1,0xC1,0xB1, 0xCC,0xB2,0xB1,0xC1, /A 0xDC,0xD2,0xC1,0xB1, 0x9C,0x92,0x91,0xC1, 0x92,0x84,0x92,0x82,0x62,0x51,0x61,0x51,0x41, 0x48,0x48, /B 0x42,0x41,0x51,0x66,0x82,0x91,0xB1, 0x92,0x86,0x88, 0x42,0x41,0x51,0x66,0x42,0x41,0x51, 0x22,0x16,0x18, 0x86,0x62,0x58, /C 0x83,0x91,0x62,0x82,0x58, 0x52,0x62,0x52,0x42,0x22,0x12,0x62,0x52, 0x4C,0x62,0x52, /6 0x66,0x82,0x92,0x82,0x61,0x51,0x41,0x51, 0x6C,0x52,0x62, 0x56,0x62,0x52,0x42,0x42,0x22, 0x1C,0x12,0x22, /7 0x42,0x44,0x51,0x61,0x82,0x84,0x61,0x81, 0x96,0x82,0x66,0x51,0x61, 0x56,0x62,0x92,0x82,0x62,0x52, 0x4C,0x62,0x61,0x81, /8 0x9C,0x81,0x91,0x81,0x61, 0x6C,0x82,0x62, 0x56,0x42,0x24,0x42,0x52, 0x6C,0x62,0x61,0x81, /9 0x9C,0xB2,0x92, 0x8C,0x82,0x92, 0xB2,0xB2,0xB2,0x92,0xD4,0xC1,0xD1,0xC1,0xB1, 0xCC,0xB2,0xB1,0xC1, /A 0xDC,0xD2,0xC1,0xB1, 0x9C,0x92,0x91,0xC1, 0x92,0x84,0x92,0x82,0x62,0x51,0x61,0x51,0x41, 0x4C,0x62,0x61,0x81, /8 0x9C,0x81,0x91,0x81,0x61, 0x6C,0x82,0x62, 0x56,0x42,0x24,0x42,0x52, 0x6C,0x62,0x61,0x81, /9 0x9C,0xB2,0x92, 0x8C,0x82,0x92, 0xB2,0xB2,0xB2,0x92,0xD4,0xC1,0xD1,0xC1,0xB1, 0xCC,0xB2,0xB1,0xC1, /A 0xDC,0xD2,0xC1,0xB1, 0x9C,0x92,0x91,0xC1, 0x92,0x84,0x92,0x82,0x62,0x51,0x61,0x51,0x41, 0x4C,0x62,0x61,0x81, /D 0x66,0x51,0x61,0x86,0x61,0x81, 0x52,0x62,0x52,0x42,0x28, 0x82,0x91,0x01,0x62,0x11,0x52,0x11,0x01,0x62,0x54, 0x48,0x48,0x00