摘要：介紹了基于Proteus 的單片機演奏系統的基本原理、硬件電路及軟件設計。 在編輯樂曲的過程中，每一音符對應著確定的頻率，將每一音符的時間常數和其相應的節拍常數作為一組，按順序將樂曲中的所有常數排列成一個表，然后由查表程序依次取出，產生音符并控制節奏，就可以實現演奏效果。 實驗結果表明，該方案電路簡單，切實可行且效果不錯。
當前的很多用單片機實現音樂演奏的系統都是利用開發板結合仿真器實現的，這種方法不是很復雜，實現也較方便，但是調試不是很方便，且成本也較高。 本文提出的一種基于Proteus 的單片機演奏音樂的方法，非常簡單實用，且該方法基于軟件來實現的，所以成本非常低，調試方便，效果也很不錯，適合于愛好音樂的單片機學習者。 單片機系統的設計分兩大部分：硬件設計部分和軟件設計部分。
1 硬件設計
硬件部分比較簡單，如果在開發板上做實驗可仿下面圖1 電路連接。
AT89C51 單片機的P2.5 口控制一個8550 的三極管，三極管控制電磁蜂鳴器的電源通斷。
如果用Proteus 軟件來仿真的話，電路更加簡單，見圖2。
圖2 在Proteus 環境下用單片機控制蜂鳴器發聲的原理圖。
需要的關鍵元件：單片機和蜂鳴器。
為了便于軟件編程，先要了解單片機唱歌的基本原理。
什么是聲音呢？聲音是空氣的振蕩，不同的振蕩頻率我們就可以聽到不同聲調的聲音。 音的頻譜范圍約在幾十到幾千赫茲。
其次，如何讓蜂鳴器發聲？蜂鳴器有很多種類，但大致分為兩類：有源式（直流電就發聲，但頻率單一）；無源式（根據輸入方波頻率而發出不同的聲音）。 這里選擇無源式蜂鳴器。
單片機唱歌的基本原理：利用程序來控制單處機某個口線出一定頻率的方波到蜂鳴器，蜂鳴器就可以發出一定音調的聲音，若再利用不同的延時程序改變輸出頻率，就可以改變音調，進而就可讓單片機發出"1"、"2","3","4","5","6","7"的音樂。
2 軟件設計
通過軟件延時或者定時器延時來的方式以不同頻率改變口線的的高低電平狀態來實現的。 如果只是讓蜂鳴器發聲這已經夠了。 但是我們要的是唱歌，所以還有一些工作需要作。
2.1 音調
輸出不同頻率的方波，以實現1、2、3、4 等的不同音調；比如，發出200HZ 的音頻，其周期為1/200s,即5ms. 這樣，當 P2.5 的高電平或低電平的持續時間為2.5ms 時，就能發出200HZ 的音調。 我們可以寫一個延時子程序，用R3 來提供參數，R3=1 時，延時為20us,那么R3 取2500/20=125（7DH）時，就可以發出200Hz 的音調，提供不同的R3 常數，可以得到不同的音調變化。
利用通用發聲程序可以編寫樂曲演奏程序，樂曲是按照一定的高低，長短和強弱的關系組成的音調，在一首樂曲中，每音符的音高和音長與頻率和節拍有關（如圖3 所示）。
圖3 音符的音高和音長與頻率的關系
圖3 畫出了兩個音階（一個音階是8 個音符）的鋼琴鍵和每個鍵的音符名及其頻率（HZ），低音階以低C（130.8Hz）到中C（261.7Hz）高音階以中C 到高C（523.3Hz）黑鍵比它旁邊的白鍵高半個音或低半個音。 組成樂曲的每個音符的頻率和持續時間是樂曲程序發聲所需要的兩個重要數據。 頻率可以從圖中得到，音符的持續時間可根據樂曲速度及每個音符的節拍數來確定，是可以從樂譜中得到的。
2.2 節拍
控制一個音符輸出的時間，比如1 拍、1/4 拍。 在4/4（四四拍）中，四分音符為一拍，每小節4 拍，全音符持續4 拍，二分音符持續2 拍，四分音符持續1 拍，八分音符持續半拍。 而全音符需要1s 的時間，則二分音符持續時間為0.5s（50×10ms），四分音符的持續時間為0.25s（25×10ms），八分音符持續時間為0.125s（12.5×10ms）。
知道了音調與頻率和時間的關系，就可以按照樂曲的曲譜將每個音符的頻率和持續時間定義成兩個數據表，然后編寫程序依次取出表中的時間值和頻率值。
僅上所敘還不夠，要準確奏出一首曲子，必須準確地控制樂曲節奏，即一音符的持續時間。 例如，一首曲子的節奏為每分種94 拍，那么一拍就為60/94=0.64s.
音樂的節拍我們可用定時器來控制，簡單的說，一個一拍的音符唱0.64s,我們就設置一個定時器定時0.64s,時間一到就換下一個音符。 但是，由于單片機的T0,在12MHz 晶振下最大定時時間只能為65ms,因此不可能直接用改變T0 的時間初值來實現不同節拍。 如何定時一個更大的時間，我們可以用T0 來產生10ms 的時間基準，然后設置 一個中斷計數器，通過判別中斷計數器的值來控制節拍時間的長短。
例如對1/4 拍音符，定時時間為0.16s,相應的時間常數（中段計數器）為16（即10H）；對3 拍音符，定時時間為1.92s,相應時間長數為192（即C0H）。
2.3 電路實現
因為一首曲子不止一個音符，我們不可能對每一個音符的音階都去"手工"的提供時間常數，為了實現的簡化，我們編制一個將每一音符的時間常數和其相應的節拍常數作為一組，按順序將樂曲中的所有常數排列成的表格，在程序里用查表指令依次查出每一個音符的頻率和對應節拍時間，產生音符并控制節奏，就可以實現演奏效果。
此外，結束符和體止符可以分別用代碼00H 和FFH 來表示，若查表結果為00H,則表示曲子終了；若查表結果為FFH,則產生相應的停頓效果。
為了產生手彈的節奏感，在某些音符（例兩個相同音符）音插入一個時間單位的頻率略有不同的音符。
程序框圖如下圖4. 本程序演奏的是民歌"八月桂花遍地開",C 調，節奏為94 拍/min。
用Keil 對程序進行編譯，見圖5,具體方法可文獻[5],編譯無誤后生成。hex 文件，然后雙擊Proteus環境下的原理圖中的AT89C51,找到這個。 hex 文件，然后點按鈕Play,這時單片機控制的蜂鳴器就可以開始播放音樂了。
圖4 程序流程圖
圖5 在Keil 環境下對程序進行編譯
3 結論
以上介紹的方法已通過測試，運行良好。 對初學單片機者有一定的啟示作用。 讀者也可以自行找出一首歌，將樂曲翻譯成碼表輸入單片機，而程序不變。 本實驗方法簡便，即使不懂音樂的人，也可方便地將一首陌生的曲子翻譯成代碼。
