引言
Arduino是一个基于开放原始代码的Simple I/O平台，由硬件(MCU及外围电路)和软件(编程接口和语言)两部分组成。它基于单片机系统开发，具有使用简单，功能多样，价格低廉等优点，广泛应用于电子系统设计和互动产品开发方面。目前市场所见电子音乐发声器调节不便，价格较高，不能很好地实现和使用者的交互。本电子音乐发声器的设计以ArduinoUNO板为控制核心，在相关乐理基础知识上，充分利用Arduino编辑器自带Tone扩展库，以数组形式输出各音符的指定频率和节拍，送到无源蜂鸣器和彩色LED，实现了音乐播放和随音乐节奏亮灭的LED效果。在操作方面，可以通过简单修改数组数据(音高和节拍)实现电子音乐的DIY，在欣赏美妙音乐的同时，充分发挥使用者的创造性。
1 系统硬件设计
本发声器以ArduinoUNO为控制核心，外部电路包括控制电路、蜂鸣器电路、LED显示节奏电路，系统硬件电路图如图1所示。开关S1对整个电路起控制作用，当检测到开关按下，即D3端口为高电平时，电路开始工作。预先组织好的音符数据(音高和节拍)通过数字端口D8发送到5V无源蜂鸣器J1，无源蜂鸣器接收到特定频率的(即特定的音高)方波去驱动它，可以发出“Do Re Mi Fa Sol La Si”的音乐效果。各数据加上延时(即节拍数据)即可实现乐曲的播放。无源蜂鸣器的优点是声音频率可控，可以和LED复用一个控制口。所以，D8端口的数据同时加到LED1、LED2、LED3上时，其节奏性的亮灭实现了节拍的显示。
2 软件设计
2.1 乐曲播放原理
2.1.1 单音符的演奏原理
一首乐曲由若干音符组成。从物理的角度来说，每一个音符唯一对应一个发声频率。Arduino只要把这个频率数据发送给蜂鸣器或喇叭，就会发出对应的音符。Arduino IDE自带的头文件“pitches.h”中以宏定义的形式给出了各个音符和频率的对应关系表。例如“#define NOTE_C4 262”语句给出了钢琴标准键盘小字一组C4(唱名为Do)按键对应的频率是262Hz。因此，只要能够识别给定的乐谱，就能得到一组对应该乐曲的频率数据，即制作出其数组形式的韵律函数。
2.1.2 节拍
除了音高，构成旋律的另一个重要因素是节拍，即音符演奏的持续时间。它决定了音乐进行的快慢程度。本发声器的设计中，通过读取旋律的节拍速度，来确定基本的延时单位。如二分音符为一拍，每拍延时1/2秒，则四分音符延时1/4秒，八分音符延时为1/8秒，均为基本延时的偶数倍。最终，采用了noteDurations[thisNote]数组来存放每个音符的节拍数据。在应用过程中，我们也可以通过调节基本延时来调节乐曲速度。频率数据按照节拍数据的延时来驱动蜂鸣器，就实现了一首乐曲的播放。
2.2 乐曲播放的软件实现
ArduinoIDE包含的Tone库可以很方便地帮助用户制作音乐。本设计主要采用了Tone(pin, frequency, duration)函数来产生电子音乐。此函数中，pin表示频率数据的数字输出接口，int型;frequency是音符频率，int型;duration是节拍数据，单位是毫秒，unsigned long型。只要把上述频率和节拍数据连续赋值给Tone函数，就可以实现乐曲的播放，系统软件实现的程序流程图见图2。
Arduino语言是以setup( )开头，loop( )作为主体的一个程序构架。本发声器的软件实现过程中， loop( )函数内部包含了控制按键判断函数，乐曲播放函数和延时函数。其中，乐曲播放函数play( )是发声器软件实现的核心语句，函数内所有语句周而复始地循环执行。下面以《生日快乐歌》(简谱见图3)的第一小节为例，给出了play( )函数的实现过程。
int melody[] = {
NOTE_G4,//5
NOTE_G4,//5
NOTE_A4,//6
NOTE_G4,//5
NOTE_C5,//1.
NOTE_B4,//7
0,
……};
int noteDurations[] = {
8,8,4,4,4,4,
4,
……
};
void play()
{
for (int thisNote = 0; thisNote < 29; thisNote++)
{
int noteDuration = 1000/noteDurations[thisNote];
tone(8, melody[thisNote],noteDuration);
int pauseBetweenNotes = noteDuration * 1.30;
delay(pauseBetweenNotes);
noTone(8);
}}
3 结论
本系统利用了目前较为流行的Arduino电子互动平台，通过对ARDUINO IDE平台进行软件开发来控制外围部件，实现了电子音乐的播放和节奏的显示。Arduino是基于源代码的软硬件平台，具有价格便宜，互动多样，支持实时ISP在线烧录等特点。因此，本发声器价格低廉，操作简单，编辑方便，节拍速度可以调节，灵活性较高。该发声器功能可以进一步拓展，如果使用者具有一定的音乐素养，可以实现电子音乐DIY,为生活添加乐趣。
(审核编辑: 林静)
