用單片機驗證音調(diào)高低與振動頻率的關(guān)系

吝歡歡，任新成，王玉清

延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西延安716000

1引言

“音調(diào)”是物理8年級上冊《聲音的特性》一節(jié)中的重要概念。我們都知道，聲音的高低叫做音調(diào)，在日常生活中，我們可以通過聽覺的不同感受來辨別音調(diào)的高低。但是，由于對發(fā)聲體的振動頻率我們無法直觀感知，更難以獲得準確的數(shù)據(jù)。所以，“音調(diào)高低與振動頻率的關(guān)系”就成為本節(jié)的教學(xué)難點。因此，如何讓學(xué)生更好地感受音調(diào)的高低、明確振動頻率的大小，并進一步得到兩者的相互關(guān)系就成為教學(xué)的關(guān)鍵所在[1]。

利用AT89C51單片機的定時器中斷功能，通過改變蜂鳴器的發(fā)聲頻率來控制音調(diào)高低，模擬簡易電子琴的工作過程。能夠使學(xué)生更加直觀地感受物理現(xiàn)象，精確驗證音調(diào)高低與發(fā)聲體振動頻率的關(guān)系，總結(jié)物理規(guī)律。而且單片機操作系統(tǒng)成本低廉 （一般在二三十元不等），性價比高，為學(xué)習(xí)和應(yīng)用提供了便利條件。

2 實驗基本原理介紹

2.1 AT89C51單片機簡介

AT89C51單片機是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機，內(nèi)含4KB可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ROM）和128KB隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，并且兼容MCS-51指令系統(tǒng)。

圖1 AT89C51單片機控制蜂鳴器電路圖

2.2 AT89C51單片機控制發(fā)聲系統(tǒng)

AT89C51單片機控制發(fā)聲系統(tǒng)[2]如圖1所示，它是由單片機、時鐘電路、復(fù)位電路、按鍵電路和蜂鳴器電路組成。其中，時鐘電路由一個12 MHz的晶振和兩個33 pF的電容組成，它們決定了單片機的工作時間精度為1 μs。該系統(tǒng)采用按鍵手動復(fù)位方式，即在單片機運行期間，用手動按鍵的方式使單片機初始化。系統(tǒng)利用P1口的P1.0-P1.7引腳設(shè)置了8個獨立按鍵，當有鍵按下時，P1口相應(yīng)的引腳置為低電平，單片機接收脈沖信號。在實驗中，我們用其中P1.0-P1.6這7個引腳分別來控制C調(diào)中音的7個音調(diào)。蜂鳴器電路主要由蜂鳴器、PNP型三極管和一個電阻組成，低電平有效，即當向電路輸入高電平（P3.0引腳置1）時，蜂鳴器中無電流通過，電路不發(fā)聲；當向其輸入低電平（P3.0引腳置0）時，蜂鳴器中有電流通過，產(chǎn)生蜂鳴。我們可以通過控制高、低電平的持續(xù)時間來形成不同頻率的脈沖電壓，驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲，從而實現(xiàn)對音調(diào)高低的控制。

2.3 音調(diào)控制原理

當單片機[3]內(nèi)部定時器/計數(shù)器T0工作在計數(shù)器模式1時，寄存器TH0和TL0是以全部16位參與工作，計數(shù)長度為216=65 536。我們就可以通過改變計數(shù)初值TH0、TL0來產(chǎn)生不同的頻率。 例如，C 調(diào)中音 1（do）的音頻 f=523 Hz，周期s=1912 μs，定時器的定時時間為μs=956 μs，即每經(jīng)過 956 μs，使輸出口改變一次脈沖電壓。定時器的計數(shù)值=956，則裝入T0計數(shù)器初值65 536-956=64 580，即啟動T0工作后，每計數(shù)956次時將產(chǎn)生溢出中斷，進入中斷服務(wù)后將P3.0（RXD）引腳輸出電平取反就可得到中音do的音符頻率，如圖2所示。

圖2 音符脈沖波形圖

同理，C調(diào)中音各音符的頻率與計數(shù)初值如表1所示。

表1 C調(diào)中音各音符的頻率與計數(shù)初值對照表

3 實驗過程

我們使用Keil C51軟件的C語言編寫程序來實現(xiàn)實驗?zāi)康摹?/p>

3.1 準備工作

首先，啟動Keil C51軟件進入編輯界面，單擊“Project”菜單，在彈出的下拉子菜單中選擇“New Project”選項建立新工程，選擇文件保存路徑，輸入工程文件名后點擊保存，在彈出的對話框中選擇相應(yīng)的單片機型號，即Atmel公司的AT89C51型單片機，點擊確定按鈕。然后，在編輯界面“File”菜單的下拉子菜單中單擊“New”選項新建文件。 再單擊“File”菜單下的“Save As”選項保存該文件，在彈出的對話框中“文件名”欄內(nèi)輸入文件名及對應(yīng)的擴展名，如“test.c”。單擊“保存”按鈕后回到編輯界面，單擊“Target 1”前面的“+”號，在“Source Group 1”上單擊右鍵后再單擊“Add Files to Group‘Source Group 1’”。 最后，在彈出的對話框中選中文件test.c，單擊 “Add”按鈕，如圖3所示。

圖3 Keil C51編輯界面

3.2 輸入程序和編譯

在KeilC51的編輯界面輸入如下C語言源程序：

#include＜reg51.h＞ //包含51單片機寄存器定義的頭文件

sbit key1=P1^0; //將key1位定義為P1.0引腳

sbit key2=P1^1; //將key2位定義為P1.1引腳

sbit key3=P1^2; //將key3位定義為P1.2引腳

sbit key4=P1^3; //將key4位定義為P1.3引腳

sbit key5=P1^4; //將key5位定義為P1.4引腳

sbit key6=P1^5; //將key6位定義為P1.5引腳

sbit key7=P1^6; //將key7位定義為P1.6引腳

sbit sound=P3^0; //將sound位定義為P3.0

unsigned int C; //定義全局變量，儲存定時器的定時常數(shù)

unsigned long n; //定義無符號數(shù)n

//以下是C調(diào)中音的音頻宏定義

#define do 64580 //將“do”宏定義為中音“1”的初值64580

#define re 64687 //將“re”宏定義為中音“2”的初值64687

#define mi 64780 //將“mi”宏定義為中音“3”的初值64780

#define fa 64822 //將“fa”宏定義為中音“4”的初值64822

#define sol 64900 //將“sol”宏定義為中音“5”的初值64900

#define la 64969 //將“l(fā)a”宏定義為中音“6”的初值64969

#define si 65031 //將“si”宏定義為中音“7”的初值65031

timer0()interrupt 1 //函數(shù)功能：產(chǎn)生中斷，改變脈沖電壓

{TH0=C/256; //對16位計數(shù)器高8位TH0賦值

TL0=C%256; //對16位計數(shù)器低8位TL0賦值

sound=～sound;} //取反形成脈沖電壓，輸出音頻

void main(void) //函數(shù)功能：主函數(shù)

{TMOD=0x01; //使用定時器0的工作模式1

ET0=1; //定時器T0中斷允許

EA=1; //開總中斷

while(1) //無限循環(huán)，按鍵掃描

{if(key1==0) //檢測key1鍵按下

{for(n=0;n＜5000;n++); //延時 5ms，按鍵消抖，防止誤操作

while(!key1) //如果key1鍵按下，循環(huán)指令

{C=do; //將中音do的初值賦給C

TR0=1;}} //開定時器T0

if(key2==0) //檢測key2鍵按下

{for(n=0;n＜5000;n++); //延時 5ms，按鍵消抖，防止誤操作

while(!key2) //如果key2鍵按下，循環(huán)指令

{C=re; //將中音re的初值賦給C

TR0=1;}} //開定時器T0

if(key3==0) //檢測key3鍵按下

{for(n=0;n＜5000;n++); //延時 5ms，按鍵消抖，防止誤操作

while(!key3) //如果key3鍵按下，循環(huán)指令

{C=mi; //將中音mi的初值賦給C

TR0=1;}} //開定時器T0

if(key4==0) //檢測key4鍵按下

{for(n=0;n＜5000;n++); //延時 5ms，按鍵消抖，防止誤操作

while(!key4) //如果key4鍵按下，循環(huán)指令

{C=fa; //將中音fa的初值賦給C

TR0=1;}} //開定時器T0

if(key5==0) //檢測key5鍵按下

{for(n=0;n＜5000;n++); //延時 5ms，按鍵消抖，防止誤操作

while(!key5) //如果key5鍵按下，循環(huán)指令

{C=sol; //將中音sol的初值賦給C

TR0=1;}} //開定時器T0

if(key6==0) //檢測key6鍵按下

{for(n=0;n＜5000;n++); //延時 5ms，按鍵消抖，防止誤操作

while(!key6) //如果key6鍵按下，循環(huán)指令

{C=la; //將中音la的初值賦給C

TR0=1;}} //開定時器T0

if(key7==0) //檢測key7鍵按下

{for(n=0;n＜5000;n++); //延時 5ms，按鍵消抖，防止誤操作

while(!key7) //如果key7鍵按下，循環(huán)指令

{C=si; //將中音si的初值賦給C

TR0=1;}} //開定時器T0

TR0=0; //關(guān)定時器

sound=1;}} //關(guān)蜂鳴器

程序輸入完畢后，單擊“Project”菜單下的“Built Target”選項，確認編譯無誤，如圖4所示。

圖4 Keil C51程序編譯界面

3.3 調(diào)試和下載

依次單擊 “Debug”菜單下的“Start/Stop Debug Session”和“Go”選項調(diào)試運行，然后再依次單擊 “Stop Running” 和 “Start/Stop Debug Session”選項停止運行。選擇“Project”菜單下的“Options for Target ‘Target 1’”選項 ，在彈出的對話框中將“Target”選項卡的Xtal(MHz)一欄輸入 12，選擇“Output”選 項 卡中的“Create HEX File”選項，點擊確定按鈕，使程序編譯后產(chǎn)生HEX代碼，最后用燒錄軟件（STC-ISP）將程序下載至AT89C51單片機中即可，如圖5所示。

圖5 程序下載界面

4 實驗小結(jié)

利用AT89C51單片機的基本操作功能，可以用實驗的方法精確驗證音調(diào)高低與發(fā)聲體振動頻率的關(guān)系，使學(xué)生更加清晰、直觀地感受物理現(xiàn)象，自主總結(jié)物理規(guī)律，同時寓教于樂，通過模擬電子琴的工作流程，激發(fā)了學(xué)生強烈的好奇心和求知欲望，而且了解了有關(guān)編程方面的知識和方法，訓(xùn)練了學(xué)生的邏輯思維。