无弦激光音乐琴的研制(2)

Figure diagramof string-less laser music piano图2.无弦激光音乐琴电路图

图2中，p 1.0～1.6口为7个半导体激光器供电，时钟电路为整个系统产生时钟脉冲，7个5528光敏电阻作为激光传感器模块分别接到控制器的p 2.2～2.8口[6]，光敏电阻基于内光电效应，光照愈强，光生电子-空穴对就越多，阻值就越低，而在无光照状态时，呈高阻状态[7]。当激光直接照射时，电阻处于低阻值状态，将低电平0发送至单片机；当遮挡激光时，电阻值迅速升高，将高电平1发送至单片机。实现了控制器对各个光敏电阻电平信号的灵敏读取，并在内部进行运算，作出相应的指令。

无弦激光音乐琴主程序主要是对系统进行初始化，调用数据处理子程序。程序框图设计如图3所示。

图3中，先选择是否播放已存储好的音乐，完毕后，根据个人的选择执行高/中/低音三个音阶，并有相应指示灯亮起，根据激光传感器模块反馈的信息判断是否七束激光中有激光被遮挡，若p 2.2 = 1，则第一束激光被遮挡，系统进行判断，并进行计算，驱动音乐芯片发出“Do”的声音，以此类推，可发出Re、Mi、Fa、So、La、Si音调[8]。

在程序设计中，并非直接操作端口或寄存器，而是设置标志位，根据标志位再由单片机执行判定操作。程序示例如下。

bit FT_1 ms，FT_250 ms

bit F_play song，F_Play Tone，F_KeyDelay，F_Tone，F_keyUp，F_Music_Ide

Unsigned char Freq_H，Freq_L，SongLen，PlayIde，i

Figure flowchartof string-less laser music piano图3.无弦激光音乐琴程序框图

3.实验及结果分析

无弦激光音乐琴性能好坏的重要影响因素是音符频率，因此，对无弦激光音乐琴的音符频率进行相应实验是非常必要的。采用设计的无弦激光音乐琴在学校实验室进行音符频率实验，实验室环境相对安静，无外界环境干扰，控制无弦激光音乐琴发出21个不同音符，利用泰克TDS2012C型数字存储示波器对3个音阶7种音调共计21个不同的音符的频率进行测量，将各个音符频率测量值与音符频率理论计算值进行对比，观察实际测量值是否与理论计算值相吻合，由此判断无弦激光音乐琴的发声效果。列出Do的低、中、高三个音阶波形图分别如图4、图5、图6所示。

Figure diagram of bass Do图4.低音Do时频率图

Figure diagram for alto Do图5.中音Do时频率图

Figure diagram of treble Do图6.高音Do时频率图

无弦激光音乐琴的音符频率应在人耳能听到的声音频率范围内，即20 Hz～20 kHz。通过STC80C52自带的16位定时器实现不同音符的固定频率。一般音乐电路是以正弦波信号驱动喇叭以产生音乐，而在数位电路里则是以脉冲信号驱动[9]。例如标准音la的频率f = 440 Hz，对应的周期为T = 1/f = 1/440 = 2272 μs，单片机上对应蜂鸣器的I/O口来回取反时间应为t = T/2 = 1136 μs，也就是单片机上定时器应有的中断触发时间。一般情况下，奏乐时，单片机定时器为工作方式 1，以晶振的十二分频信号为计数脉冲，晶振频率为f0= 12 MHz，则定时器的预置初值由下式来确定：

式中TALL= 216= ，THL为定时器待确定的计数初值。则定时器在工作方式1下的高低计数器的预置初值为

根据以上的求解方法，可以求出其他音调相应的计数器预置数值。

图4中，在实际发出低音Do时，测得频率为266.662 Hz，而理论计算低音Do的频率为262 Hz，相差4.662 Hz。图5中，在实际发出中音Do时，测得频率为530.098 Hz，约为低音Do的2倍，符合音符变化规律，而理论计算低音Do的频率为523 Hz，与实际测量值相差7.098 Hz。图6中，在实际发出高音Do时，测得频率为1047.94 Hz，约为中音Do的2倍，符合音符变化规律，而理论计算低音Do的频率为1046 Hz，与实际测量值相差1.94 Hz。

对3个音阶，7个音调的实际测量频率值如表1所示。

Table of measured data of c-key scale and frequency表1.C调音阶-频率实测数据对照序号 1 2 3 4 5 6 7音调 Do Re Mi Fa So La Si低音(Hz) 266.662 296.332 332.185 350.157 395.462 440.750 496.185中音(Hz) 530.098 585.615 663.156 700.231 786.462 884.256 989.154高音(Hz) 1047.94 1175.48 1318.16 1398.46 1569.77 1760.69 1977.43

表1是用示波器对无弦激光音乐琴各个音调的频率测量值，由表1分析可知，无弦激光音乐琴各个音调对应的实测频率数据与理论计算所得数据基本相符，同一音阶下，从音调Do到音调Si频率值不断增加；同一音调下，中音频率为低音频率值的2倍，高音频率值为中音频率值的2倍，与理论计算规律相符。由于导线电阻、焊接焊锡的多少会导致电路中的电阻不同，而且蜂鸣器的线圈电阻为16 ± 2 Ω，也会造成误差，所以，实测频率值与理论计算频率值有所偏差，差值最大的音调为中音Do，与理论计算值523 Hz相差了7.098 Hz，但对音效影响不大。

文章来源：《应用激光》 网址: http://www.yyjgzz.cn/qikandaodu/2020/1210/395.html