用單片機驗證音調高低與振動頻率的關系

吝歡歡，任新成，王玉清

延安大學物理與電子信息學院，陜西延安716000

1引言

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

利用AT89C51單片機的定時器中斷功能，通過改變蜂鳴器的發聲頻率來控制音調高低，模擬簡易電子琴的工作過程。能夠使學生更加直觀地感受物理現象，精確驗證音調高低與發聲體振動頻率的關系，總結物理規律。而且單片機操作系統成本低廉 （一般在二三十元不等），性價比高，為學習和應用提供了便利條件。

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公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機，內含4KB可反復擦寫的只讀程序存儲器（ROM）和128KB隨機數據存儲器（RAM）。內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，并且兼容MCS-51指令系統。

圖1 AT89C51單片機控制蜂鳴器電路圖

2.2 AT89C51單片機控制發聲系統

AT89C51單片機控制發聲系統[2]如圖1所示，它是由單片機、時鐘電路、復位電路、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。該系統采用按鍵手動復位方式，即在單片機運行期間，用手動按鍵的方式使單片機初始化。系統利用P1口的P1.0-P1.7引腳設置了8個獨立按鍵，當有鍵按下時，P1口相應的引腳置為低電平，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調中音的7個音調。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，產生蜂鳴。我們可以通過控制高、低電平的持續時間來形成不同頻率的脈沖電壓，驅動蜂鳴器發聲，從而實現對音調高低的控制。

2.3 音調控制原理

當單片機[3]內部定時器/計數器T0工作在計數器模式1時，寄存器TH0和TL0是以全部16位參與工作，計數長度為216=65 536。我們就可以通過改變計數初值TH0、TL0來產生不同的頻率。 例如，C 調中音 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，即每經過 956 μs，使輸出口改變一次脈沖電壓。定時器的計數值=956，則裝入T0計數器初值65 536-956=64 580，即啟動T0工作后，每計數956次時將產生溢出中斷，進入中斷服務后將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調中音各音符的頻率與計數初值如表1所示。

表1 C調中音各音符的頻率與計數初值對照表

3 實驗過程

我們使用Keil C51軟件的C語言編寫程序來實現實驗目的。

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”欄內輸入文件名及對應的擴展名，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

unsigned long n; //定義無符號數n

//以下是C調中音的音頻宏定義

#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“la”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 //函數功能：產生中斷，改變脈沖電壓

{TH0=C/256; //對16位計數器高8位TH0賦值

TL0=C%256; //對16位計數器低8位TL0賦值

sound=～sound;} //取反形成脈沖電壓，輸出音頻

void main(void) //函數功能：主函數

{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，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，循環指令

{C=si; //將中音si的初值賦給C

TR0=1;}} //開定時器T0

TR0=0; //關定時器

sound=1;}} //關蜂鳴器

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 調試和下載

依次單擊 “Debug”菜單下的“Start/Stop Debug Session”和“Go”選項調試運行，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

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高低與發聲體振動頻率的關系，使學生更加清晰、直觀地感受物理現象，自主總結物理規律，同時寓教于樂，通過模擬電子琴的工作流程，激發了學生強烈的好奇心和求知欲望，而且了解了有關編程方面的知識和方法，訓練了學生的邏輯思維。