創客設計案例
——奇妙音樂盒

溫劍芳

（鶴山市職業技術學校，廣東江門，529700）

項目任務的情景性:學校一年一度的專業建設展示節，藝術科組聯合電子科組設計一款電子音樂盒，要求在此次活動中展演，并放到電子商務科組的展攤上義賣。藝術科組給出音樂盒的效果要求：能播放歌曲，能彈奏簡單的樂曲。電子科組將這個項目接收后，分配給了高二級的電子創客訓練隊完成。

項目過程：教師引領，小組協作，個體參與，創客設計。

1 項目分析

教師布置項目任務，馬上引發學生的興趣；進行積極的小組討論和資料搜索；細分需要解決的技術點。按照音樂盒的效果要求，提出需要解決以下幾個問題。

第一，采用什么技術進行電路控制？第二，音樂盒的彈奏部分采用什么元件或模塊解決？第三，發音部分電路如何設計？第四，音樂是模擬信號，不同音符發聲是什么原理？第五，音樂簡譜如何轉化到電路控制器上？第六，要作為商品在會場出售，包裝如何設計才能吸引觀眾？能否從視覺、聽覺都作出效果？

學生們在教師引導下通過查閱資料、參考以往的設計案例，商討后，確立了解決以上問題的幾個技術點。

采用單片機控制電路，其內部存儲器能解決歌曲的數據存儲；使用4×4 的鍵盤模塊解決音樂盒的鍵盤彈奏；采用數碼管顯示模塊進行彈奏的音符的顯示；采用單片機輸出控制蜂鳴器發出不同頻率的聲音即音符；尋找轉化軟件實現音樂簡譜轉化成單片機的認識的代碼；音樂盒的包裝可以通過亞克力板完成，可以清楚看見內部線路的結構，體現專業特色，另外DIY 的設計降低成本。

2 項目實施

本次項目的設計解決方案需要到硬件電路搭建和軟件編程，屬于工程類的創客設計。

■2.1 創客建模，建立系統原理圖，軟件設計流程圖。

系統工作原理：音樂盒上電后，單片機輸出控制音頻播放模塊進行樂曲播放，樂曲播放完畢；單片機進行鍵盤掃描，若有按鍵按下，單片機輸出控制數碼管顯示對應音符，音頻電路發出對應音響，使用者即可根據個人喜好彈奏鍵盤，使音樂盒演奏出樂曲。

■2.2 項目技術點攻克

2.2.1 單片機向外輸出的音頻原理

基于本次參與設計的學生開始學習單片機不久，教師則需要在單片機的中斷系統定時器的基礎知識和應用上對學生進行知識的教授，以此引導學生解決采用單片機定時器技術輸出控制模塊電路發出不同音頻的技術點。這個技術點屬于軟件編程的難點，適合采用仿真電路結合程序開發，引導學生找案例結合參考，以便學生更形象地理解。

要讓電路的蜂鳴器發出不同的音頻，采用給蜂鳴器輸送對應的音符頻率的電平信號即可。不同音頻電信號的產生采用設定單片機的定時器做出頻率不同的方波電平信號輸送出來即可發音。如中音“1”的頻率為523Hz，這個方波信號的周期為1/523s,即1.91ms,方波的半個周期為0.955ms。要產生這樣的方波信號，以單片機的機器周期是1.085us,采用定時器T0 工作方式0，計算出T0 的初始值，設置定時器T0 中斷即可。

圖1 系統原理圖

圖2 軟件流程圖

2.2.2 尋求音樂代碼軟件

創客者的思維是靈活運用數學邏輯，發現規律性，并設計出函數代碼以便控制器執行。

本次的音樂盒要做到隨設計者喜歡播放不同的樂曲。對于只認識代碼的控制器來說，創客們如能找出一種音樂代碼生產軟件，把音樂分解成音階和音階的時長的代碼組合存在芯片中。將樂曲簡譜輸入后轉化成數組代碼，結合定時器T0 中斷的設置，放入程序相應的樂曲數組代碼中，即可使電路連續的播放樂曲。這些聰明的創客們利用網絡就收集到一種51MUSIC單片機音樂代碼生成器，使編程變得簡單有趣。

圖3 51MUSIC 單片機音樂代碼生成器

2.2.3 構建音頻播放模塊

音頻播放模塊用一個4.7k 電阻，一個PNP 型三極管8012，一個交流無源蜂鳴器構成。用單片機引腳P3.0 按音階頻率輸出方波信號，通過三極管驅動無源蜂鳴器，當單片機的P3.0腳為低電平時，三極管飽和導通，蜂鳴器通電鳴響。若單片機的P3.0 腳為高電平時，三極管截止，蜂鳴器沒有電流就不鳴響。通過單片機控制P3.0 輸出的方波的頻率、時間，便能產生簡單的音樂。

2.2.4 建立4×4 鍵盤對應音樂鍵盤

搭建4×4 矩陣鍵盤模塊，矩陣鍵盤的4 列依次接在單片機的P1.0-P1.3 腳，矩陣鍵盤的4 行依次接在單片機的P1.4-P1.7 腳。鍵盤檢測原理，用逐行掃描的檢測方法，先掃描第一行，P1.4 置低電平，其他行置高電平，如檢測到P1.0-P1.3 列中其中一列是低電平，根據行列坐標，單片機確認按鍵的位置。如檢測P1.0-P1.3 列全是高電平；則依次掃描第二行，P1.5 置低電平,如此重復第一行的掃描檢測，循環進行鍵盤掃描，確定按鍵的位置。16 個按鍵按順序地對應簡譜的16 個音符。

■2.3 項目開發的工具

單片機AT89S51、電子元件、電子焊接工具、PROTEUS 軟件、KEIL C 軟件、51MUSIC 單片機音樂代碼生成器軟件。

■2.4 項目作品的調試與改良

作品設計初步形成，通過仿真，PROTEUS 軟件畫出的電路圖導入單片機程序，檢驗初步成果。仿真效果沒有問題后，制作硬件電路。創客們在制作硬件電路中會遇到一些問題，我們的學生應用電子技能焊接電路，他們要有看原理圖制作電路的技能。焊接電路有可能出現虛焊、元件損壞導致電路不正常工作，這需要創客細心檢查、分析、使用萬用表檢測等方法進行排故。通過硬件電路的制作較大地提高創客們的動手制作能力和硬件電路的排故能力。音樂盒的電路仿真圖如圖4 所示，硬件電路如圖5 所示。

圖4 電路仿真圖

圖5 硬件電路

3 項目成果檢驗

創客們設計出電路，經過與工藝設計專業學生共同設計包裝后，在專業建設展示節展攤上吸引了大批粉絲。粉絲們對這音樂盒產生很大的興趣，并動手彈奏，對創客們的創作大加贊賞。不少學生當場表示申請加入電子創客隊。此款音樂盒成了展場上的熱銷義賣產品之一。