基於AT89C51 單片機的節拍器

    目前市場上的機械擺動式結構的節拍器節拍聲音單調,調節不便,節拍準確度不高,且容易損壞,價格高。為此用AT98C51 單片機為控制核心設計製作了用鮮艷顏色的數碼管顯示節拍數的節拍器,看得見節拍數,聽得清節拍聲,克服了機械式節拍器的不足。

1 硬體電路原理
    節拍器以AT89C51 單片機為控制中心,由LED 顯示模塊、調節鍵盤模塊、聲音輸出模塊組成。圖1 是節拍器的電路原理圖。ATMEL 公司生產的AT89C51 單片機與MCS51指令系統兼容,40 腳結構,是系統的控制中心。顯示模塊由四位一體的共陽極藍色LED 顯示器構成,採用動態掃描顯示方式, Q11～ Q14是LED 的位選擇開關三極體, R6～ R13是數碼管段發光二極體的限流電阻。四位一體的LED 數碼管完成顯示節拍數、各功能代碼及參數值的功能。鍵盤調節模塊由4 只按鍵構成,分別是功能選擇鍵A、設置參數選擇鍵B、參數增加鍵C和參數減少鍵D ,4 只按鍵可以完成各種功能的選擇和各參數的設置。聲音輸出模塊由以Q1、Q2、Q3和揚聲器為中心的功率放大電路組成,不同頻率的脈衝從單片機的P2.6口輸出, 經R14限流和功率放大后,推動揚聲器發出洪亮的聲音。由於輸出的音頻信號是脈衝波,三極體工作在開關狀態,損耗小發熱量不大, Q2、Q3使用小功率管C8050和C8550 即可。整個系統硬體結構簡單。由外部提供12 V直流電直接供音頻功放模塊使用,經LM7805 穩壓成5 V 后供單片機及LED 顯示用。
 
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2 軟體說明
    軟體系統採用模塊化結構設計,分別是主程序模塊、節拍器模塊、鍵盤識別和參數設置模塊等。其中每個模塊又由若干個子模塊構成。上電或複位後進入調節功能,重複按A鍵在調節功能、節拍器功能之間輪換。當進入調節功能后,重複按B 鍵可選中不同的調節對象,再按C 或D 鍵增加或減少調節對象的參數值,調節時顯示調節對象的代碼和參數值。
2.1 主程序模塊
    在主程序模塊中完成存儲單元的初始化、定時器計數器的初始化、中斷初始化、標誌位的初始化、掃描鍵盤,並根據功能選擇鍵A 的值啟動以下功能模塊之一:參數設置功能、節拍器功能。
2.2 節拍器功能模塊
    節拍速度在24～400 拍/min 範圍內可調,節拍誤差小於2%,節拍數為1～9可調。顯示器顯示節拍數,揚聲器發出節拍聲,顯示節拍數1 時發出600 Hz 的高頻聲0.1 s ,顯示其他節拍數時發出300 Hz 的低頻聲0.1 s。該模塊由節拍延時部分、節拍數顯示部分、音頻脈衝形成部分組成。節拍功能模塊程序流程圖如圖2 所示。
2.3 參數調節模塊
    按A 鍵選擇進入參數調節功能模塊后,重複按B 鍵,可以依次選擇節拍速度、節拍分度參數的設置,LED 顯示器上顯示參數類型代碼和該參數的數字,按C 或B 鍵則在該參數的取值範圍內循環增加或減少一個單位值。代碼1 是節拍數,取值範圍1～9。代碼2 是節拍速度,取值範圍是24～400拍/min。該模塊程序由鍵盤掃描識別部分、參數顯示部分、A鍵處理部分、B 鍵處理部分和C、D 鍵處理等子程序組成。
 
圖2 節拍器模塊流程圖

3 實驗
    從顯示、按鍵、聲音和節拍精度等方面進行測試。
    顯示觀察:處於節拍工作狀態時4 個數碼管同時循環顯示節拍數,練琴時眼睛的餘光就能看清節拍數。處於調節模式時,最高位顯示待調節的參數代碼,其餘3 位顯示參數值,當參數高位為零時不顯示。顯示正確。
    按鍵測試:按下功能鍵A ,可以在參數調節和節拍模式之間轉換。當處於參數調節模式時,按下參數更改鍵B ,可以在節拍數和節拍速度之間轉換;按下增加鍵C 或減少鍵D ,參數值在當前值基礎上增加或減少1 ,並且在參數的調節範圍內循環變化。當處於節拍工作模式時,BCD 鍵不起作用。鍵盤工作正常。
    聲音觀測:節拍音短促有力,起始拍與其餘拍音調區別明顯。在鋼琴彈奏的環境中清晰可聞。
    節拍精度測量:用秒錶測量節拍器500 拍所用時間。節拍速度分別為72、112、144 拍/min 的時候, 用時分別為418.1 s、268.9 s、210.5 s ,誤差分別為0.29%、0.35%、1.1%。節拍精度達到設計要求。

4 結束語
    節拍器的起始拍的聲音和其它拍的聲音不同,聽覺和視覺效果好,節拍精度高,調節方便。多名琴童使用該節拍器練鋼琴均取得很好的效果。硬體成本低廉,不易損壞,可以將外形設計成工藝品。基於AT89C51 單片機的節拍器具有較好的應用價值。