用Arduino单片机制作一个简单的音乐播放器

Arduino单片机上有多个数字IO针脚，可以输出数字信号，用于驱动发声器件，从而让它发出想要的声音。蜂鸣器是一种常见的发声器件，通电后可以发出声音。因此，单片机可以通过数字输出控制蜂鸣器发出指定的声音。另外，Arduino支持串口的通信方式，可以从电脑上接收数据，根据收到的数据确定所需发的声音。本文说明用上述方式如何通过Arduino单片机实现一个简单的音乐播放器。

一、项目实现的工具

（一）无源蜂鸣器

蜂鸣器有分有源蜂鸣器和无源蜂鸣器两种。其中，无源蜂鸣器内部不带震荡源，要通过震荡的信号来令其发出声音。音调随震荡频率的不同而不同[1]。

（二）Arduino单片机

Arduino单片机通过串口从电脑端获取音乐信息，然后根据音乐信息控制无源蜂鸣器的震荡频率，产生音乐效果。

（三）可调节电阻

用于控制无源蜂鸣器的电压大小，从而调节音量。

（四）树莓派电脑，运行基于Debian Linux的Raspberry Pi OS

一方面，编写Arduino程序并将其烧录进单片机；另一方面，将存储的音乐信息通过串口发送给Arduino。

（五）信号线

主要用于通电和传输信号

二、电路及程序设计

（一）电路

在该项目中，使用Arduino单片机的第7个IO针脚作为向蜂鸣器输出信号的针脚。注意Arduino单片机的输出是推挽输出，即高电平输出。

无源蜂鸣器有三个针脚，即电源（VCC），接地（GND）以及信号（I/O）。蜂鸣器在接通电源时，其随信号的高电平输入进行震荡，发出声音。而电源的电压决定了发声的响度。

电路大致如下

所以通过可调电阻，控制蜂鸣器的输入电压大小，从而调节音量大小。

（二）程序

在介绍程序之前，先简单介绍一些音乐的基本知识。我们通常的音乐是用八度音阶表示的。任何一个音符，和高八度的音相比，其音调（发声体震荡频率）相差两倍。每个八度区里有12个半音，所以每个半音的音调相差 $\sqrt[12]{2}$ 倍。也就是说，如果简谱中的 $1$ 的音调是 $x$ Hz，那么 ${\stackrel{7}{\cdot}}$ 的音调是 $x\over \sqrt[12]{2}$ Hz，而 ${}^\#1$ 的音调是 $x*\sqrt[12]{2}$ ， $2$ 的音调是 $x*\sqrt[6]{2}$ 。详细说明，见[2]。

本项目在Arduino程序中，用一个字节作为一个音符的信号。规定当该字节值为0x80时，代表的音调为1024Hz，可以理解为简谱中 $1$ 的音调是1024Hz，然后字节值每相差1，就代表相差一个半音。因此，0x7F代表 $1024\over \sqrt[12]{2}$ Hz，即 ${\stackrel{7}{\cdot}}$ ；0x81代表 $1024*\sqrt[12]{2}$ Hz，即 ${}^\#1$ 。

另外，把0x00作为休止符。这里规定，每一个音符的时长为半秒。

在此，贴上Arduino里的C++程序

/*
Let's define the hex of the tonedefine a do: 1024Hz
0x80: do3
0x81: #do3
0x82: re3
0x7F: si2and each byte is for a note of 0.5s. So if you need do3 for 1s, then need 2 0x80*/const int buzzerPin = 7;
byte baseNote = 0x80;
int baseTone = 1024;
byte note;
void setup() {// put your setup code here, to run once:pinMode(buzzerPin, OUTPUT);Serial.begin(9600);
}void loop() {// put your main code here, to run repeatedly:if ((Serial.available() > 0) && (note = Serial.read()) && (note != 0x00)){Serial.print('Sing:');Serial.print(note);Serial.print(' ');//Now convert it into frequency of the toneint toneFreq;if (baseNote > note){ //received note is under base noteint noteDiff = baseNote - note;toneFreq = (int)((float)baseTone / (pow(2.0, noteDiff/12.0))); //between do and #do is 2^(1/12)}else{//received note is above base noteint noteDiff = note - baseNote;toneFreq = (int)((float)baseTone * (pow(2.0, noteDiff/12.0)));}Serial.print(toneFreq);Serial.print(' ');tone(buzzerPin, toneFreq);}else{noTone(buzzerPin);Serial.print('0');}delay(500);}

程序中，tone(buzzerPin, toneFreq)表式在buzzerPin数字输出中产生频率为toneFreqHz的震荡；而noTone(buzzerPin)表示让数字输出停止震荡。

因此，程序通过串口接收音符字节信息，然后根据该信息激活数字输出，让无源蜂鸣器发出音乐。

另外，在树莓派电脑中，运行一个python程序，通过读取指定格式的乐谱，产生音符数据，并将其通过串口输入到Arduino中。这里，先对乐谱的格式做一个规定。

这里，令乐谱为一个txt文件，该txt文件里每一个音符用一个1-3个字符的字符串组成，而音符和音符之间用空格分开。对于每一个音符，第一个字符是1-7之间的数字，意义和简谱的数字部分一样；第二的字符表明该音符在哪一个八度上，标准的八度号为3，所以如果没有该字符就默认为3处理；第三个字符可以不存在，也可以是+或-，表明是升调 $\#$ 还是降调 $\flat$ 。所以，假定乐谱文件如下：

13 33 23 52 0 43+ 63-

则对应的简谱是

$1323 {\stackrel{5}{\cdot}} 0^\sharp 4^\flat 6$

所以，把乐谱txt文件转换为Arduino读取的音乐数据的python程序如下

"""
This file gives the function to get music from file
base 0x80 is do3(13)
so do2 is 12 semitones lower than do3, do3+ is 1 semitone higher than do3, do3- is 1 semitone lower than do3
"""def loadMusicFile(filename):with open(filename,'r') as file:content = file.read()return content.split(' ')def convertFromMusicToArduino(filename):notes = loadMusicFile(filename)print(notes)musicData = []for n in notes:if len(n) == 0:continue;dataThis = 0x80if n[0] == '1':dataThis += 0elif n[0] == '2':dataThis += 2elif n[0] == '3':dataThis += 4elif n[0] == '4':dataThis += 5elif n[0] == '5':dataThis += 7elif n[0] == '6':dataThis += 9elif n[0] == '7':dataThis += 11else:dataThis = 0x00if len(n) > 1 and dataThis != 0x00:dataThis += (int(n[1]) - 3) * 0x0cif len(n) > 2 and dataThis != 0x00:if n[2] == '+':dataThis += 0x01elif n[2] == '-':dataThis -= 0x01musicData.append(dataThis)return musicData

注意0x0c表明十进制里的12。

然后，运行以下python程序，把音频文件转成Arduino支持的格式后，通过串口传入Arduino。python的串口连接的方式见[3]。

import serial
import os
from time import sleep
from getmusicFromFile import convertFromMusicToArduinoserialportName = '/dev/ttyACM1'
bps = 9600ser = serial.Serial(serialportName, int(bps), timeout=0.5, parity=serial.PARITY_NONE, stopbits=1)data = convertFromMusicToArduino('song.txt')data_bytes = bytes(data)
print(data_bytes)if (ser.isOpen()):print("Serial opened")sleep(1.8)ser.write(data_bytes)sleep(10)print(ser.read(30))ser.close()
print("done")

注意，在ser.isOpen()后，在传输数据前有一个sleep(1.8)。这个等待，是要让串口准备好后再传输数据，否则会传输失败，Arduino有可能未能收到数据。

三、实验效果

该实验，用歌曲"友谊地久天长"的第一小段作为乐谱，文件song.txt如下

52 52 13 13 0 13 13 0 33 33 23 23 23 13 23 0 33 33 13 13 0 13 33 33 53 53 63 63 63 0 0 0 63 63 53 53 53 33 33 33 13 13 23 23 23 13 23 23 33 23 13 13 13 62 62 62 52 52 13 13 13

运行效果见视频，播放的正是"友谊地久天长"的第一段。注意当我转动可调电阻时音量的变化。

友谊地久天长