用单片机验证音调高低与振动频率的关系

2019-10-25吝欢欢任新成王玉清

物理教学探讨 2019年9期

吝欢欢，任新成，王玉清

延安大学物理与电子信息学院，陕西延安716000

1引言

“音调”是物理8年级上册《声音的特性》一节中的重要概念。我们都知道，声音的高低叫做音调，在日常生活中，我们可以通过听觉的不同感受来辨别音调的高低。但是，由于对发声体的振动频率我们无法直观感知，更难以获得准确的数据。所以，“音调高低与振动频率的关系”就成为本节的教学难点。因此，如何让学生更好地感受音调的高低、明确振动频率的大小，并进一步得到两者的相互关系就成为教学的关键所在[1]。

利用AT89C51单片机的定时器中断功能，通过改变蜂鸣器的发声频率来控制音调高低，模拟简易电子琴的工作过程。能够使学生更加直观地感受物理现象，精确验证音调高低与发声体振动频率的关系，总结物理规律。而且单片机操作系统成本低廉（一般在二三十元不等），性价比高，为学习和应用提供了便利条件。

2 实验基本原理介绍

2.1 AT89C51单片机简介

AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，内含4KB可反复擦写的只读程序存储器（ROM）和128KB随机数据存储器（RAM）。内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，并且兼容MCS-51指令系统。

图1 AT89C51单片机控制蜂鸣器电路图

2.2 AT89C51单片机控制发声系统

AT89C51单片机控制发声系统[2]如图1所示，它是由单片机、时钟电路、复位电路、按键电路和蜂鸣器电路组成。其中，时钟电路由一个12 MHz的晶振和两个33 pF的电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1 μs。该系统采用按键手动复位方式，即在单片机运行期间，用手动按键的方式使单片机初始化。系统利用P1口的P1.0-P1.7引脚设置了8个独立按键，当有键按下时，P1口相应的引脚置为低电平，单片机接收脉冲信号。在实验中，我们用其中P1.0-P1.6这7个引脚分别来控制C调中音的7个音调。蜂鸣器电路主要由蜂鸣器、PNP型三极管和一个电阻组成，低电平有效，即当向电路输入高电平（P3.0引脚置1）时，蜂鸣器中无电流通过，电路不发声；当向其输入低电平（P3.0引脚置0）时，蜂鸣器中有电流通过，产生蜂鸣。我们可以通过控制高、低电平的持续时间来形成不同频率的脉冲电压，驱动蜂鸣器发声，从而实现对音调高低的控制。

2.3 音调控制原理

当单片机[3]内部定时器/计数器T0工作在计数器模式1时，寄存器TH0和TL0是以全部16位参与工作，计数长度为216=65 536。我们就可以通过改变计数初值TH0、TL0来产生不同的频率。例如，C 调中音 1（do）的音频 f=523 Hz，周期s=1912 μs，定时器的定时时间为μs=956 μs，即每经过 956 μs，使输出口改变一次脉冲电压。定时器的计数值=956，则装入T0计数器初值65 536-956=64 580，即启动T0工作后，每计数956次时将产生溢出中断，进入中断服务后将P3.0（RXD）引脚输出电平取反就可得到中音do的音符频率，如图2所示。

图2 音符脉冲波形图

同理，C调中音各音符的频率与计数初值如表1所示。

表1 C调中音各音符的频率与计数初值对照表

3 实验过程

我们使用Keil C51软件的C语言编写程序来实现实验目的。

3.1 准备工作

首先，启动Keil C51软件进入编辑界面，单击“Project”菜单，在弹出的下拉子菜单中选择“New Project”选项建立新工程，选择文件保存路径，输入工程文件名后点击保存，在弹出的对话框中选择相应的单片机型号，即Atmel公司的AT89C51型单片机，点击确定按钮。然后，在编辑界面“File”菜单的下拉子菜单中单击“New”选项新建文件。再单击“File”菜单下的“Save As”选项保存该文件，在弹出的对话框中“文件名”栏内输入文件名及对应的扩展名，如“test.c”。单击“保存”按钮后回到编辑界面，单击“Target 1”前面的“+”号，在“Source Group 1”上单击右键后再单击“Add Files to Group‘Source Group 1’”。最后，在弹出的对话框中选中文件test.c，单击 “Add”按钮，如图3所示。

图3 Keil C51编辑界面

3.2 输入程序和编译

在KeilC51的编辑界面输入如下C语言源程序：

#include＜reg51.h＞ //包含51单片机寄存器定义的头文件

sbit key1=P1^0; //将key1位定义为P1.0引脚

sbit key2=P1^1; //将key2位定义为P1.1引脚

sbit key3=P1^2; //将key3位定义为P1.2引脚

sbit key4=P1^3; //将key4位定义为P1.3引脚

sbit key5=P1^4; //将key5位定义为P1.4引脚

sbit key6=P1^5; //将key6位定义为P1.5引脚

sbit key7=P1^6; //将key7位定义为P1.6引脚

sbit sound=P3^0; //将sound位定义为P3.0

unsigned int C; //定义全局变量，储存定时器的定时常数

unsigned long n; //定义无符号数n

//以下是C调中音的音频宏定义

#define do 64580 //将“do”宏定义为中音“1”的初值64580

#define re 64687 //将“re”宏定义为中音“2”的初值64687

#define mi 64780 //将“mi”宏定义为中音“3”的初值64780

#define fa 64822 //将“fa”宏定义为中音“4”的初值64822

#define sol 64900 //将“sol”宏定义为中音“5”的初值64900

#define la 64969 //将“la”宏定义为中音“6”的初值64969

#define si 65031 //将“si”宏定义为中音“7”的初值65031

timer0()interrupt 1 //函数功能：产生中断，改变脉冲电压

{TH0=C/256; //对16位计数器高8位TH0赋值

TL0=C%256; //对16位计数器低8位TL0赋值

sound=～sound;} //取反形成脉冲电压，输出音频

void main(void) //函数功能：主函数

{TMOD=0x01; //使用定时器0的工作模式1

ET0=1; //定时器T0中断允许

EA=1; //开总中断

while(1) //无限循环，按键扫描

{if(key1==0) //检测key1键按下