趙云娥，吳振強(qiáng)

（1.青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海西寧810012；2.陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西西安710119）

Arduino助力美好生活—以音樂播放器的設(shè)計(jì)為例

趙云娥1，吳振強(qiáng)2

（1.青海建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海西寧810012；2.陜西師范大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，陜西西安710119）

Arduino是一塊基于開放原始代碼的SimpleI/O平臺(tái)，具有資源豐富、功能多樣、操作簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和互動(dòng)產(chǎn)品開發(fā)方面，也被稱為“電子積木”。本論述介紹了Arduino開發(fā)平臺(tái)的軟件和硬件組成，以音樂播放器的設(shè)計(jì)為例展示了基于Arduino的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本過程，使讀者初步掌握Arduino的功能和特點(diǎn)。

Arduino；電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)；音樂播放器；音高；節(jié)拍

DOI10.3969/j.issn.1672-6375.2016.10.005

1　概述

Arduino是一個(gè)基于開放原始代碼的SimpleI/O平臺(tái)，由硬件（MCU及外圍電路）和軟件（ArduinoIDE）兩部分組成。Arduino的硬件平臺(tái)包括基于AVR單片機(jī)的主控制電路板，以及大量的各式輸入/輸出電子模塊，比如開關(guān)輸入模塊、溫度壓力傳感器輸入模塊、超聲測距傳感器輸入模塊、LCD顯示輸出模塊等。用戶可以不熟悉底層電子元器件的電氣特性，只要會(huì)“拼接”模塊，就能夠進(jìn)行電子產(chǎn)品互動(dòng)設(shè)計(jì)。ArduinoIDE具有類似Java、C語言的Processing/Wiring開發(fā)環(huán)境，易學(xué)易用，同時(shí)有著足夠的靈活性，可以在Windows、MacintoshOSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行。Arduino的硬件原理圖、電路圖、IDE軟件及核心庫文件都是開源的，Arduino官方網(wǎng)站上有大量的庫文件供使用者下載。同時(shí)，在開源協(xié)議范圍內(nèi)，使用者可以任意修改作品的原始設(shè)計(jì)及相應(yīng)代碼為自己服務(wù)。Arduino可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以與MacromediaFlash，Processing，Max/MSP，PureData甚至Androi等軟件進(jìn)行交互式設(shè)計(jì)。因此，使用者可以利用Arduino軟件和硬件平臺(tái)，充分發(fā)揮個(gè)人想象力和創(chuàng)造性，開發(fā)出很多令人驚艷的互動(dòng)產(chǎn)品。本論述以音樂播放器的設(shè)計(jì)為例，對(duì)Arduino軟件、硬件平臺(tái)及其在產(chǎn)品開發(fā)方面的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。

2　ARDUINO簡介

2.1硬件平臺(tái)

Arduino主控板的微處理器主要采用Atmel公司研發(fā)的AVR單片機(jī)（如ATmega328），除了購買官方版的Arduino（圖1為比較典型的ARDUINOUNO主控板），用戶可以在主控單片機(jī)的外圍自行搭建電路，DIY自己的Arduino。目前，市面上Arduino主控板種類繁多，各有特色，有滿足可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的ARDUINOGEMMA，有用于3D打印技術(shù)的METERIA101等等，用戶可按需挑選。不同的主控板有不同的數(shù)量和功能的I/O接口，方便連接外部IC模塊。通過外部擴(kuò)展，用戶可以替Arduino加上眼睛（如紅外線和超聲波傳感器）、耳朵（麥克風(fēng)）和手腳（如舵機(jī)），加上與之對(duì)應(yīng)的控制程序，就能做出各種自動(dòng)控制應(yīng)用。例如：加上溫度傳感器及一些控制線路，就能讓Arduino自動(dòng)控制空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)；加上舵機(jī)/步進(jìn)電機(jī)，以及障礙物傳感器即可組裝一臺(tái)智能行走的機(jī)器人。由于Arduino擁有豐富的系列產(chǎn)品、大量簡便的輸入輸出資源模塊，讓Arduino得到了更為廣泛的應(yīng)用和支持。

圖1　ArduinoUNO

圖2　ArduinoIDE界面

2.2軟件平臺(tái)

ArduinoIDE界面見圖2所示。整個(gè)界面采用windows形式，簡潔明了。除了用戶熟悉的常用菜單命令如文件、編輯外，點(diǎn)擊窗口的右上方的SerialMonitor命令，可實(shí)現(xiàn)對(duì)串口通信數(shù)據(jù)的監(jiān)視。Arduino編程語言是改良式的C語言，把AVR單片機(jī)相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置都參數(shù)化了，開發(fā)者不了解其底層系統(tǒng)也可以容易地進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)。所有Arduino程序都是由setup（）函數(shù)和loop（）函數(shù)兩大區(qū)塊組成。Setup（）函數(shù)主要進(jìn)行程序參數(shù)設(shè)置，里面的代碼從頭到尾只執(zhí)行一次；loop（）函數(shù)是Arduino軟件項(xiàng)目的主體，系統(tǒng)上電后先運(yùn)行setup（）函數(shù)，然后就不斷循環(huán)運(yùn)行l(wèi)oop（）函數(shù)，執(zhí)行相關(guān)控制命令。Arduino軟件平臺(tái)自帶大量的軟件庫資源，模塊化程度高，程序開發(fā)效率高，可以快速完成互動(dòng)作品設(shè)計(jì)。

3　基于Arduino的音樂播放器的設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本音樂播放器以ArduinoUNO板為控制核心，充分利用ArduinoIDE自帶Tone擴(kuò)展庫，以數(shù)組形式輸出各音符的指定頻率和節(jié)拍，送到無源蜂鳴器和彩色LED，實(shí)現(xiàn)了音樂播放和隨音樂節(jié)奏亮滅的LED效果。播放器的外部電路包括選曲鍵盤矩陣電路、蜂鳴器電路、LED顯示節(jié)奏電路，系統(tǒng)硬件電路圖見圖3所示。系統(tǒng)上電后，當(dāng)檢測到鍵盤矩陣的某個(gè)開關(guān)按下，對(duì)應(yīng)歌曲的音符數(shù)據(jù)（音高和節(jié)拍）通過數(shù)字端口發(fā)送到無源蜂鳴器，無源蜂鳴器受到特定頻率的方波驅(qū)動(dòng)，可以發(fā)出“多來米發(fā)索拉西”的音樂效果。無源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是聲音頻率可控，可以和LED復(fù)用一個(gè)控制口。所以，各數(shù)字端口的數(shù)據(jù)加到LED上面時(shí)，其節(jié)奏性的亮滅實(shí)現(xiàn)了節(jié)拍的顯示。

圖3　系統(tǒng)硬件電路圖

圖4　播放器程序流程圖

3.2軟件設(shè)計(jì)

從物理的角度來說，音樂是有規(guī)律出現(xiàn)的聲波振動(dòng)，包含音高和節(jié)奏兩大主要因素。每一個(gè)音符唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)發(fā)聲頻率。ArduinoIDE自帶的頭文件“pitches. h”中就以宏定義的形式給出了各個(gè)音符和頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，因此，使用者可以通過查表方式，得到每個(gè)音符的發(fā)聲頻率數(shù)據(jù)，從而制作出數(shù)組形式的樂曲韻律函數(shù)。例如，需要得到鋼琴標(biāo)準(zhǔn)鍵盤小字一組C4（唱名為Do）按鍵對(duì)應(yīng)的頻率，可以使用“#defineNOTE_C4 262”語句，所產(chǎn)生音符的頻率是262Hz；而音符演奏的持續(xù)時(shí)間，決定了音樂進(jìn)行的快慢程度和節(jié)奏類型，是構(gòu)成旋律的另一個(gè)重要因素。本發(fā)聲器的設(shè)計(jì)根據(jù)樂譜給定的節(jié)拍速度先確定一個(gè)基本的延時(shí)單位，如果四分音符為一拍，每拍延時(shí)1/2s，則二分音符延時(shí)1秒，八分音符延時(shí)為1/4s，以此類推。最終，采用note－Durations［thisNote］數(shù)組來存放樂譜的節(jié)拍數(shù)據(jù)。這樣，音符數(shù)據(jù)按照節(jié)拍數(shù)據(jù)給定的時(shí)值來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，就實(shí)現(xiàn)了該首樂曲的播放。

ArduinoIDE包含的Tone庫可以很方便地幫助用戶制作音樂。本設(shè)計(jì)主要采用了Tone（pin，frequency，duration）函數(shù)來產(chǎn)生電子音樂。此函數(shù)中，pin表示頻率數(shù)據(jù)的數(shù)字輸出接口，int型；frequency是音符頻率，int型；duration是節(jié)拍數(shù)據(jù)，單位是毫秒，unsignedlong型。只要把上述頻率和節(jié)拍數(shù)據(jù)連續(xù)賦值給Tone函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)樂曲的播放，系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的程序流程圖見圖4。

下面以《生日快樂歌》（簡譜見圖5）的第一小節(jié)為例，給出了音樂播放函數(shù)play（）的實(shí)現(xiàn)過程。

圖5　《生日快樂歌》簡譜

//韻律函數(shù)

intmelody［］=｛

NOTE_G4，//5

NOTE_G4，//5

NOTE_A4，//6

NOTE_G4，//5

NOTE_C5，//1.

NOTE_B4，//7

0，

……｝；

//節(jié)拍函數(shù)

intnoteDurations［］=｛

8，8，4，4，4，4，

4，

……

｝；

//播放函數(shù)

voidplay（）

｛

for（intthisNote=0；thisNote＜29；thisNote++）

｛

intnoteDuration=1000/noteDurations［thisNote］；

tone（8，melody［thisNote］，noteDuration）；

intpauseBetweenNotes=noteDuration*1.30；

delay（pauseBetweenNotes）；

noTone（8）；

｝｝

4　結(jié)束語

Arduino具有豐富的軟件和硬件資源，是開發(fā)人機(jī)互動(dòng)產(chǎn)品的良好平臺(tái)，具有價(jià)格便宜、互動(dòng)多樣、易學(xué)易用等特點(diǎn)，目前應(yīng)用比較廣泛。本論述以音樂播放器的設(shè)計(jì)為例展示了基于Arduino的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本過程，使讀者初步掌握Arduino的功能和特點(diǎn)。Arduino就像一個(gè)萬花筒，期待進(jìn)一步加入人們智慧的魔法，變化出奇妙無比的新型電子設(shè)計(jì)，為人們創(chuàng)造更美好的生活。

［1］趙英杰.Arduino互動(dòng)設(shè)計(jì)入門［M］.北京：科學(xué)出版社，2014.

［2］MichaelMcRoberts.BeginArduino［M］.楊繼志，郭敬，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2013.

［3］楊繼志，楊宇環(huán).基于Arduino的網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2012，25（1）：99-100.

［4］楊繼志，郭敬.Arduino的互動(dòng)產(chǎn)品平臺(tái)創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（4）.

［5］蔡睿妍.Arduino的原理及應(yīng)用［J］.電子工程設(shè)計(jì)，2012（16）：155-157.

［6］趙云娥，陳學(xué)煌.基于AT89C51的電子節(jié)拍器設(shè)計(jì)［J］.電子測量技術(shù)，2008（3）.

TP368

A

2016-6-22

趙云娥（1983-），女，漢族，山西呂梁人，碩士，講師，主要研究方向：電子信息工程技術(shù)。