基于Arduino的迷你电子琴

前言

一直以来都没有系统地学过微控制器，使用 Arduino 时，也是通过现成的制作和代码进行修改，东一榔头西一锤，很多基础的东西并不了解。

前段时间，搜索 matlab 的教程时，知道了台大生机系的郭彦甫老师，在浏览他的油管主页时，发现他居然有微控制器原理的公开课，于是这段时间，主要在学习郭彦甫老师的公开课。

郭彦甫老师讲的很详细，一共12个课时，前面4个课时讲解了 Arduino，后面8个课时详细介绍了 AVR。我将 PPT 和教学视频上传在了百度网盘，感兴趣的可以看看。

链接：https://pan.baidu.com/s/1RL_7yp0w60n_F8EDvSkEcA
提取码：hp0e

每节课都有课后作业，本文介绍的电子琴，即是第一课时的作业，电子琴的接线和代码并不复杂，为了让作业看上去更像一个电子琴，花了很多功夫折腾外壳和琴键。
实物图

制作过程

材料清单

Arduino Nano 板子（1个）
立式轻触开关（7个，点动部分高5 mm）
220欧姆电阻（7个）
压电蜂鸣器或其他扬声器（1个，使用的40 mm直径的扬声器）
面包板（长163 mm）
跳接线
3D 打印件（1个底座，1个扬声器口，7个琴键）
直径2.8 mm铁丝（长12 mm）

接线

如下图所示，立式轻触开关未接通时，开关左右两侧分别导通，引脚D2-D8经电阻与板子GND接地引脚连接，电压为0（低电势）。点击开关后，开关四个引脚均导通，引脚D2-D8与5V供电引脚相连，电压为5V（高电势）。
接线1
实物接线图如下所示
接线2
如下图所示，底座、琴键和扬声器口均为3D打印件，在底座中接好电路后，用铁丝串上琴键，再装上扬声器口就可以了，建模的尺寸只适用于材料清单中罗列的材料。

STL文件下载链接：https://pan.baidu.com/s/10JdP8ZLpoX9stb0flJAtbQ
提取码：mdi3

代码介绍

用 Arduino 控制压电蜂鸣器或其他扬声器播放音调，需要使用tone()函数，顾名思义，tone即是音调的意思。

tone()函数可以在指定引脚上产生指定频率（和50%占空比）的方波。可以指定持续时间，否则波形将持续播放，直到调用noTone() 停止。

tone()函数具体有两种使用方式

tone(pin, frequency)
tone(pin, frequency, duration)

pin: 用于生成音调的 Arduino 引脚
frequency: 以赫兹为单位的音调频率
duration: 音符持续时间，如果全音符的时值是1 s，可以用（1000/几分音符）来计算时值，例如四分音符持续时间就是1000/4 = 250 ms 。

想要演奏音乐，就需要多个音符。一个音符即是一个特定频率的波形。波形的不同频率造就了每个音符的独特声音。音调波形是正弦波，声音平滑清晰。也就是说只要知道C大调各个音的频率，就可以用C大调演奏简单的电子音乐。

正如上面所说tone()函数可以在指定引脚上产生指定频率（和50%占空比）的方波。方波比正弦波容易实现，但是声音不如正弦波好。

音符	频率
C4 - do	261.6 HZ
D4 - re	293.6 HZ
E4 - mi	329.6 HZ
F4 - fa	349.2 HZ
G4 - sol	392 HZ
A4 - la	440 HZ
B4 - si	493.8 HZ

#define T_C 262
#define T_D 294
#define T_E 330
#define T_F 349
#define T_G 392
#define T_A 440
#define T_B 493  //指定频率const int C = 2;
const int D = 3;
const int E = 4;
const int F = 5;
const int G = 6;
const int A = 7;
const int B = 8;  //指定输入引脚
const int Buzz = 11;void setup() {pinMode(Buzz, OUTPUT);pinMode(C, INPUT);pinMode(D, INPUT); pinMode(E, INPUT); pinMode(F, INPUT);  pinMode(G, INPUT); pinMode(A, INPUT);pinMode(B, INPUT);
}void loop() {while(digitalRead(C) == HIGH) {tone(Buzz,T_C);}while(digitalRead(D) == HIGH) {tone(Buzz,T_D);}while(digitalRead(E) == HIGH) {tone(Buzz,T_E);}while(digitalRead(F) == HIGH) {tone(Buzz,T_F);}while(digitalRead(G) == HIGH) {tone(Buzz,T_G);}while(digitalRead(A) == HIGH) {tone(Buzz,T_A);}while(digitalRead(B) == HIGH) {tone(Buzz,T_B);}noTone(Buzz);
}

如果想要自动播放一段歌曲，需要将所有音符和音符时值用数列表示出来，以下即是循环播放小星星的代码。
需要配合标签pitches.h使用。

#include "pitches.h"int melody[] = { NOTE_C4, NOTE_C4, NOTE_G4, NOTE_G4, NOTE_A4, NOTE_A4, NOTE_G4, 0,NOTE_F4, NOTE_F4, NOTE_E4, NOTE_E4, NOTE_D4, NOTE_D4, NOTE_C4, 0,NOTE_G4, NOTE_G4, NOTE_F4, NOTE_F4, NOTE_E4, NOTE_E4, NOTE_D4, 0,NOTE_G4, NOTE_G4, NOTE_F4, NOTE_F4, NOTE_E4, NOTE_E4, NOTE_D4, 0,NOTE_C4, NOTE_C4, NOTE_G4, NOTE_G4, NOTE_A4, NOTE_A4, NOTE_G4, 0,NOTE_F4, NOTE_F4, NOTE_E4, NOTE_E4, NOTE_D4, NOTE_D4, NOTE_C4, 0 }; int noteDurations[] = { 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2,2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2 }; //~分音符const int Buzz = 11;void setup() {pinMode(Buzz, OUTPUT);  
}void loop() {for (int thisNote = 0; thisNote < 48; thisNote++) {  //48为小星星音符数int noteDuration = 1000/noteDurations[thisNote]; //计算音符时值tone(Buzz, melody[thisNote],noteDuration);  //依次播放数列中的音符int pauseBetweenNotes = noteDuration * 1.30; delay(pauseBetweenNotes); noTone(Buzz); } 
}

标签pitches.h如下，定义了常用音符的频率。

#define NOTE_B0  31
#define NOTE_C1  33
#define NOTE_CS1 35
#define NOTE_D1  37
#define NOTE_DS1 39
#define NOTE_E1  41
#define NOTE_F1  44
#define NOTE_FS1 46
#define NOTE_G1  49
#define NOTE_GS1 52
#define NOTE_A1  55
#define NOTE_AS1 58
#define NOTE_B1  62
#define NOTE_C2  65
#define NOTE_CS2 69
#define NOTE_D2  73
#define NOTE_DS2 78
#define NOTE_E2  82
#define NOTE_F2  87
#define NOTE_FS2 93
#define NOTE_G2  98
#define NOTE_GS2 104
#define NOTE_A2  110
#define NOTE_AS2 117
#define NOTE_B2  123
#define NOTE_C3  131
#define NOTE_CS3 139
#define NOTE_D3  147
#define NOTE_DS3 156
#define NOTE_E3  165
#define NOTE_F3  175
#define NOTE_FS3 185
#define NOTE_G3  196
#define NOTE_GS3 208
#define NOTE_A3  220
#define NOTE_AS3 233
#define NOTE_B3  247
#define NOTE_C4  262
#define NOTE_CS4 277
#define NOTE_D4  294
#define NOTE_DS4 311
#define NOTE_E4  330
#define NOTE_F4  349
#define NOTE_FS4 370
#define NOTE_G4  392
#define NOTE_GS4 415
#define NOTE_A4  440
#define NOTE_AS4 466
#define NOTE_B4  494
#define NOTE_C5  523
#define NOTE_CS5 554
#define NOTE_D5  587
#define NOTE_DS5 622
#define NOTE_E5  659
#define NOTE_F5  698
#define NOTE_FS5 740
#define NOTE_G5  784
#define NOTE_GS5 831
#define NOTE_A5  880
#define NOTE_AS5 932
#define NOTE_B5  988
#define NOTE_C6  1047
#define NOTE_CS6 1109
#define NOTE_D6  1175
#define NOTE_DS6 1245
#define NOTE_E6  1319
#define NOTE_F6  1397
#define NOTE_FS6 1480
#define NOTE_G6  1568
#define NOTE_GS6 1661
#define NOTE_A6  1760
#define NOTE_AS6 1865
#define NOTE_B6  1976
#define NOTE_C7  2093
#define NOTE_CS7 2217
#define NOTE_D7  2349
#define NOTE_DS7 2489
#define NOTE_E7  2637
#define NOTE_F7  2794
#define NOTE_FS7 2960
#define NOTE_G7  3136
#define NOTE_GS7 3322
#define NOTE_A7  3520
#define NOTE_AS7 3729
#define NOTE_B7  3951
#define NOTE_C8  4186
#define NOTE_CS8 4435
#define NOTE_D8  4699
#define NOTE_DS8 4978