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,采用動態掃描顯示方式, Q11～ Q14是LED 的位選擇開關三極管, R6～ R13是數碼管段發光二極管的限流電阻。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,不同頻率的脈沖從單片機的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。由于輸出的音頻信號是脈沖波,三極管工作在開關狀態,損耗小發熱量不大, Q2、Q3使用小功率管C8050和C8550 即可。整個系統硬件結構簡單。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 軟件說明

　　軟件系統采用模塊化結構設計,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。上電或復位后進入調節功能,重復按A鍵在調節功能、節拍器功能之間輪換。當進入調節功能后,重復按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、標志位的初始化、掃描鍵盤,并根據功能選擇鍵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 范圍內可調,節拍誤差小于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、音頻脈沖形成部分組成。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,重復按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范圍內循環增加或減少一個單位值。代碼1 是節拍數,取值范圍1～9。代碼2 是節拍速度,取值范圍是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:處于節拍工作狀態時4 個數碼管同時循環顯示節拍數,練琴時眼睛的余光就能看清節拍數。處于調節模式時,最高位顯示待調節的參數代碼,其余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。當處于參數調節模式時,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 ,并且在參數的調節范圍內循環變化。當處于節拍工作模式時,BCD 鍵不起作用。鍵盤工作正常。

　　聲音觀測:節拍音短促有力,起始拍與其余拍音調區別明顯。在鋼琴彈奏的環境中清晰可聞。

　　節拍精度測量:用秒表測量節拍器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。硬件成本低廉,不易損壞,可以將外形設計成工藝品。基于AT89C51 單片機的節拍器具有較好的應用價值。