创客设计案例——奇妙音乐盒

温剑芳

（鹤山市职业技术学校，广东江门，529700）

项目任务的情景性:学校一年一度的专业建设展示节，艺术科组联合电子科组设计一款电子音乐盒，要求在此次活动中展演，并放到电子商务科组的展摊上义卖。艺术科组给出音乐盒的效果要求：能播放歌曲，能弹奏简单的乐曲。电子科组将这个项目接收后，分配给了高二级的电子创客训练队完成。

项目过程：教师引领，小组协作，个体参与，创客设计。

1 项目分析

教师布置项目任务，马上引发学生的兴趣；进行积极的小组讨论和资料搜索；细分需要解决的技术点。按照音乐盒的效果要求，提出需要解决以下几个问题。

第一，采用什么技术进行电路控制？第二，音乐盒的弹奏部分采用什么元件或模块解决？第三，发音部分电路如何设计？第四，音乐是模拟信号，不同音符发声是什么原理？第五，音乐简谱如何转化到电路控制器上？第六，要作为商品在会场出售，包装如何设计才能吸引观众？能否从视觉、听觉都作出效果？

学生们在教师引导下通过查阅资料、参考以往的设计案例，商讨后，确立了解决以上问题的几个技术点。

采用单片机控制电路，其内部存储器能解决歌曲的数据存储；使用4×4 的键盘模块解决音乐盒的键盘弹奏；采用数码管显示模块进行弹奏的音符的显示；采用单片机输出控制蜂鸣器发出不同频率的声音即音符；寻找转化软件实现音乐简谱转化成单片机的认识的代码；音乐盒的包装可以通过亚克力板完成，可以清楚看见内部线路的结构，体现专业特色，另外DIY 的设计降低成本。

2 项目实施

本次项目的设计解决方案需要到硬件电路搭建和软件编程，属于工程类的创客设计。

■2.1 创客建模，建立系统原理图，软件设计流程图。

系统工作原理：音乐盒上电后，单片机输出控制音频播放模块进行乐曲播放，乐曲播放完毕；单片机进行键盘扫描，若有按键按下，单片机输出控制数码管显示对应音符，音频电路发出对应音响，使用者即可根据个人喜好弹奏键盘，使音乐盒演奏出乐曲。

■2.2 项目技术点攻克

2.2.1 单片机向外输出的音频原理

基于本次参与设计的学生开始学习单片机不久，教师则需要在单片机的中断系统定时器的基础知识和应用上对学生进行知识的教授，以此引导学生解决采用单片机定时器技术输出控制模块电路发出不同音频的技术点。这个技术点属于软件编程的难点，适合采用仿真电路结合程序开发，引导学生找案例结合参考，以便学生更形象地理解。

要让电路的蜂鸣器发出不同的音频，采用给蜂鸣器输送对应的音符频率的电平信号即可。不同音频电信号的产生采用设定单片机的定时器做出频率不同的方波电平信号输送出来即可发音。如中音“1”的频率为523Hz，这个方波信号的周期为1/523s,即1.91ms,方波的半个周期为0.955ms。要产生这样的方波信号，以单片机的机器周期是1.085us,采用定时器T0 工作方式0，计算出T0 的初始值，设置定时器T0 中断即可。

图1 系统原理图

图2 软件流程图

2.2.2 寻求音乐代码软件

创客者的思维是灵活运用数学逻辑，发现规律性，并设计出函数代码以便控制器执行。

本次的音乐盒要做到随设计者喜欢播放不同的乐曲。对于只认识代码的控制器来说，创客们如能找出一种音乐代码生产软件，把音乐分解成音阶和音阶的时长的代码组合存在芯片中。将乐曲简谱输入后转化成数组代码，结合定时器T0 中断的设置，放入程序相应的乐曲数组代码中，即可使电路连续的播放乐曲。这些聪明的创客们利用网络就收集到一种51MUSIC单片机音乐代码生成器，使编程变得简单有趣。

图3 51MUSIC 单片机音乐代码生成器

2.2.3 构建音频播放模块

音频播放模块用一个4.7k 电阻，一个PNP 型三极管8012，一个交流无源蜂鸣器构成。用单片机引脚P3.0 按音阶频率输出方波信号，通过三极管驱动无源蜂鸣器，当单片机的P3.0脚为低电平时，三极管饱和导通，蜂鸣器通电鸣响。若单片机的P3.0 脚为高电平时，三极管截止，蜂鸣器没有电流就不鸣响。通过单片机控制P3.0 输出的方波的频率、时间，便能产生简单的音乐。

2.2.4 建立4×4 键盘对应音乐键盘

搭建4×4 矩阵键盘模块，矩阵键盘的4 列依次接在单片机的P1.0-P1.3 脚，矩阵键盘的4 行依次接在单片机的P1.4-P1.7 脚。键盘检测原理，用逐行扫描的检测方法，先扫描第一行，P1.4 置低电平，其他行置高电平，如检测到P1.0-P1.3 列中其中一列是低电平，根据行列坐标，单片机确认按键的位置。如检测P1.0-P1.3 列全是高电平；则依次扫描第二行，P1.5 置低电平,如此重复第一行的扫描检测，循环进行键盘扫描，确定按键的位置。16 个按键按顺序地对应简谱的16 个音符。

■2.3 项目开发的工具

单片机AT89S51、电子元件、电子焊接工具、PROTEUS 软件、KEIL C 软件、51MUSIC 单片机音乐代码生成器软件。

■2.4 项目作品的调试与改良

作品设计初步形成，通过仿真，PROTEUS 软件画出的电路图导入单片机程序，检验初步成果。仿真效果没有问题后，制作硬件电路。创客们在制作硬件电路中会遇到一些问题，我们的学生应用电子技能焊接电路，他们要有看原理图制作电路的技能。焊接电路有可能出现虚焊、元件损坏导致电路不正常工作，这需要创客细心检查、分析、使用万用表检测等方法进行排故。通过硬件电路的制作较大地提高创客们的动手制作能力和硬件电路的排故能力。音乐盒的电路仿真图如图4 所示，硬件电路如图5 所示。

图4 电路仿真图

图5 硬件电路

3 项目成果检验

创客们设计出电路，经过与工艺设计专业学生共同设计包装后，在专业建设展示节展摊上吸引了大批粉丝。粉丝们对这音乐盒产生很大的兴趣，并动手弹奏，对创客们的创作大加赞赏。不少学生当场表示申请加入电子创客队。此款音乐盒成了展场上的热销义卖产品之一。