目前市场上的机械摆动式结构的节拍器节拍声音单调,调节不便,节拍准确度不高,且容易损坏,价格高。为此用AT98C51 单片机为控制核心设计制作了用鲜艳颜色的数码管显示节拍数的节拍器,看得见节拍数,听得清节拍声,克服了机械式节拍器的不足。

1 硬件电路原理
    节拍器以AT89C51 单片机为控制中心,由LED 显示模块、调节键盘模块、声音输出模块组成。图1 是节拍器的电路原理图。ATMEL 公司生产的AT89C51 单片机与MCS51指令系统兼容,40 脚结构,是系统的控制中心。显示模块由四位一体的共阳极蓝色LED 显示器构成,采用动态扫描显示方式, Q11～ Q14是LED 的位选择开关三极管, R6～ R13是数码管段发光二极管的限流电阻。四位一体的LED 数码管完成显示节拍数、各功能代码及参数值的功能。键盘调节模块由4 只按键构成,分别是功能选择键A、设置参数选择键B、参数增加键C和参数减少键D ,4 只按键可以完成各种功能的选择和各参数的设置。声音输出模块由以Q1、Q2、Q3和扬声器为中心的功率放大电路组成,不同频率的脉冲从单片机的P2.6口输出, 经R14限流和功率放大后,推动扬声器发出洪亮的声音。由于输出的音频信号是脉冲波,三极管工作在开关状态,损耗小发热量不大, Q2、Q3使用小功率管C8050和C8550 即可。整个系统硬件结构简单。由外部提供12 V直流电直接供音频功放模块使用,经LM7805 稳压成5 V 后供单片机及LED 显示用。
 
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2 软件说明
    软件系统采用模块化结构设计,分别是主程序模块、节拍器模块、键盘识别和参数设置模块等。其中每个模块又由若干个子模块构成。上电或复位后进入调节功能,重复按A键在调节功能、节拍器功能之间轮换。当进入调节功能后,重复按B 键可选中不同的调节对象,再按C 或D 键增加或减少调节对象的参数值,调节时显示调节对象的代码和参数值。
2.1 主程序模块
    在主程序模块中完成存储单元的初始化、定时器计数器的初始化、中断初始化、标志位的初始化、扫描键盘,并根据功能选择键A 的值启动以下功能模块之一:参数设置功能、节拍器功能。
2.2 节拍器功能模块
    节拍速度在24～400 拍/min 范围内可调,节拍误差小于2%,节拍数为1～9可调。显示器显示节拍数,扬声器发出节拍声,显示节拍数1 时发出600 Hz 的高频声0.1 s ,显示其他节拍数时发出300 Hz 的低频声0.1 s。该模块由节拍延时部分、节拍数显示部分、音频脉冲形成部分组成。节拍功能模块程序流程图如图2 所示。
2.3 参数调节模块
    按A 键选择进入参数调节功能模块后,重复按B 键,可以依次选择节拍速度、节拍分度参数的设置,LED 显示器上显示参数类型代码和该参数的数字,按C 或B 键则在该参数的取值范围内循环增加或减少一个单位值。代码1 是节拍数,取值范围1～9。代码2 是节拍速度,取值范围是24～400拍/min。该模块程序由键盘扫描识别部分、参数显示部分、A键处理部分、B 键处理部分和C、D 键处理等子程序组成。
 
图2 节拍器模块流程图

3 实验
    从显示、按键、声音和节拍精度等方面进行测试。
    显示观察:处于节拍工作状态时4 个数码管同时循环显示节拍数,练琴时眼睛的余光就能看清节拍数。处于调节模式时,最高位显示待调节的参数代码,其余3 位显示参数值,当参数高位为零时不显示。显示正确。
    按键测试:按下功能键A ,可以在参数调节和节拍模式之间转换。当处于参数调节模式时,按下参数更改键B ,可以在节拍数和节拍速度之间转换;按下增加键C 或减少键D ,参数值在当前值基础上增加或减少1 ,并且在参数的调节范围内循环变化。当处于节拍工作模式时,BCD 键不起作用。键盘工作正常。
    声音观测:节拍音短促有力,起始拍与其余拍音调区别明显。在钢琴弹奏的环境中清晰可闻。
    节拍精度测量:用秒表测量节拍器500 拍所用时间。节拍速度分别为72、112、144 拍/min 的时候, 用时分别为418.1 s、268.9 s、210.5 s ,误差分别为0.29%、0.35%、1.1%。节拍精度达到设计要求。

4 结束语
    节拍器的起始拍的声音和其它拍的声音不同,听觉和视觉效果好,节拍精度高,调节方便。多名琴童使用该节拍器练钢琴均取得很好的效果。硬件成本低廉,不易损坏,可以将外形设计成工艺品。基于AT89C51 单片机的节拍器具有较好的应用价值。