PLC电子琴设计.docx

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PLC电子琴设计

摘要

设计的主要内容是用AT89S52单片机为核心控制元件，通过脉冲触发产生出电子音调，设计一个简易的电子琴。

以单片机作为主控核心，与键盘、蜂鸣器等模块组成控制模块。

该系统运行稳定，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的实用与参考价值。

关键词：

AT89S52；单片机；脉冲触发；电子琴设计

目录

1概述2

1.1功能简介2

1.2功能的实现2

1.3音乐产生原理3

2系统总体方案及硬件设计4

2.1总体方案4

2.2硬件部分4

2.2.1矩阵键盘部分4

2.2.2扬声器接口电路部分5

3软件设计6

4Proteus软件仿真8

5课程设计体会9

参考文献10

附录1源程序代码10

附录2系统原理图18

1概述

1.1功能简介

电子琴是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器。

它在现代音乐扮演着重要的角色，单片机具有强大的控制功能和灵活的编程实现特性，它已经溶入现代人们的生活中，成为不可替代的一部分。

本简易电子琴的设计可实现的功能如下：

程序中预存了一首音乐《月亮代表我的心》，通过一个独立键盘可以实现对该音乐的播放和停止操作的控制。

4*4矩阵键盘的16个按键分别对应着16个不同的音符，分为高、低两个八度，当按下某一按键，会发出相应的音调。

按下按键时，扬声器会发出声音，松开按键后，扬声器停止发声，按键的时间越长，发声时间越久。

连续按下不同的按键，可以实现乐曲的演奏。

1.2功能的实现

功能的实现部分分为软件和硬件两部分来简介。

1.3音乐产生原理

一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，当然对于单片机来产生不同的频率非常方便，我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，只需将一首歌的音阶和频率相对应即可。

若要产生音频脉冲，只要算出某一音频的周期（1/频率），再将此周期除以2，即为半周期的时间。

利用定时器计时半周期时间，每当计时终止后就将P1.0反相，然后重复计时再反相。

就可在P1.0引脚上得到此频率的脉冲。

利用AT89S52的内部定时器使其工作计数器模式（MODE1）下，改变计数值TH0及TL0以产生不同频率的方法产生不同音阶，例如，频率为523Hz，其周期T＝1/523＝1912μs，因此只要令计数器计时956μs/1μs＝956，每计数956次时将I/O反相，就可得到中音DO（523Hz）。

计数脉冲值与频率的关系式（如式2-1所示）是：

N＝fi÷2÷fr2-1

式中，N是计数值；fi是机器频率（晶体振荡器为12MHz时，其频率为1MHz）；fr是想要产生的频率。

其计数初值T的求法如下：

T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr2-2

例如：

设K＝65536，fi＝1MHz，求低音DO（261Hz）、中音DO（523Hz）、高音DO（1046Hz）的计数值。

T＝65536－N＝65536－fi÷2÷fr＝65536－1000000÷2÷fr＝65536－500000/fr

低音DO的T＝65536－500000/262＝63627

中音DO的T＝65536－500000/523＝64580

高音DO的T＝65536－500000/1046＝65059

我们要为这个音符建立一个表格，单片机通过查表的方式来获得相应的数据，音符表见附录一。

音乐的音拍，一个节拍为单位（C调）（如表2-1所示）

表2-1曲调值表

曲调值

DELAY

曲调值

DELAY

调4/4

125ms

调4/4

62ms

调3/4

187ms

调3/4

94ms

调2/4

250ms

调2/4

125ms

对于不同的曲调我们也可以用单片机的定时/计数器来完成。

程序流程图如图2.5。

2系统总体方案及硬件设计

2.1总体方案

本设计采用4*4键盘控制通过程序产生高八度和低八度音律，要考虑到软件和硬件的匹配以及硬件电路焊接时的排版问题，否则建会带来不必要的焊接麻烦，在编程序时要注意仿真与实际电路中可能的不符，

2.2硬件部分

本设计硬件电路共由以下几部分构成：

矩阵键盘部分；扬声器部分；AT89S52主控电路部分；独立按键部分。

2.2.1矩阵键盘部分

设计中采用AT89S51的并行口P3接4×4矩阵键盘，以P3.0－P3.3作输入线，以P3.4－P3.7作输出线。

每个按键有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。

矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。

每个按键的状态同样需变成数字量“0”和“1”，开关的一端（列线）通过电阻接VCC，而接地是通过程序输出数字“0”实现的。

键盘处理程序的任务是：

确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么；还要消除按键在闭合或断开时的抖动。

两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能，在本程序中，当程序检测到有键按下时，将查表使按键值与预存数据表中数据对应，并调用发声程序。

图2.1矩阵键盘的连接

2.2.2扬声器接口电路部分

仿真中的扬声器一段接CPU的P2^4口，另一端接高电平。

当P2^4口有电平变化时，扬声器被驱动发声。

而在实物制作中，这样是难以实现功能的，需要增加模拟电路以除去多余的干扰信号。

也可选用集成芯片LM386作为扬声器的驱动芯片。

若使用LM386驱动扬声器，通过相应的模拟电路的设计，还可以实现音量的调节。

不过，在平时做实物时，我们一般用一个三极管作为放大器，这次我采用的是8050

图2.2扬声器接口电路

3软件设计

本设计使用Protues仿真软件进行仿真，在程序设计部分，包括键盘扫描程序，音乐发声程序。

程序见附录1。

4*4矩阵键盘是由CPU控制I/O口来实现扫描的。

具体程序见附录二主程序键盘扫描部分。

键盘扫描程序流程图如图2.4。

程序首先给P3口赋值，然后读取P3的状态，将读取的状态值同所赋值相比较，如果二者不相同，则说明有键按下，子程序将按键值返回主程序；否则，说明没有键按下，程序继续进行下一次扫描。

本系统的软件流程图如下

图2.3系统主程序流程

键盘扫描程序流程图

图2.4键盘扫描程序流程图

音乐发声程序

图2.5音乐发声程序流程图

4Proteus软件仿真

仿真电路图

5课程设计体会

将程序烧入芯片,调试成功后,可任意弹奏自己想要的旋律。

本设计通过制作电子琴，将几个模块很好的融合，对使用单片机设计简易电子琴进行了分析，并了解了基于单片机电子琴统硬件组成。

利用单片机产生不同频率来获得我们要求的音阶，最终可随意弹奏想要表达的音乐。

说明一首音乐是许多不同的音阶组成的，而每个音阶对应着不同的频率，这样我们就可以利用不同的频率的组合，即可构成我们所想要的音乐了，于是我们可以利用单片机的定时/计数器T0来产生这样方波频率信号，因此，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可，然后我们利用功放电路来将音乐声音放大。

遇到的问题：

在刚刚焊接好后，程序烧入芯片后，发现并不发声，经检查才发现是对键盘没看清楚，将键盘接乱了，另外，在硬件电路修改好后，发现每次按键时会引起蜂鸣器一直响，再按键时有可能会消失，经检查后知道是再每按键件程序后蜂鸣器对应参值没有直接置零。

总之，这是一次动手能力的锻炼，也是一次单片机知识的再回顾，还是对自己细心以及耐心能力的考察。

参考文献

[1]贾立新、王涌.电子系统设计与实践[M]，清华大学出版社，2008年2月版；[2]陶春鸣、陈享成、瓮嘉民.单片机使用技术[M],人民邮电出版社,2008年4月版；[3]余发山.单片机原理及应用技术[M]，中国矿业大学出版社，2003年12月版；[4]李光飞.单片机课程设计实例指导[M],航空航天大学出版社，2004年9月版；[5]余永权.ATMEL89系列单片机[M]，北京航空航天大学出版社，2002年4月版；[6]胡宴如，耿苏燕.模拟电子技术[M]，高等教育出版社，2007年12月版；[7]赵润林，张迎辉.单片机原理与应用教程[M]，北京大学出版社，2007年1月版；[8]马淑华、王凤文.单片机原理与接口技术[M]，北京邮电大学出版社，2005年10月版；[9]李建忠.单片机原理及应用[M]，西安电子科技大学出版社，2002年5月版；[10]杨子文.单片机原理及应用[M],西安电子科技大学出版社，2006年4月版

附录1源程序代码

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

uintkey,i,j,time,m,k;

uchartemp;

ucharSTH0,STL0,STH1,STL1;

sbitsw=P2^7;

sbitspeaker=P2^4;

sbitP37=P3^7;

sbitP36=P3^6;

sbitP35=P3^5;

sbitP34=P3^4;

//月亮代表我的心数据表

codeunsignedcharsszymmh[]={0,2,1,5,1,1,1,2,3,3,2,1,5,2,3,1,2,1,7,1,3,

3,2,1,5,2,2,0,2,1,5,2,1,6,2,1,7,2,2,1,3,3,

6,2,1,6,2,1,5,2,1,5,2,5,3,2,1,2,2,1,1,2,3,

1,2,1,1,2,2,3,2,1,2,2,1,1,2,3,1,2,1,1,2,2,

2,2,1,3,2,1,2,2,2,1,2,1,6,1,2,2,2,1,3,2,1,2,2,5,

};

//音阶频率表高八位

codeunsignedcharFREQH[]={

0xF2,0xF3,0xF5,0xF5,0xF6,0xF7,0xF8,

0xF9,0xF9,0xFA,0xFA,0xFB,0xFB,0xFC,0xFC,//1,2,3,4,5,6,7,8,i

0xFC,0xFD,0xFD,0xFD,0xFD,0xFE,

0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFE,0xFF,

};

//音阶频率表低八位

codeunsignedcharFREQL[]={

0x42,0xC1,0x17,0xB6,0xD0,0xD1,0xB6,

0x21,0xE1,0x8C,0xD8,0x68,0xE9,0x5B,0x8F,//1,2,3,4,5,6,7,8,i

0xEE,0x44,0x6B,0xB4,0xF4,0x2D,

0x47,0x77,0xA2,0xB6,0xDA,0xFA,0x16,

};

unsignedintcodetab[]={64103,64260,64400,64524,64580,64684,64777,

64820,64898,64968,65030,65058,65110,65157,65178,65217};

voidkey_music（）

{

unsignedchartmp;

P3=0xff;

P34=0;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

tmp=temp;

if（temp!

=0x0f）

{

for（i=50;i>0;i--）

for（j=200;j>0;j--）;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

//（temp!

=0x0f）

if（temp==tmp）

{

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

switch（temp）

{

case0x0e:

key=0;

break;

case0x0d:

key=1;

break;

case0x0b:

key=2;

break;

case0x07:

key=3;

break;

}

//speaker=~speaker;

STH1=tab[key]/256;

STL1=tab[key]%256;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

while（temp!

=0x0f）

{TR0=1;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

}

TR0=0;

speaker=0;

}

}

P3=0xff;

P35=0;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

tmp=temp;

if（temp!

=0x0f）

{

for（i=50;i>0;i--）

for（j=200;j>0;j--）;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

//（temp!

=0x0f）

if（temp==tmp）

{

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

switch（temp）

{

case0x0e:

key=4;

break;

case0x0d:

key=5;

break;

case0x0b:

key=6;

break;

case0x07:

key=7;

break;

}

//speaker=~speaker;

STH1=tab[key]/256;

STL1=tab[key]%256;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

while（temp!

=0x0f）

{TR0=1;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

}

TR0=0;

speaker=0;

}

}

P3=0xff;

P36=0;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

tmp=temp;

if（temp!

=0x0f）

{

for（i=50;i>0;i--）

for（j=200;j>0;j--）;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

//（temp!

=0x0f）

if（temp==tmp）

{

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

switch（temp）

{

case0x0e:

key=8;

break;

case0x0d:

key=9;

break;

case0x0b:

key=10;

break;

case0x07:

key=11;

break;

}

//speaker=~speaker;

STH1=tab[key]/256;

STL1=tab[key]%256;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

while（temp!

=0x0f）

{

TR0=1;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

}

TR0=0;

speaker=0;

}

}

P3=0xff;

P37=0;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

tmp=temp;

if（temp!

=0x0f）

{

for（i=50;i>0;i--）

for（j=100;j>0;j--）;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

//（temp!

=0x0f）

if（temp==tmp）

{

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

switch（temp）

{

case0x0e:

key=12;

break;

case0x0d:

key=13;

break;

case0x0b:

key=14;

break;

case0x07:

key=15;

break;

}

//speaker=~speaker;

STH1=tab[key]/256;

STL1=tab[key]%256;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

while（temp!

=0x0f）

{TR0=1;

temp=P3;

temp=temp&0x0f;

}

TR0=0;

speaker=0;

}

}

}

voidtimer0（void）interrupt1using0

{

if（sw==1）

{

TH0=STH1;

TL0=STL1;

}

else

{

TH0=STH0;

TL0=STL0;

}

speaker=~speaker;

}

voiddelay（unsignedchart）

{

unsignedchart1;

unsignedlongt2;

for（t1=0;t1

{

for（t2=0;t2<8000;t2++）

{

;

}

}

TR0=0;

}

voidsong（）

{

TH0=STH0;

TL0=STL0;

TR0=1;

delay（time）;

}

voidmusic（void）

{

unsignedintcnt;

m=0;

time=1;

sw=1;

cnt=sizeof（sszymmh）/sizeof（char）;

while（time&&sw==0）

{

if（sw）

{i=0;continue;}

else

{

k=sszymmh[m]+7*sszymmh[m+1]-1;

STH0=FREQH[k];

STL0=FREQL[k];

time=sszymmh[m+2];

song（）;m=m+3;

if（m>cnt）break;

}

}

speaker=0;

}

voidmain（）

{

TMOD=0x01;

ET0=1;

TF0=1;

EA=1;

while

（1）

{

if（sw==1）

key_music（）;

elsemusic（）;

}

}

附录2系统原理图