課程設(shè)計(jì)報(bào)告--電子琴

1、物理與電子信息學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告·······································基于單片機(jī)的電子琴設(shè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： 無弦電子激光琴設(shè)計(jì) 專業(yè)班級： 年 級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)

2、老師： 完成日期：2016 年 5 月 5日前言在電子音樂領(lǐng)域，電子音調(diào)作為現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，它在現(xiàn)代音樂中扮演著重要的角色。目前，由于電子音樂的普及，電子音調(diào)合成器（合成器實(shí)際上就是一臺聲音的頻率合成儀，可以制作各種聲音，改變各種音色）可以解決相當(dāng)一部分的歌唱及舞廳的伴奏問題。其中，電子琴就是一種新型的鍵盤電子樂器。摘要 利用五個(gè)激光管發(fā)出的光束作為琴弦，用容易找到的紙盒做琴架，用電池及開關(guān)控制整個(gè)系統(tǒng)的通斷。利用單片機(jī)控制播動激光琴弦時(shí)發(fā)出不同音調(diào)的聲音。當(dāng)有激光照射時(shí)，單片機(jī)讀取紅外接收管的電壓，當(dāng)遮擋激光的光線時(shí)，就能在電路中產(chǎn)生開關(guān)的效果。因而，當(dāng)我們用手遮擋激光的時(shí)候?qū)?/p>

3、應(yīng)的光敏電阻的電阻電壓為高電平，此時(shí)激光琴就會發(fā)出聲音，連續(xù)遮擋不同的激光管就能就能演奏出動人的音樂。AbstractFive light beam emitted from the laser tube as strings, do carton easy to find zither, batteries and switches to control the entire system off. Use SCM control emit different tones when broadcast dynamic laser strings sound.When the laser ir

4、radiation, microcontroller reads the photoresistor voltage, when block laser light, can produce effects switch in the circuit. Thus, when we hand block when the corresponding laser photoresistor resistance voltage is high, then the laser harp will sound continuously blocking different laser tube can

5、 be mobilized people will be able to play music.目錄一 設(shè)計(jì)要求及方案選擇11.1設(shè)計(jì)要求11.2 方案選擇11.2.1 按鍵控制11.2.2 激光紅外對管控制31.3 方案比較3二 設(shè)計(jì)原理及方案實(shí)現(xiàn)42.1 設(shè)計(jì)原理42.2 硬件方案實(shí)現(xiàn)42.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊4圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)52.2.2 激光紅外管對射模塊52.2.3電壓比較器部分72.2.4 音頻放大模塊92.3軟件方案實(shí)現(xiàn)112.3.1 音樂產(chǎn)生的原理11三 系統(tǒng)測試153.1 硬件調(diào)試153.1.1 激光穩(wěn)定性153.1.2 音頻功放153.2 軟件調(diào)試153.2.1

6、信號接收15四 總結(jié)16參考文獻(xiàn)18附錄19總原理圖及PCB圖19附源程序:20一 設(shè)計(jì)要求及方案選擇1.1設(shè)計(jì)要求若干組發(fā)射相互平行的光束，由相同數(shù)量的光電二極管接收，分別對應(yīng)一個(gè)音符，如此便以光束組成五弦琴或七弦琴。當(dāng)手指在某路光束上勾動，會短暫阻斷光路，紅外接收二極管檢測到光強(qiáng)變化，裝置發(fā)出相應(yīng)音符的琴聲。為使發(fā)音逼真動聽，可采用音樂芯片或用錄音芯片錄制真實(shí)琴音播放。驗(yàn)收時(shí)需演示簡單曲目的彈奏。1.2 方案選擇1.2.1 按鍵控制以按鍵控制電路作為人機(jī)聯(lián)系的輸入部分，也是間接控制數(shù)碼顯示和音頻功放的重要組成部分。則有下列鍵盤形式。(1)矩陣式鍵盤矩陣式（也稱行列式）鍵盤由行線和列線組成，

7、按鍵位于行、列的交叉點(diǎn)上。由于矩陣式鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號配合，才能確定閉合鍵位置。相對于獨(dú)立式鍵盤而言，軟件上編程會稍微復(fù)雜些。如圖2所示為4X4矩陣式鍵盤電路，由一個(gè)4X4的行、列結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成一個(gè)16個(gè)按鍵鍵盤，再結(jié)合芯片74LS20來觸發(fā)中斷。在按鍵數(shù)目較多的場合，要節(jié)省較多的I/O口線。矩陣中無按鍵按下時(shí)，行線為高電平；當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平?jīng)Q定。列線的電平如果為低，則行線電平為低；列線的電平如果為高，則行線的電平也為高，這是識別按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。（2）獨(dú)立式鍵盤圖3 獨(dú)立式鍵盤電路獨(dú)立式鍵盤的

8、特點(diǎn)是一鍵一線，各鍵相互獨(dú)立，每個(gè)鍵各接一條I/O口線，通過檢測I/O輸入線的電平狀態(tài)，可判斷出被按下的按鍵。顯而易見，這樣電路簡單，各條檢測線獨(dú)立，識別按下按鍵的軟件編寫簡單。適用于鍵盤按鍵數(shù)目較少的場合，不適用于鍵盤按鍵數(shù)目較多的場合，因?yàn)閷⒄加幂^多的I/O口線。獨(dú)立式鍵盤電路如圖3所示，8個(gè)獨(dú)立按鍵分別對應(yīng)一個(gè)I/O口線，當(dāng)某一按鍵按下時(shí)，對應(yīng)的檢測線就變成了低電平，與其它按鍵相連的檢測線仍為高電平，只需讀入I/O輸入線的狀態(tài)，判別哪一條I/O輸入線為低電平，很容易識別哪個(gè)鍵被按下。同時(shí)采用了8輸入與門芯片CD4068B，收集8個(gè)獨(dú)立按鍵的開關(guān)狀態(tài)信號，并觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷來處理，大大

9、提高了單片機(jī)CPU的利用率。1.2.2 激光紅外對管控制用激光頭發(fā)射出激光，紅外接收頭接收到紅外線會產(chǎn)生電平的變化。當(dāng)有物體遮擋激光射線時(shí)，會觸發(fā)信號。產(chǎn)生需要的電平跳變。1.3 方案比較激光對管結(jié)構(gòu)簡單、激光擴(kuò)散角度小，無需幾何光學(xué)設(shè)備聚焦調(diào)焦，穩(wěn)定性好. 光線穿透能力強(qiáng)，激光單色性好，不會因受到干擾而引起誤報(bào)。能耗低，每對激光對射工作電流10mA左右，所有激光對射只需串聯(lián)安裝，成本低 。綜上，選用激光對射。二 設(shè)計(jì)原理及方案實(shí)現(xiàn)2.1 設(shè)計(jì)原理基于單片機(jī)AT89C51的電子琴電路由激光觸發(fā)電路、音頻功放電路、時(shí)鐘-復(fù)位電路和電源電路五部分所構(gòu)成。激光觸發(fā)電路采用了LM339構(gòu)成的電壓比較器

10、來控制電壓的觸發(fā)。并觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷來處理；音頻功放電路也會播放琴鍵對應(yīng)的音調(diào)；電源電路為整個(gè)電路提供能源。1）激光觸發(fā)電路：是由激光發(fā)射頭和紅外接收頭組成，激光發(fā)射頭發(fā)射出紅外線，接收頭接收相應(yīng)的激光頭發(fā)射出的紅外線。2）電壓比較器：使用LM339組成的電壓比較器，使之模擬出需要的數(shù)字信號。3）音頻放大電路：采用標(biāo)準(zhǔn)的LM386音頻放大電路。2.2 硬件方案實(shí)現(xiàn)2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊單片機(jī)的最小系統(tǒng)模塊是RCL測量儀設(shè)計(jì)硬件部分的最主要也是最基礎(chǔ)的部分。最小系統(tǒng)包括了單片機(jī)、復(fù)位電路、晶振電路。本設(shè)計(jì)中是以MSC-51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)的。其中復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成

11、，MSC-51單片機(jī)要實(shí)現(xiàn)復(fù)位需要的是在其第9引腳接一個(gè)高電平持續(xù)2US就可以實(shí)現(xiàn)了。在單片機(jī)的系統(tǒng)中，當(dāng)啟動的時(shí)候就會復(fù)位一次，當(dāng)按下按鍵的時(shí)候系統(tǒng)就會再次復(fù)位，當(dāng)按鍵釋放后再按下的時(shí)候，系統(tǒng)又會再次復(fù)位。因此通過按鍵的閉合和斷開就能夠控制系統(tǒng)的復(fù)位。晶振電路是把一個(gè)反向放大器的兩端接入晶振，再把兩個(gè)電容分別接入到晶振的端口，而兩個(gè)電容的另一端接地，那么這兩個(gè)電容串聯(lián)之后的電容值就相當(dāng)于負(fù)載的電容。IC的引腳也都有等效輸入電容的。晶振與單片機(jī)的引腳XTAL0和引腳XTAL1構(gòu)成的振蕩電路會產(chǎn)生諧波。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中把單片機(jī)的PO口作為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用的時(shí)候不接上拉電阻，作為I/O口時(shí)用時(shí)，由于內(nèi)部沒

12、有上拉電阻，所以接上上拉電阻。本次設(shè)計(jì)中選用的是常用的12MHZ的晶振作為振蕩源，與晶振并接的C1、C2為30pf電容，XTAL2和XTAL1作為時(shí)鐘信號的輸出端。如下圖所示是最小系統(tǒng)的電路圖：圖1 單片機(jī)最小系統(tǒng)2.2.2 激光紅外管對射模塊1）激光發(fā)射頭激光頭采用的是半導(dǎo)體激光二極管，導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)：垂直于PN結(jié)面的一對平行平面構(gòu)成法布里珀羅諧振腔， 圖二 激光二極管它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時(shí)，會削弱PN結(jié)勢壘，迫使電子從N區(qū)

13、經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū)，空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結(jié)注入N區(qū)，這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長為的光子，其公式如下： = hc/Eg ···················式中：h普朗克常數(shù)； c光速； Eg半導(dǎo)體的禁帶寬度。上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子空穴對附近，就能激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已

14、激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光激光。2）紅外接收管 線接收管是將紅外線光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件，它的核心部件是一個(gè)特殊材料的PN結(jié)，和普通二極管相比，在結(jié)構(gòu)上采取了大的改變，紅外線接收管為了更多更大面積的接收入，電流則隨之增大，紅外接收管分兩種，一種是二極管，一種是三極管。 圖3 激光紅外對射部分原理圖2

15、.2.3電壓比較器部分LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是：1）失調(diào)電壓小，典型值 為2mV；2）電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V；3）對比較信號源的內(nèi) 阻限制較寬；4）共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；5）差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于 電源電壓；6）輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339集成塊采用C-14型封裝，圖4為外型及管腳排列圖。圖4 LM339結(jié)構(gòu)圖LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè) 稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸

16、入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任 意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何 一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸 出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓 差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號檢 測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出 端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端 高電

17、位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于圖5 電壓比較器原理圖2.2.4 音頻放大模塊LM386是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的音頻功率放大器，主要應(yīng)用于低電壓消費(fèi)類產(chǎn)品。為使外圍元件最少，電壓增益內(nèi)置為20。但在1腳和8腳之間增加一只外接電阻和電容，便可將電壓增益調(diào)為任意值，直至200。輸入端以地位參考，同時(shí)輸出端被自動偏置到電源電壓的一半，在6V電源電壓下，它的靜態(tài)功耗僅為24mW,使得LM386特別適用于電池供電的場合LM386的封裝形式有塑封8引線雙列直插式和貼片式。特性靜態(tài)功耗低，約為4mA,可用于電池供電。工作電壓范圍寬，4-12V or 5-18V。電壓增益可調(diào)，

18、20-200。圖6 LM386部分外設(shè)電路圖7 LM386引腳圖圖8 LM386音頻放大部分原理圖2.3軟件方案實(shí)現(xiàn)2.3.1 音樂產(chǎn)生的原理由于一首音樂是許多不同的音階組成的，而每個(gè)音階對應(yīng)著不同的頻率，這樣我們就可以利用不同的頻率的組合，即可構(gòu)成我們所想要的音樂了，當(dāng)然對于單片機(jī)來產(chǎn)生不同的頻率非常方便，我們可以利用單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0來產(chǎn)生這樣方波頻率信號，因此，我們只要把一首歌曲的音階對應(yīng)頻率關(guān)系弄正確即可。 本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)晶振為12MHZ，那么定時(shí)器的計(jì)數(shù)周期為1MHZ，假如選擇工作方式1，那T值便為T= 216-5105/相應(yīng)的頻率 ，那么根據(jù)不同的頻率計(jì)算出應(yīng)該賦給定時(shí)器的

19、計(jì)數(shù)值，列出不同音符與單片機(jī)計(jì)數(shù)T0相關(guān)的計(jì)數(shù)值如下表所示：表一 頻率-初值表其音頻處理函數(shù)如下：#include <reg52.h>#include "1234567.h"#include "key.h"extern unsigned char n; unsigned char code music_tab = 79,0x14, /1 do 70,0x14, /2rai 62,0x14, /3mi 59,0x14, /4fa 53,0x14, /5sao 47,0x14, /6la 42,0x14, /7xi;void delay (uns

20、igned char m) /控制頻率延時(shí) unsigned i=3*m; while(-i); void musicout(unsigned char i) unsigned char m; m=music_tabi; n=music_tab+i; TR0=1; /開定時(shí)器1 while(n!=0) Beep=Beep,delay(m); /等待節(jié)拍完成, 通過P1口輸出音頻 TR0=0; /關(guān)定時(shí)器1void music_outcs(unsigned char x)switch(x)case 1:musicout(0);while(!key1);break;case 2:musicout(

21、2); while(!key2); break;case 3: musicout(4); while(!key3);break;case 4: musicout(6); while(!key4);break;case 5:musicout(8);while(!key5);break;case 6: musicout(10);while(!key6);break;case 7: musicout(12);while(!key7);break;default:break;void music_out(unsigned char x)switch(x)case 1:musicout(0);while

22、(key1);break;case 2: musicout(2); while(key2); break;case 3: musicout(4); while(key3);break;case 4: musicout(6); while(key4);break;case 5: musicout(8);while(key5);break;case 6: musicout(10);while(key6);break;case 7: musicout(12);while(key7);break;default:break;三 系統(tǒng)測試3.1 硬件調(diào)試3.1.1 激光穩(wěn)定性由于激光具有很高的線性，在制

23、作激光琴時(shí)需要激光頭的高度穩(wěn)定，因此在設(shè)計(jì)時(shí)采用支架固定激光頭使其穩(wěn)定。圖9 激光頭支架并且在紅外接收管上套上黑色熱縮管可以有效的減少在白天自然光中的紅外線對其產(chǎn)生的干擾，提高接收管的靈敏度。3.1.2 音頻功放采用LM386功率放大器對單片機(jī)IO口輸出的信號進(jìn)行放大以驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，在調(diào)試的過程中需要不斷的調(diào)整功放模塊的電容，使其能在放大音頻信號的同時(shí)將噪聲降到最低。3.2 軟件調(diào)試3.2.1 信號接收在信號接收端調(diào)試：#include <REG52.H> #include "key.h"void Delay10ms(unsigned int c) /誤差

24、 0usunsigned char a, b;/-c已經(jīng)在傳遞過來的時(shí)候已經(jīng)賦值了，所以在for語句第一句就不用賦值了-/ for (;c>0;c-)for (b=38;b>0;b-)for (a=130;a>0;a-); char keynum()char x;wait:if(GPIO_KEY=0xFF) goto wait;Delay10ms(1);if(GPIO_KEY=0xFF) goto wait;else if(!key1) x=1;else if(!key2) x=2;else if(!key3) x=3;else if(!key4) x=4;else if(!

25、key5) x=5;else if(!key6) x=6;else if(!key7) x=7; return x;四 總結(jié)在電子音樂領(lǐng)域，電子音調(diào)作為現(xiàn)代電子科技與音樂結(jié)合的產(chǎn)物，它在現(xiàn)代音樂中扮演著重要的角色。目前，由于電子音樂的普及，電子琴就是一種新型的電子樂器。本次課程設(shè)計(jì)我們組原本選的課題是設(shè)計(jì)電子琴，但我們又經(jīng)過改造最后做出的成品是無弦激光電子琴。眾所知周激光琴是利用激光束感應(yīng)，通過選定的不同頻率，編寫相應(yīng)的程序，使得不同的頻率代表不同的音節(jié)從而發(fā)出相應(yīng)的樂曲。無弦激光琴相比普通的電子琴來說要相對高級且方便，我們可以不必通過按鍵來確定相應(yīng)的音符。當(dāng)然在此次課程中我們除了通過上網(wǎng)搜索

26、相應(yīng)的材料，通過以前所學(xué)知識繪制相應(yīng)的原理圖和對應(yīng)的PCB板，還要確定好每個(gè)音符所對應(yīng)的適合頻率。在這次課設(shè)中我們也更加清楚何為學(xué)以致用，如何將理論付之于行動上是非常重要的不斷完善和調(diào)整方案實(shí)在設(shè)計(jì)過程中的重要部分。其次是充分利用所學(xué)習(xí)的只是完善設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)1袁東.51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)實(shí)戰(zhàn)手冊M.北京：電子工業(yè)出版社，2011.2沈紅衛(wèi).基于單片機(jī)的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)M.北京：電子工業(yè)出版社，2005.3蘇麗萍.電子技術(shù)基礎(chǔ)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.4曾屹，彭楚武.單片機(jī)原理與應(yīng)用（第2版）M.長沙：中南大學(xué)出版社，2009.5林立.單片機(jī)原理及應(yīng)用基于Proteus和Kei

27、l CM.北京：電子工業(yè)出版社，2009.6彭偉.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例M.北京：電子工業(yè)出版社，2009.7顧濱，趙偉軍，諸杭.Protel99SE實(shí)用教程（第3版）M.北京：人民郵電出版社，2013.8王為青，程國剛.單片機(jī)Keil Cx51應(yīng)用開發(fā)技術(shù).M.北京：人民郵電出版社，2007.9單丹，馬淑云.基于AT89C51單片機(jī)電子琴的設(shè)計(jì)J.中國高新技術(shù)企業(yè)，2002，(10)， 6-7.10石鑫.基于89C51單片機(jī)簡易電子琴的設(shè)計(jì)J.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2010，(5)，59-61.附錄 總原理圖及PCB圖圖10 原理圖圖11 PCB圖附源程序:#include <reg

28、52.h>#include <INTRINS.H>#include "1234567.h" #include "key.h"extern unsigned char n;void T0_init() TMOD&=0x0f; TMOD|=0x01; TH0=0xd8;TL0=0xef; EA=1; ET0=1; void main ()T0_init();if(cs=0)while(1) music_outcs(keynum();elsewhile(1) music_out(keynum();void IT_0() interru

29、pt 1 /采用中斷0 控制節(jié)拍 TH0=0xd8; TL0=0xef; n-; /*按鍵子程序*/#include <REG52.H> #include "key.h"void Delay10ms(unsigned int c) /誤差 0us unsigned char a, b; for (;c>0;c-)/-c已經(jīng)在傳遞過來的時(shí)候已經(jīng)賦值了，所以在for語句第一句就不用賦值了-/for (b=38;b>0;b-)for (a=130;a>0;a-); char keynum()char x;wait:if(GPIO_KEY=0x80) goto wait;Delay10ms(1);if(GPIO_KEY=0x80) goto wait;else if(key1) x=1;else if(key2) x=2;else if(key3) x=3;else if(key4) x=4;else if(key5) x=5;else if(key6) x=6;else if(key7) x=7; return x;/*音頻子程序*/#include <reg52.h>#include "1234567.h"#include "key.h"extern unsigned c