课程设计报告--电子琴

1、物理与电子信息学院课程设计报告·······································基于单片机的电子琴设课程设计报告 题 目： 无弦电子激光琴设计 专业班级： 年 级： 学生姓名： 指导

2、老师： 完成日期：2016 年 5 月 5日前言在电子音乐领域，电子音调作为现代电子科技与音乐结合的产物，它在现代音乐中扮演着重要的角色。目前，由于电子音乐的普及，电子音调合成器（合成器实际上就是一台声音的频率合成仪，可以制作各种声音，改变各种音色）可以解决相当一部分的歌唱及舞厅的伴奏问题。其中，电子琴就是一种新型的键盘电子乐器。摘要 利用五个激光管发出的光束作为琴弦，用容易找到的纸盒做琴架，用电池及开关控制整个系统的通断。利用单片机控制播动激光琴弦时发出不同音调的声音。当有激光照射时，单片机读取红外接收管的电压，当遮挡激光的光线时，就能在电路中产生开关的效果。因而，当我们用手遮挡激光的时候对

3、应的光敏电阻的电阻电压为高电平，此时激光琴就会发出声音，连续遮挡不同的激光管就能就能演奏出动人的音乐。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.目录一 设计要求及方案选择11.1设计要求11.2 方案选择11.2.1 按键控制11.2.2 激光红外对管控制31.3 方案比较3二 设计原理及方案实现42.1 设计原理42.2 硬件方案实现42.2.1 单片机最小系统模块4图1 单片机最小系统52.2.2 激光红外管对射模块52.2.3电压比较器部分72.2.4 音频放大模块92.3软件方案实现112.3.1 音乐产生的原理11三 系统测试153.1 硬件调试153.1.1 激光稳定性153.1.2 音频功放153.2 软件调试153.2.1

6、信号接收15四 总结16参考文献18附录19总原理图及PCB图19附源程序:20一 设计要求及方案选择1.1设计要求若干组发射相互平行的光束，由相同数量的光电二极管接收，分别对应一个音符，如此便以光束组成五弦琴或七弦琴。当手指在某路光束上勾动，会短暂阻断光路，红外接收二极管检测到光强变化，装置发出相应音符的琴声。为使发音逼真动听，可采用音乐芯片或用录音芯片录制真实琴音播放。验收时需演示简单曲目的弹奏。1.2 方案选择1.2.1 按键控制以按键控制电路作为人机联系的输入部分，也是间接控制数码显示和音频功放的重要组成部分。则有下列键盘形式。(1)矩阵式键盘矩阵式（也称行列式）键盘由行线和列线组成，

7、按键位于行、列的交叉点上。由于矩阵式键盘中行、列线为多键共用，各按键彼此将相互发生影响，所以必须将行、列线信号配合，才能确定闭合键位置。相对于独立式键盘而言，软件上编程会稍微复杂些。如图2所示为4X4矩阵式键盘电路，由一个4X4的行、列结构可以构成一个16个按键键盘，再结合芯片74LS20来触发中断。在按键数目较多的场合，要节省较多的I/O口线。矩阵中无按键按下时，行线为高电平；当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线的电平决定。列线的电平如果为低，则行线电平为低；列线的电平如果为高，则行线的电平也为高，这是识别按键是否按下的关键所在。（2）独立式键盘图3 独立式键盘电路独立式键盘的

8、特点是一键一线，各键相互独立，每个键各接一条I/O口线，通过检测I/O输入线的电平状态，可判断出被按下的按键。显而易见，这样电路简单，各条检测线独立，识别按下按键的软件编写简单。适用于键盘按键数目较少的场合，不适用于键盘按键数目较多的场合，因为将占用较多的I/O口线。独立式键盘电路如图3所示，8个独立按键分别对应一个I/O口线，当某一按键按下时，对应的检测线就变成了低电平，与其它按键相连的检测线仍为高电平，只需读入I/O输入线的状态，判别哪一条I/O输入线为低电平，很容易识别哪个键被按下。同时采用了8输入与门芯片CD4068B，收集8个独立按键的开关状态信号，并触发单片机的外部中断来处理，大大

9、提高了单片机CPU的利用率。1.2.2 激光红外对管控制用激光头发射出激光，红外接收头接收到红外线会产生电平的变化。当有物体遮挡激光射线时，会触发信号。产生需要的电平跳变。1.3 方案比较激光对管结构简单、激光扩散角度小，无需几何光学设备聚焦调焦，稳定性好. 光线穿透能力强，激光单色性好，不会因受到干扰而引起误报。能耗低，每对激光对射工作电流10mA左右，所有激光对射只需串联安装，成本低 。综上，选用激光对射。二 设计原理及方案实现2.1 设计原理基于单片机AT89C51的电子琴电路由激光触发电路、音频功放电路、时钟-复位电路和电源电路五部分所构成。激光触发电路采用了LM339构成的电压比较器

10、来控制电压的触发。并触发单片机的外部中断来处理；音频功放电路也会播放琴键对应的音调；电源电路为整个电路提供能源。1）激光触发电路：是由激光发射头和红外接收头组成，激光发射头发射出红外线，接收头接收相应的激光头发射出的红外线。2）电压比较器：使用LM339组成的电压比较器，使之模拟出需要的数字信号。3）音频放大电路：采用标准的LM386音频放大电路。2.2 硬件方案实现2.2.1 单片机最小系统模块单片机的最小系统模块是RCL测量仪设计硬件部分的最主要也是最基础的部分。最小系统包括了单片机、复位电路、晶振电路。本设计中是以MSC-51单片机为核心设计的。其中复位电路由按键复位和上电复位两部分组成

11、，MSC-51单片机要实现复位需要的是在其第9引脚接一个高电平持续2US就可以实现了。在单片机的系统中，当启动的时候就会复位一次，当按下按键的时候系统就会再次复位，当按键释放后再按下的时候，系统又会再次复位。因此通过按键的闭合和断开就能够控制系统的复位。晶振电路是把一个反向放大器的两端接入晶振，再把两个电容分别接入到晶振的端口，而两个电容的另一端接地，那么这两个电容串联之后的电容值就相当于负载的电容。IC的引脚也都有等效输入电容的。晶振与单片机的引脚XTAL0和引脚XTAL1构成的振荡电路会产生谐波。系统设计中把单片机的PO口作为地址/数据复用的时候不接上拉电阻，作为I/O口时用时，由于内部没

12、有上拉电阻，所以接上上拉电阻。本次设计中选用的是常用的12MHZ的晶振作为振荡源，与晶振并接的C1、C2为30pf电容，XTAL2和XTAL1作为时钟信号的输出端。如下图所示是最小系统的电路图：图1 单片机最小系统2.2.2 激光红外管对射模块1）激光发射头激光头采用的是半导体激光二极管，导体激光二极管的基本结构：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里珀罗谐振腔， 图二 激光二极管它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区

13、经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为的光子，其公式如下： = hc/Eg ···················式中：h普朗克常数； c光速； Eg半导体的禁带宽度。上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已

14、激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光激光。2）红外接收管 线接收管是将红外线光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部件是一个特殊材料的PN结，和普通二极管相比，在结构上采取了大的改变，红外线接收管为了更多更大面积的接收入，电流则随之增大，红外接收管分两种，一种是二极管，一种是三极管。 图3 激光红外对射部分原理图2

15、.2.3电压比较器部分LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值 为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内 阻限制较宽；4）共模范围很大，为0（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于 电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。 LM339集成块采用C-14型封装，图4为外型及管脚排列图。图4 LM339结构图LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个 称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输

16、入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任 意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何 一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输 出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压 差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检 测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出 端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端 高电

17、位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于图5 电压比较器原理图2.2.4 音频放大模块LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。特性静态功耗低，约为4mA,可用于电池供电。工作电压范围宽，4-12V or 5-18V。电压增益可调，

18、20-200。图6 LM386部分外设电路图7 LM386引脚图图8 LM386音频放大部分原理图2.3软件方案实现2.3.1 音乐产生的原理由于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，我们只要把一首歌曲的音阶对应频率关系弄正确即可。 本次设计中单片机晶振为12MHZ，那么定时器的计数周期为1MHZ，假如选择工作方式1，那T值便为T= 216-5105/相应的频率 ，那么根据不同的频率计算出应该赋给定时器的

19、计数值，列出不同音符与单片机计数T0相关的计数值如下表所示：表一 频率-初值表其音频处理函数如下：#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) /控制频率延时 unsigned i=3*m; while(-i); void musicout(unsigned char i) unsigned char m; m=music_tabi; n=music_tab+i; TR0=1; /开定时器1 while(n!=0) Beep=Beep,delay(m); /等待节拍完成, 通过P1口输出音频 TR0=0; /关定时器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 系统测试3.1 硬件调试3.1.1 激光稳定性由于激光具有很高的线性，在制

23、作激光琴时需要激光头的高度稳定，因此在设计时采用支架固定激光头使其稳定。图9 激光头支架并且在红外接收管上套上黑色热缩管可以有效的减少在白天自然光中的红外线对其产生的干扰，提高接收管的灵敏度。3.1.2 音频功放采用LM386功率放大器对单片机IO口输出的信号进行放大以驱动扬声器发出声音，在调试的过程中需要不断的调整功放模块的电容，使其能在放大音频信号的同时将噪声降到最低。3.2 软件调试3.2.1 信号接收在信号接收端调试：#include <REG52.H> #include "key.h"void Delay10ms(unsigned int c) /误差

24、 0usunsigned char a, b;/-c已经在传递过来的时候已经赋值了，所以在for语句第一句就不用赋值了-/ 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 总结在电子音乐领域，电子音调作为现代电子科技与音乐结合的产物，它在现代音乐中扮演着重要的角色。目前，由于电子音乐的普及，电子琴就是一种新型的电子乐器。本次课程设计我们组原本选的课题是设计电子琴，但我们又经过改造最后做出的成品是无弦激光电子琴。众所知周激光琴是利用激光束感应，通过选定的不同频率，编写相应的程序，使得不同的频率代表不同的音节从而发出相应的乐曲。无弦激光琴相比普通的电子琴来说要相对高级且方便，我们可以不必通过按键来确定相应的音符。当然在此次课程中我们除了通过上网搜索

26、相应的材料，通过以前所学知识绘制相应的原理图和对应的PCB板，还要确定好每个音符所对应的适合频率。在这次课设中我们也更加清楚何为学以致用，如何将理论付之于行动上是非常重要的不断完善和调整方案实在设计过程中的重要部分。其次是充分利用所学习的只是完善设计。参考文献1袁东.51单片机应用开发实战手册M.北京：电子工业出版社，2011.2沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现M.北京：电子工业出版社，2005.3苏丽萍.电子技术基础M.西安：西安电子科技大学出版社，2002.4曾屹，彭楚武.单片机原理与应用（第2版）M.长沙：中南大学出版社，2009.5林立.单片机原理及应用基于Proteus和Kei

27、l CM.北京：电子工业出版社，2009.6彭伟.单片机C语言程序设计实训100例M.北京：电子工业出版社，2009.7顾滨，赵伟军，诸杭.Protel99SE实用教程（第3版）M.北京：人民邮电出版社，2013.8王为青，程国刚.单片机Keil Cx51应用开发技术.M.北京：人民邮电出版社，2007.9单丹，马淑云.基于AT89C51单片机电子琴的设计J.中国高新技术企业，2002，(10)， 6-7.10石鑫.基于89C51单片机简易电子琴的设计J.农业装备技术，2010，(5)，59-61.附录 总原理图及PCB图图10 原理图图11 PCB图附源程序:#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 /采用中断0 控制节拍 TH0=0xd8; TL0=0xef; n-; /*按键子程序*/#include <REG52.H> #include "key.h"void Delay10ms(unsigned int c) /误差 0us unsigned char a, b; for (;c>0;c-)/-c已经在传递过来的时候已经赋值了，所以在for语句第一句就不用赋值了-/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;/*音频子程序*/#include <reg52.h>#include "1234567.h"#include "key.h"extern unsigned c