基于mcu的簡易激光電子琴設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 成品迷你型 音響 我們這里所指的市場成品迷你型音響是專指供筆記本電腦、 MP3 等電子設(shè)備使用的，采用 標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)接口的小型音響，而非家庭影院、劇場等使用的，具有復(fù)雜接口的大型音響。 這種設(shè)計(jì)由于采用了具有高度質(zhì)量保證的商業(yè)化產(chǎn)品，充分保證了系統(tǒng)發(fā)音的質(zhì)量 。 6 由于商業(yè)化產(chǎn)品具有高度統(tǒng)一的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，使得發(fā)聲系統(tǒng)可以具備極高的靈活性和可替換性，而且采用商業(yè)化的產(chǎn)品也使系統(tǒng)整體的美觀度得到極大提高。 結(jié)合上述內(nèi)容，綜合考慮我們的整體設(shè)計(jì)要求，為了保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、高質(zhì)量地工作，同時(shí)為了便于 功能的升級(jí)和擴(kuò)展以及增大用戶的自主選擇性，我們最終決定選擇使用市場已有的成品音響作為該設(shè)計(jì)的 發(fā)聲系統(tǒng)。 電源系統(tǒng) 電源系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的源動(dòng)力。電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠與否將直接影響到整體系統(tǒng)能否正常、穩(wěn)定地工作。提到供電時(shí)我們很自然地想到電池供電和電源適配器供電兩種供電方式。 方案一：電池供電 隨著電子科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，諸如手機(jī)、 照相機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品日新月異。所有的電子產(chǎn)品都需要電源 來 維持 工作，而絕大多數(shù)的手持或便攜式電子產(chǎn)品都采用電池供電。 眾所周知，電池可分為不可充電電池和可充電電池。不可充電電池只能使用一次，電量耗盡之后不能繼續(xù)使用，現(xiàn)在的使用不可充電電池的電子產(chǎn)品已經(jīng)越來越 少了，更多的時(shí)候不可充電電池只是作為電量不足、斷電等突發(fā)情況的應(yīng)急之用。可充電電池可以在電量耗盡之后經(jīng)充電后繼續(xù)使用，可以重復(fù)多次使用，是現(xiàn)階段絕大多數(shù)電子產(chǎn)品的首要選擇。雖然可充電電池可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)多次充電，但是可充電電池也是有一定使用壽命限制的。 電池作為現(xiàn)階段電子產(chǎn)品發(fā)展不可或缺的重要產(chǎn)物同樣存在著它的弊端。首先，不管是不可充電還是可充電電池都因?yàn)槠渲谱髟牧现泻杏卸窘饘僭囟豢杀苊獾慕o自然環(huán)境和人類健康帶來一定的污染和危害。其次，雖然現(xiàn)階段電子技術(shù)已經(jīng)在增大電池電量、延長電池使用壽命等方面取得了極 大的進(jìn)步，但電池仍未在這些技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)飛躍性的突破，人們在使用電池的過程中仍然要面對(duì)電池電量不足、使用壽命短的問題。 方案二：電源適配器 我們這里所講的電源適配器確切地講應(yīng)該叫做直流電源適配器。所謂直流電源適配器就是指將交流電源經(jīng)過降壓、整流、穩(wěn)壓后以直流電的形式輸出的 供電系統(tǒng) 。筆記本電腦的交換式電源供電器就是典型的直流電源適配器。 電源適配器通常用在 需要長時(shí)間穩(wěn)定供電、不需要隨時(shí)移動(dòng)的供電目標(biāo)上。電源適配器的 工作 特點(diǎn)是供電穩(wěn)定可靠 、可以勝任長時(shí)間供電任務(wù)，并且隨著電子技術(shù) 和生產(chǎn)工藝的發(fā)展， 電源適配器的生產(chǎn) 成本越來越低。但是，同一款電源適配器的輸出電壓、額定功率都是固定不可調(diào)整的，不能像電池一樣通過 相互間 串聯(lián)實(shí)現(xiàn)調(diào)整輸出電壓、額定功率 的目的 。 7 考慮到我們所設(shè)計(jì)的電子琴通常在固定的地方進(jìn)行操作而不需要隨身攜帶到處移動(dòng)，而且為了保證電子琴能夠長時(shí)間地穩(wěn)定工作，我們最終決定選用電源適配器作為整個(gè)系統(tǒng)的供電系統(tǒng)。 8 第三章 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包含外觀結(jié)構(gòu)選材、外形設(shè)計(jì)等內(nèi)容，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮選材的強(qiáng)度、硬度 等因素，要從是否方便加工、是否能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面入手。外觀結(jié)構(gòu)直接決定了整個(gè)系統(tǒng)作品的尺寸大小以 及各個(gè)部分的大小和布局。我們首先對(duì)外殼材料進(jìn)行論證。 首先，電子琴的外殼必須具有較高的強(qiáng)度，以確保整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。其次，考慮到電子琴外觀的美觀性，我們需要外殼材料易于加工。再次，我們需要考慮設(shè)計(jì)成本的可控、可降，外殼材料的安全、環(huán)保。 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路 綜合我們先前對(duì)外殼材料提出的各項(xiàng)要求，我們需要一種低密 度、高強(qiáng)度、易于加工、價(jià)格低廉且安全、環(huán)保的材料。 我們首先想到 PVC 工業(yè)塑料。這種材料密 度低，價(jià)格低廉，便于切割加工，可以手工加工出漂亮的形狀，滿足了我們對(duì)易于加工和控制成本的要求。但該種 材 料強(qiáng)度太低，易損壞、 易變形，顯然這種材料不能 完全滿足我們對(duì)外觀設(shè)計(jì) 的要求。 為了彌補(bǔ) PVC 工業(yè)塑料在我們設(shè)計(jì)中的不足之處，我們考慮采用 PVC 工業(yè)塑料作為整個(gè)設(shè)計(jì)的外觀材料，同時(shí)選用高強(qiáng)度、低密度的鋁合金作為整個(gè)設(shè)計(jì)的支撐框架。這樣就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)外觀結(jié)構(gòu)既美觀又堅(jiān)固的目的。 圖 外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖 外觀 設(shè)計(jì)元素 為了增加外觀設(shè)計(jì)的美觀性，我們在電子琴前 PVC 面板上設(shè)計(jì)了一組祥云圖標(biāo)，并且通過美工刀進(jìn)行切割、雕刻，使之呈現(xiàn)為鏤空狀。祥云圖標(biāo)與電 子琴相結(jié)合，既體現(xiàn)了設(shè)計(jì)外觀的美感又簡約大方 不失華麗 ，使傳統(tǒng)元素與音樂完美結(jié)合 ，讓人賞心悅目 。 整體外觀結(jié)構(gòu) PVC 材料外殼 鏤空祥云圖標(biāo) 鋁合金框架 結(jié)構(gòu) 9 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要充分考慮所設(shè)計(jì)的 PCB 電路板的尺寸和形狀，以及 PCB電路板在外觀框架上具體安裝的位置和不同 PCB 電路板間導(dǎo)線的布線方向。 10 第四章 硬 件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 硬件設(shè)計(jì)方案 在外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之后，我們需要結(jié)合外觀結(jié)構(gòu)的尺寸要求展開對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)。我們對(duì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是 可靠、 簡單、高效。 可靠性 是整體系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件，所以我們在硬件電路設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)中都充分考 慮了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)的簡單、高效是指硬件系統(tǒng)在具有較高可靠性的基礎(chǔ)上盡量簡化硬件電路并提高硬件的性能，從而達(dá)到簡單高效的目的。 在可靠、簡單、高效的原則下，不僅方便元器件的選型和硬件電路的設(shè)計(jì)，也可以減少一些不必要的電路，從而減少了一些不確定因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 我們的硬件電路系統(tǒng)共分為 五 個(gè)子模塊：單片機(jī)最小系統(tǒng)、激光發(fā)射模塊、激光接收模塊 、 音頻驅(qū)動(dòng) 模 塊 和電源模塊 。 各子模塊間框架關(guān)系見圖 。 圖 硬件系統(tǒng)框架圖 各模 塊電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 上一節(jié)中我們已經(jīng)初步介紹了整個(gè)硬件電路系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)，在這一節(jié) 中 我們將著重介紹硬件電路各個(gè)子模塊的構(gòu)成、功能 及 PCB 電路板設(shè)計(jì)。 我們接下來依次按照單片機(jī)最小系統(tǒng)、激光發(fā)射模塊、激光接收模塊、音頻驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊的順序?qū)Ω髯幽K作出介紹。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片微型計(jì)算機(jī) (Single Chip Microputer)簡稱單片機(jī)。它把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件：中央處理器 CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、可編程存儲(chǔ)器 EPROM、單片機(jī) 最小系統(tǒng) 激光 發(fā)射模塊 激光 接收模塊 音頻 驅(qū)動(dòng)模塊 電源模塊 11 并行及串行輸入輸出 I/O 接口電 路、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷控制器等部件集成在一塊半導(dǎo)體芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī) 【 1】 。 在本設(shè)計(jì)中，我們首先需要搭建一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)來保證單片機(jī)能夠正常穩(wěn)定工作。在單片機(jī)最小系統(tǒng)中，包含四個(gè)部分： STC89C51RC、復(fù)位電路、振蕩電路、 I/O 接口。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成 圖 (1) 復(fù)位電路 通過某種方式，使單片機(jī)內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。 STC89C51RC單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在 RST/VPD 端持續(xù)給出 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以完成復(fù)位操作（一般復(fù)位正脈沖寬度大于 10ms）。復(fù)位電路分為上電復(fù)位和外部復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位是在單片機(jī)接通電源時(shí)，自動(dòng)對(duì)單片機(jī)復(fù)位 。外部復(fù)位是通過外部手動(dòng)進(jìn)行的復(fù)位。 在這里我們設(shè)計(jì)的復(fù)位電路是上電 /外部復(fù)位電路，既可以進(jìn)行上電自動(dòng)復(fù)位，也可以外部手動(dòng)復(fù)位。 圖 復(fù)位電路 (2) 振蕩電路 單片機(jī)的定時(shí)控制功能是由片內(nèi)的時(shí)鐘電路和定時(shí)電路來完成的，而片內(nèi)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方式：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，也就是內(nèi)部振蕩器方式和外部振蕩器方式。 采用內(nèi)部時(shí)鐘方式時(shí)，片內(nèi)的高增益反相放大器通過 XTAL XTAL2 外接作為反饋元復(fù)位電路 振蕩 電路 I/O 接口 STC89C51RC 12 件的片外晶體振蕩器（呈感性）與電容組成的并聯(lián)諧振回路構(gòu)成一個(gè)自激振 蕩器，向內(nèi)部時(shí)鐘電路提供振蕩時(shí)鐘。振蕩器的頻率主要取決于晶體的振蕩頻率，一般晶體可在 —12MHz 之間任選，電容可在 5— 30pF 之間選擇，電容的大小對(duì)振蕩頻率有微小的影響，可起頻率微調(diào)作用。 采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，外部振蕩信號(hào)通過 XTAL2 端直接接至內(nèi)部時(shí)鐘電路，這時(shí)內(nèi)部反相放大器的輸入端 XTAL1 端應(yīng)接地。通常外接振蕩信號(hào)為低于 12MHz 的方波信號(hào)。 在這里，我們采用內(nèi)部時(shí)鐘方式設(shè)計(jì)振蕩電路 ，外部晶體振蕩器（晶振）選用 12MHz，電容選用 30pF。 圖 振蕩電路 (3) 單片機(jī)和 I/O 接口 我們 采用了由宏晶公司設(shè)計(jì)的 STC89C51RC 型單片機(jī)。它是一款基于 8051 內(nèi)核的，采用了 CMOS 生產(chǎn)工藝，具有低功耗特點(diǎn)的高性能 8 位單片機(jī)。它具有 4 個(gè) 8 位并行輸入 輸出 I/O接口： P0、 P P P3（共 32 線），用于輸入或輸出數(shù)據(jù)。此外，它還具有 1個(gè)串行 I/O接口、 2個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、 5級(jí)中斷系統(tǒng) 等 【 2】 。 本設(shè)計(jì)中，使用到的單片機(jī)資源有一個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、一個(gè) 8 位并行輸入輸出I/O 口。 對(duì)于定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器來說，不管是獨(dú)立的定時(shí)器芯片還是單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，大都有以下特點(diǎn)： a) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器有多種工作方式，可以是計(jì)數(shù)方式也可以是定時(shí)方式。 b) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值是可變的，當(dāng)然對(duì)技術(shù)的最大值有一定限制，這取決于級(jí)數(shù)器的位數(shù)。計(jì)數(shù)的最大值也就限制了定時(shí)的最大 值。 c) 可以按照規(guī)定的定時(shí)或計(jì)數(shù)值，在定時(shí)時(shí)間到或者計(jì)數(shù)終止時(shí)，發(fā)出中斷申請，以便實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制。 STC89C51RC 單片機(jī)的定時(shí)器是可編程定時(shí)器，其工作方式、啟動(dòng)、停止、溢出標(biāo)志等都是可編程控制的，只需通過設(shè)置寄存器 TMOD、 TCON、 TH0、 TL0、 TH1 和 TL1 就可實(shí)現(xiàn)。 13 當(dāng)設(shè)置了定時(shí)器的工作方式并啟動(dòng)定時(shí)器工作后，定時(shí)器就以設(shè)定的工作方式獨(dú)立工作，不再占用 CPU，當(dāng)計(jì)數(shù)器記滿溢出時(shí)自動(dòng)向 CPU 中斷系統(tǒng)申請中斷，中斷的執(zhí)行將占用 CPU資源。 圖 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)圖 激光發(fā)射模塊 半導(dǎo)體激光發(fā)射器是使用半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的激光器，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)上的差異，不同種類工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的具體過程比較特殊。半導(dǎo)體激光發(fā)射器的工作原理是激勵(lì)方式，利用半導(dǎo)體物質(zhì)在能帶間躍遷發(fā)光， 用半導(dǎo)體 晶體 的解理面形成兩個(gè)平行反射鏡面作為反射鏡，組成諧振腔，使光振蕩、反饋，產(chǎn)生光的輻射放大， 從而 輸出激光。 本設(shè)計(jì)采用的激光發(fā)射器是工業(yè)級(jí) 25mW 小功率外調(diào)焦半導(dǎo)體激光發(fā)射器 ,如圖 3激光發(fā)射電路原理圖所示，激光發(fā)射電路中的調(diào)制管 J2 在上電時(shí)發(fā)出頻率為 180KHz，占空比在 20%— 30%的方波信號(hào)，使三極管 Q2 以 180KHz 的頻率導(dǎo)通 /截止，從而對(duì)激光發(fā)射器進(jìn)行了頻率調(diào)制，使其發(fā)出頻率為 180KHz 的激光束 【 3】 。這是由于我們所采用的激光接收管只能接收 180KHz 頻率激光。 圖 激光發(fā)射管和調(diào)制管圖 圖 激光發(fā)射電路電路原理圖 Tx THx TFx TLx TRx INTx 定時(shí) 計(jì)數(shù) 0f 0/12ff? 加 1 計(jì)數(shù)器 14 激光接收模塊 激光接收電路的作用是檢測激光接收管是否接收到特定頻率的激光束，并通過激光接收電路向單片機(jī) P2 口發(fā)送相應(yīng)高、低電平信號(hào)，以此作為控制信號(hào)達(dá)到控制小型音響發(fā)出特定頻率音頻信號(hào)的目的。 在激光接收電路中采用了常低態(tài)的激光接收管。當(dāng)激光接收管接收到激光發(fā)射電路發(fā)出的 180KHz 的激光束時(shí)，激光接收管管腳 2 將表現(xiàn)為高電平，與之相反，如果沒有接收到激光束則表現(xiàn)為低電平。 由于在設(shè)計(jì)中采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)方式 ，即一只激光接收管能且只能接收一只激光發(fā)射器發(fā)出的激光束，故當(dāng)人體阻斷某只激光發(fā)射器發(fā)出的激光束時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的激光接收管將因接收不到激光束而表現(xiàn)出低電平，除此之外的情況均表現(xiàn)為高電平，這就構(gòu)成了我們所需要的控制信號(hào) —— 低電平信號(hào)。 在圖 激光接收電路原理圖中發(fā)光二極管 D10 的作用是指示該組激光接收電路是否接收到激光束。如果接收到的話，則發(fā)光二極管不亮；如果接收不到激光束（有人體阻斷激光發(fā)射電路發(fā)出的激光束），則發(fā)光二極管點(diǎn)亮。 圖 激光接收電路原理圖 音響發(fā) 聲 模塊 我們在本設(shè)計(jì)中 沒有采用驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器的方案，而是直接使用 標(biāo)準(zhǔn)音頻接口外接小型音響的方案。這樣一來簡化了硬件電路，也增強(qiáng)了音頻質(zhì)量。 15 圖 音頻驅(qū)動(dòng)及接口電路原理圖 如圖 ， J19 表示一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn)音頻接口。當(dāng)單片機(jī) P3^ P3^7 按程序指令發(fā)出特定頻率的方波信號(hào)時(shí)，三極管 Q Q10 也將按此頻率導(dǎo)通 /截止 【 4】 ，從而將該方波信號(hào)傳遞到小型音響并在外接 5V 直流電源 VCC 作用下驅(qū)動(dòng)小型音 響發(fā)出聲音 。 圖 標(biāo)準(zhǔn)音頻接口 圖 小型音響 16 第五章 軟 件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 軟件設(shè)計(jì)方案 繼上一