基于mcu的簡易激光電子琴設計與實現-資料下載頁

【導讀】基于MCU的簡易激光電子琴設計與實現

　　

【正文】 ? 編譯及調試： 支持 單片機 匯編語言的編輯 /編譯 /源碼級仿真，內帶 805 AVR、 PIC的匯編 編譯器 ，也可以與 第三方集成 編譯環境（如 IAR、 Keil 和 Hitech）結合，進行高級語言的源碼級仿真和調試； (4) PCB 設計平臺 ? 原理圖到 PCB 的快速通道： 原理圖設計完成后，一鍵便可進入 ARES 的 PCB 設計環境，實現從概念到產品的完整設計； ? 先進的自 動布局 /布線功能： 支持器件的自動 /人工布局；支持無 網格 自動布線或人工布線；支持 引腳 交換 /門交換功能使 PCB 設計更為合理； ? 完整的 PCB 設計功能： 最多可設計 16 個銅箔層， 2 個絲印層， 4 個機械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設置，自動設計規則檢查， 3D 可視化預覽； 23 ? 多種輸出格式的支持： 可以輸出多種格式文件，包括 Gerber 文件 的導入或導出，便利與其它 PCB 設計工具的互轉（如 protel）和 PCB 板的設計和加工 ； Protues 仿真的意義 在 Protues 繪制好原理圖后，調入已編譯好的 目標代碼 文件： .HEX 文件 ，可以在Protues 的原理圖中看到模擬的實物 的 運行狀態和過程。 Protues 不僅可將許多 單片機實例 功能形象化，也可將許多單片機實例運行過程形象化。前者可在相當程度上得到實物演示實驗的效果，后者則是實物演示實驗難以達到的效果。 Protues 的元器件、連接線路等和傳統的 單片機 實驗硬件高度對應。這在相當程度上替代了傳統的 單片機 實驗教學的功能，例：元器件選擇、電路連接、電路檢測、電路修改、軟件調試 、運行結果等。 課程設計、畢業設計是學生走向就業的重要實 踐環節。由于 Protues 提供了實驗室無法相比的大量的元器件庫，提供了修改電路設計的靈活性、提供了實驗室在數量、質量上難以相比的 虛擬儀器 、儀表，因而也提供了培養學生實踐精神、創造精神的平臺 。 隨著科技的發展， “ 計算機仿真技術 ” 已成為許多設計部門重要 的前期設計手段。它具有設計靈活，結果、過程的統一的特點。可使設計時間大為縮短、耗資大為減少，也可降低工程制造的風險。相信在單片機開發應用中 Protues 也能茯得愈來愈廣泛的應用。 使用 Proteus 軟件 進行單片機 系統仿真 設計，是 虛擬仿真技術 和 計算機多媒體技術 相結合的綜合運用，有利于 培養我們的 電路設計能力及 仿真軟件 的 操作能力 。 在 單片機課程設計 和全國大學生電子設計競賽中，我們使用 Proteus 開發環境 進行電路仿真調試 ， 可以 在不需要硬件投入的條件下， 對 各種實物電路進行仿真驗證，極大減少了實物電路驗證、調試過程中的成本消耗，從另一方面也大大方便了電路設計，縮短了項目開發周期。 實踐證明，在使用 Proteus 進行 系統仿真 開發成功之后再進行實際制作，能極大提高 單片機 系統設計效率 和設計質量 。 我們相信 Proteus 一定會有更 高的推廣 空間和推廣價值 。 Protues 仿真方案 設計 我們所設計的簡易電子琴是基于 STC89C51RC 單片機 輸入輸 出 I/O 端口 P2 口高低電平變化來產生內部定時器 T0 工作的觸發信號，從而借助定時器 /計數器 T0 的定時功能模擬產生不同頻率的脈沖波形，來模擬不同音符的音頻信號的。 故此，我們可以在 Protues 軟件中使用 8 只 獨立 彈性按鍵來模擬 8組激光傳感器，以彈性按鍵按下接地產生的低電平來模擬激光光束被阻斷時輸出的低電平。這就解決了激光傳感器組模型無法構建的難題。 24 接下來我們需要解決如何仿真音響模型的問題。考慮到我們最終送給音響的信號是不同頻率的脈沖波形，我們想到可以通過 Protues 軟件自帶的虛擬示波器觀察仿真電路產生的脈沖 波形是否與期望波形一致來檢測我們的系統設計是否可 行，從而也就解決了音響模型難以形象仿真的難題。 圖 仿真系統結構圖 Protues 電路仿真設計與實現 在這一節中，我們將闡述如何具體實現上一節中所講述的系統仿真方案，并電路仿真與程序聯調，得到仿真結果以檢測我們的系統設計方案的可靠性。 單片機最小系統仿真電路 我們先來進行 Protues 軟件環境下的系統原理圖布圖， 以構建軟件環境下的仿真電路系統，具體的仿真電路 單片機最小系統 如圖 。 圖 仿真電路單片機最小系統 主控制系統 虛擬儀器 系統 獨立按鍵 系統 25 可以看到電路原理圖中，單片機沒有外接電源，這并不是說仿真時單片機不需要接電源，只是我們在仿真時， Protues 軟件系統默認隱藏了單片機的電源引腳和接地引腳，而且系統也遵循了相同電氣 網絡引腳默認連接的規則。 獨立按鍵和虛擬儀器仿真電路設計 在上一節中我們提出用 8只獨立按鍵來模擬 8 組激光傳感器，用虛擬示波器來觀察仿真波形，借以比較仿真波形與我們期望的波形是否一致來判斷我們整個系統的設計方案是否可行。如圖 所示，是我們設計的獨立按鍵和虛擬儀器仿真電路原理圖。 圖 獨立按鍵和虛擬儀器仿真原理圖 在途中我們看到我們將 8 只獨立按鍵接一只上拉排阻后與單片機 P2 端口連接，我們之所以接 1只 10K 歐姆的上拉電阻是為了防止外部環境的不確定干擾因素對單片機并行輸入輸出端口 P2口造成干擾。 在圖 的右下角我們看到一只具有 A、 B、 C、 D 四路接口的虛擬示波器，它可以同時接入四路信號，也就是說可以同時跟蹤顯示四路待測信號的波形。在這里我們只用到了接口 A和 C。 仿真結果與設計方案可行性分析 26 仿 真電路和仿真模型搭建完成以后，我們開始著手準備進行仿真。首先，我們先Protues 軟件菜單欄中的“調試” “使用遠程調試監控” ， 然后我們打開 Keil 開發系統，選擇菜單欄中的“ Project” “ Options for Target ‘Target 1’” ，接著 選擇 “ Debug”選項卡 ， 選擇 Use：“ Proteus VSM Simulators” ，然后點“ 確定 ”。這樣一來我們就完成了Keil 開發環境與 Protues 仿真軟件的聯調設置，就如同是 Keil 開發環境完成了與單片機的硬件連接通信一樣。 我們將寫好的程序編譯之后下載到 Protues 仿真環境下的單片機，然后點擊“開始”按鈕，仿真程序開始運行，接著我們將光標放到虛擬示波器上（如圖 所示），單擊右鍵，選擇“ Digital Oscilloscope”項 。 圖 虛擬示波器 圖 Digital Oscilloscope 窗口 此時， Protues 軟件頁面 會 彈出一個名為“ Digital Oscilloscope”的新窗口 （如圖 所示），這就是 虛擬示波器的仿真面板和顯示器，通過窗口我們可以看到仿真系統穩定的輸出了兩路完全相同的方波信號（如圖 所示） 。 圖 仿真波形圖 27 仿真波形圖與我們預期信號的波形表現是一致的，單片機在 P2 端口有且僅有一位表現為低電平時， P3^ P3^7 兩個引腳發出具有相同周期、相同峰值和相同占空比的脈沖方波，這與我們預期的 P3^ P3^7 兩個引腳將發出完全相同脈沖方波的結果是完全一致的。這說明我們的仿真設計完全正確，也表明我們整個實物系統的硬件電路設計和軟件設計的思路和方案是可行的。 28 第七章 總結和展望 在系統調試的過程中，我們總結出影響系統正常穩定工作的兩大因素是半導體激光發射器相互間的干擾和系統結構設計的穩定性。 我們在如何增強系統抗干擾能力的問題上，指出傳統設計采用模擬型器件光敏電阻作為激光光束接收單元傳感器極易受到外部環境光線強度變化的影 響而引發較大干擾的缺陷。由此展開探討，決定使用受外部環境光線強度變化影響極小的數字型激光接收管替代光敏電阻，并采用半導體激光發射器與激光接收管點對點式發射與接收。 以上所做設計及改進極大程度地增強了系統的抗干擾能力，確保了系統能夠在任何光線強度的環境下正常穩定工作。這也是我們該設計的最大優點之處。 此外，我們在發聲部分也一改傳統設計，用成品音響取代傳統設計上的揚聲器，使得系統可以獲得極佳的、可調音量的音質。這也是我們該設計的又一具有創新性的亮點之處。 反觀我們整個設計，鑒于它設計原理的通用性、生產成本的逐步 降低和產品穩定性的日益增強，相信它將會在新形電子樂器設計中得到進一步完善和發展。 29 參考文獻 [1] 張毅坤 ,陳善久 ,裘雪紅 .單片微型計算機原理及應用 .西安：西安電子科技大學出版社 ,1998 [2] 郭天祥 .新概念 51單片機 C語言教程 —— 入門、提高、開發、拓展全攻略 .北京：電子工業出版社 ,2020 [3] 周文龍 ,徐國偉 .激光傳感器在智能車中的應用 .青年科學 ,2020（ 6） :179 [4] 楊素行 .模擬電子技術基礎簡明教程 .第三版 .北京：高等教育出版社 ,2020 [5] 譚浩強 .C程序設計 .第三 版 .北京：清華大學出版社 ,2020 [6] （美）普拉塔（ Prata,S） ,云巔工作室（譯） .C Primer Plus 中文版 .第五版 .北京：人民郵電出版社 ,2020 I 附 錄 附錄 A 硬件電路原理圖 圖 A1 II 圖 A2 III 圖 A3 IV 圖 A4 V 圖 A5 VI 附錄 B 硬件電路 PCB 圖 B1 VII 圖 B2 VIII 附錄 C 程序流程圖 開 始初 始 化 子 函 數i n i t ( )計 算 P 2 端 口 信號 s e n s o r s 的 值s e n s o r s = = 0 x 7 fs e n s o r s = = 0 x b fs e n s o r s = = 0 x d fs e n s o r s = = 0 x e fs e n s o r s = = 0 x f 7s e n s o r s = = 0 x f bs e n s o r s = = 0 x f ds e n s o r s = = 0 x f eNNNNNNNm u s i c _ n o t e = 0m u s i c _ n o t e = 1m u s i c _ n o t e = 2m u s i c _ n o t e = 3m u s i c _ n o t e = 4m u s i c _ n o t e = 5m u s i c _ n o t e = 6m u s i c _ n o t e = 7YYYYYYYYm u s i c _ n o t e = 8m u s i c _ n o t e = = 8N關 音 響T R 0 = 0t e m p _ T H 0 = m u s i c _ t a b [ m u s i c _ n o t e ] / 2 5 6t e m p _ T L 0 = m u s i c _ t a b [ m u s i c _ n o t e ] % 2 5 6T R 0 = 1YN IX 附錄 D 程序源代碼 /***************************************************************************/ /* 基于單片機的 簡易激光電子 琴設計 */ /* 2020年 */ /***************************************************************************/ include define uchar unsigned char define uint unsigned int define sensors P2 sbit amplifier_L=P3^6。 sbit amplifier_R=P3^7。 uchar music_note,temp_TH0,temp_TL0。 uint code music_tab[]={64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,65058}。 //音階簡譜碼 ,中音 1— 7，高音 1 /*********************************初始化函數 ********************************/ void init() { TMOD=0x01。 //定時器 0 工作在方式 1 EA=1。 //開總中斷 ET0