2017TI简易激光电子琴设计

1、基于52单片机的激光电子琴设计参赛人员：张文昊骆力州胡海明专业班级：电气工程及其自动化1602总设计：张文昊制作：骆力州胡海力报告：张文昊骆力州胡海力学号：学1681076201681032201681034完成日期：2017年5月27日刖S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。用激光来控制电子琴不失为一种很好的创意。摘要利用七个激光管发出的光束作为琴

2、弦，由于创院资源有限，我们选择了洞洞板代替比较难焊的覆铜板，用光敏电阻的光照特性来驱动三极管提供适当的信号。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演奏出动人的音乐。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

3、射模块52.2.3 音频放大模块错误!未定义书签。2.3 软件方案实现62.3.1 音乐产生的原理6三系统测试143.1 硬件调试143.1.1 激光稳定性143.1.2 音频功放错误!未定义书签。3.2 软件调试错误!未定义书签。3.2.1 信号接收错误!未定义书签。四总结15参考文献16附录17总原理图及PCB图17附源程序:错误!未定义书签。-设计要求及方案选择L1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，如此便以光束组成七弦琴，用一个自锁开关来控制高低音调。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

4、。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。当然在这里我们只是用简单的无源蜂鸣器进行发声。1.2 方案选择L2.1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，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

5、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，通过程序不断循环文寸列按键进行扫描,这是识别按键是否按下的关键所在。（2）独立式键盘独立式键盘的特点是一键一线，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。图3独立式键盘电路独立式键盘

6、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 方案比较激光对结构简单、激光扩散角度小，无需儿何光学设备聚焦调焦，稳定性好.光线穿透能力强，激光单色

7、性好，不会因受到干扰而引起误报。有新意，比较好玩，还可以扫弦演奏，比按键可玩性高。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AT89c52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S8550三极管来控制电压的触发。并触发单片机的内部时间中断来处理；音频功放电路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）音频放大电路：由于无源蜂鸣器不需要太大功率，我们选择了5V的电源驱动，三极管控制。2.2 硬件

8、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、晶振电路。本设计中是以STC52单片机为核心设计的。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XTALO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

9、为振荡源，与晶振并接的Cl、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：U3VCCJ?1pInvrc4012Pl.l(ADO)PO.OPl.2(ADI)P0.1Pl.3(AD2JP0.2Pl.4(AD3JP0.3Pl.5(AD4JP0.4Pl.6(AD5JPO.5Pl.7(AD6JP0.63912338437A536,4567635734833932OQ10P3.0(RXD)EA.VPPP3.1(TXD)ALE1PROGP3.2(而KENP3.3(INT1)(A15)P2.7P3.4(T0)(A14)P2.6P3.5(T1)(A13)P2.5P

10、3.6(WR)(A12)P2.4P3.7(RD)(A11)P2.3XTAL2(A10)P2.2XTAL1(A9)P2.1GD(A8)P2.0311112131415161718192030292827262524232221CON989C51/C52图1单片机最小系统2.2.2 激光红外管对射模块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一一珀罗谐振腔，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更合。当半导体的PN结加有正向电压

11、时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经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，从而发射出波长为人的光子，其公式如下：A=hc/Eg(i)-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更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一空穴对附近，就能激励二者更合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子更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卜，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两

12、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。2.3 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TO来产生这样方波频率信号，就是TH0与TL0通过延时后取反而产生一定的频率而相应的被电平的变换体现出来。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

13、1MHZ,假如选择工作方式1,那T值便为T=216-5*105/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？频率初值表音调简谱（像伯）频率（Hz）定时镭初伯（16进制）备在Do15230FBE9H此处的定时箱初但是在T作方式1和12MH乙品般时算得的Rc25870FC5FHMi36590FCC1H1-a46980FCEFHSo57540ED45HLa68X00FD92HSi79880FDD6H表一频率-初值表其音频处理函数如下：#include<reg5l.h>sbitSPEAKER=P1AO;sbitKEYD

14、O=P2A1;sbitKEYRE=P2A2;sbitKEYMI=P2A3;sbitKEYFA=P2A4;sbitKEYSO=P2八5;sbitKEYLA=P2A6;sbitKEYXI=P2八7;sbitKEYSWITCH=P2A0;sbitLOW=P1A1;unsignedcharMUSIC;unsignedcharSTHO;unsignedcharSTLO;unsignedmtcodetab=64580,64684,64777,64820,64898,64968,65030,/MEDIUM65058,65110,65157,65178,65217,65252,65283,/HIGH63628

15、,63835,64021,64103,64260,64400,64524;/LOWvoidmain(void)(TMOD=0x01;/TO工作方式1ETO=1;内部定时开关打开EA=1;while(l)(if(KEYSWITCH=1&&LOW=1)(if(KEYDO=1)(MUSIC=O;STH0=tabMUSIC/256;根据所得MUSIC数设置计数器1的计数初始值STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;开始计数)elseif(KEYRE=1)(MUSIC=1;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYM

16、I=1)(MUSIC=2;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;elseif(KEYFA=1)MUSIC=3;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYSO=1)(MUSIC=4;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYLA=1)(MUSIC=5;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYXI=1)(MUSIC=6;STH0=tabMUSIC/256;STL

17、0=tabMUSIC%256;TRO=1;SPEAKER=0;TR0=0;)elseif(KEYSWITCH!=1&&LOW=1)(if(KEYDO=1)(MUSIC=7;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TR0=l;)elseif(KEYRE=1)(MUSIC=8;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TR0=l;)elseif(KEYMI=1)(MUSIC=9;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TR0=l;elseif(KEYFA=1)(MUSIC=10;STH0=

18、tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYSO=1)(MUSIC=11;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYLA=1)(MUSIC=12;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYXI=1)(MUSIC=13;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;else(SPEAKER=0;TR0=0;)elseif(LOW!=l)(if(KEYDO=1)(MUSIC=14;S

19、TH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TR0=l;)elseif(KEYRE=1)(MUSIC=15;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TR0=l;)elseif(KEYMI=1)(MUSIC=16;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYFA=1)(MUSIC=17;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYSO=1)(MUSIC=18;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUS

20、IC%256;TRO=1;)elseif(KEYLA=1)(MUSIC=19;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)elseif(KEYXI=1)(MUSIC=20;STH0=tabMUSIC/256;STL0=tabMUSIC%256;TRO=1;)else(SPEAKER=0;TR0=0;voidtO(void)intemipt1using0定时器0中断服务子程序TH0=STH0;/设置计数初值TL0=STL0;SPEAKER-SPEAKER;反向产生输出脉冲(每隔相应的时间取反一次)三系统测试3.1 硬件调试3.1.1 激光稳定性由于激光具

21、有很高的线性，在制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。并且在光敏电阻上套上黑色热缩管可以有效地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。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，但我们乂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相应的材料，通过以前所学知识绘制相应的原理图