毕业设计-基于mcu的简易激光电子琴设计与实现

毕业设计-基于mcu的简易激光电子琴设计与实现内容摘要：

成品迷你型 音响 我们这里所指的市场成品迷你型音响是专指供笔记本电脑、 MP3 等电子设备使用的，采用 标准耳机接口的小型音响，而非家庭影院、剧场等使用的，具有复杂接口的大型音响。 这种设计由于采用了具有高度质量保证的商业化产品，充分保证了系统发音的质量。 6 由于商业化产品具有高度统一的生产标准，使得发声系统可以具备极高的灵活性和可替换性，而且采用商业化的产品也使系统整体的美观度得到极大提高。 结合上述内容，综合考虑我们的整体设计要求，为了保证系统可靠、稳定、高质量地工作，同时为了便于 功能的升级和扩展以及增大用户的自主选择性，我们最终决定选择使用市场已有的成品音响作为该设计的 发声系统。 电源系统 电源系统是整个系统的源动力。 电源系统的稳定、可靠与否将直接影响到整体系统能否正常、稳定地工作。 提到供电时我们很自然地想到电池供电和电源适配器供电两种供电方式。 方案一：电池供电 随着电子科学技术的快速发展，诸如手机、 照相机、平板电脑等电子产品日新月异。 所有的电子产品都需要电源 来 维持 工作，而绝大多数的手持或便携式电子产品都采用电池供电。 众所周知，电池可分为不可充电电池和可充电电池。 不可充电电池只能使用一次，电量耗尽之后不能继续使用，现在的使用不可充电电池的电子产品已经越来越 少了，更多的时候不可充电电池只是作为电量不足、断电等突发情况的应急之用。 可充电电池可以在电量耗尽之后经充电后继续使用，可以重复多次使用，是现阶段绝大多数电子产品的首要选择。 虽然可充电电池可以实现重复多次充电，但是可充电电池也是有一定使用寿命限制的。 电池作为现阶段电子产品发展不可或缺的重要产物同样存在着它的弊端。 首先，不管是不可充电还是可充电电池都因为其制作原材料中含有有毒金属元素而不可避免的给自然环境和人类健康带来一定的污染和危害。 其次，虽然现阶段电子技术已经在增大电池电量、延长电池使用寿命等方面取得了极 大的进步，但电池仍未在这些技术领域实现飞跃性的突破，人们在使用电池的过程中仍然要面对电池电量不足、使用寿命短的问题。 方案二：电源适配器 我们这里所讲的电源适配器确切地讲应该叫做直流电源适配器。 所谓直流电源适配器就是指将交流电源经过降压、整流、稳压后以直流电的形式输出的 供电系统。 笔记本电脑的交换式电源供电器就是典型的直流电源适配器。 电源适配器通常用在 需要长时间稳定供电、不需要随时移动的供电目标上。 电源适配器的 工作 特点是供电稳定可靠 、可以胜任长时间供电任务，并且随着电子技术 和生产工艺的发展， 电源适配器的生产 成本越来越低。 但是，同一款电源适配器的输出电压、额定功率都是固定不可调整的，不能像电池一样通过 相互间 串联实现调整输出电压、额定功率 的目的。 7 考虑到我们所设计的电子琴通常在固定的地方进行操作而不需要随身携带到处移动，而且为了保证电子琴能够长时间地稳定工作，我们最终决定选用电源适配器作为整个系统的供电系统。 8 第三章 外观结构设计与实现 外观结构设计包含外观结构选材、外形设计等内容，设计时需要考虑选材的强度、硬度 等因素，要从是否方便加工、是否能够保证系统稳定性等方面入手。 外观结构直接决定了整个系统作品的尺寸大小以 及各个部分的大小和布局。 我们首先对外壳材料进行论证。 首先，电子琴的外壳必须具有较高的强度，以确保整个系统的稳定工作。 其次，考虑到电子琴外观的美观性，我们需要外壳材料易于加工。 再次，我们需要考虑设计成本的可控、可降，外壳材料的安全、环保。 外观结构设计思路 综合我们先前对外壳材料提出的各项要求，我们需要一种低密 度、高强度、易于加工、价格低廉且安全、环保的材料。 我们首先想到 PVC 工业塑料。 这种材料密 度低，价格低廉，便于切割加工，可以手工加工出漂亮的形状，满足了我们对易于加工和控制成本的要求。 但该种 材 料强度太低，易损坏、 易变形，显然这种材料不能 完全满足我们对外观设计 的要求。 为了弥补 PVC 工业塑料在我们设计中的不足之处，我们考虑采用 PVC 工业塑料作为整个设计的外观材料，同时选用高强度、低密度的铝合金作为整个设计的支撑框架。 这样就实现了整个外观结构既美观又坚固的目的。 图 外观结构设计框图 外观 设计元素 为了增加外观设计的美观性，我们在电子琴前 PVC 面板上设计了一组祥云图标，并且通过美工刀进行切割、雕刻，使之呈现为镂空状。 祥云图标与电 子琴相结合，既体现了设计外观的美感又简约大方 不失华丽 ，使传统元素与音乐完美结合 ，让人赏心悦目。 整体外观结构 PVC 材料外壳 镂空祥云图标 铝合金框架 结构 9 结构设计 在进行结构设计时，我们需要充分考虑所设计的 PCB 电路板的尺寸和形状，以及 PCB电路板在外观框架上具体安装的位置和不同 PCB 电路板间导线的布线方向。 10 第四章 硬 件电路设计与实现 硬件设计方案 在外观结构设计完成之后，我们需要结合外观结构的尺寸要求展开对硬件电路的设计。 我们对硬件系统的设计目标是 可靠、 简单、高效。 可靠性 是整体系统稳定运行的先决条件，所以我们在硬件电路设计的每个环节中都充分考 虑了系统的抗干扰性和稳定性。 系统的简单、高效是指硬件系统在具有较高可靠性的基础上尽量简化硬件电路并提高硬件的性能，从而达到简单高效的目的。 在可靠、简单、高效的原则下，不仅方便元器件的选型和硬件电路的设计，也可以减少一些不必要的电路，从而减少了一些不确定因素对系统稳定性的影响。 我们的硬件电路系统共分为 五 个子模块：单片机最小系统、激光发射模块、激光接收模块 、 音频驱动 模 块 和电源模块。 各子模块间框架关系见图。 图 硬件系统框架图 各模 块电路设计与实现 上一节中我们已经初步介绍了整个硬件电路系统的框架结构，在这一节 中 我们将着重介绍硬件电路各个子模块的构成、功能 及 PCB 电路板设计。 我们接下来依次按照单片机最小系统、激光发射模块、激光接收模块、音频驱动模块、电源模块的顺序对各子模块作出介绍。 单片机最小系统 单片微型计算机 (Single Chip Microputer)简称单片机。 它把组成微型计算机的各功能部件：中央处理器 CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、可编程存储器 EPROM、单片机 最小系统 激光 发射模块 激光 接收模块 音频 驱动模块 电源模块 11 并行及串行输入输出 I/O 接口电 路、定时器 /计数器、中断控制器等部件集成在一块半导体芯片上，构成一个完整的微型计算机 【 1】。 在本设计中，我们首先需要搭建一个单片机最小系统来保证单片机能够正常稳定工作。 在单片机最小系统中，包含四个部分： STC89C51RC、复位电路、振荡电路、 I/O 接口。 图 单片机最小系统构成 图 (1) 复位电路 通过某种方式，使单片机内各寄存器的值变为初始状态的操作称为复位。 STC89C51RC单片机在时钟电路工作以后，在 RST/VPD 端持续给出 2 个机器周期的高电平就可以完成复位操作（一般复位正脉冲宽度大于 10ms）。 复位电路分为上电复位和外部复位两种方式。 上电复位是在单片机接通电源时，自动对单片机复位。 外部复位是通过外部手动进行的复位。 在这里我们设计的复位电路是上电 /外部复位电路，既可以进行上电自动复位，也可以外部手动复位。 图 复位电路 (2) 振荡电路 单片机的定时控制功能是由片内的时钟电路和定时电路来完成的，而片内的时钟产生有两种方式：内部时钟方式和外部时钟方式，也就是内部振荡器方式和外部振荡器方式。 采用内部时钟方式时，片内的高增益反相放大器通过 XTAL XTAL2 外接作为反馈元复位电路 振荡 电路 I/O 接口 STC89C51RC 12 件的片外晶体振荡器（呈感性）与电容组成的并联谐振回路构成一个自激振 荡器，向内部时钟电路提供振荡时钟。 振荡器的频率主要取决于晶体的振荡频率，一般晶体可在 —12MHz 之间任选，电容可在 5— 30pF 之间选择，电容的大小对振荡频率有微小的影响，可起频率微调作用。 采用外部时钟方式时，外部振荡信号通过 XTAL2 端直接接至内部时钟电路，这时内部反相放大器的输入端 XTAL1 端应接地。 通常外接振荡信号为低于 12MHz 的方波信号。 在这里，我们采用内部时钟方式设计振荡电路 ，外部晶体振荡器（晶振）选用 12MHz，电容选用 30pF。 图 振荡电路 (3) 单片机和 I/O 接口 我们 采用了由宏晶公司设计的 STC89C51RC 型单片机。 它是一款基于 8051 内核的，采用了 CMOS 生产工艺，具有低功耗特点的高性能 8 位单片机。 它具有 4 个 8 位并行输入 输出 I/O 接口： P0、 P P P3（共 32 线），用于输入或输出数据。 此外，它还具有 1个串行 I/O 接口、 2个 16位定时器 /计数器、 5级中断系统 等 【 2】。 本设计中，使用到的单片机资源有一个 16 位定时器 /计数器、一个 8 位并行输入输出I/O 口。 对于定时器 /计数器来说，不管是独立的定时器芯片还是单片机内部的定时器，大都有以下特点： a) 定时器 /计数器有多种工作方式，可以是计数方式也可以是定时方式。 b) 定时器 /计数器的计数值是可变的，当然对技术的最大值有一定限制，这取决于级数器的位数。 计数的最大值也就限制了定时的最大 值。 c) 可以按照规定的定时或计数值，在定时时间到或者计数终止时，发出中断申请，以便实现定时控制。 STC89C51RC 单片机的定时器是可编程定时器，其工作方式、启动、停止、溢出标志等都是可编程控制的，只需通过设置寄存器 TMOD、 TCON、 TH0、 TL0、 TH1 和 TL1就可实现。 13 当设置了定时器的工作方式并启动定时器工作后，定时器就以设定的工作方式独立工作，不再占用 CPU，当计数器记满溢出时自动向 CPU 中断系统申请中断，中断的执行将占用 CPU资源。 图 定时器 /计数器结构图 激光发射模块 半导体激光发射器是使用半导体材料作为工作物质的激光器，由于物质结构上的差异，不同种类工作物质产生激光的具体过程比较特殊。 半导体激光发射器的工作原理是激励方式，利用半导体物质在能带间跃迁发光， 用半导体 晶体 的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大， 从而 输出激光。 本设计采用的激光发射器是工业级 25mW 小功率外调焦半导体激光发射器 ,如图 3激光发射电路原理图所示，激光发射电路中的调制管 J2 在上电时发出频率为 180KHz，占空比在 20%— 30%的方波信号，使三极管 Q2 以 180KHz 的频率导通 /截止，从而对激光发射器进行了频率调制，使其发出频率为 180KHz 的激光束 【 3】。 这是由于我们所采用的激光接收管只能接收 180KHz 频率激光。 图 激光发射管和调制管图 图 激光发射电路电路原理图 Tx THx TFx TLx TRx INTx 定时 计数 0f 0/12ff 加 1 计数器 14 激光接收模块 激光接收电路的作用是检测激光接收管是否接收到特定频率的激光束，并通过激光接收电路向单片机 P2 口发送相应高、低电平信号，以此作为控制信号达到控制小型音响发出特定频率音频信号的目的。 在激光接收电路中采用了常低态的激光接收管。 当激光接收管接收到激光发射电路发出的 180KHz 的激光束时，激光接收管管脚 2 将表现为高电平，与之相反，如果没有接收到激光束则表现为低电平。 由于在设计中采用点对点的对应方式 ，即一只激光接收管能且只能接收一只激光发射器发出的激光束，故当人体阻断某只激光发射器发出的激光束时，与之对应的激光接收管将因接收不到激光束而表现出低电平，除此之外的情况均表现为高电平，这就构成了我们所需要的控制信号 —— 低电平信号。 在图 激光接收电路原理图中发光二极管 D10 的作用是指示该组激光接收电路是否接收到激光束。 如果接收到的话，则发光二极管不亮；如果接收不到激光束（有人体阻断激光发射电路发出的激光束），则发光二极管点亮。 图 激光接收电路原理图 音响发 声 模块 我们在本设计中 没有采用驱动扬声器的方案，而是直接使用 标准音频接口外接小型音响的方案。 这样一来简化了硬件电路，也增强了音频质量。 15 图 音频驱动及接口电路原理图 如图 所示， J19 表示一个 标准音频接口。 当单片机 P3^ P3^7 按程序指令发出特定频率的方波信号时，三极管 Q Q10 也将按此频率导通 /截止 【 4】 ，从而将该方波信号传递到小型音响并在外接 5V 直流电源 VCC 作用下驱动小型音 响发出声音。 图 标准音频接口 图 小型音响 16 第五章 软 件设计与实现 软件设计方案。