【正文】 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 。這樣一來(lái)簡(jiǎn)化了硬件電路，也增強(qiáng)了音頻質(zhì)量。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。 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)。 在激光接收電路中采用了常低態(tài)的激光接收管。這是由于我們所采用的激光接收管只能接收 180KHz 頻率激光。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。 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(mǎn)溢出時(shí)自動(dòng)向 CPU 中斷系統(tǒng)申請(qǐng)中斷，中斷的執(zhí)行將占用 CPU資源。 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(qǐng)，以便實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制。 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)。 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。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)。 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)。通常外接振蕩信號(hào)為低于 12MHz 的方波信號(hào)。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。 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(lái)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。外部復(fù)位是通過(guò)外部手動(dòng)進(jìn)行的復(fù)位。復(fù)位電路分為上電復(fù)位和外部復(fù)位兩種方式。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成 圖 (1) 復(fù)位電路 通過(guò)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(chēng)為復(fù)位。 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(lái)保證單片機(jī)能夠正常穩(wěn)定工作。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片微型計(jì)算機(jī) (Single Chip Microputer)簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)。 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)。 我們的硬件電路系統(tǒng)共分為 五 個(gè)子模塊：?jiǎn)纹瑱C(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 。系統(tǒng)的簡(jiǎn)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(jiǎn)化硬件電路并提高硬件的性能，從而達(dá)到簡(jiǎn)單高效的目的。我們對(duì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是 可靠、 簡(jiǎn)單、高效。 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。 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?cè)陔娮忧偾?PVC 面板上設(shè)計(jì)了一組祥云圖標(biāo)，并且通過(guò)美工刀進(jìn)行切割、雕刻，使之呈現(xiàn)為鏤空狀。 為了彌補(bǔ) PVC 工業(yè)塑料在我們?cè)O(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(mǎn)足了我們對(duì)易于加工和控制成本的要求。 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。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。我們首先對(duì)外殼材料進(jìn)行論證。 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。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(guò) 相互間 串聯(lián)實(shí)現(xiàn)調(diào)整輸出電壓、額定功率 的目的 。 電源適配器通常用在 需要長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供電、不需要隨時(shí)移動(dòng)的供電目標(biāo)上。所謂直流電源適配器就是指將交流電源經(jīng)過(guò)降壓、整流、穩(wěn)壓后以直流電的形式輸出的 供電系統(tǒng) 。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(zhǎng)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?cè)谑褂秒姵氐倪^(guò)程中仍然要面對(duì)電池電量不足、使用壽命短的問(wèn)題。 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。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。 眾所周知，電池可分為不可充電電池和可充電電池。 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。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。 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(hù)的自主選擇性，我們最終決定選擇使用市場(chǎng)已有的成品音響作為該設(shè)計(jì)的 發(fā)聲系統(tǒng)。 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 。前者設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)且成本低廉，但不能實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)；后者需要設(shè)計(jì)特定的電源系統(tǒng)供電，設(shè)計(jì)繁瑣，成本需求相對(duì)更高，但能實(shí)現(xiàn)音量調(diào)節(jié)。 方案一： 采用 揚(yáng)聲器自制發(fā)聲系統(tǒng) 采用 揚(yáng)聲器自制的發(fā)聲系統(tǒng)就是 自行挑選某一功率的揚(yáng)聲器搭配一定的外觀設(shè)計(jì)而制作的發(fā)聲模塊。 就上述所談到的設(shè)計(jì)期望和要求，我們提出兩種方案： 采用 揚(yáng)聲器自制發(fā)聲系統(tǒng)、采用市場(chǎng) 成品迷你型 音響 。為了滿(mǎn)足不同環(huán)境、不同人群的不同需求，我們期望所設(shè)計(jì)的發(fā)聲系統(tǒng)在保證發(fā)聲質(zhì)量的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)音量可調(diào)的功能。 綜合以上分析，為了充分保證系統(tǒng)在各種外界環(huán)境下能夠穩(wěn)定、可靠的工作，我們選擇了半導(dǎo)體激光接收管作為傳感器模塊的器件。這種工作特點(diǎn)是我們所希望的，因?yàn)槲覀冎恍枰孀R(shí)撥動(dòng)琴弦和沒(méi)有撥動(dòng)琴弦兩種情況。常低態(tài)激光接收二極管在受到激光照射時(shí)輸出高電平， 沒(méi)有受到激光照射時(shí)則 輸出低電平；常高態(tài) 激光接收 二極管與之相反。其工作原理是激光經(jīng)光學(xué)透鏡校準(zhǔn)，被光電二極管接收，光電二極管接收光照后，隨光照強(qiáng)度不同會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)強(qiáng)度的光生電流，經(jīng) 準(zhǔn)換電路輸出電信號(hào)，其輸出的電信號(hào)為數(shù)字信號(hào)。 但是光敏電阻具有價(jià)格低廉、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。舉個(gè)例子，我們?cè)诎滋鞂㈦娐氛{(diào)試好，系統(tǒng)正常工作，但到了晚上由于沒(méi)有了白天自然光照的存在，自然環(huán)境因素的變化對(duì)于光敏電路來(lái)說(shuō)影響是極大的，這就使得白天調(diào)試好的系統(tǒng)在晚上出現(xiàn)無(wú)法正常工作的情況。光敏電阻 常用的制作材料為硫化鎘、硫化鋁、硫化鉍等材料，這些材料具有在特定波長(zhǎng)的光的照射下，其阻值迅速減小的特性。 方案一：基于光敏電阻的接收電路設(shè)計(jì) 光敏電阻又稱(chēng)光導(dǎo)管 。 對(duì)于激光接收器件的選擇，我們初步有兩種 設(shè)計(jì) 方案： 基于 光敏 電阻 的接收電路設(shè)計(jì)和 基于 半導(dǎo)體激光接收 二極 管 的接收電路設(shè)計(jì) 。 目前市場(chǎng)上所見(jiàn)到的半導(dǎo)體激光發(fā)射管 的不同之處大多體現(xiàn)在額定功率、發(fā)光波長(zhǎng)、封裝形式上，針對(duì)我們自身的需求，只要選擇一款性?xún)r(jià)比高、有品質(zhì)保證的產(chǎn)品即可。 傳感器系統(tǒng) 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 ， 傳感器系統(tǒng)的作用是 識(shí)別 外部觸發(fā)行為 是否 發(fā)生并 將 檢測(cè)結(jié)果以電信號(hào)的形式輸出給主控制 系統(tǒng)進(jìn)行處理?？傮w來(lái)說(shuō)，這兩種器件的靈活性都比較高，功能野都都比較強(qiáng)，但是它們也同樣面臨著價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)成本高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的難題。 CPLD 一般采用 EEPROM 或 Flash 工藝，掉電后不會(huì)丟失內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)， 4 所以不需要外加 ROM 進(jìn)行配置，保密性好， FPGA 一般采用 SRAM 工藝，掉電后內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)丟失，所以需要使用外部 ROM 在上電后對(duì)其進(jìn)行配置，保密性較差。 方案四：基于可編程邏輯器件 /現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（ CPLD/FPGA）的主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 可編程邏輯器件和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的主要區(qū)別在于前者是以乘積項(xiàng)的結(jié)構(gòu)方式構(gòu)成邏輯行為的器件，內(nèi)部布線均勻連續(xù)，所以他的時(shí)序延遲是均勻可預(yù)測(cè)的。但是它也有成本太高、功耗較大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。 方案二：基于數(shù)字信號(hào)處理芯片（ DSP）的主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)字信號(hào)處理芯片常見(jiàn)的有 TI 公司的 TMS320 系列和 AD 公司的 ADSP2100 系列 。低端微處理器以 8051 系列為例，它具有 2— 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 128 字節(jié)片內(nèi) RAM、 32位并行 I/O 口、 5— 7 個(gè)中斷源， 完全可以滿(mǎn)足 我們 所需的設(shè)計(jì)要求。常見(jiàn)的中高端微處理器 /微控制器有 Intel 的 x86 平臺(tái)、 PowerPC 平臺(tái)以及 ARM 平臺(tái)等，低端的微處理器 /微控制器有 8051 系列、 AVR 系列、 Freescale 系列和 MSP430 系列等。下面我們就基于各種控制芯片所構(gòu)成的主控制系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。 常見(jiàn)的數(shù)據(jù)處理與控制芯片主要分為四大類(lèi)：微處理器 /微控制器（ MPU/MCU） 、數(shù)字信號(hào)處理芯片（ DSP）、全定制專(zhuān)用計(jì)算 /控制芯片（ ASIC）、復(fù)雜可編程邏輯器件 /現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（ CPLD/FPGA）。 綜合分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)我們知道，主控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收 來(lái)自 傳感器系統(tǒng)輸 出 的數(shù)字信號(hào)，通過(guò)主控制芯片 對(duì)其進(jìn)行 數(shù)據(jù)處理并產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)字信號(hào)輸出給發(fā)聲系統(tǒng) ，也就是說(shuō)主控制系統(tǒng)只需要采集、處理、輸出數(shù)字信號(hào)而不需要進(jìn)行 AD轉(zhuǎn)換或 DA轉(zhuǎn)換。 設(shè)計(jì)方案 的 論證及選擇 我們 依次對(duì) 主 控制 系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、發(fā)聲系統(tǒng)、電源系統(tǒng) 作出 性能需求 分析 ， 并就分析結(jié)果提出不同的解決方案，然后從中論證出最佳 的 設(shè)計(jì) 方案。 圖 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 圖 傳感器系統(tǒng)作 為整個(gè)系統(tǒng)唯一的數(shù)據(jù)采集部分起著至關(guān)重要的作用， 它將完成系統(tǒng)對(duì)外部 觸發(fā)信號(hào)的采集與 轉(zhuǎn) 換，其輸入給單片機(jī)數(shù)據(jù)端口的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確將直接決定整個(gè)系統(tǒng)是否能正常工作；主 控制 系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的 數(shù)據(jù) 處理中心，好比是人的 大腦，時(shí)刻控制著各個(gè)系統(tǒng) 有序、穩(wěn)定 地運(yùn)行；發(fā)聲系統(tǒng)接收來(lái)自主控制系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)向模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換 ，將 主控制系統(tǒng)發(fā)送來(lái) 的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為人耳可聽(tīng)的聲音信號(hào)；電源系統(tǒng) 猶如人的心臟， 負(fù)責(zé)向整個(gè)系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定的電源，保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。隨著單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及工業(yè)生產(chǎn)工藝的提高，基于該設(shè)計(jì)技術(shù)的電子產(chǎn)品會(huì)更加豐富多彩的走入人類(lèi)的生活。 該系統(tǒng)可以進(jìn)行單片機(jī)相關(guān)功能的擴(kuò)展，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上可以實(shí)現(xiàn)中音區(qū)、八音符的準(zhǔn)確發(fā)音。整個(gè)系統(tǒng)涉及到電路分析、數(shù)字電路、模擬電路、傳感器原理及應(yīng)用、 C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等方 面，基本上囊括了本科階段所學(xué)的主要課程。相信隨著單片機(jī)性能的不斷提高，它的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。 單片機(jī)可以構(gòu)成單機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)，但發(fā)展十分迅猛。電子琴是現(xiàn)代電子科技與人類(lèi)對(duì)音樂(lè)訴 求 完美結(jié)合的產(chǎn)物。在功能上擁有較高的可移植性和擴(kuò)展性，方便用戶(hù)根據(jù)自己的需 求 和愛(ài)好擴(kuò)展新的 功能。最后，基于 Altium Designer 6 軟件，結(jié)合所設(shè)計(jì)的電路原理圖進(jìn)行 PCB Layout 設(shè)計(jì)，并根據(jù)所設(shè)計(jì) PCB 電路板的尺寸、形狀進(jìn)行產(chǎn)品 外觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作。 然后 ，基于美國(guó) Keil Software 公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 —— uVision3進(jìn)行軟件結(jié)構(gòu)和程序流程圖的設(shè)計(jì)，并以 C語(yǔ)言編寫(xiě)源程序代碼。此外，在系統(tǒng)的外觀結(jié)構(gòu)上我們采用強(qiáng)度較低的 PVC 工業(yè)塑料和強(qiáng)度較高的輕質(zhì)合金片搭配設(shè)計(jì)制作，既保證了外觀上的美觀性又確保了結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性。 該系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上以宏晶公司生產(chǎn) 的 STC89C52RC 型單片機(jī)為核心控制芯片，基于8051 內(nèi)核 單片機(jī)最小系統(tǒng)， 以半導(dǎo)體激光發(fā)射 管和接收管為傳感器，利用 半導(dǎo)體激光發(fā)射管發(fā)出的光束模擬電子琴的琴弦， 控制 芯片對(duì)接收管電路輸出的 數(shù)字 信號(hào)進(jìn)行采集和處理 ，實(shí)現(xiàn)中音 區(qū)八音階穩(wěn)定發(fā)音 。 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 ) 基于 MCU 的 簡(jiǎn)易 激光電子琴設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) Design And Implementation Of The Simple Laser Electronic Organ Based On MCU 教學(xué)單位 _ XXXXXXXXXXX __ 姓 名 _______ XXX __ ____ 學(xué) 號(hào) ____XXXXXXXXXXXX ___ 年 級(jí) _____