基于MCU的简易激光电子琴设计与实现毕业设计 论文.docx
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基于MCU的简易激光电子琴设计与实现毕业设计论文
本科生毕业设计（论文）
基于MCU的简易激光电子琴设计与实现
DesignAndImplementationOf
TheSimpleLaserElectronicOrgan
BasedOnMCU
2012年04月
摘要
本文提出了一个基于8051内核单片机的激光电子琴的设计方案。
从原理介绍到实物实现，从硬件设计到软件调试等都做了详尽的介绍。
该系统在硬件设计上以宏晶公司生产的STC89C52RC型单片机为核心控制芯片，基于8051内核单片机最小系统，以半导体激光发射管和接收管为传感器，利用半导体激光发射管发出的光束模拟电子琴的琴弦，控制芯片对接收管电路输出的数字信号进行采集和处理，实现中音区八音阶稳定发音。
在软件设计上，我们采用C语言编写程序源代码。
此外，在系统的外观结构上我们采用强度较低的PVC工业塑料和强度较高的轻质合金片搭配设计制作，既保证了外观上的美观性又确保了结构上的稳定性。
我们在系统从概念到产品的完整设计过程中，首先，基于澳大利亚Altium公司开发设计的计算机辅助设计软件——AltiumDesigner6进行电路原理图设计。
然后，基于美国KeilSoftware公司开发设计的集成开发环境——uVision3进行软件结构和程序流程图的设计，并以C语言编写源程序代码。
接着，基于英国LabcenterElectronics公司开发设计的EDA工具软件——Protues7进行从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路的协同仿真调试。
最后，基于AltiumDesigner6软件，结合所设计的电路原理图进行PCBLayout设计，并根据所设计PCB电路板的尺寸、形状进行产品外观结构的设计与制作。
该系统的设计方法更大程度上体现了灵活性、美观性和创新性。
在功能上拥有较高的可移植性和扩展性，方便用户根据自己的需求和爱好扩展新的功能。
【关键字】：
电子琴单片机软件仿真PCB
ABSTRACT
Inthispaper,alaserElectronicOrgandesignmethodbasedon8051microcontrollercore.Principletothephysicalimplementation,fromhardwaredesigntosoftwaredebuggingandsodothedetail.
ThesystemhardwaredesigninordertothemacrocrystalproductionSTC89C52RCtypemicrocontrollerasthecorecontrolchip,thesmallestsingle-chipsystembasedonthe8051coresemiconductorlaserlaunchtubeandreceivertubeforthesensor,theuseofsemiconductorlaseremissionthetubebeamemittedanalogkeyboardpianostring,thecontrolchipthereceivertubecircuitoutputdigitalsignalacquisitionandprocessing,toachievethetenoroctavestabilityinpronunciation.Insoftwaredesign,weare.Inaddition,theappearanceofthestructureofthesystem,weusethelowerstrengthPVCindustrialplasticsandhighstrengthlightalloyfilmwithdesign,bothtoensuretheaestheticsandappearancetoensurethestabilityofthestructure.
Inthecompletedesignprocessfromconcepttoproduct,first,thedevelopmentanddesignofcomputer-aideddesignsoftwarebasedonAltiumAustralia-AltiumDesignerschematiccircuitdesign.Then,basedonintegrateddevelopmentenvironment-uVision2,UnitedStatesKeilSoftwaredevelopmentanddesignofsoftwarearchitecturedesignandprogramflowchart,andClanguagesourcecode.Then,thedesignanddevelopmentofBritishLabcentercompanyElectronicsEDAsoftware--BasedonProtues7fromtheschematiclayout,debuggingcodetocollaborativesimulationdebuggingMCUandperipheralcircuit.Finally,basedontheAltiumDesigner6software,combinedwiththecircuitdiagramdesignedbyPCBLayoutdesign,anddesignandmanufactureoftheappearanceoftheproductstructureaccordingtothedesignofthePCBcircuitboardsize,shape.
Thesystemisdesignedtoagreaterextentreflectstheflexibility,aestheticsandinnovation.Highportabilityandscalability,user-friendlyfunctiontoextendthefunctionalityaccordingtotheirneedsandpreferences.
【Keywords】:
ElectronicOrganMCUSoftwaresimulationPCB
第一章引言
1.1课题背景
科技的飞速发展使得人类生活日益变得丰富多彩。
电子琴是现代电子科技与人类对音乐诉求完美结合的产物。
MCU（MicroControlUnit）中文名称为微控制单元，又称单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）或者单片机。
单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛。
它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来，它的发展到目前为止大致经历了以下五个阶段：
单片机发展的初级阶段、低性能单片机阶段、高性能单片机阶段、16位单片机阶段、单片机在集成度等全方位向更高水平发展阶段。
单片机可以构成单机应用系统和多机应用系统。
现在已经逐步应用到测控系统、智能仪表、机电一体化产品、智能接口、智能民用产品、功能集散系统、并行多机控制系统、局部网络系统等各个领域。
相信随着单片机性能的不断提高，它的应用将会更加广泛。
1.2研究目的及意义
基于MCU的简易激光电子琴设计与实现这一课题是单片机在单机应用系统学习中的一
典型应用。
整个系统涉及到电路分析、数字电路、模拟电路、传感器原理及应用、C语言程序设计等方面，基本上囊括了本科阶段所学的主要课程。
该系统设计原理简单，但表现形式丰富，整个设计过程是一个从理论学习到实践应用的完整体现，既可以充分巩固所学可课程内容，又锻炼和培养了学生的实践能力和创新能力，拓宽了视野，提升了参与到学生创新活动中的兴趣，更重要的是可以提升学生发现问题、分析问题和解决问题的能力，在高校单片机课程中这一课题是极好的选择。
该系统可以进行单片机相关功能的扩展，在现有设计的基础上可以实现中音区、八音符的准确发音。
其商品化设计技术已经十分成熟，市场上已经出现或正在出现基于该设计技术的电子琴、电子吉他等产品。
随着单片机技术和传感器技术的迅猛发展，以及工业生产工艺的提高，基于该设计技术的电子产品会更加丰富多彩的走入人类的生活。
第二章系统总体设计及方案论证
2.1总体设计方案
我们所设计的电子琴共分为四大系统：
主控制系统、传感器系统、发声系统、电源系统（如图2.1所示）。
图2.1系统结构图
传感器系统作为整个系统唯一的数据采集部分起着至关重要的作用，它将完成系统对外部触发信号的采集与转换，其输入给单片机数据端口的数据是否准确将直接决定整个系统是否能正常工作；主控制系统作为整个系统的数据处理中心，好比是人的大脑，时刻控制着各个系统有序、稳定地运行；发声系统接收来自主控制系统发送的数据，实现数字信号向模拟信号的转换，将主控制系统发送来的数字信号转换为人耳可听的声音信号；电源系统犹如人的心脏，负责向整个系统提供可靠、稳定的电源，保证整个系统稳定运行。
系统总体设计完成之后，我们接下来将对每个子系统提出的不同设计方案进行分析论证，以选定最佳的设计方案。
2.2设计方案的论证及选择
我们依次对主控制系统、传感器系统、发声系统、电源系统作出性能需求分析，并就分析结果提出不同的解决方案，然后从中论证出最佳的设计方案。
2.2.1主控制系统
主控制系统需要实时控制其他子模块稳定工作。
综合分析系统设计我们知道，主控制系统负责接收来自传感器系统输出的数字信号，通过主控制芯片对其进行数据处理并产生相应数字信号输出给发声系统，也就是说主控制系统只需要采集、处理、输出数字信号而不需要进行AD转换或DA转换。
再考虑到人耳有听觉反应的声音频率在20Hz—20KHz之间，并且我们的设计要求是实现频率分布在500Hz—1KHz之间的中音区基本音符的发音，由此判断，我们在主控制芯片的运算速度上要求不高，不需要考虑选择具有高速处理能力的主控制芯片。
常见的数据处理与控制芯片主要分为四大类：
微处理器/微控制器（MPU/MCU）、数字信号处理芯片（DSP）、全定制专用计算/控制芯片（ASIC）、复杂可编程逻辑器件/现场可编程门阵列（CPLD/FPGA）。
它们都可以作为简易电子琴的主控制芯片。
下面我们就基于各种控制芯片所构成的主控制系统的特点进行详细分析。
方案一：
基于微处理器/微控制器（MPU/MCU）的主控制系统设计
微处理器与微控制器的主要区别在于前者是一个单芯片的中央处理器而后者是一个具有CPU、存储器等部件的微型计算机系统，前者通常应用于大型运算工具或嵌入式系统中而后者通常应用于低成本消费电子业、工业控制及与控制有关的数据处理等领域。
常见的中高端微处理器/微控制器有Intel的x86平台、PowerPC平台以及ARM平台等，低端的微处理器/微控制器有8051系列、AVR系列、Freescale系列和MSP430系列等。
中高端微处理器以ARM11为例，它拥有最高1GHz的时钟频率和强大的指令集，远远超出简易电子琴所需的设计要求，但是它的学习和应用较为复杂，开发周期太长且价格较为昂贵，设计成本过高。
低端微处理器以8051系列为例，它具有2—3个16位定时器/计数器，128字节片内RAM、32位并行I/O口、5—7个中断源，完全可以满足我们所需的设计要求。
此外，8051系列微处理器简单易学，开发周期较短，价格便宜，设计成本低廉。
方案二：
基于数字信号处理芯片（DSP）的主控制系统设计
数字信号处理芯片常见的有TI公司的TMS320系列和AD公司的ADSP2100系列。
它的内部采用程序总线和数据总线分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速实现各种数字信号处理算法，显然在简易电子琴设计中绰绰有余。
但是它也有成本太高、功耗较大，开发周期长的缺点。
方案三：
基于全定制专用计算/控制芯片（ASIC）的主控制系统设计
全定制专用计算/控制芯片具有时序控制精准、可靠性高、性能卓越、保密性较强、低功耗和大批量生产成本较低的优点，但是在小批量生产时成本过高、开发效率较低、开发风险大、定型后灵活性差等缺点，显然这在我们非商品话设计阶段是不适用的。
方案四：
基于可编程逻辑器件/现场可编程门阵列（CPLD/FPGA）的主控制系统设计
可编程逻辑器件和现场可编程门阵列的主要区别在于前者是以乘积项的结构方式构成逻辑行为的器件，内部布线均匀连续，所以他的时序延迟是均匀可预测的。
而后者是以查表法结构方式构成逻辑行为的器件，分段式内部布线的结构决定了它的时序延迟是不均匀的不可预测的。
CPLD一般采用EEPROM或Flash工艺，掉电后不会丢失内部逻辑结构，所以不需要外加ROM进行配置，保密性好，FPGA一般采用SRAM工艺，掉电后内部逻辑结构丢失，所以需要使用外部ROM在上电后对其进行配置，保密性较差。
不过，FPGA有比CPLD集成度高、耗电量小的优点。
总体来说，这两种器件的灵活性都比较高，功能野都都比较强，但是它们也同样面临着价格昂贵，开发成本高，开发周期长的难题。
根据以上分析，我们了解到各种控制芯片都具有各自独特的特点，也都有各自不同的适用领域，充分考虑我们系统的设计要求，综合不同控制芯片的各自特点以及开发周期及开发成本等因素的限制，我们最终选择了价格低廉、开发方便、性能优良、符合设计要求的8051系列单片机作为系统的主控制芯片。
2.2.2传感器系统
该系统设计中，传感器系统的作用是识别外部触发行为是否发生并将检测结果以电信号的形式输出给主控制系统进行处理。
在该系统中我们对传感器系统性能的要求着重体现在灵敏度、抗干扰性和可靠性上，此外，我们还要求所选用的传感器器件具有成本低、寿命长、低故障率的特点。
目前市场上所见到的半导体激光发射管的不同之处大多体现在额定功率、发光波长、封装形式上，针对我们自身的需求，只要选择一款性价比高、有品质保证的产品即可。
此处值得探讨之处在于激光接收器件的选用，激光接收器件的选用和性能将直接决定着传感器模块的设计方案和工作质量。
对于激光接收器件的选择，我们初步有两种设计方案：
基于光敏电阻的接收电路设计和基于半导体激光接收二极管的接收电路设计。
下面我们就所提出的的两种设计方案展开讨论和论证。
方案一：
基于光敏电阻的接收电路设计
光敏电阻又称光导管。
光敏电阻是利用半导体的光电导效应设计的一种电阻值随光照强弱变化而迅速改变的电阻器，其特点是光照增强，电阻减小，光照减弱，电阻增大。
光敏电阻常用的制作材料为硫化镉、硫化铝、硫化铋等材料，这些材料具有在特定波长的光的照射下，其阻值迅速减小的特性。
通过上述的介绍我们知道光敏电阻对光照强度变化十分敏感，这就造成了一个难题，那就是不同环境下自然光照对光敏电阻的影响。
举个例子，我们在白天将电路调试好，系统正常工作，但到了晚上由于没有了白天自然光照的存在，自然环境因素的变化对于光敏电路来说影响是极大的，这就使得白天调试好的系统在晚上出现无法正常工作的情况。
显然这是我们无法接受的，也是一件合格产品所不能容忍的。
但是光敏电阻具有价格低廉、寿命长的优点。
方案二：
基于半导体激光接收二极管的接收电路设计
半导体激光接收二极管是专门接收特定频率激光的器件。
其工作原理是激光经光学透镜校准，被光电二极管接收，光电二极管接收光照后，随光照强度不同会产生相应强度的光生电流，经准换电路输出电信号，其输出的电信号为数字信号。
半导体激光接收二极管分为常低态和常高态两种型号。
常低态激光接收二极管在受到激光照射时输出高电平，没有受到激光照射时则输出低电平；常高态激光接收二极管与之相反。
半导体激光接收二极管十分敏感，具有较低的门槛激光光照强度，从工作状态来看，其只有接收到激光和没有接收到激光两种确定的、对立的状态，而不存在中间状态。
这种工作特点是我们所希望的，因为我们只需要辨识拨动琴弦和没有拨动琴弦两种情况。
此外，一款激光接收二极管只能接收与之配对频率的激光束，这就完全避免了外界环境光照变化所造成的干扰了。
综合以上分析，为了充分保证系统在各种外界环境下能够稳定、可靠的工作，我们选择了半导体激光接收管作为传感器模块的器件。
2.2.3发声系统
发声系统的任务就是将主控制系统输出的数字脉冲信号转换为人耳能听到的声音信号。
为了满足不同环境、不同人群的不同需求，我们期望所设计的发声系统在保证发声质量的前提下，能够实现音量可调的功能。
此外，我们还期望发声系统具有自成一体、装配灵活、方便更换等设计特点。
就上述所谈到的设计期望和要求，我们提出两种方案：
采用扬声器自制发声系统、采用市场成品迷你型音响。
接下来我们就所提出的的两种方案进行讨论并选出最合适的方案。
方案一：
采用扬声器自制发声系统
采用扬声器自制的发声系统就是自行挑选某一功率的扬声器搭配一定的外观设计而制作的发声模块。
这种设计可以直接将扬声器接到主控制系统进行工作，也可以在此基础上另外设计制作一个功率放大电路与之配套进行工作。
前者设计简单，易于实现且成本低廉，但不能实现音量调节；后者需要设计特定的电源系统供电，设计繁琐，成本需求相对更高，但能实现音量调节。
方案二：
采用市场成品迷你型音响
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3.5mm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。
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。
2.2.4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。
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。
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。
3.1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3.1外观结构设计框图
3.2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。
3.3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。
第四章硬件电路设计与实现
4.1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4.1。
图4.1硬件系统框架图
4.2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
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