OE  >> Vol. 9 No. 3 (September 2019)

    无弦激光音乐琴的研制
    Development of String-Less Laser Music Piano

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作者:  

刘兆丰,贺佳怡,杜晨光,吕立根,张朝阳,武志超:西安工业大年夜学光电工程学院,陕西 西安

关键词:
激光无弦激光音乐琴单片机光敏电阻Laser String-Less Laser Music Piano Single Chip Microcomputer Photosensitive Resistor

摘要:

无弦激光音乐琴是一种幻想的集不雅赏与文娱为一体的琴,可作为课程帮助教授教化仪器或许儿童玩具,具有非常重要的贸易价值。本文设计了一款集激光、单片机、机械、电路于一体的无弦激光音乐琴体系,重要包含多路激光模块、激光传感器模块、控制器模块和音乐照应模块,为了完成对激光旌旗灯号灵敏探测,重要针对全体电路和法式榜样停止了设计。采取5 mW、650 nm半导体激光器作为发射源,采取光敏电阻作为接收器接收激光旌旗灯号,经过STC89C52单片机的控制处理及LM386音乐照应模块的功率缩小年夜,完成音频输入。完成了无弦激光音乐琴体系的制造,全体尺寸为长10 cm × 宽5 cm × 高11 cm。对该体系发声频率停止了实验研究,可完成3个音阶,7个声调的演奏,音色清楚,实测声调频率与实际计算声调频率误差不大年夜于7.098 Hz。

The string-less laser music piano is an ideal instrument for viewing and entertainment, which can be used as an auxiliary teaching instrument or children’s toy, and has very important commercial value. A string-less laser music piano system, integrating laser, single chip microcomputer, machinery and circuit, is designed in this paper, which mainly includes multi-channel laser module, laser sensor module, controller module and music response module. In order to realize the sensitive detection of laser signal, the whole circuit and program are designed. The semiconductor laser with power of 5 mW and wavelength of 650 nm is used as the source, and the photosensitive resistor is used as the receiver to receive the laser signal. After the control and processing of STC89C52 single-chip microcomputer and the power amplification of LM386 music response module, audio output is realized. A string-less laser music instrument system with a size of 10 cm length × 5 cm width × 11 cm height was made, and the sound frequency was studied experimentally. It can play 7 scales and 3 tones with clear timbre. The deviation between the measured tone frequency and the calculated tone frequency is no more than 7.098 Hz.

1. 引言

信息是现代化社会的重要构成部分,而文娱也异样渗透渗出着人类生活的各个方面,电子信息产品更是把文娱推向了新的高度。无弦激光音乐琴就是一种现代化的电子信息产品,经过过程对电路停止光控,应用光学控制道理制造而成。演奏者只需用手遮住一束光,无弦激光音乐琴就会发生发火声响,相当于拨动一根琴弦。经过一向地对光控制,可以“演奏”出不合的音阶和乐曲。在平常生活中,激光琴并没有和手停止直接接触,所以不消担心破坏琴键,也不消担心染上细菌 [1] 。是一种幻想的集不雅赏与文娱为一体的琴,也可作为帮助教授教化仪器或许儿童玩具,晋升进修者的兴趣,具有非常重要的贸易价值。作为一种新的乐器种类,使传统乐器在音响、演奏方法和现场后果方面产生线人一新的后果。比方由美国的Dan Millicent和Tim Walsh开辟出来的激光竖琴 [2] ,以五彩缤纷的激光束替换传统的竖琴弦,只需演奏者轻触光束,便收回动听的竖琴的音响。扮演时,舞台的灯光与竖琴“光弦”收回的激光交相照映 [3] ,让不雅众仿佛置身于梦境般的音乐空间。今朝激光琴的重要研发和应用都集中在美国和西欧国度。在威斯康星大年夜学麦迪逊工程展览会上初次以激光吉他的雏形出面,急速惹起美国一些大年夜型公司,如通用电器公司和通用汽车公司的存眷 [4] ,贸易市场潜力巨大年夜。但激光吉他和弦的演奏成绩和音响的强弱控制成绩还未处理。“触发类”激光琴今朝还仅限于“实验样品”阶段。

本文设计了一种基于STC89C52单片机的无弦激光音乐琴,可完成平常生活中音乐琴的演奏,具有主动检测功能,反响速度灵敏,本钱低。

2. 体系设计

无弦激光音乐琴由多路激光模块、激光传感器模块、控制器模块和音乐照应模块四个模块构成。整体设计筹划如图1所示。

图1中,多路激光模块采取7个功率约5 mW的半导体激光器,每个激光器产生的光束分别代表音乐上最根本的音符。激光传感器模块采取7个型号为5528的光敏电阻,当激光的光线被遮挡时,光敏电阻因光感应效应产生照应的阻值变更,进而将光强的变更信息传导给控制器停止分析。控制器模块采取STC89C52单片机 [5] ,单片机根据激光传感器发送的信息,经过一系列的信息处理和数据计算,发送指令到音乐芯片模块。音乐照应模块采取一款经常使用的音频功放芯片LM386作为驱动核心部件,处理信息后结合功放模块和蜂鸣器完成音符的输入。

为了使体系能对激光遮挡旌旗灯号作出灵敏的反响,设计了体系电路图,如图2所示。

Figure 1. Schematic design of string-less laser music piano

图1. 无弦激光音乐琴设计表示图

Figure 2. Circuit diagramof string-less laser music piano

图2. 无弦激光音乐琴电路图

图2中,p 1.0~1.6口为7个半导体激光器供电,时钟电路为全部体系产生时钟脉冲,7个5528光敏电阻作为激光传感器模块分别接到控制器的p 2.2~2.8口 [6] ,光敏电阻基于内光电效应,光照愈强,光生电子-空穴对就越多,阻值就越低,而在无光照状况时,呈高阻状况 [7] 。当激光直接照射时,电阻处于低阻值状况,将低电平0发送至单片机;当遮挡激光时,电阻值敏捷降低,将高电平1发送至单片机。完成了控制器对各个光敏电阻电平旌旗灯号的灵敏读取,并在外部进交运算,作出照应的指令。

无弦激光音乐琴主法式榜样主如果对体系停止初始化,调用数据处理子法式榜样。法式榜样框图设计如图3所示。

图3中,先选择能否播放已存储好的音乐,终了后,根据小我的选择履行高/中/高音三个音阶,并有照应指导灯亮起,根据激光传感器模块反应的信息断定能否七束激光中有激光被遮挡,若p 2.2 = 1,则第一束激光被遮挡,体系停止断定,并停止计算,驱动音乐芯片收回“Do”的声响,以此类推,可收回Re、Mi、Fa、So、La、Si声调 [8] 。

在法式榜样设计中,并不是直接操作端口或存放器,而是设置标记位,根据标记位再由单片机履行剖断操作。法式榜样示例以下。

bit FT_1 ms, FT_250 ms

bit F_play song, F_Play Tone, F_KeyDelay, F_Tone, F_keyUp, F_Music_Ide

Unsigned char Freq_H, Freq_L, SongLen, PlayIde, i

Figure 3. Program flowchartof string-less laser music piano

图3. 无弦激光音乐琴法式榜样框图

3. 实验及成果分析

无弦激光音乐琴性能短长的重要影响身分是音符频率,是以,对无弦激光音乐琴的音符频率停止照应实验是异常须要的。采取设计的无弦激光音乐琴在黉舍实验室停止音符频率实验,实验室情况相对安静,无外界情况搅扰,控制无弦激光音乐琴收回21个不合音符,应用泰克TDS2012C型数字存储示波器对3个音阶7种声调合计21个不合的音符的频率停止丈量,将各个音符频率丈量值与音符频率实际计算值停止比较,不雅察实际丈量值能否与实际计算值相吻合,由此断定无弦激光音乐琴的发声后果。列出Do的低、中、高三个音阶波形图分别如图4图5图6所示。

Figure 4. frequency diagram of bass Do

图4. 高音Do时频率图

Figure 5. Frequency diagram for alto Do

图5. 中音Do时频率图

Figure 6. Frequency diagram of treble Do

图6. 高音Do时频率图

无弦激光音乐琴的音符频率应在人耳能听到的声响频率范围内,即20 Hz~20 kHz。经过过程STC80C52自带的16位准时器完成不合音符的固定频率。普通音乐电路是以正弦波旌旗灯号驱动喇叭以产生音乐,而在数位电路里则是以脉冲旌旗灯号驱动 [9] 。例如标准音la的频率f = 440 Hz,对应的周期为T = 1/f = 1/440 = 2272 μs,单片机上对应蜂鸣器的I/O口往复取反时间应为t = T/2 = 1136 μs,也就是单片机上准时器应有的中断触发时间。普通情况下,奏乐时,单片机准时器为任务方法1,以晶振的十二分频旌旗灯号为计数脉冲,晶振频率为f0 = 12 MHz,则准时器的预置初值由下式来肯定:

t = 12 * ( T A L L T H L ) / f 0

式中TALL = 216 = 65536,THL为准时器待肯定的计数初值。则准时器在任务方法1下的高低计数器的预置初值为

T H 440 Hz = T HL / 256 = ( T ALL t * f 0 / 12 ) / 256

T L 440 Hz = T HL / 256 = ( T ALL t * f 0 / 12 ) % 256

根据以上的求解办法,可以求出其他声调照应的计数器预置数值。

图4中,在实际收回高音Do时,测得频率为266.662 Hz,而实际计算高音Do的频率为262 Hz,相差4.662 Hz。图5中,在实际收回中音Do时,测得频率为530.098 Hz,约为高音Do的2倍,符合音符变更规律,而实际计算高音Do的频率为523 Hz,与实际丈量值相差7.098 Hz。图6中,在实际收回高音Do时,测得频率为1047.94 Hz,约为中音Do的2倍,符合音符变更规律,而实际计算高音Do的频率为1046 Hz,与实际丈量值相差1.94 Hz。

对3个音阶,7个声调的实际丈量频率值如表1所示。

Table 1. Comparison of measured data of c-key scale and frequency

表1. C调音阶–频率实测数据对比

表1是用示波器对无弦激光音乐琴各个声调的频率丈量值,由表1分析可知,无弦激光音乐琴各个声调对应的实测频率数据与实际计算所得数据基本符合,同一音阶下,从声调Do到声调Si频率值赓续增长;同一声调下,中音频率为高音频率值的2倍,高音频率值为中音频率值的2倍,与实际计算规律符合。由于导线电阻、焊接焊锡的若干会招致电路中的电阻不合,并且蜂鸣器的线圈电阻为16 ± 2 Ω,也会形成误差,所以,实测频率值与实际计算频率值有所误差,差值最大年夜的声调为中音Do,与实际计算值523 Hz相差了7.098 Hz,但对音效影响不大年夜。

将实验中对21个不合音符的实际丈量频率值与实际计算频率值做比较以后发明实际丈量频率值根本吻合,频率相差最大年夜的音符为中音Do,最大年夜值为7.098 Hz,选出中音的7个声调比较成果如图7所示。

Figure 7. Comparison diagram of actual measured frequency and theoretical calculated frequency

图7. 实际丈量频率值与实际计算频率值比较图

图7中,横坐标1~7分别表示中音Do、Re、Mi、Fa、So、La、Si,纵坐标表示音符频率值,曲线B是实测音符频率曲线,曲线C1是实际计算音符频率曲线。由图可以看出两条曲线根本吻合,在中音Do处差别最大年夜。

综上实验,在不合的音符下,无弦激光音乐琴的实测音符频率与实际计算音符频率数值基本相符合,实测频率值与实际计算频率值最大年夜相差7.098 Hz,可以完成正常音乐演奏。

4. 结论

本文从硬件电路和软件编程两个方面设计了基于STC89C52单片机的无弦激光音乐琴。由多路激光模块收回激光,激光传感器模块对激光旌旗灯号停止检测后将电平旌旗灯号传输给单片机,单片机作为控制器模块对旌旗灯号停止分析处理后调动音乐照应模块停止照应音频输入。电路设计完成了从旌旗灯号探测到照应音频输入功能。经过过程对多路激光模块和音乐照应模块的及时控制进步了体系的稳定性和功能性,采取STC89C52单片机完成了对旌旗灯号快速精确的分析和处理。完成了无弦激光音乐琴体系的研制,尺寸为长10 cm × 宽5 cm × 高11 cm。经过实验测试,可完成3个音阶,7个声调的发声,音色清楚,实测声调频率与实际计算声调频率误差不大年夜于7.098 Hz,体系稳定,音乐照应状况优胜,具有较大年夜的应用推行价值。

申谢

感激大年夜先生创新创业练习筹划项目(1070214114)的资金支撑。

文章援用:
刘兆丰, 贺佳怡, 杜晨光, 吕立根, 张朝阳, 武志超. 无弦激光音乐琴的研制[J]. 光电子, 2019, 9(3): 113-119. https://doi.org/10.12677/OE.2019.93017

参考文献

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