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1、音乐演奏器设计（电子竞赛G题） 摘要：本次设计的远程音乐演奏器是现代电子科技与音乐结合的产物，是一种新型的键盘乐器，该演奏器电路由发射和接收两大部分组成。发射部分采用ATMEGA32作为发射系统的控制部分，由按键、指示灯、PT2262编码电路等构成外围电路，并通过PT2262实现数据传输；接收部分采用ATMEA8作为接收系统的控制部分，由指示灯、PT2272解码电路等构成外围电路，并通过PT2272实现数据接收。功率放大器采用TDA2030，当频率为1KHZ，峰峰值为200mv时，额定功率达到4.84W，波形稳定，无明显失真。程序设计采用C语言在Timel的编译器上实现编程。14个按键采用独立
2、式安装。经测试，整机功能齐全，功率，带宽，无线距离，音阶频率误差等各项性能指标均达到设计要求。关键词：远程音乐器 编码器 解码器 1. 系统设计11 设计要求 1.1.1 任务设计并制作一个可以演奏乐曲的远程音乐演奏器。1.1.2 基本要求 （1） 用12个键盘演奏音乐（建议演奏军港之夜），键盘与主机采用有线连接，距离5m； （2）乐曲的音阶限于12个音阶内，C调，节拍频率1Hz，C调音阶频率表见附表1；（3）一次演奏后应可以存储并重放（不少于20个音符）；（4）音阶准确，随机抽测一点频率，频率误差0.1%；（5）功率放大器满足以下要求：额定功率大于2W（负载电阻8W的条件下）；带宽大于100
3、Hz3000Hz（应提供外部信号输入端子，负载电阻8W的条件下）；在额定功率及带宽范围内用示波器观察无明显失真。1.1.3 发挥部分（1）实现无线键盘控制功能，距离5m；（2）功率放大器带宽大于50Hz5000Hz（负载电阻8W的条件下）；（3）功率放大器失真度5%（1000Hz时，满功率输出）；（4）其它。12总体设计方案的论证与选择（1） 远程音乐演奏器设计方案一远程音乐演奏器设计方案一如图11所示。系统采用ATMEGA8和ATMEGA32为微控制器。ATMEGA8和ATMEGA32都是ATMEL公司研制开发的AVR单片机。它是高性能，低功耗的微处理器。其数据吞吐率高达1MISP/MHZ，
4、缓减了功耗和处理速度之间的矛盾。它也支持在线编程烧写，内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数转换器。TDA2030ATMEGA32接收发射ATMEGA814键盘 指示灯指示灯发射 接收从机 主机图11 ATMEGA构成的演奏器结构框图（2） 远程音乐演奏器设计方案二远程音乐演奏器设计方案二图12所示。系统采用51系列的单片机。89C51单机的极限工作频率是24M，同时89C51支持并行写入。TDA2030AT89C51接收发射AT89C5114键盘指示灯发射接收指示灯 从机 主机图12 AT89C51构成的演奏器结构框图 经上述方案比较与论证，明显AVR的运行速度比89C51来的快，而且更容易
5、修改程序。故本系统采方案一。2.单元硬件电路设计2.1功率放大电路功率放大电路采用TDA2030高保真集成功率放大芯片来设计，如图1-3所示。其输出功率大于10W，内部电路包含输入级，中间级和输出级。Rp是音量调节电位器，C1是输入耦合电容，R4、R5决定了该电路交流负反馈的强弱及闭环增益。该电路闭环增益为（R4+R5）/R4=（4.7+150）/4.7=32.9倍。C5起隔直流作用，以使直流为100%负反馈，静态工作点稳定性好。图1-3 功率放大电路2.2 PT2262/PT2272编码/解码电路如图1-4所示。编码芯片 PT2262发出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，
6、解码芯片PT2272接到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHZ的高频发射电路不工作，当有键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHZ的高频发射电路起振并发射等辐高频信号，当17脚为低平期间315MHZ的高频发射电路停止振荡，所有高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100%的调幅。 图1-4
7、 PT2262/PT2272编码/解码电路3. 软件设计鉴于单片机技术比较成熟，且开发过程中可以利用的资源和工具丰富、价格便宜、成本低。故设计C语言对其编程并烧录到芯片内部，C语言表达和运算能力比较强，且具有很好的可移植性和硬件控制能力。程序分为发射部分和接收部分。3.1 接收部分程序设计初始化I/O，外围电路 初始化寄存器初始化Timel获取无线数据无数据有是调整LED吗？是 处理LED否调整中频否 是调整单片机Fimel的比较寄存器数值0.01S中断3.2 发射部分程序设计初始化I/O，外围电路保存数据是否需要录音初始化寄存器是读取数据是否需要语言初始化Timel是退出获取键值无键按下退出
8、 发送键值 4. 系统测试4.1 测试使用的仪器YB4325型双踪示波器 DF1731SD3A型直流稳压电源 DF1641型函数信号发生器 VICTOR 89A数字式万用表4.2 指标测试和测试结果4.2.1 音阶频率准确度测试 采用YB4325型双踪示波器测量准确度，表4.2.1为记录表格。式4.2.1为频率准确度的计算公式。A=（f1-f2）/f2*100% (4.2.1)式中，A为频率准确度，f1为标准频率，f2为被测频率。表4.2.1 音阶频率准确度记录表f156712345671329.63370415.31440493.88554.37587.33659.33739.99830.6
9、1880f2329.59369.94415.25440493.78554.27587.20659.20739.85830.37879.81A0.0121%0.0162%0.0144%0%0.0203%0.018%0.0221%0.0197%0.0189%0.0289%0.0216%4.2.2 功率放大器额定功率的测试采用DF1731SD3A型直流稳压电源供直流电12V给功率放大电路，由YB4325型双踪示波器观察其输出波形。当频率为1KHZ，峰峰值为200mv时，输入正弦波，额定功率可达4.84W。式4.2.4为额定功率的计算公式。 P=U2/R （4.2.4） 4.2.3 带宽及距离测试带宽
10、检测采用DF1641型函数信号发生器把输出信号接在功放输入端，为避免损坏单片机，此时需要和原先的单片机输出端断开，示波器接在喇叭两端，经测试，功率放大器带宽在大于50Hz5000Hz输出信号无明显失真，达到设计要求。距离测试：经实际测试，在距离7M处，接收部分能清晰地收到发射部分发出的信号。4.3结果分析在设计过程中，功率放大器的的滤波电容不够大，致使输出波形失真。通过分析并改变滤波电容的参数，使得波形得到了改善。采用PT2262/PT2272编码/解码电路，结果显示音阶准确，随机抽测一点频率，频率误差达到了0.05%，远远超过了题目的要求。5. 结论本设计由发射和接收两大部分组成。主机（发射
11、部分）负责发送语音信号、数据传送以及对从机的选择。从机（接收部分）负责接收语音信号、数据接收和响应。采用PT2262/PT2272编码/解码电路实现了数据传输功能。本作品达到的要求和技术指标如下：(1)线键盘控制功能，距离5m；(2)功率放大器带宽大于50Hz5000Hz（负载电阻8W的条件下）；(3)功率放大器失真度5%（1000Hz时，满功率输出）； (4)乐曲的音阶限于12个音阶内，C调，节拍频率1Hz；(5)一次演奏后应可以存储并重放；(6)音阶准确，随机抽测一点频率，频率误差达到0.02%；(7)功率放大器满足以下要求：额定功率大于2W（负载电阻8W的条件下）；带宽大于100Hz30
12、00Hz（应提供外部信号输入端子，负载电阻8W的条件下）；在额定功率及带宽范围内用示波器观察无明显失真。参考文献1 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练M.北京:北京航空航天大学出版社,2007.2 潘晓利，陈学煌，祝祥迪. 基于单片机MIDI电子琴设计J.电子测量技术,2008,31(6):1741763 杨海洋.电子电路故障查找技巧M.北京:机械工业出版社,2004.附录1 主要元器件清单序号元件名称型号规格数量封装备注1电阻RT-470-II12AXIAM-0.32电阻RT-1K-II8AXIAM-0.33电阻RT-100K-II3AXIAM-0.34电阻RT-4.7K-II1AXIA
13、M-0.35电阻RT-150K-II1AXIAM-0.36电阻RT-380K-II1AXIAM-0.37电阻RT-2M-II1AXIAM-0.38电阻RT-1-II1AXIAM-0.39瓷片电容1046RAD-0.110瓷片电容224RAD-0.111电解电容1000uf6RB.2/.412电解电容1uf3RAD-0.113电解电容22uf2RAD-0.114电解电容2200uf1RB.2/.415二极管1N40076AXIAM-0.316发光二极管LED12RAD-0.117稳压管3.3V1RAD-0.118变压器220V12*2219单片机ATMEGA81DIP-2820单片机ATMEGA32
