文/宋雨露 朱清慧

1 引言

智能機(jī)器人是一個(gè)集多功能于一體的控制系統(tǒng)，而音樂(lè)機(jī)器人是通過(guò)研發(fā)者寫入控制程序，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)演奏音樂(lè)的一類仿真機(jī)器。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和電磁鐵實(shí)現(xiàn)2-3種敲擊木琴的演奏模式，即基于傳感器的手動(dòng)即時(shí)演奏、基于藍(lán)牙通訊的手機(jī)APP的片段演奏、基于單片機(jī)的整曲演奏。

2 裝置硬件設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)易鋼琴裝置的設(shè)計(jì)需要單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外傳感器模塊、藍(lán)牙模塊、開關(guān)電源、限位開關(guān)、電磁鐵、繼電器模塊、小木槌和木琴等器件。簡(jiǎn)易鋼琴的硬件控制框圖如圖1所示。

2.1 簡(jiǎn)易鋼琴裝置器件的選擇

（1）根據(jù)簡(jiǎn)易鋼琴裝置控制系統(tǒng)小巧輕便的特點(diǎn)，考慮到系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)情況，選擇STC89C52RC單片機(jī)作為裝置的主控芯片。

（2）電機(jī)主要用來(lái)帶動(dòng)木錘作平行于琴鍵的定位運(yùn)動(dòng)，需要能準(zhǔn)確啟、停，且要求運(yùn)行平穩(wěn)。本設(shè)計(jì)根據(jù)這些要求選擇步進(jìn)電機(jī)42BYG進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，選用TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制和速度控制。

（3）電磁鐵在本裝置中用來(lái)控制木錘的上下敲擊動(dòng)作，選擇Makeblock公司的一款電磁鐵；另外還給電磁鐵配備了繼電器模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電磁鐵的控制。

（4）手指檢測(cè)傳感器用來(lái)檢測(cè)到手指落下的位置并能發(fā)送給單片機(jī)從而驅(qū)動(dòng)木錘敲擊實(shí)際的鍵盤，要具有一定的抗干擾能力和較高的靈敏度，選擇7組紅外單向反射式傳感器，有效距離2cm-30cm可滿足設(shè)計(jì)所需，可通過(guò)調(diào)整電位器旋鈕改變檢測(cè)距離。

（5）根據(jù)要求要實(shí)現(xiàn)通過(guò)手機(jī)虛擬鍵盤彈奏鋼琴并由藍(lán)牙模塊發(fā)送給單片機(jī)，從而控制鋼琴自動(dòng)演奏。選擇一款常用的HC-05藍(lán)牙模塊作為地面通訊站。

2.2 系統(tǒng)電路原理圖

根據(jù)系統(tǒng)硬件框圖和所選擇的器件，在Proteus中將步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電磁鐵、繼電器、紅外傳感器、藍(lán)牙模塊、限位開關(guān)等分別與單片機(jī)連接，繪出系統(tǒng)整體電路原理圖如圖2所示。其中單片機(jī)的TXD和RXD與串行模擬終端連接，以進(jìn)行藍(lán)牙通訊仿真調(diào)試。

3 裝置軟件設(shè)計(jì)

3.1 藍(lán)牙串口參數(shù)設(shè)置

通過(guò)藍(lán)牙串口助手可以連接藍(lán)牙串口模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)手機(jī)串口連接。如圖3為藍(lán)牙串口助手的主界面圖，在這里可以進(jìn)行模式的選擇，和藍(lán)牙模式的控制，在使用這些按鍵的時(shí)候首先要對(duì)地面站進(jìn)行設(shè)置，地面站會(huì)發(fā)送十六進(jìn)制的數(shù)給單片機(jī)以完成操作。如圖4為藍(lán)牙通訊地面站設(shè)置圖。

3.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要是完成了一個(gè)初始化，兩個(gè)子程序，三種控制。如圖5為系統(tǒng)的主流程圖。系統(tǒng)初始化主要包括定時(shí)器初始化，計(jì)數(shù)器初始化，變量初始化，中斷初始化。藍(lán)牙通訊控制程序：主要完成手機(jī)與藍(lán)牙的通訊連接，并可以用手機(jī)選擇控制方式和演奏。紅外感應(yīng)隨動(dòng)控制程序是先初始化，然后跟隨手指敲擊鍵盤，系統(tǒng)完成演奏。

在Keil軟件中對(duì)程序流程圖對(duì)單片機(jī)進(jìn)行了程序編寫和編譯，并導(dǎo)入Proteus中進(jìn)行了軟、硬件交互仿真，完全實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。

4 系統(tǒng)組裝

本裝置將木琴固定在最前端，對(duì)應(yīng)木槌的位置放置軌道，軌道上有步進(jìn)電機(jī)（四條線接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器），電磁鐵（兩條線：一條線接開關(guān)電源COM，一條線接繼電器COM），限位開關(guān)（上端口接+5V，下端口接P1.3）；接著固定7個(gè)紅外傳感器（VCC接+5V母線，GND接地線，OUT分別連接P0.0-P0.6），繼電器（輸入：DC+接開關(guān)電源+20V，DC-接地，IN接P1.2；輸出：COM接電磁鐵）；然后是開關(guān)電源（輸入220V，輸出20V），步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器（輸入：DIR+,ENA+,Pul+接+5V，DIR-接P1.1控制正反轉(zhuǎn)，Pul-接P1.0控制速度，輸出：分別接步進(jìn)電機(jī)的四條線），最后固定單片機(jī)開發(fā)板，把藍(lán)牙模塊連接上去（RXD接P3.1，TXD接P3.0，VCC接+5V，GND接地）。如圖6所示為簡(jiǎn)易鋼琴裝置調(diào)試圖。

圖1：簡(jiǎn)易鋼琴的硬件框圖

圖2：系統(tǒng)整體連線圖

圖3：藍(lán)牙串口助手的主界面圖

圖4：藍(lán)牙通訊地面站設(shè)置圖

5 系統(tǒng)調(diào)試

5.1 裝置調(diào)試

首先測(cè)得琴鍵之間的距離，計(jì)算出一個(gè)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)的距離為0.002cm。接著根據(jù)同相相阻的原理，確定步進(jìn)電機(jī)的接線。然后從限位開關(guān)的三個(gè)端口選出兩個(gè)端口接入電路，電機(jī)反轉(zhuǎn)直到機(jī)械手臂碰到限位開關(guān)停止，說(shuō)明是正確的接法。最后用電源給繼電器供電，發(fā)現(xiàn)繼電器動(dòng)作，但是電磁鐵無(wú)法正常吸合，后來(lái)改用+12V供電，電磁鐵才能正常吸合。

5.2 程序調(diào)試

在編寫藍(lán)牙控制程序的時(shí)候計(jì)算波特率，把11.0593Mhz誤作12Mhz的，這樣再利用51波特率設(shè)置軟件計(jì)算出計(jì)數(shù)器初始值設(shè)置是錯(cuò)誤的，造成了敲擊時(shí)候的混亂。在敲擊程序里面，設(shè)置延時(shí)敲擊，系統(tǒng)通過(guò)提高電機(jī)速度、延時(shí)敲擊來(lái)平衡音符之間時(shí)間間隔。由實(shí)際情況定義電動(dòng)機(jī)移動(dòng)一格子需要的脈沖，取1210個(gè)脈沖每一格。

圖5：系統(tǒng)的主流程圖

圖6：簡(jiǎn)易鋼琴裝置調(diào)試圖