Проектирование электро-музыкального инструмента – Терменвок

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технологический университет» МИРЭА

Колледж приборостроения и информационных технологий

Курсовой проект профессиональный модуль ПМ.01 «Проектирование цифровых устройств»

Специальность 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы»

На тему: «Проектирование электро-музыкального инструмента - Терменвокс»

Выполнил: Фролов К.О.

Руководитель: Будько Д.О.

Москва 2018



Задание на курсовой проект по профессиональному модулю ПМ.01

«Проектирование цифровых устройств»

студенту 3 курса группы КС31 по специальности 09.02.01 "Компьютерные системы и комплексы"

ТЕМА ЗАДАНИЯ: " РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРО-МУЗЫКАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА «ТЕРМЕНВОКС» "

Курсовой проект выполняется студентом колледжа в следующем объеме:

Техническое задание.

I Пояснительная записка

Введение

Анализ технического задания.

1. Исследование существующих решений

1.1. Исследование работы устройств подобного типа.

1.2. Анализ характеристик входных и выходных сигналов.

1.3.Обоснование выбора элементной базы устройства.

2. Разработка аппаратной части

2.1. Разработка архитектуры системы климат-контроля.

2.2. Выбор устройств управления разрабатываемой системы климат-контроля.

2.3. Выбор микроконтроллера разрабатываемой системы климат-контроля.

2.4. Разработка интерфейса системы климат-контроля.

3. Конструкторско-технологическая часть

3.1. Разработка печатной платы

3.2. Схема расположения элементов

Заключение

Список используемой литературы и информационных источников

II Графическая часть проекта

Лист 1. Структурная схема.

Лист 2. Функциональная схема.

Лист 3. Электрическая принципиальная схема.

Лист 4 Спецификация

Дата выдачи 24.02.2017

Срок окончания 05.05.2017

Председатель ПЦК Компьютерные системы ____________ /Беседин А.В./

Руководитель курсового проекта____________ /Будько Д.О./

Техническое задание

Разработать Электро-Музыкальный инструмент «Терменвокс»

Работа устройства:

1) Основное состояние устройства - извлечение звука из синусоиды.

2) Обработка параметров с фоторезистора.

3) Изменение тональности звука, путем поднесения руки к одному из фоторезисторов инструмента.

Питание инструмента организованно от USB входа компьютера 5в.



Содержание

Введение

Анализ технического задания

1. Исследование существующих решений

1.1 Исследование работы устройств подобного типа

1.2 Анализ характеристик входных и выходных сигналов

2. Разработка аппаратной части

2.1 Разработка архитектуры устройства

2.2 Выбор датчиков или устройств управления электро-музыкальным инструментом «Терменвокс»

2.3 Выбор микроконтроллера электро-музыкального инструмента - «Терменвокс»

3. Конструкторско-технологическая часть

3.1 Разработка печатной платы

3.2 Схема расположения элементов

Заключение

Список используемой литературы и информационных источников



Введение

Электро-музыкальный инструмент «терменвокс»

Электро-музыкальный инструмент «терменвокс» - предназначен для проигрывания музыки путем манипулирования рукой над чувствительными фоторезисторами. Благодаря изменению уровня освещенности посредством движения руками изменяется тональность звука, а так же громкость воспроизводимого звука, что позволяет проигрывать различные композиции и звуки.

Этот инструмент корректно работает только в помещениях с достаточной освещенностью, около 150 Люксов.

Так же реализована возможность управлять громкостью звука благодаря второму фоторезистору.

Особенности электро-музыкального инструмента «терменвокс»:

- Изменение тональности звука не прикасаясь к самому инструменту;

- Устройство издает непрерывный звук;

- Реализована возможность мгновенного прерывания звука для проигрывания более быстрых мелодий;

Анализ технического задания

В соответствии с техническим заданием, в данном курсовом проекте, необходимо разработать Электро-музыкальный инструмент «Терменвокс» на базе микроконтроллера Arduino UNO.

В качестве индикации используется светодиод и непосредственно пьезодинамик, через который проигрывается звук.

В качестве питания для проектируемого устройства может использоваться источники бесперебойного напряжения такие, как - гальванический элемент (аккумулятор, или батарейка). На 5 вольт.



1. Исследование существующих решений

1.1 Исследование работы устройств подобного типа

Рассмотрим одно из существующих схемных решений:

Терменвокс “Moog Theremini” (рис.1) предназначен для игры классических композиций.

При поднесении руки к “прямой” антенне изменяется тональность, а при поднесении руки к “округлой” антенне изменяется громкость звука.

Так же имеется регулировать звук при помощи реостатов.

Так же в инструменте имеется LCD дисплей для более удобной настройки. сигнал терменвокс микроконтроллер

Рис.1

1.2 Анализ характеристик входных и выходных сигналов

Данное устройство получает информацию в виде цифровых сигналов с фоторезисторов, обрабатывает их и преобразует в синусоиду, которая “раскачивает” мембрану пьезо-динамика.



2. Разработка аппаратной части

2.1 Разработка архитектуры устройств

В основе проекта лежит микроконтроллер Arduino: он прост в обращении и достаточно мощный для реализации многих функций. К этому микропроцессору подключаются следующие элементы:

Arduino Uno - микропроцессор среднего размера, выполняющий основную работу в данному курсовом проекте.

Пьезо динамик - данный прибор предназначен для воспроизведения звука получаемого с микропроцессора Arduino Uno

Фоторезистор VT90N2 - используется для изменения сопротивления в цепи в зависимости от освещения.

Резистор номиналом 10 кОм - основная задача создать сопротивления протекающему по цепи току, ограничить его.

2.2 Выбор датчиков или устройств управления электро-музыкальным инструментом «Терменвокс»

Большинство датчиков и остальное периферийное оборудование описано ранее, а далее оно представлено более подробно.

Микропроцессор Arduino

Arduino Uno - данный микропроцессор является программируемым микропроцессором.

Общие сведения

Arduino Uno - это устройство на основе микроконтроллера ATmega328. В его состав входит все необходимое для удобной работы с микроконтроллером: 14 цифровых входов/выходов (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъем USB, разъем питания, разъем для внутрисхемного программирования (ICSP) и кнопка сброса. Для начала работы с уcтройством достаточно просто подать питание от AC/DC-адаптера или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля.

Микроконтроллер	ATmega328
Рабочее напряжение	5В
Напряжение питания (рекомендуемое)	7-12В
Напряжение питания (предельное)	6-20В
Цифровые входы/выходы	14 (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов)
Аналоговые входы	6
Максимальный ток одного вывода	40 мА
Максимальный выходной ток вывода 3.3V	50 мА
Flash-память	32 КБ (ATmega328) из которых 0.5 КБ используются загрузчиком
SRAM	2 КБ (ATmega328)
EEPROM	1 КБ (ATmega328)
Тактовая частота	16 МГц

Рис. 2

Входы и Выходы

Каждый из 14 цифровых выводов Uno может настроен как вход или выход, используя функции pinMode, digitalWrite, и digitalRead, . Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (по умолчанию отключен) 20-50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции:

· Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX). Выводы используются для получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Данные выводы подключены к соответствующим выводам микросхемы последовательной шины ATmega8U2 USB-to-TTL.

· Внешнее прерывание: 2 и 3. Данные выводы могут быть сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем фронте, или при изменении значения. Подробная информация находится в описании функции attachInterrupt.

· ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8 бит при помощи функции analogWrite.

· SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Посредством данных выводов осуществляется связь SPI, для чего используется библиотека SPI.

· LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. Если значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит.

На платформе Uno установлены 6 аналоговых входов (обозначенных как A0 .. A5), каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить верхний предел посредством вывода AREF и функции analogReference. Некоторые выводы имеют дополнительные функции:

· I2C: 4 (SDA) и 5 (SCL). Посредством выводов осуществляется связь I2C (TWI), для создания которой используется библиотека Wire.

Дополнительная пара выводов платформы:

· AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов. Используется с функцией analogReference.

· Reset. Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает микроконтроллер. Обычно применяется для подключения кнопки перезагрузки на плате расширения, закрывающей доступ к кнопке на самой плате Arduino.

Программирование

Arduino Uno программируется с помощью программного обеспечения Ардуино.

Физические характеристики

Максимальная длина и ширина печатной платы Uno составляет 6.9 см и 5.4 см соответственно, с учетом разъема USB и разъема питания, выступающих за пределы платы. Четыре крепежных отверстия позволяют прикреплять плату к поверхности или корпусу. Обратите внимание, что расстояние между цифровыми выводами 7 и 8 не кратно традиционным 2.54 мм и составляет 4 мм.

Пьезодинамик

Пьезоизлучатель звука переводит переменное напряжение в колебание мембраны, которая в свою очередь создаёт звуковую волну.

Иначе говоря, пьезодинамик -- это конденсатор, который звучит при зарядке и разрядке.

Амплитудно-частотная характеристика

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) определяет громкость звука в зависимости от частоты управляющего сигнала, который и определяет высоту звучащей ноты.

Рис. 3

Идеальная АЧХ -- это прямая, т.е. одинаковая громкость вне зависимости от частоты. Но мир не идеален и разные виды излучателей имеют разные отклонения от идеала.

Подключение напрямую

Пьезодинамик потребляет всего пару мА, поэтому можно смело подключать его прямо к микроконтроллеру

Рис. 4

Для звучания нужно подавать на динамик квадратную волну. Какой частоты будет волна, такой частоты будет и звук

Рис. 5

Подключение с регулировкой громкости

Рис. 6

Резистор

Резистор -- пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение и напряжения в силу тока, ограничения тока, поглощения электрической энергии и др. Весьма широко используемый компонент практически всех электрических и электронных устройств.

Мощность: 0,5 Вт

Точность: ±5 %

Максимальное рабочее напряжение: 350 В

Сопротивление: 10 кОм

Рис. 7

Фоторезистор

Фоторезистор - это датчик, электрическое сопротивление которого меняется в зависимости от интенсивности падающего на него света. Чем интенсивней свет, тем больше создается свободных носителей зарядов и тем меньше становится сопротивление элемента. Два внешних металлических контакта фоторезистора идут через керамический материал основания к светочувствительной пленке, которая по своей геометрии и свойству материала определяет электрические свойства сопротивления. Так как фоточувствительный материал по природе с большим сопротивлением, то между электродами с тонкой извилистой дорожкой, при средней интенсивности света, получается низкое общее сопротивление элемента. Так же как и человеческий глаз, фоторезистор чувствителен к определенному диапазону длины волны света. При выборе фотоэлемента приходится с этим считаться, поскольку в противном случае он может совсем не отреагировать на источник света, используемый в приложении. Здесь приведены длины волн видимого света, упрощенно разделенные по цвету.

Рис. 8

2.3 Выбор микроконтроллера электро-музыкального инструмента - «Терменвокс»

В данном курсовом проекте я использовал микроконтроллер Arduino Uno, так как он удовлетворяет всем требованиям, что необходимы для корректной работы устройства.

Arduino Uno

Плата Arduino Uno -- центр большой империи Arduino, самое популярное и самое доступное устройство Arduino. В ее основе лежит чип ATmega -- в последней ревизии Арудуино Уно R3 -- это ATmega328 (хотя на рынке можно еще встретить варианты платы UNO с ATmega168). Arduino Uno является самым подходящим вариантом для начала работы с платформой: она имеет удобный размер (не слишком большой, как у Mega и не такой маленький, как у Nano), достаточно доступна из-за массового выпуска всевозможных клонов, под нее написано огромное количество бесплатных уроков и скетчей. В этой статье мы рассмотрим основные особенности, характеристики и устройство платы Arduino Uno R3, требования к питанию и возможности подключения внешних устройств.

Характеристики Arduino Uno

Микроконтроллер	ATmega328
Рабочее напряжение	5В
Напряжение питания (рекомендуемое)	7-12В
Напряжение питания (предельное)	6-20В
Цифровые входы/выходы	14 (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов)
Аналоговые входы	6
Максимальный ток одного вывода	40 мА
Максимальный выходной ток вывода 3.3V	50 мА
Flash-память	32 КБ (ATmega328) из которых 0.5 КБ используются загрузчиком
SRAM	2 КБ (ATmega328)
EEPROM	1 КБ (ATmega328)
Тактовая частота	16 МГц

Варианты питания Ардуино Уно

Рабочее напряжение платы Ардуино Уно -- 5 В. На плате установлен стабилизатор напряжения, поэтому на вход можно подавать питание с разных источников. Кроме этого, плату можно запитывать с USB -- устройств. Источник питания выбирается автоматически.

Память Arduino Uno R3

В Arduino Uno три вариант памяти:

· FLASH - память объемом 32 кБ;

· Оперативная SRAM память объемом 2 кБ;

· Энергонезависимая память (EEPROM) объемом 1кБ.



3. Конструкторско-технологическая часть

3.1 Разработка печатной платы

Sprint Layout - это простейшее, но весьма эффективное средство для проектирования односторонних и двухсторонних печатных плат. Эта программа содержит все необходимые функции (кроме автоматического разводчика) для создания топологии плат с максимальными размерами 300х300 мм. SL позволяет сохранять файлы в форматах Gerber и Excellon, которые являются стандартом обмена данными при производстве печатных плат.

SL оборудован инструментами для формирования контактных площадок различной формы (как для выводного, так и для поверхностного монтажа), проводников, полигонов, текста и т.д. Размеры элементов можно изменять в широком диапазоне.

Для каждой стороны печатной платы предусмотрены два слоя - слой проводников и слой маркировки. Слой паяльной маски создается автоматически. Также возможно автоматическое создание общей шины, тестирование сетей и т.д.

Встроенная автоматизированная (но к сожалению, не автоматическая) трассировка поможет вам развести проводники.

Библиотека SL содержит ряд наиболее распространенных типоразмеров электронных компонентов. При желании эту библиотеку можно легко пополнить.

Рис. 9

3.2 Схема расположения элементов

Элементы разрабатываемого устройства будут расположены следующим образом:

Рис. 10



Заключение

В ходе написания курсового проекта было разработано устройство для манипуляции звуком, а именно электро-музыкальный инструмент «терменвокс». Инструмент имеет оптимальные размеры для использования.



Список используемой литературы и информационных источников

1. Проектирование цифровых устройств, том 1 и 2, Дж.Ф. Уэйкерли, 2002г.

2. Проекты с использованием контроллера Arduino (2-е изд.) 2015г.Cd

3. Arduino, датчики и сети для связи устройств (2-е изд.) 2015г.

4. Водовозов, А.М. Микроконтроллеры для систем автоматики: учебное пособие. - Вологда: ВоГТУ, 2002.

5. Рюмик, С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема. - М.: Додэка-XXI, 2012.

6. Бродин, В.Б. Микроконтроллеры. Архитектура, программирование, интерфейс. - М.: ЭКОМ, 2005.

7. http://eldigi.ru - сайт элементной базы проектируемого устройства.

Размещено на Allbest.ru