红外无线传输下钢琴自动演奏机器人设计

孙善乾

(江苏航运职业技术学院,江苏 南通 226010)

0 引言

社会的进步和经济的发展离不开智能制造技术的进步和提高。随着“中国制造2025”战略的实施以及物联网、大数据和云计算等新一代信息技术在工业制造业转型升级过程中的深化应用,标志着工业制造业的转型升级正式成为经济提质增效和产业结构调整的生力军。智能制造迎来了巨大的发展机遇。红外通信具有抗干扰能力强、信息传输准确、低功耗等优点,是一种无线非接触串行通信方式。设计自设红外无线通信标准,用软件构建算法模型解决红外无线通信数据传输过程中的调制和解调问题。系统具有较高的创新性、可靠性和智能性。

1 系统设计原理

本设计理念新颖独特,智能化程度较高。系统乐谱数据通信传输采用红外接收和发送方式,克服了红外通信接收控制模块单片机I/O输入输出口不足的设计瓶颈问题。红外数据发送和接收CPU控制主芯片采用质优价廉的8位增强性STC89C52RC单片机。该单片机共有32个输入输出引脚,技术成熟、成本低,自带ADC,简化外围器件设计,提高可靠性[1]。系统采用模块化设计,由红外无线信号调制发送模块、红外无线信号接收解调模块、继电器开关驱动模块、电磁往返执行(机械手)模块等组成。系统通过程序把乐谱包含的曲调、音符、节拍等演奏信息转变成十六进制数字信息,方便简洁高效传输。自设定发送和接收红外通信协议标准。红外发送模块调制、发射红外信号,接收模块接收红外信号同时对信号进行放大、检波、整形得到TTL电平的编码信号。单片机解码这些信号,通过输出口控制继电器开关,驱动机器手对钢琴键盘执行乐谱规定的时序升降动作,精准实现乐谱自动弹奏。红外无线传输下的钢琴自动演奏机器人工作原理架构如图1所示。

图1 红外无线传输下的钢琴自动演奏机器人工作原理架构

2 红外调制信号无线发送模块软、硬件实现

一般通信领域,发出来的基带信号频谱较宽,不适合直接在信道中传输。为了便于传输、提高抗干扰能力和有效地利用带宽,需要将信号调制到适合信道和噪声特性的频率范围内进行传输,这叫信号调制。调制是用待传送信号控制某个高频信号的幅度、相位、频率等参量变化的过程,即用一个信号去装载另一个信号。红外通信具有抗干扰能力强、信息传输可靠、成本低、易实现等优点[2]。系统中乐谱红外信号发送使用脉冲频率为39.1 k进行调制。载波信号加载到调制后的乐谱数据信号中,红外信号数据传输的准确性和抗干扰性得到提升。乐谱红外无线信号调制发送原理如图2所示。

图2 乐谱红外无线信号调制发送原理

红外发送模块将钢琴乐谱转换成二进制信号编码,通过软件算法编程调制成连续的载波脉冲信号,如图3所示。单片机通过P3^3引脚控制红外发射三极管发射乐谱数据红外信号。发送的乐谱红外调制信号加载单片机一定时器编程产生的PWM载波。乐谱红外发射原理如图4所示。当P3^3引脚输出高电平信号时,Q2三极管截止,左侧39.1 k调制信号无论高低电平输出到Q1三极管,右侧Q1-Q2-L1方向的电流支路都不导通,L1红外二极管不会发送红外乐谱数据信息。当P3^3引脚输出低电平信号,Q2三极管导通,左侧39.1 k调制信号将通过三极管Q1释放,二极管L1发出39.1 k调制信号。

图4 乐谱红外发射原理

载波脉冲信号发射程序如下:

void TT0 (bit BIT1, uint x)

{ TH1 = x>>8; TL1 = x; TF1=0;

if (BIT1 == 0) while (!TF1) ;

else while (1)

{ IR = 0;

if (TF1) break; if (TF1) break;

if (TF1) break; if (TF1) break;

IR = 1;

if (TF1) break; if (TF1) break; if (TF1) break; if (TF1) break;

if (TF1) break; if (TF1) break; if (TF1) break; if

(TF1)

信号显示周期为20 μs/Div时,NI Multisim软件模拟输出放大的调制载波信号如图5所示。

图5 NI Multisim 模拟输出放大的调制载波信号

根据模拟图形显示数据分析:上述程序代码生成的脉冲PWM载波调制信号占空比为:8.828/(25.57-8.828)=0.527,调制脉冲信号频率为1/25.570 μs=39.1 kHz。由此推论,信号发射单片机一产生的脉冲载波是频率为39.1 k占空比为0.527的方波。红外乐谱数据发送二进制“0”或“1”控制脉冲频率为39.1 k的载波发送。39.1 k载波控制数据为“0”时会发送红外载波信号,数据为“1”时不发送红外载波信号。调制后,计算机逻辑“0”或“1”的信号如图6所示。

图6 红外无线调制后计算机逻辑“0”或“1”信号

系统软件代码中设定了乐谱中的do、re、mi、fa、sol、la、xi以及高、中、低音对应的十六进制编码,用以高效地传输和接收红外信号数据。红外发射信号钢琴乐谱部分自定义十六进制键值码标准如表1所示。

表1 自定义十六进制乐谱键值码标准

下为乐曲部分片段简谱:

这段简谱程序数据代码示例如下:

ucharcodejianpu[]=

{CL,0x05,2,L,0x03,2,CL,0x05,4,M,0x03,4,AMM,0x02,4,M,0x02,2,M,0x01,2, GL,0x05,12}

其中,乐谱数据代码{CL,0x05,4}含义如下:

CL表示C和旋、低音符;0x05表示音符5/sol;数字4表示停顿4个音乐节拍时序。

单个字节乐谱红外发射程序示例:

void Z0 (uchar temp) /*单帧十六进制发送程序,括号内表示要发射的字节数据。*/

{ uchar v;

for (v=0;v<8;v++)

{ TT0 (1,ms_0);

if (temp&0x01) TT0 (0,ms_11);

else TT0(0,ms_00);

temp >>= 1; }}

NI Multisim软件模拟输出的乐谱调制后发射的红外数据信号如图6所示。

通过对图形显示数据分析,调制信号与短高电平空闲信号表示输出逻辑数据为“0”,其调制发出的红外信号时长1.145 ms;调制信号与长高电平空闲信号表示输出逻辑数据为“1”,其调制发出的红外信号时长2.258 ms。逻辑数据“0”和“1”时长受单片机指令机器周期制约。在系统程序软件中,这2个时长决定机器人弹奏音乐的最快节奏。

3 无线红外信号接收解调模块软、硬件实现

单片机二的P3^3输入引脚接收发送模块发送的乐谱红外数据信息,通过算法程序对接收到的红外信号进行反向解调,恢复回调之前的乐谱数据信息。红外接收解调信号和红外发生调制信号正好相反,红外调制信号解码变成常规的高、低电平数据信号。电平信号通过单片机输出到接口控制继电器开关对机器手执行精准周期动作。红外无线信号传输解调原理如图7所示。图中加载的载波信号经过解调后变成常规的高、低电平数据信号,用于计算机对数据信号进行传输控制[3]。

图7 红外无线信号传输解调原理

红外数据接收模块通常先处理数据信号,进行信息确定、滤波整形、信号放大、软件解调等,从而再输出基础的高低电平数据信号。本设计红外数据接收模块采用集成了上述功能的HS0038B红外通信接收模块,直接接收到所要的红外简谱基带信号,并且还有较高的可靠性和信号接收稳定性。红外接收端内部放大器的增益很大,容易引起干扰。在接收端,供电引脚上加上10 μF滤波电容,在供电引脚和电源之间串联100的电阻,进一步降低干扰[4]。

HS0038B红外接收模块感应到脉冲频率为39.1 k红外调制的信号,OUT引脚输出低电平信号,无39.1 k红外调制信号OUT引脚输出高电平信号。把HS0038B红外接收模块OUT引脚接到单片机二P3^3引脚上,编程获取红外通信发送过来的数据,进行解调并发送到继电器执行处理。红外接收原理如图8所示。

图8 红外接收原理

乐谱红外解码程序如下:

void ex0it (void) interrupt 0 using 0

{ unsigned char cod,val ; static unsigned char i1;

static bit sttf; unsigned char i, j, k;

EX0 = 0;

while (remotein) {} K1=!K1; i1=0;

while

while (remotein) { remd++; K1=!K1;

if (remd>160) {goto endok;} }

irdata[i1]=remd+2; i1++; remd=0; }

endok: remd=0; k=1;

for (i=0; i<2; i++)

{ for (j=1; j<=8; j++)

{ cord= irdata[k];

if(cord>75) { val=val∣0x80;}

else { val=val;} k++; } IRcord[i]=val; val=0; }

K1=!K1; Ir_down(); K1=!K1; IE0=0; EX0 = 1; studykey=1;}[3]

在程序中,单片机二P3^3引脚接收信号对乐谱信号进行红外解调,单片机二的相应输出口输出数据信号驱动继电器开关,实现机器手对钢琴键盘执行乐谱规定的时序升降动作,实现基于红外无线传输下的钢琴自动演奏机器人的设计及实现。

4 基于红外无线传输下的钢琴自动演奏机器人创新及特色

本设计思维目前国内尚无相关案例,具有创新意义。系统创造性地利用软件自定义红外无线通信标准,实现无线红外信号的调制解调。采用红外无线信号接收和传送乐谱内容创新性思维,有效地解决了单片机I/O(输入/输出)口不足的硬件设计瓶颈难题。采用无线传输和接收乐谱模式,理论上可以实现无数台钢琴同时演奏同一首歌曲。具有相当震撼的视觉、听觉效果,在现实实践中也有很多应用场景。

设计经过精密硬件电路、配套软件设计及软硬件协调调试的过程,成功测试组装了基于红外无线传输下钢琴自动演奏机器人系统。系统软件简洁高效,硬件构成简单、价格低廉且稳定可靠,利于推广应用。设计不足之处在音乐演奏感情色彩方面,需要对机器手弹奏键盘的力度大小等方面进行智能化改进。红外无线传输下钢琴自动演奏机器人系统测试效果如图9所示。

图9 红外无线传输下钢琴自动演奏机器人系统测试

5 结语

计算机及智能制造技术的飞速发展带动日常各类电气设备趋向智能化与自动化。本系统集成了计算机、自动控制、机械设计制造及自动化等多门学科,是智能化制造在家庭或公共领域应用的典型案例。对智能化制造领域的应用拓展具有较强的现实指导意义。产品可以广泛应用于各类产品展销会场,增加现场科技氛围。应用于中小学科普教育,激发中小学生科技创新梦想。系统改进完善后进一步应用推广,实现产品生产与销售产生经济效益。