原创 【电子DIY设计】会微笑的电子乐器

前言

我们生活在一个被科技和艺术深度渗透的世界，这两者之间的界限正在不断地被拓宽，创新的可能性也随之增加。在这个过程中，一种全新的概念——会微笑的电子乐器，应运而生。这是一种将科技与艺术、功能与形式、人与机器之间的交互推向全新高度的创新尝试。

会微笑的电子乐器，不仅仅是一种乐器，更是一种具有生命力和情感的互动艺术装置。它通过电子技术实现了乐器功能的人性化展现，让每一次的触碰、每一个音符都充满了温度和情感。增强用户的体验，让人们在享受音乐的同时，也能感受到科技带来的新奇和乐趣。

这个创新的想法源于对科技与艺术、人与机器之间关系的深度思考，希望通过“会微笑的电子乐器”，探索一种全新的互动方式，让科技更加贴近生活，让艺术更加深入人心。相信当科技与艺术完美结合，当功能与形式融为一体，当人与乐器无障碍交互，将开启一个全新的艺术与科技的新纪元，期待看到更多的创新和突破，看到科技与艺术的更深度的融合，看到人与机器之间更自然的交互。

项目概述

“会微笑的电子乐器”是一个可以展示笑脸的电子乐器，可以通过不同的输入方式来实现乐器的功能，在享受乐器的同时也能感受到乐器的光影展示。6键的基础输入以及可以扩展输入，让其具备多样性。

需求分析

1、播放声音：乐器的最主要的功能就是声音的播放，选用的是4Ω3W的扬声器，以确保音质清晰且音量适中，并且可调节音量；

2、输入操作：为了实现声音的有序播放，需要一定的输入介质，本次6键的基础输入选用的是触摸按键，用户可以通过它们演奏（本次初步设计电子音为架子鼓的6个音）。为了实现不同的按键输入方式，按键与主板分离；

3、光影展示：为了使乐器更具趣味性，我们选用的是8个WS2812灯珠来展示笑脸，当乐器播放音乐时，灯珠会随之变化；

4、可扩展性：暂定的基础按键是6个，可以允许搭配更多的按键。

功能分析

为了实现需求，我们对整体进行了一个功能划分以及基本的概要设计。

功能框图如下：

从上图可以看出，蓝色模块为基本外界器件；绿色模块为主控板主要功能模块；灰色模块为基本外接按键板。

概要设计:

1、供电部分

供电部分本次选用了两种供电方式：USB和电池，可以保证更多的场景下都可以使用，并且配备了一个充电模块；USB具有供电优先权，通过供电选择电路控制关断电池的供电；

2、开关机部分

开关机的实现是通过一个按键的输入实现的，并通过开关机自锁电路实现开关机功能；

3、DCDC部分

DCDC部分是通过一个LDO实现对主控单元的稳定供电，稳定电压确保主要电子元件的正常运行；

4、音频驱动部分

扬声器属于功率元件，不能通过主控直接驱动，需要使用专用的驱动芯片进行控制，对于变化的音乐，是通过DAC的方式将不同的声音通过电信号传输出去；

5、主控单元

主控单元室整个项目的大脑，处理核心，它需要一些基础的外围电路来保证基本运行，包括复位、晶振、供电等等；

6、WS2812灯珠控制电路

WS2812灯珠是串行接口控制的，可以将多个灯珠串联，然后通过特定时序进行编码控制，每一个灯珠会保留24位数据用于颜色的显示；

7、输入接口

为了实现组合的多样性，控制声音的按键没有放置在主控板上，是通过插座进行的连接，根据功能划分每三个按键放在一个按键板上，基础按键共六个，需要2个插座，扩展按键6个需要2个插座。

8、存储单元

存储单元作为扩展资源的备选，本次的电子乐器的实现主要还是通过单片机内部的Flash来进行存储。

9、按键板

每个按键板上放置了三个触控按键。

详细设计——原理图设计

详细设计这里通过农村包围城市的，先对各个功能模块进行设计，并对单片机资源需求进行分析，最后通过各个资源的汇总进行单片机的选型。

1、供电部分

先上图：

供电U口使用的是type-c口，目前这种接口相对比较流行，主要就是正反插方便，注意CC口要下拉5.1K电阻；

充电模块使用的TP4056，相关充电状态的展示都是通过硬件实现的，即对CHRG与STDBY引脚上连接LED灯。TP405 6是一款单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器，带电池正负极反接保护，采用底部带有散热片的SOP-8-EP封装，充满截止电压4.2 V。包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，充电状态指示端CHRG 和电池充电完成指示输出端STDBY。充电电流是采用一个连接在PROG 引脚与地之间的电阻器来设定的，R=1100/I，本次使用的是1.2K电阻，对应的电流约800mA。TEMP引脚是连接外部测温器件的，不用需要连接到地；

而对于供电优先权是通过一个MOS控制的，如果USB存在，MOS将关闭。

单片机资源需求：1个adc采集机（电池电量采集）。

2、开关机电路

上图：

开关机是通过一个轻触按键实现的，按键按下后供电实现下一层，然后单片机的程序开始运转，通过自锁引脚的控制实现三极管加MOS管的持续打开，关机是通过按键状态的采集然后关系自锁实现。注意三极管或者MOS管需要初始化的状态，按键的采集可能会超过单片机IO口的上限，通过电阻分压的方式避免损坏。

单片机资源需求：一个IO输出或外部中断输入，一个IO输出控制。

3、DCDC电路

上图：

根据供电电路的线条终于来到了最后一个环节，通常的单片机系统有2.8V、3.3V、5V等，本次选用单片机处于3.3V供电系统的，所以在这里选择SGM2019-3.3这一款LDO来保证供电的稳定性。

单片机资源需求：无。

4、音频驱动部分

上图：

本次使用的是一个闲置的扬声器（4Ω3W），驱动使用的是PAM8403，一款音频放大器，用于将弱信号转换为强信号的设备。声音的播放是一种高耗能器件，所以不用用LDO进行供电（输出不够），直接使用电池或者USB进行供电。它是一个 2 通道放大器，不过咱们只有其中一个就可以了。PAM8403 的优势之一是它不需要额外的低通输出滤波器。这意味着它可以直接驱动扬声器而无需额外的组件，与其他放大器类型相比效率更高。为了实现声音音量的控制，这里选择了一个10K的可调电阻器进行音量调节。

单片机资源需求：DAC输出。

5、WS2812灯珠控制电路

上图：

WS2812B是一种常见的RGB LED灯带，每个灯珠内部都有一个芯片控制，通过发送特定的时序数据来控制其亮灭。发送数据时，需要按照一定的时序发送24位RGB数据，其中高位在前低位在后，格式为GRB。发送数据时，需要注意不仅仅是发送高电平或低电平，而是要发送占空比不同波，比如给予一定的高电平和低电平时间。重置码是发送一个持续280us的低电平信号。可以先发送一组24位的数据，然后接一个重置信号表示一组结束。数据采用单总线，归零码的通讯方式， 每个像素点接收24bit数据，溢出的数据传输给下一个像素点。重点要注意的就是时序。

单片机资源需求：一个IO口输出。

6、输入接口

上图

本次的转接板接口选取的是贴片的PH2.0的座，为的是好走线，其中CN1和CN2为基础功能连接，CN3和CN4为扩展接口。

单片机资源需求：6个IO口输入或者外部中断。

7、按键板

上图：

每个按键板上是3个按键，结构上最好是设计上对称的，避免多打样；触摸按键采集用的是TTP223，TTP223是单通道电容触摸芯片，SOT-23-6L封装。工作电压2.0~5.5V，有点动及锁存两种输出模式，由TOG引脚控制；上电默认输出电平由AHLB引脚控制。芯片默认工作于低功耗模式（1.5uA)，当检测到有触摸时会进入正常工作模式，当触摸释放大约12秒后，芯片转回低功耗模式。本设计中TOG = 0 为直接输出模式，AHLB = 0 为默认输出0。

注意在PCB设计的时候，触摸板到IC的线越短越好，并且不要与其他线平行或交叉，使用较大的电极尺寸可以提高灵敏度，使用更薄的面板可以提高灵敏度。

8、预留的存储单元

上图：

存储单元用的是W25Q32，使用SPI通信，不过尽量还是考虑直接存储在单片机的FLASH里面，毕竟个人玩烧录比较麻烦。

单片机资源需求：1个SPI接口。

9、主控单元

通过对外部的所有模块的详细设计，对相应的资源都有了一定的连接，根据覆盖程度，本次暂定的STM32F103RET6.

上图：

主控单元包括单片机以及最小系统（复位、晶振、调试等等），本次使用的晶振为3225封装的8M晶振，复位电路使用的RC电路。

根据需求分配资源，先进行最重要的DAC输出，然后是SPI接口，之后是外部中断-ADC采集，最后进行IO口的分配；有一些固定引脚是不变的，例如晶振，SWD调试接口，供电，BOOT0选择等等。

详细设计——结构设计

不建议直接在EDA软件中直接画版型结构，但凡是复杂一点的结构还是建议使用专业软件（例如CAD）进行设计，生成的结构文件可以直接导入到EDA中。

本次的小玩具中有笑脸的呈现效果，一般是弧形或者半圆，所以这里就已一个圆形作为基础，已飞碟（有两个重要控制输入）作为创意设计如下结构：

为了实现按键按键板的高度利用，设计如下：

一定要对称，安装固定孔要对上，这次并没有做出来外壳，就用这些板子自己固定一下。

详细设计——PCB设计

PCB的设计遵循先固定结构件位置，再分配功能模块的位置，按键上的触点不要太大，手指大小最好，因为按键之间也需要保持一定距离。效果如下：

焊接调试

等待了一周左右时间终于打样回来了，这次是通过LCEDA进行的设计，有一些地方是还存在了一些差异，一个是SK34的封装太大了，直接搜的型号结果选了一个错误的封装，一个是手里的晶振居然是16M的晶振。不过影响不大，封装不对就飞线，晶振不对可以在程序初始化里面改，实物图如下：

软件设计

本次的创意是会微笑的电子乐器，微笑的表情是通过多个RGB等的排布进行展示的，通过同步呼吸实现展示效果，然后就是电子乐器的功能实现，其音频是通过下载都内置的FLASH的点位进行存储，我们也知道这种文件都是比较到的，所以在主控的选择上选的也是大存储的微控制器，不间断的通过DAC向音频功放送数据，这里需要注意，实现呼吸灯的多个WS2812控制对时序的需求也是很严格的，这里就需要处理不同功能之间的冲突，避免干扰。最好的方法就是引入DMA，这样就可以执行两个互相不干扰的线路。

整理下具体的软件需求，先看一看硬件资源的整理，并根据原理图将相关引脚的各个功能进行连接，后续根据各功能模块进行分布初始化：

根据整理好的功能划分，按照功能模块排序，按步进行初始化。

得益于STM32的优秀生态，可以进行可视化的配置：

1、首先进行时钟的配置：

输入外部时钟数值，然后根据时钟树一步一步进行配置，注意系统时钟最大72MHZ；

2、接下来进行普通IO口的设置，由于普通IO口的设置是相对简单的，可以在单片机的引脚上直接配置，这里包括自锁、LED控制、RGB等口直，没错WS2812灯珠直接通过一个IO口就可以实现联级控制；

3、外部中断采集（触摸按键采集）

对于本次的基础配置，外部中断的采集主要是6个触摸按键和1个开关机按键，引脚配置如下:

引脚设置：选择触发方式

其他引脚设置同上，然后打开中断使能：

4、接下来就是定时器的配置，我们通过前面的软件需求分析了解到，其定时器资源主要包括对WS2812灯珠的呼吸灯控制，以及基于定时器-DMA-DAC的音频播放，对于普通定时器主要就是要求能覆盖对WS2812灯珠的一次全面控制，这个可以通过后续的调试进行修改，定时器配置如下：

呼吸灯的控制使用了定时器3：

这里使用的定时器3的频率是100Hz，注意这里对于后续的处理有影响，为什么选择100Hz？主要还是WS2812在中断中能够完全刷新一次。

在定时器3的回调函数中进行WS2812操作.

5、定时器+DMA+DAC配置

音频的播放控制使用的是外部中断启动，然后在定时器中将所用的点播放完成。

初始化配置方面：定时器2：

DAC配置：

加入一个DMA：

接下来就是具体的程序了：

外部中断回调函数：

定时器回调函数：

这里就需要注意了，在改变定时器3的时间时，需要修改对应的RGBCntMAX，以达到最佳的呼吸灯效果。

DMA传输完成回调函数：

DAC传输完成后就需要关闭相应的显示和输出，等待下一次开启。

到这里会微笑的电子乐器就设计完成了，效果视频如下：