一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫论文和设计-张皓

全文摘要

本实用新型公开了一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，包括壳体、下位机、上位机、PCB电路板、驱动集成芯片、LED灯和硅胶导电按键；所述下位机、上位机设置于壳体内，所述PCB电路板设置于壳体的上表面，所述LED灯焊接于PCB电路板上且受控于驱动集成芯片，所述硅胶导电按键呈矩阵排列相对应地覆于LED灯上，本装置降低了现有商业化的音乐打击垫的制作成本，并且可在成本降低的情况下保证音乐制作的质量，并且通过模块化集成小尺寸处理器，不必连接大型PC端电脑即可使用，随时随地制作音乐，方便使用、便携性提高。

主设计要求

1.一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：包括壳体、下位机、上位机、PCB电路板、驱动集成芯片、LED灯和硅胶导电按键；所述下位机、上位机设置于壳体内，所述PCB电路板设置于壳体的上表面，所述LED灯焊接于PCB电路板上且受控于驱动集成芯片，所述硅胶导电按键呈矩阵排列相对应地覆于LED灯上。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：所述壳体由亚克力板拼接组合而成，具体包括1块由2块亚克力重叠形成的上板、1块底板和4块侧板，所述壳体为截面呈正方形的盒体，盒体内部用于安装下位机和上位机，上板的表面用于安装PCB电路板、LED灯以及硅胶导电按键。

3.根据权利要求1所述的一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：所述下位机为DreamNano ATmega32u4单片机。

4.根据权利要求1所述的一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：所述上位机为树莓派3B。

5.根据权利要求1所述的一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：所述下位机的输入输出侧接所述上位机的USB输出口。

6.根据权利要求1所述的一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：所述上位机的电源输出侧外接电源。

7.根据权利要求1所述的一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：所述上位机通过蓝牙连接蓝牙音箱，或通过USB线连接音响。

8.根据权利要求1所述的一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：所述驱动集成芯片为HT16K33。

9.根据权利要求1所述的一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：所述LED灯的开关二极管为1N4148。

10.根据权利要求1所述的一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，其特征在于：所述硅胶导电按键为呈8×8的矩阵排列。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及打击乐器，具体涉及一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫。

背景技术

目前随着科技发展越来越快，音乐制作技术也突飞猛进，MIDI控制器也越来越火热，使用的音乐制作人更是数不胜数。MIDI控制器就是一种通过MIDI协议来进行信息交互的设备，目前市场上最火热的MIDI控制器为Novation公司旗下所产的产品。该控制器原理上不产生任何音源以及发声装置，是一种用来控制其他专业音乐编辑软件来发生的乐器键盘，可以理解为键盘鼠标之于电脑的关系。可以用来控制音乐工作站，目前较为流行的是Ableton Live。演奏原理是本装置可以演奏音频片段，给每个键制定一个片段，然后按照设计好的顺序进行表演。其好看的外观和绚丽的灯光效果吸引了无数的粉丝尝试。目前主流控制器的价格比较昂贵，受众小，不易推广；并且需要通过连接电脑PC端进行演奏，降低了便携性和使用灵活度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，本装置采用了微控制处理单片机和系统，将上位机与下位机集成在一个模块中，达到了随时随地制作演奏音乐的效果。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫，包括壳体、下位机、上位机、PCB电路板、驱动集成芯片、LED灯和硅胶导电按键；所述下位机、上位机设置于壳体内，上位机与下位机相连，下位机与PCB电路板相连，所述驱动集成芯片设置于PCB电路板上，所述PCB电路板设置于壳体的上表面，所述LED灯焊接于PCB电路板上且受控于驱动集成芯片，所述硅胶导电按键呈矩阵排列相对应地覆于LED灯上。

在上述技术方案中，所述壳体由亚克力板拼接组合而成，具体包括1块由2块亚克力重叠形成的上板、1块底板和4块侧板，所述壳体为截面呈正方形的盒体，盒体内部用于安装下位机和上位机，上板的表面用于安装PCB电路板、LED灯以及硅胶导电按键。

在上述技术方案中，所述下位机为DreamNano ATmega32u4单片机。

在上述技术方案中，所述上位机为树莓派3B。

在上述技术方案中，所述下位机的输入输出侧接所述上位机的USB输出口，

在上述技术方案中，所述上位机的电源输出侧外接电源。

在上述技术方案中，所述上位机通过蓝牙连接蓝牙音箱，或通过USB线连接音响。

在上述技术方案中，所述驱动集成芯片为HT16K33。

在上述技术方案中，所述LED灯的开关二极管为1N4148。

在上述技术方案中，所述硅胶导电按键为呈8×8的矩阵排列。

本实用新型的优点和有益效果为：本装置降低了现有商业化的音乐打击垫的制作成本，并且可在成本降低的情况下保证音乐制作的质量，并且通过模块化集成小尺寸处理器，不必连接大型PC端电脑即可使用，随时随地制作音乐，方便使用、便携性提高。

附图说明

图1为本实用新型俯视结构示意图。

图2为本实用新型仰视结构示意图。

图3为本实用新型侧视结构示意图。

图4为MIDI按键电路图。

图5为矩阵键盘并联电路图。

图6为LED控制电路图。

其中：1为上板，2为底板，3为侧板，4为硅胶导电按键。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例1

一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫的结构：

如图1-图3所示，所述音乐打击垫包括壳体、下位机、上位机、PCB电路板、驱动集成芯片、LED灯和硅胶导电按键(4)；所述下位机、上位机设置于壳体内，所述PCB 电路板设置于壳体的上表面，所述LED灯焊接于PCB电路板上且受控于驱动集成芯片，所述硅胶导电按键呈矩阵排列相对应地覆于LED灯上。

所述壳体由亚克力板拼接组合而成，具体包括1块由2块亚克力重叠形成的上板(1)、 1块底板(2)和4块侧板(3)，所述壳体为截面呈正方形的盒体，盒体内部用于安装下位机和上位机，上板的表面用于安装PCB电路板、LED灯以及硅胶导电按键。

所述下位机为DreamNano ATmega32u4单片机。

所述下位机的输入输出侧接所述上位机的USB输出口。

所述上位机为树莓派3B。

所述上位机的电源输出侧外接电源。

所述上位机通过蓝牙连接蓝牙音箱，或通过USB线连接音响。

所述驱动集成芯片为HT16K33。

所述LED灯的开关二极管为1N4148。

所述硅胶导电按键为呈8×8的矩阵排列。

为了体现相对于市面的上例如Ableton Live等打击垫产品，本产品剧本成本低的优点，下述列出上述实施例中打击垫的制作成本：

1.亚克力外壳一套(50元)；

2.Arduino Leonardo；(26元)

3.m3x10螺丝7颗；

4.m3螺母6颗；

5.尼龙柱4个(2元)

6.m3x16螺丝4颗；

7.按键pcb板4块；(68元)

8.ht16k33 28SOPled按键驱动IC 4片；(10元)

9. 0805 47k电阻x12、10k电阻x8；(6元)

10. 0603 10uf电容x20；(4.5元)

11.in4148开关二极管50个(4.8元)；

12. 3mm发光led白紫色各32·1个；(10元)

13.连接线4根；

14.硅胶导电按键64粒；(130元)

实施例2

一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫的功能：

具体实现时，将DreamNano的电源输入输出线插在树莓派3B的USB接口上，用树莓派电源线给整个装置供电，打开音乐编辑软件，将该装置的按键赋值键位，然后这样就实现了该装置音乐演奏的功能。

实际应用中，DreamNano可以为Arduino Leonardo ^{(1)<\/sup>等系列单片机下位机，树莓派3B^{(2)<\/sup>可以为其他最小嵌入式系统。上述上下位机可以摞叠在一起，也可以放在外壳底部的其他地方，节省了空间。}}

通过敲击本装置的硅胶导电按键，可以使PCB上的电路电平改变，电路将信号输出到上述装置的下位机中，下位机通过I2C总线控制各个按键的地址读取，反馈信息至上述装置的上位机中，上位机通过编写程序判断，控制音乐编辑软件来使蓝牙音响发出不同的音乐声音。此外，该上位机还可以根据不同的键位读取反馈信息至下位机，控制IC 芯片HT16K33使LED矩阵发出不同形状的灯光。

注1：Arduino Leonardo：是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。由一个欧洲开发团队于2005年冬季开发。它构建于开放原始码simple I\/O界面板，并且具有使用类似Java、C语言的Processing\/Writing开发环境。主要包含两个部分：硬件部分可以用来做电路连接的Arduino电路板；另一个是Arduino IDE,此外，配备micro接口，可以直接通过USB连接绝大部分设备，具备SCL\/SDA接口。

注2：树莓派3B:是一款基于ARM的微型电脑主板，以SD\/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有4个USB接口和一个10\/100以太网接口，同事拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口，以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能，其系统基于Linux。

实施例3

一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫中电路的工作原理：

(一)MIDI按键电路

1.按键电路

如图4所示，通过1N4148高速开关二极管控制电路导通，将4×4矩阵的触发器赋予不同的16个通道，硅胶导电按键被按下，触发电路板上的电路导通，电路电平产生变化，输出为二进制字符，通过异步通道传输到单片机，单片机将二进制字符转化为MIDI Message,传输至上位机，触发上位机的软件读取，将特定声音指令传输至音响中，发出声音。

2.矩阵键盘并联电路

该电路通过选择A0、A1、A2是否导通来区分不同的4×4矩阵，赋予地址。

(二)LED控制电路

核心芯片为Holtek HT16K33存储映像功能和16×8LED控制器驱动器芯片。采用SOP28封装，四个控制芯片分别控制每个矩阵地址中的16个LED灯的开断状态。

该电路主要由三个部分组成：HT16K33芯片、3mm LED发光二极管、1N4148。

(1)HT16K33：该芯片的工作电压为4.5-5.5V,因此采用5V直流电作为电路部分部分的输入。普通环境下可直接为单片机供电即可，因为此电路是通过单片机引脚供电来进行工作。其软件配置特性导致其非常适合控制多个LED应用，通过双向I2C总线与其他板载兼容，最多可控16*8个LED。

3mm LED散射型发光二极管：压降大约为2.2V-3V左右，通过电路被HT16K33独立控制。

1N4148：该高频开关二极管的参数为75V反向耐压和150mA的平均正向电流，适合做电路整流，结电容为4pF，反向恢复时间为4nS，且价格低廉，控制该电路的地址选择。

电路部分：如图所示，输入电压Vcc使HT16K33正常工作，GND倒地接通。HT16K33 的十六个输出分别连接十六个发光二极管，每条支路控制一个3mm发光散射二极管； 1N4148判断左边的三个接口的接通情况，来反馈HT16K33的地址信息，SCL\/SDA引脚与单片机相连。

1)对于按键输出实验板，通过按动接触硅胶导电按键即可实现输出，本实验平台输入5V电源电压。当按下按键后，电脑编译器测试窗口得到通讯，保持输出MIDI Message。当再次按下按键后，停止输出一个特定的MIDI Message，结果基本符合MIDI打击垫的要求。其中延迟时间存在2-3s。

2)对于LED输出实验板，通过改变硅胶导电按键状态，按下一次会常量，再次按下会熄灭。正常工作状态下可以编写程序进行动态变化，本实验输入5V电源电压，输出稳定的3V电压。

基于单片机的便携模块化音乐打击垫，总重不超500克，单片机和最小系统树莓派相通信，通过设计电路，达到控制LED灯状态以及输出MIDI信号给上位机系统，利用了树莓派的微小尺寸和高性能处理器，可以很好地实现随时随地使用MIDI音乐设备—音乐打击垫的优化目标，一定意义上解决了音乐制作及演奏的不可移动性和提升了设备的自由度，符合“便携”和“集成”的设计理念，具有很好的经济价值和可实现性。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。

设计图

一种基于单片机的模块化便携音乐打击垫论文和设计

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主设计要求

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