实验题目：交互式炫彩音乐楼梯模型设计

1. 课程简要信息

课程名称：电子工艺实习
课程学时：课内 40学时、课外18学时
适用专业：通信工程，电子信息工程，微电子
学生年级：大三第一学期

2. 实验内容与任务

以瑞典首都斯德哥尔摩的地铁站的音乐楼梯为原型，为本校综合实验楼设计音乐楼梯，并在模型上实现相应功能，为今后综合实验楼的改造提供理论基础。

1）设计出行人检测装置和灯光模型，实现灯光随行人脚步的亮灭，灯光变换。

2）在检测到单个行人时，根据脚步播放单个音符；在检测到多个行人时，防止音符杂乱无章，切换为整首乐曲播放；需要实现行人的数量检测和乐曲切换。

3）在实现基本功能的基础上，加入其他功能（轨迹追踪，墙壁展示，语音播报，温度测量等）。

轨迹检测：准确检测到行人位置，点亮行人脚下的灯。
墙壁展示：将本校优秀实验成果制作成壁挂展示框，并加入背光灯，当检测到有行人经过时，点亮背光灯便于行人察看；当行人离开时，熄灭背光灯省电。
温度测量：在墙壁上加入红外测温装置，行人通过时自动测量体温并显示在墙壁的液晶屏上。

语音播报：检测行人的到来与离开，从下而上播报欢迎语，从上而下播报送别语。

3. 实验过程及要求

1）撰写开题报告，制作 PPT，展示方案。
2）复习基础的电路知识，学会基本的电路搭建。
3） 学习 C51 单片机和 stm32 单片机的使用。
4） 学习 Altium Designer的使用，画出 PCB 线路板后使用实验室器材制板。
5） 查阅资料，了解光传感器、红外传感器、压力传感器的特性，选择合适的传感器。
6） 通过光传感器检测行人脚步，并在软件层面实现判断行人个数。
7） 使用测温模块测量温度，并在 1062显示屏上显示出来。
8）通过压力传感器或者摄像头对行人进行定位，点亮行人脚下的灯；
9）使用玩具小人在模型上进行测试，寻找问题，解决问题。
10）制作 PPT进行结题汇报，并现场展示实物效果。
11）撰写设计总结报告。

4. 相关知识及背景

这是一个将模型运用于实际的典型案例，为本校综合实验楼的楼梯改造提供了理论基础。需要运用 C51 单片机，stm32单片机，传感器及检测技术，信号发射、接收、处理，数据显示，

反馈控制等相关知识与技术方法。需要学生熟练掌握 C、python 两门编程语言，并具有较强的编程能力和实践动手能力。

5. 实验环境条件

实验仪器设备：学生电源万用表示波器PCB制板设备设计软件工具：Keil5Altium DesignerSTM32CubeMX

主要电子元器件：C51 单片机$\mathrm { S t m 3 2 }$ 单片机红外传感器模块测温模块压力传感器模块摄像头模块音乐模块LED 灯若干LED灯模块若干电阻若干铜芯线若干

其他：木板若干乳白胶

6. 教学目标与目的

通过音乐楼梯模型的制作，引导学生设计电路，选择元器件，搭建模型，测试模型，培养学生的综合能力。将信号与系统、微控制器原理、电子线路基础等课程的理论知识运用于实践，以建设“新工科”为目标，将学生培养成多元化、创新型卓越工程人才。

7. 教学设计与实施进程

本实验的过程是一个比较完整的工程实践工程，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 选用适当的单片机主控系统，确定控制方式。
2） 学习传感器工作方式，了解其性能指标，确定检测方案。
3） 帮助学生选取合适的芯片和传感器，介绍不同的芯片的工业应用范围和使用精度。
4） 介绍并教授单片机相关知识、PCB 电路板制作知识、电路焊接知识，要求学生自主设计机械结构与电路结构。
5） 设计并制作、组合各个模块，调试功能，使整个系统达到预期效果。
6） 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证

8. 实验原理及方案

音乐楼梯整体结构图如图1所示：

图 1 整体结构图

下面将对其各个模块进行理论分析。

（1）传感器模块（红外对管模块）：

该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号)，可通过电位器旋转调节检测距离，有效距离范围 2-30CM，工作电压为 3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。

其电路图如图2所示：

图 2 红外对管模块原理图

该传感器有如下特点：

1）当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时 OUT 端口持续输出低电平信号,该模块检测距离 $2 ^ { - } 3 0 \mathrm { c m }$ ，检测角度 $3 5 ^ { \circ }$ ，检测距离可以通过电位器进行调节顺时针调电位器，检测距离增加，逆时针调电位器，检测距离减少。

2）传感器主动红外线反射探测，因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。其中黑色探测距离小，白色大，小面积物体距离小，大面积距离大。

3）传感器模块输出端口 OUT 可直接与单片机 I0 口连接即可，也可以直接驱动一个5V继电器。

连接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO。

4）比较交器采用LM393，工作稳定。

5）可采用3-5V直流电源对模块进行供电。当电源接通时，红色电源指示灯点亮。

6）具有3mm 的螺丝孔，便于固定、安装。

7）电路板尺寸： $3 2 \mathrm { m m } ^ { * } 1 4 \mathrm { m m }$ 。

（2）音乐播放模块：

音乐播放模块采用了 JQ8900-16P 模块，该模块选用的是 SOC 方案，集成了一个 16 位的 MCU，以及一个专门针对音频解码的 ADSP，采用硬解码的方式，更加保证了系统的稳定性和音频。小巧尺寸更加满足嵌入其他产品的需求。该模块常用于车载导航语音播报、自动广播设备，定时播报、消防语音报警提示等场所。其原理图如图3所示：

图 3 音乐模块 JQ8900-16P 原理图

其内包含的各个模块原理图如图4所示。

图 4 音乐模块各部分原理图

在实验中我们发现，IO1至IO7口中，若有一引脚一直保持地电平，其他引脚便不能触发，因此我们考虑采用两个音乐模块，根据上图各个引脚功能，我们将其中一个音乐模块IO7口设置为触发后播放音阶功能，应用另一音乐模块的IO7口播放校歌功能，这样便能实现两个音乐模式的相互转换。

（3）LED灯带模块：

灯带型号为5V 3528 型号 LED灯带，经测试，该灯带在连接单片机引脚 3.3V 的条件下也可以正常发光，因此可不采用放大模块，降低了电路复杂度，使得模型电路更加简便。但若要将模型工程化，则需要加入升压模块等部件。

鉴于以上原因，我们将其与对应单片机引脚直接相连，便能实现单片机对其亮灭的控制。

（4）墙壁展示模块：

此部分由 6 组发光二极管组成，每组 5 个，组成特殊图案。每组二极管搭配 1 个$7 5 0 \Omega$ 限流电阻，并接入单片机实现亮灭控制。6 组发光二极管共阴，由单片机提供低电位。

这一部分实现功能为：当行人走上特定台阶，控制其中一组 LED 点亮。为与实际情况结合，设定 5 秒后若不再触发则自动熄灭。这样设计的原因一是为节省能源；二是可以使图案显示更加美观。其原理图如图5所示。

图 5 墙壁展示模块电路及 PCB线路设计

（5）测温模块：

使用DS18B20模块。首先根据 DS18B20 的初始化时序，读时序，写时序，编写初始化函数，读函数，写函数。在经过初始化DS18B20后，向其写入 CCH指令跳过 ROM，启动温度转换指令（44H），开始读取温度。

图 6 DS18B20 模块原理图

经过延时，再次初始化（每次写命令都需要初始化），写入指令读取寄存器内容。

对于DS18B20,其读取的温度（16位二进制数）被放在2字节的温度输出寄存器中，LSB 存放低八位，MSB 存放高八位，bit15-bit11 存放温度的正负，全为 0 为正，全为1 为负，bit10-bit4 存放温度的整数值（温度为负则取反加一），bit3-bit0 存放温度的小数值，小数部分十进制等于 16 进制乘 0.0625。再将得到的聚合果显示在 1602 显示屏上。其测温模块图如图 6所示。

（6）轨迹追踪模块：

我们采用了openmv4的摄像头模块来完成图像信息的采集，通过分析采集到的信息，定位物体所在位置。其外形如图7所示。

图 7 openmv4 摄像头模块

将预先写好的程序烧录入摄像头模块中，通过单片机的 5V 引脚给其供电。通过上电动作激活摄像头模块，开始工作。我们通过颜色识别和形状识别的方式，来确定物体在视频画面中的位置。

将音乐地毯划分为 4x4 的 16 个区域，建立 x 轴和 y 轴。当画面中检测到目标物体时，返回该物体的坐标。通过对坐标的计算，确定出该物体落在哪一区域中。

在数据传输模式上，可以预设两种方案：IO口通信和串口通信。

首先是 IO 口通信，用 8421 的 BCD 码对应 16 块区域（如 0000 对应第一块区域，1111 对应第十六块区域）。我们判断出物体落在哪一块区域后，将信息转化为 8421 的BCD 码，再通过 P0~P3 四个端口输出，将该信息传递给单片机，由单片机控制地毯上相应的区域被点亮。优点在于能在摄像头模块完成数据的处理，只需要将控制信号传递给单片机。缺点在于一次只能发送一个坐标。

然后是串口通信，直接将被识别物体的坐标打包，通过串口P4，P5传递给单片机，由单片机对物体落在哪一区域进行判断。优点在于接线数量少，一次可以传递多个坐标。缺点是实现相比 IO口方案繁琐，且将摄像头模块的运算量转移到了单片机上。

最终采用了 IO 口通信的方案，实测效果也达到了预期。

对于多个物体的识别，摄像头模块的逻辑是交替输出这两块物体的坐标。IO 口通信受限于硬件无法实现同时输出两个点的坐标。但是受到了高频 PWM 波的启发，如果快速变换两个点的坐标，即将 $5 0 %$ 的时间点亮 A区域，另外 $5 0 %$ 的时间点亮 B区域，理论上来讲可以实现两者的同时点亮。实测该方案可行，但两块区域同时亮起的亮度不足。若同时点亮三块，则亮度更弱。

地板由四个 $6 0 { * 6 0 } \mathrm { m m }$ 的 2088BS 共阳红绿双色点阵 LED 组成，通过摄像头对物体进行识别，并点亮其所在区域。每一块点阵分为 4 个区域，每一区域共 16 盏LED 灯，四块点阵共分为16个区域，这16个区域的亮灭将由单片机控制。

图 8 LED点阵模块管脚图

经过理论分析，并在面包板上进行实际测试后，选择 $1 5 0 \Omega$ 左右的限流电阻即可保证LED亮度合适并且正常工作。

在系统地对Altuim Designer进行学习后，我们开始尝试PCB 的制作。首先确定好点阵的引脚，设计原理图，根据实际情况，制定布线规则，线宽设为 30mil，焊盘调整到直径80mil，约为 2mm左右。后续的PCB绘制基本按照这个标准进行。根据电路内容和使用要求对板图大小进行剪裁，然后依据电路原理图进行版图自动布局和布线，同时对所采用的元器件进行封装选取或自行设计，最后手工调整版图设计结果。由于电路相对简单，考虑到印制板制作等因素，印制板图设计均采用单面板，底层布线，原理图与最终设计结果如图 9所示。

图 9 LED 点阵模块 PCB 设计图

9. 实验报告要求

实验报告需要包括以下部分：

1） 实验需求分析
2） 所需元器件明细
3） 功能及特点介绍
4） 实现方案论证
5） 电路设计与参数选择
6） 实验选取芯片与控制方案介绍
7） 电路测试方法
8） 实验数据记录
9） 数据处理分析
10）实验过程总结

10.考核要求与方法

1）方案评估：在课程开始后，学生制作 PPT展示方案，由老师们审核，提出意见和建议。2）成本评估：收到同学们的方案后，老师们审核同学们提交的方案，判断材料的选择是否合适，进行成本预估。
3）实物验收：课程最后一天，检验功能与性能指标的完成程度（如温度测量精度、控制精度），在实现基本功能的基础上，考察电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。未实现基本功能酌情扣分，电路合理，焊接质量较好，组装工艺较好酌情加分。
4）结题汇报：课程最后一天，学生们以小组为单位，制作 PPT进行成果汇报，并现场展示实物效果。汇报效果和现场展示效果决定课程基础分数。
5）自主创新部分：在课程进行时，若有同学在功能构思、电路设计方面实现了创新，不拘泥于老师提供的教学案例，可酌情加分。
6）实验报告：课程结束后，学生们提交实验报告，根据规范性与完整性打分。

11. 项目特色或创新

该实验以典型的音乐楼梯为基础，结合现场的实际环境，通过 stm32 单片机和 C51单片机作为中控，为其增加了人机交互、墙壁展示等功能。另外该音乐楼梯具有多种模式，能够根据多种情况进行切换。

该实验通过音乐楼梯的整体设计与制作使学生们学习到电子工程相关专业多方面的知识，体会到工程实践的流程，学习工程实践经验，体现了“产学结合、学以致用”的特点。该实验案例实现方式的多样性又给了学生的广阔的发挥空间，有利于培养学生创造性。