2023年电赛K题

《辨音识键奏乐系统》

尊敬的参赛选手和电子设计爱好者们：欢迎阅读本次全国大学生电子设计竞赛K题的开源方案前言。本次竞赛旨在激发创新思维和提升电子设计能力，我们团队深知开源的重要性和价值。通过分享和交流，可以共同推动电子设计领域的进步，促进技术的发展与应用。

本次辨音识键奏乐系统对于现代数字化时代的快速发展具有挑战性和前瞻性。电子设计在这个时代中扮演着越来越重要的角色。电赛的目标是培养具备创新和问题解决能力的大学生，为未来的科技发展做出贡献。本开源方案旨在为参赛选手和电子设计爱好者提供更多的参考资料和启发。无论您擅长硬件设计还是软件编程，希望每位读者都能从中获得有价值的收益。

祝愿所有参赛选手在比赛中取得出色的成绩，并不断成长与进步。让我们携手努力，为电子设计的未来贡献我们的力量！

 

团队介绍

学校：重庆工商职业学院

参赛队伍：K716

指导老师：沈敏

参赛队员：王志金 周波 张旭

参赛成绩：国赛二等奖

 

题目选择

2023年8月2日电赛官方终于公布了备受期待的题目。我们的团队通过讨论，最终决定挑战K题。接下来，我们将详细介绍我们团队在开发"辨音识键奏乐系统"过程中的经历。

 

题目要求

1.基本要求

（1）一键启动识别控制器自动演奏简单乐曲（如:起床号、两只老虎等），时长不超过15s。

（2）分别敲击放置在1、3、5号位置上的3个空水杯进行识别学习训练，然后逐个敲击杯子将杯号显示在识别控制器上，用时≤90s。

（3）在3个空水杯（2、4、5号)中各倒入50、100、150ml的水，分别进行敲击识别学习训练,然后逐个敲击杯子将杯号显示在识别控制器上,用时≤90s。队员敲击水杯，识别控制器同时发出对应音高的声音。

2.发挥部分

（1）在5个空水杯中由队员注入不同容量的水，各杯中水容量之差不小于20ml，分别进行敲击识别学习训练，然后逐个敲击杯子将杯号显示在识别控制器上，用时≤120s。队员敲击水杯演奏简单乐曲（如:起床号），由识别控制器发出乐曲声。

（2）在完成发挥部分任务(1）的基础上，再增加3个加有不同水量（30、100、150m1)的杯子，按要求打乱8个杯子排序后并排放置，从其中敲击识别出打乱排序前的1~5号杯子，并在敲击的同时显示其杯号，敲到新增杯子后显示数字0，总用时≤90s。

（3）其他。

二、说明

(1）水杯采用外观相同的8个容量为180~220ml的无柄玻璃杯，由参赛队自备。杯子上不能有任何标记和附加物。测试时杯子随机放置。

(2）敲击棒自选，要求实心无附加装置，棒上标明长度为3cm的敲击区范围。测试时统一要求敲击杯子靠近操作队员一侧的上沿。

(3)识别时由队员在3s内敲击同一杯子不超过3次进行识别。

(4）测试发挥部分之前按要求用白板笔在杯底外部随机标记编号，按编号放置好杯子后启动测试。基本要求部分杯号为位置号,发挥部分杯号为杯底编号。

(5)识别控制器演奏音乐的声强和音色无特殊要求，供电方式无要求。(6）有时间要求的任务，超时以0分计。

(7)注水时可用注射器或量杯计量操作。

 

作品构成

STM32H743最小系统+淘晶驰串口屏+DCDC电源模块+麦克风模块+D类功放+PAG117运放模块+18650动力电池+3D外壳

 

整体框图

 

模块作用说明：

 

18650动力电池组

采用6节3.7V的动力电池构成12V，三个电池串联然后在并联，在加上一块电池保护板，同时加上了可以长按开关机功能，增大了安全系数。

 

 

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如果需要更大的输出电流可以选择10C，或者继续并联电池，实测此电池的输出电流可以达到宣传的电流

保护千万不要在这家购买，质量太差了，不仅会自己损坏，还能自动把充满的电量放完。

 

DCDC电源模块

把12V的锂电池电源通过DCDC降压模块把12V电压降压到5V，供给stm32最小系统。

DCDC电源芯片采用德州仪器的TPS5450芯片且价格不贵，宽输入电压范围为：5.5V 至 36V，并且输入大于输出0.2V左右就能正常输出，输出电流高达 5A 的持续（峰值为 6A）输出，效率大于90% ，宽输出电压范围：可调节为低至 1.22V，初始精度 为 1.5%，芯片固定500kHz 开关频率，具有过流限制、过压保护和热关断的保护。包括高性能电压误差放大器（可在瞬态条件下提供 高稳压精度）、欠压锁定电路（用于防止在输入电压达 到 5.5V 前启动）、内部设置的慢启动电路（用于限制 浪涌电流）以及电压前馈电路（用于改进瞬态响应）。输出电压设定：

 

麦克风模块

由于MAX9814是一款低成本、高品质麦克风放大器，内置自动增益控制(AGC)以及低噪声麦克风偏置。该器件集成低噪声前置放大器、可变增益放大器(VGA)、输出放大器、麦克风偏压发生器以及AGC控制电路。内部麦克风偏置发生器提供2V的偏压，适用于大多数驻极体电容式麦克风。MAX9814分为三级，对输人进行放大。在第一级，输入通过增益为12dB的低噪声前置放大器进行缓冲和放大;第二级则由AGC控制的VGA组成，VGA/AGC组合能够使增益在20dB与0dB之间变化﹔输出放大器是最后一级，具有8dB、18dB、20dB三个不同的固定增益，可通过一个三态逻辑输入编程设置。AGC无压缩时，MAX9814能够提供40dB、50dB或60dB的增益。

当麦克风采集到信号后，max9814芯片将信号放大通过MICOUT引脚输出。模块整体采用5V供电。

 

PGA117模块

PGA117是德州仪器一款具有 10 通道多路复用器的零漂移、100µV 失调电压、12nV/√Hz 噪声、RRO（范围增益）可编程增益放大器，一个具有菊花链功能的 20 引脚 SPI 接口，可以通过编程的方式调整内部增益，方便调试，选择的是CH1通道作为信号输入，输入端放置了一阶RC无源滤波器。

 

D类功放

D类功放也称为数字功放，数字功放模块采用德州仪器的TPA3138D2芯片设计而成，TPA3138D2 是一款每通道功率为 10W 的高效率、低 空闲电流 D 类立体声音频放大器。它可驱动负载低至 3.2Ω 的立体声扬声器。所以在此我们采用了4Ω的扬声器，宽电源电压范围 3.5V 至 14.4V，具有综合保护和自动恢复：引脚对引脚、引脚对地、引脚对电源短路保护、热保护、欠压保护和过压保护，功率限制器和直流扬声器保护。TPA3138D2 集成了重要的保护 特性， 包括欠压、过压、功率限制、短路、过热以及 直流扬声器保护。所有这些保护都可以自动恢复。功放模块采用5V电源供电。

 

STM32H743最小系统

STM32H743最小系统作为本次的主控，控制所有外部模块。STM32H743核心板没有完全layout，可以使用以前的STM32H750核心板替换，只需要更换一下即可。

 

淘晶驰串口屏

淘晶驰串口屏是一款简单易用、价格亲民的屏幕，非常适合不擅长编程的人使用。开发工具简便，入门容易，甚至可以进行仿真。性价比非常高。虽然在比赛中由于时间限制，屏幕可能存在一些bug，无法进行修改，但提供模板可以供复刻者进行二次修改，以获得更完善的屏幕界面。

 

扩展排针

当排针上的接口不够时，用于扩展连接，例如一个5V电源不够，用排针进行扩展。

 

3D外壳

为了做的和题目上的外壳一样，所以外壳通过SOLIDWORKS建模，12小时加急打印，最开始老板收费300，然后和老板扯了半天最后杀价到了195一个。

 

硬件整体流程：

该系统主要包括以下功能：麦克风模块检测到的信号经过一阶RC滤波器输入PGA117模块的CH1通道。PGA117模块通过SPI通信与单片机建立连接，实现信号传输和控制。单片机使用ADC检测信号，并利用优化算法或库进行快速傅里叶变换（FFT）处理，从而得到需要的信号信息。为了方便用户操作和信息展示，系统还设计了一个串口屏界面。用户可以通过屏幕上不同的点击位置获得相应的功能。单片机可以根据查询页面和ID的方式，实时改变屏幕上对应位置显示的文本内容，提供即时反馈和操作指引。此外，单片机还输出PWM信号作为扬声器的输入音源。通过控制PWM信号的参数，用户可以调节输出的音频特性。音频信号经过功放放大后，驱动扬声器输出声音。为确保正常工作，所有模块需要连接到5V的电源供电。

 

以下是外壳整机

 

注意事项说明：

串口屏零时做的程序，存在bug，提供了一个没有bug的参考，可以复制里面的代码替换有bug的地方修改过来就可以了。如果要打开装配体3D模型，请把零件和装配体文件放在一个文件路径下，否则不能打开。

 

总结：经过四天三夜的不懈努力，我们团队在电赛中全力以赴，最终获得了国赛二等奖，这是所有队友们共同的成就，也是对我们辛苦付出的最好回报。