音乐彩灯指示器文档格式.docx

音乐彩灯指示器文档格式.docx

《音乐彩灯指示器文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《音乐彩灯指示器文档格式.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

2.3LED控制单元..................................................3

3．系统调试与结果测试..............................................4

3.1输入信号测试.................................................4

3.2滤波单元测试.................................................4

3.3LED控制单元测试.............................................5

3.4系统测试.....................................................5

4．结论.............................................................5

参考资料...........................................................6

1．系统方案设计

1.1方案论证与比较

测量音乐信号频率掩护幅度的方法有很多，但都存在一定的优缺点。

往往显得美中不足。

有的使用单片机作为核心，用点阵模块显示；

有的采用三极管与发光二极管结合的方法，通过放大不同幅度与频率的电压来驱动显示。

方案一：

基于MSP430F1161单片机的音频信号测试

被测信号首先通过8阶有源巴特沃兹滤波器进行抗混叠处理，然后通过放大衰减，电平搬移缓冲网络后，送单片机处理。

该系统需要用到2片MSP430F1611单片机，一片负责对模拟信号进行采样，并对采集得到的信号进行4096点的FFT计算，另一片负责控制显示设备以及完成对信号的频率和幅度。

因为输入信号最高为10kHz，而有源巴特沃兹滤波器中心频率较高，过采样率较低，故对滤波器的要求就比较高。

由于输入音频信号的幅度可能会较大，可能达到10V峰峰值，MSP430F1611单片机片内AD采集信号范围为0～2．51V，故需将信号进行压缩。

信号经压缩后可能会失真，整个过程相对比较繁琐。

方案二：

采用0P07双重组合构成带通滤波电路，该电路由十个部分，每一路都输出相应的一组频率与电压幅度值。

该电路不仅可以放大信号，更重要的是它能将信号分成10个不同的频率段，这样就有十个等级来显示音乐信号的频率，经放大的幅度值就用来驱动后续的发光二极管模块，这些二极管根据输出幅度的不同可以显示不同的亮度，再加上AT89S52单片机的控制，使得频率的区分更加明显，这样就不容易相互干扰，使显示层次分明，效果很不错。

综合考虑，我们选择方案二。

1.2总体方案

本系统主要由三个模块组成，分别为输入模块，分频滤波模块，控制显示模块。

输入模块为整个系统提供稳定幅度范围的信号源，接收外界音频信号，放大，在把信号输给下一级。

分频滤波模块把信号分成十个频段，分十路输出，并对信号进行放大，以符合后续驱动电压要求，驱动后面的显示电路，以此来显示音频各频率强度的变化。

控制显示模块主要对前级的信号进行显示，以发光的个数来区别信号的各频段的幅度值。

并且在此基础上加入LED指示灯，以该指示灯的亮度来表示输入信号的整体强度。

2．电路设计与参数计算

2．1输入电路

音频信号的输入方式有三种，第一种采用信号发生器输入，第二种使用麦克风输入，第三种可以用MP3等播放器直接输入。

由于采用多方式的输入，既给试验带来方便，又可以避免某些突发情况。

系统的输入模块包括由OP07构成的电压放大电路，根据信号输入的不同，可以调节放大倍数，以符合后续电路的要求

2.2带通滤波器

由带通滤波器构成的分频电路是整个系统的核心，由输入电路传来的信号经过它的分频，变成十个频段的信号，再由这些信号驱动后续显示模块。

通滤波器是设计系统的关键所在，其性能直接决定系统的设计结果。

在此通过OP07运放构成带通滤波器。

带通滤波器的设计要求时，当输入信号达到滤波器的中心频率时，可以最大限度的放大，而其它频率的信号幅值均要受到衰减或抑制。

设计时根据国际半导体列出过音频阈的10频段的带通滤波器频段划分（32、64、125、250、500、1000、2000、4000、8000和16000（Hz））作为系统设计10频段划分的依据，因设计要求音乐信号频率在50Hz—10KHz的范围内，因此系统划分为（60，145，250，600，1000，2200，3300，5000，7000，10000（Hz））。

设计采用反馈式带通滤波器，其单个原理图1如下：

图1反馈式带通滤波器

二阶带通滤波器的设计表其性能参数有：

中心频率

，对应的增益

，带宽

，品质因

，

值越高，滤波器的选择性越好，衰减速率越高，但

值也不能太高，否则会使电路难以调整，一般取

较好。

题目的基本要求频率高低等级不少于6个，但为了更好的显示效果，在此采用十个频段等级，每个频段均采用二阶带通滤波器，是的输出更加精确。

根据电路图1所示，设定Q，A，C，计算各电路参数

（1）

下表是音频10频段的元件参数，每一路都有一个中心频率和与之对应的电容电阻值。

根据这些数据，利用上面给出的公式，可以计算出每一路的品质因数和增益。

表1带通滤波器各元器件参数

频段

Ra

Rb

Rc

C

1

60Hz

27K

3.9K

200K

0.1uF

2

145Hz

12.8K

1.8K

101.9K

3

250Hz

6.4K

0.9K

51K

4

670Hz

3.1K

0.45K

25.5K

5

1KHz

3.4K

0.5K

0.047uF

6

2.2KHz

7.96K

1.14K

63.7K

0.01uF

7

3.3KHz

22K

3.13K

175K

0.0022uF

8

5KHz

14.5K

2K

116K

9

7KHz

10.3K

1.48K

82.68K

10

10KHz

7.2K

1K

58K

2.3LED控制单元

1.为简化电路设计，在此利用LM3915点/柱状显示驱动芯片来驱动LED灯组，每片LM3915能驱动10个LED灯，因此每频段配备1路LM3915和10个LED灯，灯亮数目与该频段信号强度的对数成正比，符合人对音频频段的听觉要求，对应如表1所示：

表2灯亮数目与该频段信号强度对应表

灯数

信号强度对数

-27

db

-24

dB

-21

-18

-15

-12

-9’

-6

-3

LM3915集成块为双列18脚封装，主要用于发光二极管的驱动电路。

它的1脚和10~18脚均为发光二极管驱动输出端，2，4脚接地，3脚接正电源，5脚为输入端，9脚：

（MODE）控制发光二极管显示方式。

LED控制单元电路图2如图所示

图2LED控制单元电路图

2.5单片机测试单元

在系统中加入单片机系统来对进来的音频信号进行测量。

首先将信号进行放大整形成为与信号频率成正比的脉冲波信号，利用单片机对信号进行单位时间内脉冲计数，从而得到信号的频率。

得到频率后单片机控制频率LED的电压，使其明亮程度与输入的频率成正比。

3．系统调试与结果测试

测试仪器包括数字万用表，示波器，直流稳压电源，函数信号发生器。

3.1输入信号电路测试

系统输入分为三种：

标准信号源、MP3输入以及麦克风输入，根据后续电路LED信号灯0~10个点亮的电压范围约为0~1.2V，需要对MP3和麦克风输入信号进行放大，调节放大倍数使输出信号的电压范围在0~1.2V之间。

3.2滤波单元测试

根据所划分频段，对滤波器参数进行测试与调节，以标准信号源正弦波输入，带通滤波器性能如表X下：

输入电压

表1带通滤波器各频段性能表

中心频率

上频段中心频率衰减

下频段中心频率衰减

1.52V

-19.0dB（20Hz）

-17.6dB（145Hz）

145Hz

1.56V

-20.3dB（60Hz）

-18.8dB（250Hz）

250Hz

1.54V

-20.2dB（145Hz）

-22.2dB（600Hz）

600Hz

-20.9dB（250Hz）

-17.8dB（1KHz）

-19.0dB（600Hz）

-22.1dB（2.2KHz）

2.2K

-23.8dB（1KHz）

-20.8dB（3.3KHz）

3.3K

-17.3dB（2.2KHz）

-19.7dB（5KHz）

5K

-14.5dB（3.3KHz）

-16.5dB（7KHz）

7K

-15.0dB（5KHz）

-19.6dB（10KHz）

10K

-19.6dB（7KHz）

-20.7dB（16KHz）

3.3LED控制单元测试

电路如上图X所示，计算参考电压

理论上计算得到

=8.3V，实际测量各灯点亮电压如下表所示（以1KHz正弦波为例,下列各组数据为峰峰值电压）

表1灯亮数目与该频段信号强度对应表

输入3915电压

370mV

560

mV

720

mV

1.05

V

1.46

V

2.06

2.91

4.2

7.9

3.4系统测试

将各模块连接后对系统进行整体测试：

（1）标准信号源信号输入输入

以60HZ正弦波为例

输入系统电压

70mV

95mV

130

mV

180

250

340

480

750

1V

1.4V

（2）以MP3和麦克风输入信号

观察到LED灯组随音乐或语音的强度和音调高低而成正比变化，符合设计要求。

（3）观察强度及频率指示灯强度

随着信号的输入LED的亮度随信号强度的变强而变强，符合设计要求。

4.结论

该系统10频段分频准确，所控制LED灯亮数目和亮度均符合设计要求，它能够显示输入音频信号的频率和幅度的变化，我们在不同的频率段安排不同排的二极管发光，并且通过亮度的强弱来显示幅度的大小，效果明显，易于观察。

在调试过程中，为求结果准确和系统的稳定，我们测试了好几次，通过几次调试与修改，终于得到了符合要求的测量数据。

同时，加上必要的软件设计，使它的控制和显示更加准确，也减少了误差，提高了系统的稳定性。

参考资料

[1]《protelDXP电路设计与应用》臧铁钢唐才峰等编中国铁道出版社

[2]《电子系统设计实践》全国大学生电子设计竞赛组委组编华中科技大学出版社

[3]《全国大学生电子设计竞赛技能训练》黄智伟编北京航空航天大学出版社

[4]《电子设计竞赛实训教程》张华林周小芳编北京航空航天大学出版社