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好帮手电子设计竞赛论文
FoshanUniversity
“好帮手”电子设计竞赛(论文)
音频控制音乐彩灯
参赛队员:
1.姓名:
黄嘉锵专业班级:
09电子
(1)班
2.姓名:
郑舒伟专业班级:
09电子
(1)班
3.姓名:
凌云志专业班级:
09电子
(1)班
指导教师:
周月霞
二〇一一年5月
摘要
此次比赛我们采取了两个方案:
方案一:
此音频控制音乐彩灯作品实现根据音调和音长实现音乐彩灯控制,音乐彩灯部分的主控CPU采用51单片机系列的STC89c51单片机,利用ADC0832采集音频信号,并对其进行幅值处理,用计数器脉冲对音频信号进行频率处理,再由单片机IO口直接驱动LED的闪烁。
音频的输出用TDA2822音频放大芯片,其输出声音保真度高,可以取得较好的音质。
另外,当系统一上电,语音芯片就会播放先前录好的声音,感觉就像是电脑的音乐播放器,增加作品特色。
关键字:
音乐彩灯89C51单片机计数器音频放大录音
方案三:
此音频控制音乐彩灯作品实现根据音调和音长实现音乐彩灯控制,并附加了录音放音模块,用户可以在两种功能中切换使用。
音乐彩灯部分的主控CPU采用AVR单片机系列的ATmega16单片机,利用其片内十位AD采集音频信号,用C语言作FFT快速离散型傅里叶变化进行分频处理,再由单片机IO口直接驱动LED的闪烁。
音频的输出用TDA2822音频放大芯片,其输出声音保真度高,可以取得较好的音质。
录放模块采用ISD1760芯片,直接用按键控制它的录音放音,可录时间长度为60秒。
,
关键字:
音乐彩灯AVR单片机FFT音频放大录音
目录
摘要······································································2
一、前言·································································4
二、方案设计····························································4
1、方案选择···························································4
2、方案论证···························································6
三、单元模块设计························································6
1、TDA2822音频放大模块················································6
2、录音芯片模块·······················································7
3、8*8LED灯点阵模块···················································9
4、AVR单片机电路·····················································10
四、程序设计····························································13
五、系统调试····························································15
1、TDA2822音频放大电路:
··············································15
2、ISD1760录放电路···················································15
3、8*8LED灯点阵模块··················································15
4、AVR单片机电路·····················································15
5、51单片机电路······················································16
六、结果分析····························································16
七、设计总结····························································16
参考文献··································································16
音频控制音乐彩灯
一、前言
“
好帮手”电子设计竞赛是我们学校在电子专业方向一个比较大型的一次比赛。
虽然对于我们来说是第一次参加这样的比赛,但是在这次比赛过程中,我们通过一个月的努力,获得了许多经验,也吸收了很多新的知识,经历了一个从理论学习到实践操作的整个过程。
特别是在我们三个组员相互交流、分工合作的过程中,懂得了组员之间的相互协调合作是顺利完成比赛的不可或缺的因素。
希望通过此次比赛,我们各各个方面的能力都有所提升,为以后的比赛定好自己的位置。
二、方案设计
1、方案选择
在比赛期间,我们小组通过网上的搜查,与老师的交流,以及反复的讨论之下,定下了3组方案。
方案一:
以89C51单片机为主要控制芯片,TDA2882为放大电路芯片,isd1760语音芯片,外加8*8的LED灯点阵。
首先程序控制使上电后语音芯片播放先前录音好的声音,增加特色,之后,可以用麦克风在按键模式下录放声音。
接着可以用51单片机的计数器功能以及ADC0832模数转换芯片对音乐分别进行频率以及幅度的处理。
方案二:
硬件与方案一大体相同。
将计数器采集音频频率改成直接用ADC0832采集幅值用C语言实现FFT处理音频信号的频率与幅值问题,
语音录放电路
咪头语音输入
按键控制
方案三:
以AVR单片机为主要控制芯片,TDA2882为音频放大电路芯片,以FFT以及AVR集成AD对音乐进行频率以及幅度处理,由8*8的LED灯点阵进行显示.另外增加语音录放电路。
2、方案论证:
方案一:
此为我们小组所做的第一个方案,放大效果良好,但在用计数器检测音频信号的频率时需要检测3V以上的脉冲,故其测量频率时需要限定输出电压范围,局限性较强,且幅值频率相结合会有一定的视觉误差,但是其对于频率与幅值都有较好的精确度,偏向于单频率信号的测量。
方案二:
在电路基本不变的情况下,我们将信号处理由计数器检测修改为了FFT快速傅里叶变换,对放大信号进行幅频两变量的处理。
因51单片机机器周期较长以及AD采样处理速度过慢,在不使用IO扩展芯片时其IO口所载负载能力不够,显示效果不佳。
方案三:
大胆的采用了AVR单片机作为控制芯片,其运行速度大大高于51单片机,因其芯片内部的集成AD以及振荡电路,减少了做板的外围器件,AD精度提高,IO负载能力增强。
且将5*8LED改为8*8LED,提高显示分辨率加强了视觉上的美观,其处理的效果较于前两个方案都有较大的提高,类似于音乐喷泉,另外再扩展声音录放模块,使其功能更为强大。
根据以上三个方案的对比判断,我们将最终设计方案定为了方案一和方案三。
三、单元模块设计
这个作品硬件分为四个模块:
TDA2822音频放大模块,语音芯片模块,8*8LED灯点阵模块以及AVR电路模块(CPU),以下让我们来分别介绍各个模块的功能。
1、TDA2822音频放大模块
TDA2822是小功率集成功放,其特点是:
工作电压低,低于1.8V时仍能正常工作,集成度高,外围元件少,音质好。
TDA2822广泛应用于收音机、随身听、耳机放大器等小功率功放电路中。
下图所示为TDA2822用于立体声功放的典型应用电路。
图中,R1,R2是输入偏置电阻,C1,C2是负反馈端的接地电容气,C6,C7是输出耦合电容,R3,C4和R4,C5是高次谐波抑制电路,用于防止电路振荡。
2、录音芯片模块
录音芯片采用华邦公司推出的ISD1760,该芯片包含多项功能,包括内置专利的信息管理系统,新信息提示(vAlert),双运作模式(独立&嵌入式),以及可定制的信息操作指示音效。
芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。
本设计采用按键检测和编程控制混合录放流程。
特点:
·可录、放音十万次,存储内容可以断电
保留一百年。
·两种控制方式,两种录音输入方式,两
种放音输出方式
·可处理多达255段以上信息
·有丰富多样的工作状态提示
·多种采样频率对应多种录放时间
·音质好,电压范围宽,应用灵活,价廉物美
其连接电路图如下所示:
电路分析:
可根据其说明资料,直接将一些管脚连接到按键上,可实现对ISD1760的控制
下附ISD170的管脚说明:
3、8*8LED灯点阵模块
此板块为音频控制的显示电路,由8行8列64个LED灯构成。
电路图如下所示:
PCB板如下所示:
电路分析:
以两组单片机I\O口分别连接LED点阵的行列,给两组I/O口不同的逻辑电平值,可以得到不同的LED显示,通过循环扫描控制LED的闪烁。
由于AVR的I/O口驱动能力很强且运行速度快,所以可以直接连接给LED供电而不需要扩展I/O口。
使用的LED参数如下:
LED是英文lightemittingdiode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。
参数如下
发光强度:
20000-22000mcd
发光角度:
15度聚光
5大常规颜色LED的驱动电压:
白色:
3.0~3.3V
红色:
1.8~2.2V
蓝色:
3.0~3.2V
绿色:
2.9~3.1V
黄色:
1.8~2.0V
3、51单片机电路
单片机最小系统电路图如下所示
电路分析:
51单片机只需外部连接一个复位电路,单片机就能正常工作,然后利用ICCAVR编程环境,编程语言为C语言,实现采集、处理、显示。
PCB板总原理图,总设计图如下所示(不包含8*8LEDPCB板图):
4、AVR单片机电路
此为音频控制电路的信号采集处理、LED控制电路,采用ATmage16,单片机内有集成10位AD转换,用第一个单ADC通道采集音乐信号,编程用FFT进行信号处理,并由I/O口控制8*8LED灯点阵的闪烁效果。
ATmage16管脚图为:
其设计实体的最小系统原理图如下所示:
(自制AVR最小系统原理图)
电路分析:
因ATmage1内部集成AD和振动系统,其最小系统只需外部连接一个复位电路,单片机就能正常工作,电路连线简单。
由于音频输入信号的幅值很小(峰峰值5mV左右),所以音频信号检测可直接将音频输入连接到单片机的一个单通道AD输入管脚。
AVR单片机的I/O口带负载能力比较强,所以LED驱动电路直接通过I/O口控制。
PCB板总原理图,总设计图如下所示(不包含8*8LEDPCB板图):
PCB图:
三、程序设计
方案一:
51单片机程序设计
该程序采用C语言,开发环境为keil,目标芯片为STC89C51单片机,程序模块包括AD值幅值读取、计数器脉冲频率检测、LED扫描显示。
以下是对我们设计中软件编程的流程介绍:
上电
AD、IO的初始化
语音芯片读取SPI模式下读取声音
程序流程图:
方案二:
AVR单片机程序设计
该程序采用C语言,开发环境为IVVAVR,目标芯片为ATmage16单片机,程序模块包括AD值读取、FFT快速傅里叶变换算法、LED扫描显示。
以下是对我们设计中软件编程的流程简图:
五、系统调试
调试工具:
万用表,函数发生器,双踪示波器,3~12V可调电源、喇叭等。
调试内容:
1、TDA2822音频放大电路:
调试过程:
一开始的放大电路选择对于我们来说是第一个难题,当时我们在网上查找了很多的放大电路资料,用过几种音频放大芯片后效果都不太佳,最终在与老师交流之后,才选出了以TDA2822为设计的放大电路芯片。
选定芯片之后,我们立刻按照TDA2822的典型电路制作了一块电路板,给音频放大芯片提供足够正常工作的电源(既9V~12V电源),将其放大电路输入口接入一音乐信号(例如手机/电脑音频输入),将放大电路输出口接至一喇叭输出,调节输出变阻器,改变放大电路的放大倍数,对喇叭输出音乐进行音质判断,直至放大音乐无明显失真感、听感达到比较满意为止;
为了使音频芯片的工作效果更加明显查看,我们又将输入、输出信号接入双总示波器中,调节变阻器观察输出波形的放大倍数及失真状况,调至波形无明显失真即可。
心得体会:
在实验过程中,调试的必备前提是对于一些测试工具要熟练使用,另外体会到了理论只是与实际经验的重要性,只有理论和实践相互结合,才有肯能调试出理想的效果。
2、ISD1760录放电路电路:
此模块是在完成了彩灯电路之后想到的扩展功能,在确定要加入此功能模块之后。
首先我们将ISD系列的芯片进行了对比,认为ISD1760具有价格比较适中,操作起来比较简单,其录音效果也不错,所以选择了此款芯片。
我们运用ISD1760做了一块独立的板子,用来测试其功能。
经过一段时间的调试之后,才将此模块加入到整个电路之中。
心得体会:
在确定使用某一个功能的时候,选择合适的元器件有着至关重要的作用。
我们必须同时考虑其工作效果是否理想以及成本花费的高低,我们要做的是争取最少的耗材、最大化的性能。
另外,对于不同的功能模块,可以先分别调试,确定各个分立模块调试到理想效果之后,再综合起来一起调试,这样可以避免走一些不必要的弯路。
3、8*8LED灯点阵电路:
首先想到控制LED的方法是通过单片机控制其他I/O扩展芯片再控制LED灯,在试验过程中发现AVR的I/O直接控制LED可以达到理想的亮度,而且AVR的运行速度也足以满足人眼的视觉暂停特性而不会产生滞后感,ATmage16有4组32个I/O,对于控制8×8的LED绰绰有余。
所以我们采用了直接用单片机I/O口控制LED,这样也很大程度上减少了电路以及编程的复杂程度。
4、AVR
AVR作为中央处理芯片,有最重要的地位。
在确定使用AVR时,我们对于这款芯片并没有多少接触。
所以我们花费了几天时间学习AVR的编程软件和AVR的使用,由于AVR和51有很多相似地方,所以学起来也不会很吃力。
最小系统参考了一些资料,然后通过不断的修改程序,观察LED的显示效果,最后AVR终于发挥它的作用了。
心得体会:
学习一种新的单片机时,可以通过和以后接触过得单片机进行对比学习,这样子可以取得更加好的学习效果。
写单片机程序无非是用计算机语言实现一些特定的功能,只要我们不断的修正思路,不断的调试观察效果,找出问题并解决问题,一切都可以迎刃而解了。
5、51单片机电路
调试过程:
其实在对总电路的调试过程中我们小组并未发生过大的困难。
期望的效果也很快便得到可到了实现。
这也是因为小组成员在动手制作前的充足准备与检查得到的结果。
心得体会:
细节决定了成败,再做任何事前,都要细心检查,做好充足的准备。
六、结果分析
在对各部分的电路进行了反复的调试后,得到了我们最终的设计的电路实体。
其完整的电路功能有如下几点。
1,对音频信号有良好的放大,用喇叭进行外放。
2,可以通过按键控制清晰录音、放音。
3、彩色绚丽LED点阵效果显示动感的音乐。
此次产品放大音质良好,立体声道,感染力较强,对音频的LED跑马灯显示有较为精确的幅值,频率显示,且有8*8LED点阵,效果美观,外加录音功能,增加特色。
完全达到了比赛项目的要求。
七、设计总结
本次历时一个月的比赛,我们完成了作品《音频控制音乐彩灯》,从开始确定选题,到设计实行方案,再到器材的选购,再到逐步调试,到最后完成作品,整个过程中我们小组付出了不少的心血和努力。
整个竞赛过程我们都参与其中,在比赛过程中,我们和其他同学、老师进行了很多的交流,甚至是在网络上向别人请教了经验,也通过自己的自学学习了一些新的知识,比如录放芯片的使用方法、AVR的编程技巧、protel的画图技巧。
另外我们小组三个人之间进行了合理的分工,很大程度上表现了团队合作的力量。
在比赛过程中,也发现了我们的缺点,比如理论知识缺乏、没有比赛经验、编程技巧不够熟练等等。
相信通过这次比赛,我们将收获很多的东西,这些东西是在课堂上学不来的。
我们也会在这个比赛之后作出一个总结,以便以后更正自身的缺点,完善专业素养,更加明确自己的奋斗目标。
参考文献
【1】马潮·AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践·北京航空航天大学出版社·2007/10
【2】郭天祥·51单片机C语言教程·电子工程出版社·2009/01
【3】蒋长锦、蒋勇·快速傅里叶变换及其C程序·2004/01
【4】康华光·电子技术基础模拟部分·高等教育出版社·2005/7
【5】康华光·电子技术基础数字部分·高等教育出版社·2005/7
【6】IC资料网:
【7】杜洋工作室:
【8】电子发烧友:
【9】搜IC网: