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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：
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