毕业设计-频谱显示的音乐播放器.pdf

河南理工大学 本科毕业设计 论文 题目 频谱显示的音乐播放器 河南理工大学 本科毕业设计 论文 题目 频谱显示的音乐播放器 院 系 电气工程与自动化学院 专业名称 电气工程及其自动化 班 级 电气本 12 4 学生姓名 常 迎 迎 指导老师 李 新 伟 2014 年 6 月 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 任务书 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 任务书 专业班级 电气本 12 4 学生姓名 常迎迎 一 题目频谱显示的音乐播放器 二 起止日期2014 年 2 月 24 日至 2014 年 6 月 5 日 三 主要任务与要求 毕业设计要求使用单片机 完成频谱显示的音乐播放器系统设计 任务如下 1 查阅资料文献 对系统方案进行论证 2 设计并制作系统的硬件电路 使其符合设计要求 3 编写系统程序 并调试软件运行 4 撰写毕业设计论文 绘制系统的工程图纸 具体要求如下 1 系统性能及稳定性良好 2 音乐播放流畅 噪声尽可能降低 3 频谱显示效果要达到预期目标 无延迟 亮度饱满 指 导 教 师 职称 学 院 领 导 签字 盖章 年 月 日 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 评阅人评语 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 评阅人评语 题目 评 阅 人 职称 工作单位 年 月 日 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 评定书 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 评定书 题目 指 导 教 师 职称 年 月 日 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 答辩许可证 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 答辩许可证 答辩前向毕业设计答辩委员会 小组 提交了如下资料 1 设计 论文 说明 共 页 2 图纸 共 张 3 指导教师意见 共 页 4 评阅人意见 共 页 经审查 专业 班 同学所提交的 毕业设计 论文 符合学校本科生毕业设计 论文 的相关规定 达到毕 业设计 论文 任务书的要求 根据学校教学管理的有关规定 同意参加 毕业设计 论文 答辩 指导教师 签字 盖章 年 月 日 根据审查 准予参加答辩 答辩委员会主席 组长 签字 盖章 年 月 日 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 答辩委员会 小组 决议 河 南 理 工 大 学 毕业设计 论文 答辩委员会 小组 决议 学院 专业 班 同学的毕业设计 论文 于 年 月 日进行了答辩 根据学生所提供的毕业设计 论文 材料 指导教师和评阅人意见以 及在答辩过程中学生回答问题的情况 毕业设计 论文 答辩委员会 小 组 做出如下决议 一 毕业设计 论文 的总评语 二 毕业设计 论文 的总评成绩 三 答辩组组长签名 答辩组成员签名 答辩委员会主席 签字 盖章 年 月 日 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 I 摘要 本文采用单片机设计了一种具有频谱显示功能的音乐播放器 旨在通过较低成本的 单片机硬件和软件设计 来实现音乐播放功能 同时实现动感的音乐频谱显示 使人们 能更加轻松地享受音乐带来的乐趣 设计分为两个部分 音乐播放部分和频谱显示部分 音乐播放部分是由单片机 SD 卡模块电路 功放电路 功能按键电路和电源电路组成 通过单片机 利用串行外围设 备接口 SPI 协议对 SD 卡中的 WAV 音乐文件进行读取 结合采样率将 WAV 文件进行 脉冲宽度调制 PWM 然后与二阶滤波电路将数字信号转换为模拟信号 最后经音频 功放模块放大信号驱动扬声器还原音频 频谱显示部分是由单片机和 LED 点阵部分组 成 在播放音乐的同时 由频谱显示部分的单片机片上 A D 转换器采集来自音乐播放部 分输出的音频信号 通过 128 个采样点后 利用快速傅里叶变换 FFT 算法对其进行 分析 然后取频率项的幅值 量化显示 驱动 LED 点阵 点亮相应的 LED 灯 频谱显示的音乐播放器主要应用于车载音乐和家庭影音娱乐方面 具有低成本 稳 定性好 实用性强的特点 关键词关键词 单片机 音频 快速傅里叶变换 FFT 频谱显示 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 II Abstract This design is a single chip computer with spectrum display function based on music player through a design of hardware and software of low cost to realize the music playing function At the same time achieving music spectrum dynamic display so that people can easily enjoy music brought joy Music playing part is composed of a single chip computer the SD card module circuit power amplifier circuit a function key circuit and power supply circuit Through the single chip computer using serial peripheral interface SPI protocol on the SD card and the WAV music file is read The WAV file with pulse width modulated sampling rate PWM Pulse width modulation PWM and the two order filter circuit converts the digital signal into analog signals and the audio power amplifier module amplifies the signal to drive reducing audio speaker Spectrum display part is composed of a single chip computer and LED lattice part When the music is played the analog signal is collected by A D converter in the single chip computer The 128 sampling points are analyzed by the Fast Fourier Transform FFT algorithm And then taking the amplitude driving LED lattice And the corresponding LED is lighted Key words Single chip computer audio Fast Fourier Transform FFT spectrum display 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 III 目录 1 绪论 1 1 1频谱显示的音乐播放器发展背景 1 1 2 国内外研究现状 1 1 3课题研究的主要任务与目的 2 2 系统方案论证 3 2 1频谱显示的音乐播放器系统结构 3 2 2 单片机选择方案 3 2 2 1 音乐播放部分 3 2 2 2 频谱分析部分 4 2 3读写模块方案选择 4 2 4滤波电路方案选择 5 2 5功放电路方案选择 6 2 6本章小结 8 3 系统硬件设计 9 3 1单片机系统 9 3 1 1 STC12C5616AD 系统 9 3 1 2 STC12C5A60S2 系统 10 3 2 SD 卡模块 12 3 2 1 SD 卡模块概述 12 3 2 2 SD 卡模块电路设计 13 3 3滤波电路 13 3 3 1 低通滤波电路 14 3 3 2 滤波电路设计 14 3 4功放电路 16 3 4 1 TDA2822M 芯片 16 3 4 2 功放电路设计 17 3 5 LED 点阵 17 3 5 1 LED 点阵 17 3 5 2 LED 点阵电路设计 19 3 6电源电路 19 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 IV 3 6 1 LM7805 稳压电路设计 19 3 6 2 AMS1117 3 3 电路设计 20 3 7按键电路 21 3 8本章小结 21 4 系统软件设计 22 4 1系统程序流程图 22 4 2 SD 卡读取软件设计 23 4 3 PWM 软件设计 24 4 4频谱显示软件设计 25 4 5本章小结 28 5 系统测试 29 6 总结与展望 34 6 1 总结 34 6 2 展望 34 致谢 35 参考文献 36 附录 1 系统原理图 37 附录 2 程序清单 38 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 1 1 绪论 1 1 频谱显示的音乐播放器发展背景 随着生活水平的提高 娱乐已成为非常主流的话题 人们不仅需要通过音乐陶冶情 操 而且越来越多的人倾向于使用音乐 视频等娱乐和放松自己 这大大促进了音乐播 放器的发展 在享受音乐盛宴的同时 如果加上动感的音乐频谱显示 那么原本只能 听 的音乐 现在也能 看 这将会是视觉和听觉的双重享受 实时显示的音乐信号频谱 为音乐播放器增添不少色彩 必然不能忽略数字信号处理在音频处理过程中的重要作 用 近十多年来 数字信号处理技术同数字计算机 大规模集成电路等先进技术一样 有了突飞猛进的发展 已经成为具有强大生命力的技术学科 在数字信号处理中 离散 傅里叶变换 Discrete Fourier Transform DFT 是常用的变换方法 它在各种数字信号 处理中扮演着重要角色 我们知道频域分析常常比时域分析更优越 不仅简单 而且易 于分析复杂信号 但是 DFT 在频谱分析中是不切实际的 这是因为 DFT 计算量太大 直到 1965 年 Cooley 和 Tukey 在 计算机科学 发表著名的 一个复数傅立叶级数之 机械计算算法 论文 快速傅里叶变换 FFT 才开始大规模应用 此后 科学界创造了各 种各样的 DFT 的快速算法 逐渐发展形成了一整套行之有效的算法设计思想和方法 1 2 国内外研究现状 目前 国内外有很多学者在研究音乐播放器及音乐频谱分析 音乐播放器的研究比 较成熟 尤其是在新媒体时代的冲击下 人们已不满足现有的握在手里的音乐播放器 而是享受高品质的音乐盛宴 传统的基于单片机的音乐播放器主要有以下两种 一是单片机来配合外接的蜂鸣器 可以发出基本的单音频率 1 由于蜂鸣器发出的声音不包含相应幅度的谐波频率 因此 采用这种方法不能演奏出多种音色的声音 而且还需要掌握一些音乐基础 如 音调 和 节拍 这种播放器需要对每首歌曲进行编码 工作量大 并且单片机存储空间有 限 所以该方法应用很少 二是选用单片机作为主控芯片 以专门的音频解码芯片和通 用的存储接口 CH375 模块为主的 MP3 播放器 这是实现存储和播放分离的一种解决方 案 但是这种播放器需要的音频解码芯片和存储接口模块又增加了音乐播放器的成本 性价比不高 所以 本设计提出了另一种音乐播放器实现方案 提到频谱分析 很多人并不陌生 它在不同学科的科学研究中也得到了广泛的作 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 2 用 而快速傅里叶变换是处理各类频域问题的主要手段之一 将其应用于音频信号处理 中 一直以来就是数字信号处理的重点内容之一 目前 在实际生产的音响系统中 大 多采用两种方法实现音乐频谱显示 一是利用硬件滤波器和 A D 转换器 二是利用 DSP 芯片处理音乐频谱 前者实现简单 但是硬件成本高 后者软件和硬件实现都较复杂 而单片机的成本相对较低 在数据采集及频谱分析中的应用也很广泛 因此讨论用单片 机实现快速傅里叶变换具有现实意义 1 3 课题研究的主要任务与目的 本课题是基于单片机的带频谱显示的音乐播放器的硬件设计和软件设计 主要任务 是设计一个音乐播放器 并采集它的音频信号输出显示音乐频谱 利用 SPI 协议 单片 机可以直接读出存于 SD 卡中的 WAV 音乐文件 由于 WAV 文件是由脉冲编码调制 PCM 所以可以直接由单片机 PWM 模式输出 通过二阶滤波电路形成可直接采集 的音频信号 这个音频信号再经功放模块由扬声器驱动播放音乐 同时 音频信号又作 为输入信号接到另外一个单片机系统 此单片机系统主要是完成音频信号的模数转换 并由内部软件通过快速傅里叶算法 实现音频信号在频域上的分析 最后量化输出 由 LED 点阵显示出频谱变化 针对目前人们对高品质播放器的要求 采用的音乐格式为 WAV 格式 其优点是简 单的编 解码 普遍的认同与支持以及无损耗存储 10 所以 WAV 也是音乐编辑创作的首 选格式 本课题旨在通过采用 WAV 文件播放出较高品质的音乐 同时利用快速傅里叶 算法实现音乐频谱分析 通过本设计也可以培养学生的实际应用程序的编写 电路设计 等应用能力 综合运用本科期间所学的理论知识 基本技能和专业知识分析和解决实际 问题 培养独立获取新知识 新技术和新信息的能力 初步掌握科学研究的基本方法和 思路 同时也能对音乐播放器和频谱播放器的研究和优化提供很好的意见 有助于对音 频信号处理方面的研究 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 3 2 系统方案论证 2 1 频谱显示的音乐播放器系统结构 频谱显示的音乐播放器主要由两大部分组成 一个是音乐播放部分 一个是频谱分 析部分 音乐播放部分包括单片机系统 按键电路 读写模块 滤波电路 功放电路 电源 模块组成 而频谱分析部分由单片机系统和 LED 频谱显示模块组成 其系统结构如图 2 1 所示 图 2 1 音乐频谱播放器系统结构图 2 2 单片机选择方案 2 2 1 音乐播放部分 方案一 采用 AVR 单片机进行控制 AVR 单片机其显著的特点为高性能 高速度 低功耗 与传统 51 单片机相比 在相同的系统时钟下 AVR 运行速度快 但是 AVR 单片机通用 寄存器一共 32 个 前 16 个寄存器都不能直接与立即数打交道 因而通用性下降 而且 AVR 单片机与 51 单片机相比性价比不高 方案二 采用 STC12C56 系列单片机进行控制 STC12 系列单片机是高速 低功耗的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 单片机 但速度快 8 12 倍 4 路 PWM 和同 步串行外围接口 SPI 对于本设计 SD 卡与单片机的串行通信需要采用高速串行通 信接口 同时 脉宽调制 PWM 输出也是重要的功能口 STC12C56 系列单片机完全 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 4 满足本设计的要求 而且性价比较高 综上考虑 本设计中音乐播放器部分的单片机选用 STC12C56 系列的单片机 2 2 2 频谱分析部分 方案一 采用 STM32 系列 STM32 系列基于专为要求高性能 低成本 低功耗的嵌入式应 用专门设计的 ARM Cortex M3 内核 片上集成 32 512KB 的 Flash 存储器 6 64KB 的 SRAM 存储器 2 个 12 位的 us 级的 A D 转换器 16 通道 对于音乐频谱分析 完 全能实现其功能 但是 STM32 系列入门有难度 方案二 采用 STC12C5A60S2 单片机 STC12C5A60S2 单片机工作频率范围 0 35MHz 相当于普通 8051 的 0 420MHz 内部有 8 路高速 10 位 A D 转换器 片上集成 1280 字节 RAM 通用 I O 口 36 40 44 个 每个 I O 口驱动能力均可达到 20mA ISP 在 系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿真器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 对于本设计中频谱显示部分 采用方案二较合适 性价比高 容易编程 实现简单 2 3 读写模块方案选择 方案一 采用 CH375 型号的 USB 模块 此模块能通用 USB1 0 或者 USB2 0 的移动 U 盘 移动硬盘 方便使用者对本系统的存储工具的携带 但是 CH375 外围电路比较复杂 价格较昂贵且驱动 CH375 模块时涉及 USB 枚举等系列问题 方案二 SD 卡 Secure Digital Memory Card 是一种基于半导体闪存工艺的存储卡 SD 卡 具有大容量 高性能 安全等多种特点的多功能存储卡 多用于 MP3 随身听 数码摄 像机 数码相机等 也有用于笔记本电脑上 此模块与 CH375 功能大致相当 外围电 路简单 价格便宜 但是 SD 卡对电源输出电流的要求比较高 需要 3 3V 电压供电 SD 卡共支持三种传输模式 SPI 模式 独立序列输入和序列输出 1 位 SD 模式 独 立指令和数据通道 独有的传输格式 4 位 SD 模式 使用额外的针脚以及某些重新 设置的针脚 支持四位宽的并行传输 表 2 1 给出了 SD 卡的三种传输模式 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 5 表 2 1 SD 卡三种传输模式 4 位 SD 模式1 位 SD 模式SPI 模式 针脚 名称描述名称描述名称描述 1CD DAT3 卡监测 数 据位 3 CD卡监测CS芯片选择 2CMD命令 回复CMD命令 回复DI数据输入 3VSS1地VSS1地VSS1地 4VCC电源VCC电源VCC电源 5CLK时钟CLK时钟CLK时钟 6VSS2地VSS2地VSS2地 7DAT0数据位 0DAT数据位DO数据输出 8DAT1数据位 1RSV保留RSV保留 9DAT2数据位 2RSV保留RSV保留 而 Micro SD 卡是一种极细小的快闪存储器卡 就是我们手机的内存卡 又叫 TF 卡 如图 2 2 所示 Micro SD 卡和 SD 卡的通信协议一样 都可以与单片机进行串行 通信 在结构上 Micro SD 卡只有 8 个引脚 比 SD 卡少了一个 Vss 而如果给 Micro SD 卡套上一个转 SD 卡的适配器 就可以和 SD 卡一样正常使用 图 2 2 Micro SD 卡 所以 考虑到应用的广泛性 本设计采用 Micro SD 卡加适配器转 SD 卡方案 2 4 滤波电路方案选择 在本设计中 由单片机输出脉宽调制 PWM 波 要由滤波电路进行滤波后再接 入模数转换器中 由于音频信号最大为 44 1KHz 所以选择的滤波器要滤除高频信号 使小于 44 1KHz 的音频信号能通过 因此 选择低通滤波器 低通滤波器分有源和无 源 下面将讨论方案选择 方案一 二阶有源低通滤波电路 如图 2 3 所示 有源滤波电路的负载不影响滤波特性 因 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 6 此常用于信号处理要求高的场合 有源滤波电路一般由 RC 网络和集成运放组成 因而 必须在合适的直流电源供电的情况下才能使用 同时还可以进行放大 但电路的组成和 设计也较复杂 有源滤波电路不适用于高电压大电流的场合 只适用于信号处理 u1 u2uA 1 R uP 1 1RAVF 图 2 3 二阶有源低通滤波电路 方案二 二阶无源低通滤波器 如图 2 4 所示 无源滤波电路的结构简单 易于设计 但它 的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化 因而不适用于信号处理要求高的场合 无源滤波器只能滤除某频率范围内的谐波 但完全可以解决系统中的谐波问题 图 2 4 二阶无源低通滤波电路 在本次设计中选择二阶无源低通滤波器 即用二阶 RC 电路来完成滤波功能 2 5 功放电路方案选择 功放电路有 OTL 电路 OCL 电路 BTL 电路 这三种功放电路有各自的特点 将 在三种电路方案中选出适合本设计的最佳方案 方案一 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 7 OTL Output transformerless 电路为单端推挽式无输出变压器功率放大电路 图 2 5 为典型的 OTL 电路图 通常采用电源供电 从两组串联的输出中点通过电容耦合输 出信号 OTL 电路是一种没有输出变压器的功率放大电路 过去大功率的功率放大器多 采用变压器耦合方式 以解决阻抗变换问题 使电路得到最佳负载值 但是 这种电路 有体积大 笨重 频率特性不好等缺点 目前已较少使用 3 R 4 R 5 R 1 R 2 R 1 C 2 C 3 C 图 2 5 典型 OTL 电路 方案二 OCL Output CapacitorLess 电路称为无输出电容直接耦合的功放电路 如图 2 6 所示 OCL 是 OTL 电路的升级 优点是省去体积较大的输出电容 使系统的低频响应 更加平滑 频率特性好 缺点是需要双电源供电 对电源的要求稍高 C L R 0 u 1 u 1 VT 2 VT cc U 1C i 2C i 图 2 6 典型 OCL 电路 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 8 方案三 BTL Balanced Transformer Less 电路 称为平衡桥式功放电路 如图 2 7 所示 BTL 电路的主要特点有 可采用单电源供电 两个输出端直流电位相等 无直流电流通 过扬声器 与 OTL OCL 电路相比 在相同电源电压 相同负载情况下 BTL 电路输 出电压可增大一倍 输出功率可增大四倍 这意味着在较低的电源电压时也可获得较大 的输出功率 1 VT 2 VT L R cc U 4 VT 3 VT 0 U 1 i 2 i 1 U 图 2 7 BTL 电路 基于以上 在本设计中将选用 TDA2822M 芯片组成单声道 BTL 电路 BTL 推挽单 声道放大方式效果较好 失真少而且工作稳定 2 6 本章小结 本章首先给出了系统方框图 在此基础上对各主要模块进行了详细的方案选择对 比 并给出了初步的硬件电路设计方案 方案选择都是以稳定性和低成本的原则进行选 择 详细的系统设计在后续章节中将给与充分的说明 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 9 3 系统硬件设计 在本章 将对频谱显示的音乐播放器做出全面的硬件分析和设计 3 1 单片机系统 单片机系统由两个核心部分组成 一个是 STC12C5616AD 单片机作为音乐播放器 的处理器 另一个是 STC12C5A60S2 单片机作为频谱显示部分的处理器 这一小节将对 两个核心处理器做出详细的硬件系统分析 3 1 1STC12C5616AD 系统 1 STC12C5616AD 单片机 STC12C5616AD 单片机是 STC 生产的单时钟 机器周期 1T 的单片机 是高速 低功耗 超强抗干扰的新一代 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 但速度快 8 12 倍 其特点如下 工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 工作频率范围 0 35MHZ 相当于普通 8051 的 0 420MHZ 用户应用程序空间 16K 片上集成 768 字节 RAM ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿真 器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 时钟源 外部高精度晶体 时钟 内部 R C 振荡器 在下载用户程序时 可选 择是使用内部 R C 振荡器还是外部晶体 时钟 共 6 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 计数器 16 位定时器 T0 和 T1 没有定时器 2 PCA 模块可再实现 4 个 16 位定时器 2 个时钟输出口 可由 T0 的溢出在 P1 0 输出时钟 可有 T1 的溢出在 P1 1 输 出时钟 外部中断 9 路 下降沿中断或低电平触发中断 PCA 模式可分别或同时支持上 升沿中断 下降沿中断 Power Down 模式可由外部中断唤醒 PWM 4 路 PCA 可编辑计数器阵列 4 路 也可用来当 4 路 D A 使用 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 10 也可用来再实现 4 个定时器 也可用来再实现 4 个外部中断 SPI 同步通信口 主模式 从模式 2 STC12C5616AD 单片机最小系统 由于 PWM 是 8 位的 所以 PWM 的频率 PCA 时钟输入源频率 256 3 1 PCA 时钟输入源可以从以下 4 种中选择一种 SYSclk 12 SYSclk 2 定时器 0 的溢 出 ECI P3 4 输入 2 在本设计中 要求 PWM 输出频率为 44 1KHz 选 SYSclk 2 为 PCA PWM 时钟输 入源 可由公式 3 1 求得 外部时钟频率5822225644100 SYSclk MHz 所以 选择的外部时钟频率为 25MHz 的晶振 根据 STC12C5616AD 单片机的数据手册和各个引脚的介绍 单片机的最小系统可 以分为晶振电路和复位电路 最终设计如下图 3 1 所示 P2 2 1 P2 3 2 RST 3 RXD P3 0 4 TXD P3 1 5 XTAL2 6 XTAL1 7 INT0 P3 2 8 INT1 P3 3 9 ECI T0 P3 4 10 PWM1 P3 5 11 PWM3 P2 4 12 P2 5 13 GND 14 P2 6 15 P2 7 16 PWM0 P3 7 17 CLKOUT0 P1 0 18 CLKOUT1 P1 1 19 ADC2 P1 2 20 ADC3 P1 3 21 ADC4 SS P1 4 22 ADC5 MOSI ADC5 23 ADC6 MISO P1 6 24 ADC7 SCLK P1 7 25 PWM2 PCA2 P2 0 26 P2 1 27 VCC 28 STC12C5616AD 5V 1K R1 1uF C1 12 Y1 25MHZ GND VCC 22pF C6 22pF C7 GND Vin CLK DO DI CS PWM1 PWM0 VCC GND 图 3 1 STC12C5616AD 单片机最小系统图 3 1 2STC12C5A60S2 系统 1 STC12C5A60S2 单片机 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 11 STC12C5A60S2 单片机是宏晶科技生产的单时钟 机器周期 1T 的单片机是高速 低功耗 超强抗干扰的增强型 8051 单片机 指令代码完全兼容传统 8051 其特点如下 工作电压 5 5V 3 3V 5V 单片机 工作频率范围 0 35MHZ 相当于普通 8051 的 0 420MHZ 用户应用程序空间 60K 字节 片上集成 1280 字节 RAM 通用 I O 口 复位后 准双向口 弱上拉 普通 8051 传统 I O 口 可设置成四 种模式 准双向口 弱上拉 强推挽 强上拉 仅为输入 高阻 开漏 每个 I O 口驱动能力均可达到 20mA 但整个芯片最大不要超过 120mA ISP 在系统可编程 IAP 在应用可编程 无需专用编程器 无需专用仿 真器 可通过串口 P3 0 P3 1 直接下载用户程序 内部集成 MAX810 专用复位电路 外部晶体 12M 以下时 复位脚可直接 1K 电 阻到地 外部掉电检测电路 在 P4 6 口有一个低压门槛比较器 5V 单片机为 1 33V 误差为 5 3 3V 单片机为 1 31V 误差为 3 时钟源 外部高精度晶体 时钟 内部 R C 振荡器 温漂为 5 到 10 以 内 用户在下载用户程序时 可选择是使用内部 R C 振荡器还是外部晶体 时 钟 常温下内部 R C 振荡器频率为 5 0V 单片机为 11MHz 17MHz 3 3V 单片机为 8MHz 12MHz 共 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器 计数器 16 位定时器 T0 和 T1 没有定时器 2 但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器 再 加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器 3 个时钟输出口 可由 T0 的溢出在 P3 4 T0 输出时钟 可由 T1 的溢出在 P3 5 T1 输出时钟 独立波特率发生器可以在 P1 0 口输出时钟 外部中断 I O 口 7 路 传统的下降沿中断或低电平触发中断 并新增支持上升 沿 中 断 的PCA模 块 PowerDown模 式 可 由 外 部 中 断 唤 醒 INT0 P3 2 INT1 P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 RxD P3 0 CCP0 P1 3 也可通过 寄存器设置到 P4 2 CCP1 P1 4 也可通过寄存器设置到 P4 3 PWM 2 路 PCA 可编程计数器阵列 2 路 也可用来当 2 路 D A 使用 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 12 也可用来再实现 2 个定时器 也可用来再实现 2 个外部中断 A D 转换 10 位精度 ADC 共 8 路 转换速度可达 250K S 通用全双工异步串行口 UART 由于 STC12 系列是高速的 8051 可再用定时 器或 PCA 软件实现多串口 2 STC12C5A60S2 单片机最小系统 由 STC12C5A60S2 单片机数据手册可知 若时钟频率高于 12MHz 时 使用第二复 位功能脚 第一复位功能脚通过 1K 电阻到地 第二复位功能脚低于 1 33V 复位 通 过 2 个电阻分压实现外部可调复位门槛电压复位 音乐频谱部分的单片机最小系统 晶 振选择 32MHz 晶振 STC12C5A60S2 单片机最小系统电路图如图 3 2 所示 XT22 XT21 1K R23 GND 20K R24 10K R22 VCC GND GND VCC CLKOUT ADC0 P1 0 1 ADC1 P1 1 2 ECI ADC2 P1 2 3 CCP0 ADC3 P1 3 4 SS CCP1 ADC4 P1 4 5 MOSI ADC5 P1 5 6 MISO ADC6 P1 6 7 RST P4 7 9 RxD P3 0 10 TxD P3 1 11 SCLK ADC7 P1 7 8 INT0 P3 2 12 INT1 P3 3 13 CLKOUT0 T0 P3 4 14 CLKOUT1 T1 P3 5 15 WR P3 6 16 RD P3 7 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 VCC 40 P0 0 AD0 39 P0 1 AD1 38 P0 2 AD2 37 P0 3 AD3 36 P0 4 AD4 35 P0 5 AD5 34 P0 6 AD6 33 P0 7 AD7 32 EX LVD P4 6 RST2 31 P2 0 AD8 21 ALE P4 5 30 NA P4 4 29 P2 7 AD15 28 P2 1 AD9 22 P2 2 AD10 23 P2 3 AD11 24 P2 4 AD12 25 P2 5 AD13 26 P2 6 AD14 27 STC12C5A60S2 5V 12 Y2 32MHZ 22pF C21 22pF C22 GND XT22 XT21 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 P3 0 P3 1 P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 7 P2 6 P0 7 P0 6 P0 5 P0 4 P0 3 P0 2 P0 1 P0 0 VOL1 图 3 2 STC12C5A60S2 单片机最小系统电路图 3 2 SD 卡模块 3 2 1 SD 卡模块概述 SD 卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛 时下已经成为最为通用的数据存 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 13 储卡 在诸如 MP3 数码相机等设备上也都采用 SD 卡作为其存储设备 SD 卡之所以 得到如此广泛的使用 是因为它价格低廉 存储容量大 使用方便 通用性与安全性强 等优点 既然它有着这么多优点 那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来 将使 系统变得更加出色 在第二章的方案选择时 我们已经讨论过 在本设计中将采用 micro SD 卡加上适配器转成 SD 卡的方式做硬件电路 但是在讨论 SD 卡模块的硬件设计时 还是以 SD 卡的方案设计 SD 卡支持两种总线方式 SD 方式与 SPI 方式 其中 SD 方式采用 6 线制 使用 CLK CMD DAT0 DAT3 进行数据通信 而 SPI 方式采用 4 线制 使用 CS CLK DataIn DataOut 进行数据通信 SD 方式时的数据传输速度与 SPI 方式要快 采用单片机对 SD 卡进行读写时一般都采用 SPI 模式 采用不同的初始化方式可以使 SD 卡工作于 SD 方 式或 SPI 方式 3 2 2SD 卡模块电路设计 由 SD 卡数据手册可知 SD 卡的供电电压为 2 0 3 6V 所以要用一个 AMS1117 的芯片将 5V 转接为 3 3V 这部分 3 3V 电源模块将在后面小节中介绍 SD 卡硬件电路图如下图 3 3 所示 1K R2 1K R3 1K R4 1K R5 10K R6 10K R7 10K R8 10K R9 GNDGND 3 3V CS DI CLK DO DAT3 CS 1 CMD DI 2 VSS1 3 VDD 4 CLK SCLK 5 VSS2 6 DAT0 D0 7 DAT1 RSV 8 DAT2 NC 9 sd card 3 3v 图 3 3 SD 卡硬件电路图 3 3 滤波电路 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 14 3 3 1低通滤波电路 在电路中 RC 网络起着滤波的作用 滤掉不需要的信号 这样在对波形的 选取上 起着至关重要的作用 通常主要由电阻和电容组成 低通滤波器是用来通过低频信号衰 减或抑制高频信号 低通滤波器的幅频特性如图 3 4 中 a 所示 其中 c 称为转折角频 率 jH c c jH c a 理想的低通滤波器的幅频特性 b 实际的低通滤波器的幅频特性 图 3 4 低通滤波器的幅频特性 但是对于任何一个实际的低通滤波器 都不可能像理想低通滤波器那样完全阻止高 于转折频率的高频信号 而是将高于转折频率的高频信号以一定的衰减系数进行大幅度 的衰减 4 实际的低通滤波器的频率特性曲线如图 3 4 中 b 所示 3 3 2 滤波电路设计 二阶 RC 低通滤波器的电路图如图 3 5 所示 电路由电阻与电容构成 以实现对高 频信号衰减 二级低通滤波器是由两个一阶低通滤波器串联得到的 图 3 5 二阶 RC 低通滤波器的电路图 下面通过计算 推导出输入电压 1 U与输出电压 2 U之间的关系 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 15 RC j CR Cj R Cj CjRC CRj R CjRC CRj u u 31 1 1 1 2 1 2 1 222 22 22 1 2 3 2 通过低通滤波器的转折频率可知 转折频率为幅度下降 3dB 时所处的频率 即输出 电压幅度是输入电压幅度的22 故可知 2 2 222 222 1 2 31 1 31 1 2 2 RC CR RC j CR j H u u 3 3 转折频率 c 可令式 3 3 7070 j H 求得 291 222 2 222 CR CR cc 3 4 求解得到 RC c 67242 1 3 5 所以 当转折频率 c 为 44 1KHz 时 可得到 RC 的值约为 117 当电容 C 的值取 F1 时 电阻值取 1K 在滤波电路模块中 加入了电位器用以调节音乐播放器的音量 选择的电位器是 B50K 双联六脚 滤波模块的电路图如图 3 6 所示 50K R14 103 C2 103 C3 103 C4 103 C5 1K R10 1K R11 1K R12 1K R13 50K R15 GND VOL1 VOL2 GND PWM1 PWM0 图 3 6 滤波模块电路图 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 16 3 4 功放电路 3 4 1 TDA2822M 芯片 在本设计中 功放电路选择了由 TDA2822M 芯片及外围电路组成 其硬件设计如 下 TDA2822M 是意法半导体 ST 早期专门为便携式录放音设备开发的双通道单片功 率放大集成电路 具有低交越失真 low crossover distorsion 和低静态电流的特点 适用 于立体声 Stereo 和桥式放大 BTL 方式 TDA2822M 还有一个独特之处就是工作电压 范围很宽 在 1 8V 15V 范围内都可以正常工作 不过除非是用于耳机放大器 最好还 让 TDA2822M 工作于 3V 以上电压 图 3 7 TDA2822M 管脚结构 TDA2822M 是一片非常经典的优秀音频功率放大集成电路 20 世纪 90 年代初曾经 被国内外家电厂商广泛用于便携式收录机中 在一些功率稍大的 尤其是带有机身扬声 器的随身听中也可以经常看到 TDA2822M 的身影 TDA2822M 的标称输出功率 1KHz 8 9V 10 总失真 立体声方式时可以达到 1W 桥接方式时可以达到 2W TDA2822M 的其他技术指标如下 最大峰值电流 Peak Output Current 1A 静态电流 Quiescent Drain Current 9mAVcc 3V 总谐波失真 1kHz 8 32 典型值 0 2 闭环增益 典型值 39dB 声道不平衡度 立体声状态 最大值 1dB 声道分离度 1kHz 立体声状态 典型值 50dB 输入阻抗 1kHz 最小值 100K 负载范围 4 TDA2822M 的某些技术指标拿今天的眼光来看似乎可能是落后了些 不过本设计的 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 17 功放的输出功率有限 TDA2822M 的听感纯厚耐听 用于功放绰绰有余 3 4 2 功放电路设计 本设计选择 TDA2822M 的桥式电路作为功放电路 TDA2822M 的数据手册给出了 经典的 TDA2822M 的桥式电路图 但由于实际应用中 TDA2822M 的增益比较高 所以 在负反馈前端加了一个 2K 的电阻以减小增益 其电路图如图 3 8 所示 OUT1 1 VCC 2 OUT2 3 GND 4 IN2 5 IN2 6 IN1 7 IN1 8 TDA2822M 5V Speaker 10KR17 103 C11 10uF C12 VOL1 0 1uF C134 7RR18 VCC 10uF C15 0 1uF C164 7RR19 GND GND GND 2KR21 图 3 8 功放电路图 3 5 LED 点阵 3 5 1 LED 点阵 本设计选用的 LED 点阵是 ARK SZ411588K 单色点阵屏 LED 点阵是一种通过控 制半导体发光二极管的显示方式 它具有抗静电性能优势强 可靠性能强 亮度高 通 透性高的特点 图 3 9 LED 点阵外观图 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 18 LED 点阵内部结构为 8 8 个 LED 灯珠并列排列 其电路等效图如图 3 10 所示 只 要其对应的 X Y 轴顺向偏压 即可使 LED 发亮 例如如果想使左上角 LED 点亮 则 Y1 0 X1 1 即可 应用时限流电阻可以放在 X 轴或 Y 轴 ABCDEFGH 1 2 3 4 5 6 7 8 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8 Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8 图 3 10 8 8 点阵 LED 等效电路 等效电路看起来简单 在图中的 X1 脚加高电平 在 ABCDEFGH 段加低电平 第 一行的发光二极管就会亮 但是实际的器件引脚并不是一排引脚按 12345678 的顺序排 列 另一排引脚按 ABCDEFGH 的顺序排列 而实际引脚通常是乱序的 所以我们要用 万用表测定每个引脚的分布情况 经测定 本设计所使用的 ARK SZ411588K 点阵的引 脚分布图如下图 3 11 所示 H G 2 A 4 F D 1 5 7BC 8 E6 3 H G 2 A 4 F D 1 5 7BC 8 E6 3 图 3 11 ARK SZ411588K 点阵的引脚分布图 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 19 3 5 2LED 点阵电路设计 在本设计中 采用两块 LED 点阵组成 16 8 的 LED 显示模块 行驱动由 P2 口控制 列驱动由 P0 和 P3 口控制 STC12C5A60S2 单片机的 I O 口在强推挽输出时都能输出 20mA 的拉电流 所以 在驱动 16 8 的点阵时 没有加限流电阻 在实际的频谱显示时 显示效果也很不错 由于是 16 8 的点阵 单片机的 I O 口也足够分配 所以也不需要 对单片机的 I O 口进行扩展 LED 点阵屏的硬件电路图如图 3 12 所示 1 D F 4 A 2 G H 3 6 E 8 C B 7 5 LED点阵1 1 D F 4 A 2 G H 3 6 E 8 C B 7 5 LED点阵2 P0 3 P0 5 P0 6 P3 6 P3 5 P3 3 P2 7 P2 4 P2 6 P3 4 P3 2 P3 7 P3 1 P3 0 P0 4 P0 2 P0 7 P0 1 P0 0 P2 3 P2 1 P2 0 P2 2 P2 5 图 3 12 LED 点阵屏的硬件电路图 3 6 电源电路 在音乐播放器部分 供电电源主要有两种 一种是 5V 电源 给单片机供电和其他 外围设备供电 另一种是给 SD 卡供电 SD 卡所需电压为 3 3V 3 6 1 LM7805 稳压电路设计 5V 电源模块 我们采用 LM7805 稳压集成电路 下图 3 13 为 LM7805 引脚图 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 20 图 3 13 LM7805 引脚图 三端稳压集成电路 LM7805 来组成稳压电源所需的外围元件极少 电路内部还有过 流 过热及调整管的保护电路 使用起来可靠 方便 而且价格便宜 在实际应用中 应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器 当然小功率的条件下不用 当稳压管 温度过高时 稳压性能将变差 甚至损坏 本次硬件电路中 LM7805 的发热情况不算 严重 所以就没有加散热器 LM7805 的电路图如下图 3 14 所示 VinVout GND LM7805 9V 12V S4 4 7K R20 0 1uF C18 0 1uF C20 100uF C19 GND VCC 图 3 14 LM7805 电路图 3 6 2AMS1117 3 3 电路设计 AMS1117 3 3 是一个正向低压降稳压器 为三端可调或固定电压 3 3V 输出 输出 电流为 1A 线路调整率 0 2 最大 负载调整率 0 4 最大 内部集成过热保 护和限流电路 是电池供电和便携式计算机的最佳选择 AMS1117 3 3 模块的实物图 和电路图如图 3 15 所示 GND 1 Vout 2 Vin 3 AMS1117 10uF C9 GND 10uF C10 3 3VVin 图 3 15 AMS1117 3 3 模块 河南理工大学毕业设计 论文 说明书 21 3 7 按键电路 音乐播放器部分的按键电路主要是通过单片机控制音乐的下一曲 开始 暂停 电 路也很简单 采用四脚轻触按键 按键电路图如图 3 16 所示 S1 GNDS3 下一曲 暂停 S2开始 图 3 16 按键电路图 3 8 本章小结 本章详细介绍了系统各个功能模块的硬件实现