工程实践与科技创新[2A设计报告

技术文件 完完成成时时间间 2 20 01 11 1 1 11 1 1 16 6 工工程程实实践践与与科科技技创创新新 2 2A A 设设计计报报告告 20112011 秋季 秋季 项项目目名名称称 增增益益可可程程序序控控制制的的放放大大器器电电路路 设设计计小小组组编编号号 设设计计小小组组名名单单 上上海海交交通通大大学学 电电子子信信息息与与电电气气工工程程学学院院 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 地 址 东川路 800 号 邮 编 200240 姓名班级学号具体负责的工作联系方式 邹佳桐F10030255100309750 程序设计 端口设计 协助焊接魏如君F10030255100309743 程序设计 端口设计 协助焊接温雪娇F10030255100309740 报告撰写 电阻选择 协助焊接上海交通大学 电子信息与电气工程学院 地 址 东川路 800 号 邮 编 200240 摘摘 要 要 本报告是科技创新 2 实验课程的实验设计报告 以课程相关资料为背景 详述运算 放大器增益程序控制系统以及函数信号发生器暨电子音乐合成和播放的原理及使用情况 其中包括 主要功能 系统框图 系统硬件以及软件的设计和实现方法 系统的技术指标 调试分析等内容 其中基础部分包括单片机小系统及其设计电路 扩展部分为函数信号发生器暨电子音乐合成和播放 本报告以文字叙述为主 辅以框图 流程图 照片 程序代码等方式 针对用户操作的详细说明 对系统中某几个部分实验细节的深入扩展研究 并附有心得体会和实物照片等等 关键词 关键词 单片机 AT89S52 运算放大器 LM741 开关 CD4066 函数信号发生 音乐发生 ABSTRACT This report is a experiment designing report of the course the Tech Innovation 2 In this report we specifies the principals and the using status of the operational amplifier gain control system which based on the interrelated materials including the SCM system and its designing circuits as the fundamental part and the LCD display moduleas the development part The report also involves the figures flow chart source code debugging and hardware testing process user manual etc Another important content is what we have learned in this experiment KEYWORDS operational amplifier circuits gain controlled by keys seven segment nixie light CD4066 LM741 Single Chip MicroComputer MicroController MCU function generator digital anolog conversion 第 1 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 目目录录 1 概述概述 1 1 1 编写说明 1 1 2 名词定义 1 1 3 缩略语 2 2 系统总体说明系统总体说明 3 2 1 课题任务规定的设计要求 3 2 2 实际完成后的功能 3 2 3 系统的设计原理与分析 4 2 3 1 系统的设计原理和总体结构 4 2 3 2 系统的功能 7 3 系统的硬件结构系统的硬件结构 8 3 1 硬件总体结构 8 3 2 描述 8 3 2 1 功能描述 8 3 2 2 接口定义 9 3 2 3 技术要求 10 3 2 4 实现方式 10 3 3 描述 12 3 3 1 功能描述 12 通过按键选择函数发生和音乐发声 并实现调节音量 频率 切换歌曲和切换波 形等功能 12 3 3 2 接口定义 12 3 3 3 技术要求 13 3 3 4 实现方式 13 4 系统的软件结构系统的软件结构 15 4 1 软件总体结构和功能 15 4 2 重要的全局变量 16 第 2 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 4 3 流程逻辑 17 4 4 描述 18 4 4 1 功能描述 18 4 4 2 输入输出项描述 18 4 4 3 数据结构 19 4 4 4 调用函数说明 19 4 4 5 算法 19 4 5 描述 19 4 5 1 功能描述 19 4 5 2 输入输出项描述 20 4 5 3 数据结构 20 4 5 4 调用函数说明 20 4 5 5 算法 20 4 6 描述 20 4 6 1 功能描述 21 4 6 2 输入输出项描述 21 4 6 3 数据结构 21 4 6 4 调用函数说明 21 4 6 5 算法 21 4 7 描述 22 4 7 1 功能描述 22 4 7 2 输入输出项描述 22 4 7 3 数据结构 22 4 7 4 调用函数说明 22 4 7 5 算法 22 5 系统功能及技术指标测试系统功能及技术指标测试 23 5 1 测试项目 23 5 2 测试的资源 23 5 3 测试方法 23 第 3 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 5 4 测试结果及分析 24 6 致谢致谢 27 7 参考资料参考资料 28 8 附录附录 29 8 1 课程学习心得和建议意见 31 8 2 程序清单 32 第 1 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 1 概述概述 1 11 1 编写说明编写说明 主要内容 主要内容 本实验报告主要阐明了我们小组用单片机进行编程配合模拟电路设计实现电压数字化增益可键 控电路 并实现函数信号发生器暨电子音乐合成和播放的原理及使用情况 报告分为器件原理 系 统框架图设定 软件 硬件两个方面的实现 以及设计 调试和实现过程中碰到的问题的分析和解 决 结果测试 数据处理等等 同时 本报告也写上了一些关于系统的具体说明 调试过程 学习 心得以及致谢 编写目的 编写目的 第一方面 本报告的撰写可以让我们对自己的探索过程做一次很好的回顾和加深理解 有一定 的巩固作用 而且让我们对科技论文的写作方法有了一定的了解 对未来更专业更系统的科技论文 写作奠定了基础 第二方面 向老师展示我组的设计成果 第三方面 有助于读者对单片机控制增 益放大电路以及函数信号发生器暨电子音乐合成和播放的实现有个初步了解 适度对象 适度对象 本文档适于有一定电路分析和程序设计基础 并对单片机技术感兴趣的读者 1 21 2 名词定义名词定义 单片机系统 把中央处理器 存储器 输入输出接口都集成在一块集成电路芯片上 这样的微 型计算机叫做单片机 它的最大优点是体积小 可放在仪表内部 但存储量小 输入输出接口简单 功能较低 可变增益放大器电路 由运算放大器 模拟开关和一些合适阻值的电阻构成基本运算放大电路 再通过单片机控制模拟开关的闭合控制不同阻值的电阻接入 从而改变放大倍数 实现运放增益的 改变 模拟开关 本实验中通过集成模块 CD4066 实现 有四个输入端和四个输出端 另外还有四个 控制端 通过单片机控制四个控制端的电平高低 从而控制相应输入与输出端口间的导通与否 类 似于一般意义上的开关 导通时模拟开关存在一定的内阻 LM741 LM741 是一种应用非常广泛的通用型运算放大器 采用了有源负载 只要两级放大就可以 达到很高的电压增益和很宽的共模及差模输入电压范围 电路采用内部补偿 较简单且不易自激 工作点稳定 使用方便 而且设计了完善的保护电路 不易损坏 可应用于各种数字仪表及工业自 动控制设备中 函数发生器 本文所指的函数发生器是指利用多个间断档的电压 快速变化来产生一段连续的 函数输出 第 2 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 键控 通过 电键 的开闭控制电路工作状态的转换 线性 Vo a Vi 相对于 非线性 Vo Vi 2 中断 Interrupt 机制 处理突发事件 CASE 的方式之一 导通电阻 4066 的开关处于导通状态时 仍然有一定大小的电阻存在 1 31 3 缩略语缩略语 CD4066 quad bilateral switch intended for the transmission or multiplexing of analog or digital signals 一种双向模拟开关 LM741 operational amplifier 集成运算放大器 单片机 Single chip Microcontroller 单片机小系统 Vi 输入电压 Vo 输出电压 数码管 七段显示数码管 D A digital to analog conversion 数模转换 第 3 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 2 系统总体说明系统总体说明 2 12 1 课题任务规定的设计要求课题任务规定的设计要求 基础部分任务 基础部分任务 设计制作一个增益可键控的线性放大器电路 并通过单片机小系统控制其直流 增益等级的变化 具体功能是通过单片机小系统板上提供人机操作界面 使操作者能通过按键输入 控制输入信号增益值的等级并输出信号 同时在数码管上显示出相应的增益倍数 具体指标 注 如下 1 最低增益 绝对值 可以是反向增益 小于 0 15 倍 最高增益 绝对值 大于 1 45 倍 2 放大器的增益至少包括 15 个标准值等级 从 0 1 倍至 1 5 倍 以 0 1 为间隔共 15 种 3 各等级的实际增益值与标准值比较 相对误差应小于 3 且越精确越好 注 放大器测试时 可自行选定作为输入的直流电压值 Ui 推荐使用直流 1 0V 拓展部分任务 拓展部分任务 在基本部分基础上通过编程实现周期性动态连续地改变放大器增益从而使 电路可输出正弦 三角 锯齿 矩形 方波 等数学函数波形和音乐发生 拓展部分的设计要求 在运算放大器的输出端可以输出波形完整的正弦 方波 三角 锯齿等 数学波形 而且能够通过蜂鸣器播放电子音乐 2 22 2 实际完成后的功能实际完成后的功能 基础部分 基础部分 增益可控放大器 用芯片和接线连接成一个增益数字化控制的线性放大器电路 可以通过单片机小系统控制它的 直流信号增益值的改变 具体操作时通过单片机小系统的按键输入 控制放大器增益值的等级 同 时在数码管上显示相应增益值 具体技术指标 1 最小增益为 0 1024 最大增益为 1 4956 2 放大器的增益等级为 15 个等级 从 0 1024 倍到 1 4956 倍 以近似 0 1 为间隔 3 各等级的实际增益值 绝对值 与标准值比较 0 1 倍时误差最大 为 2 42 最小误差为 0 0 符合 3 的精度要求 拓展部分 拓展部分 函数信号发生暨电子音乐合成播放器 在单片机小系统板上利用按键作为人机操作界面 使用者可通过单片机系统上的按键 设置输 出函数类别或者播放电子音乐 波形形状良好 不失真 可调节波的频率变化 从 0 0 到 9 9Hz 变 第 4 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 化 以 0 1Hz 为间隔 音乐发声清晰 音量音色较好 可播放两首音乐 可通过按键调节音量大小 从 0 1 倍到 1 5 倍变化 首先是模式选择 KEY1 KEY2 为增减键 KEY3 为选择键 KEY4 为重置键 返回主菜单键 可实现 6 种模式的转换 1 15 档增益放大器 2 1 正弦波形发生 2 2 三角波发生 2 3 方波发生 2 4 锯齿波发生 3 1 2 电子音乐播放 两首 在增益放大模式下 KEY1 KEY2 KEY3 为增益增减键 KEY4 为重置键 返回主菜单键 操作者能通过按键操作 设置放大器的增益等级 相应的增益在数码管显示 在无操作 1 秒后 将 显示实际增益倍数 KEY1 为加 0 1 KEY2 为减 0 1 波形发生模式下 KEY1 为选择波形键 KEY3 为返回上级键 进入波形选择 并回到模式选择的操作方式 KEY1 KEY2 为频率调整键 KEY4 为重置键 返回主菜单键 操作者通过按键操作 实现波形频率调整 0 0 9 9Hz 和正弦 波 三角波 方波和锯齿波的转换 KEY1 增加频率 KEY2 降低频率 音乐播放模式下 KEY1 KEY2 为音量调整键 KEY3 为返回上级键 进入音乐选择 并回到模式选择的操作方式 KEY4 为重置键 返回主菜单键 2 32 3 系统的设计原理与分析系统的设计原理与分析 2 3 1 系统的设计原理和总体结构 基础部分 基础部分 增益可控放大器 图 2 3 1 1 基础部分反相放大电路原理图 1 第 5 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 设计制作一个可变增益放大电路 通过四路并联电阻的通断 组合出 24 1 即 15 种并联阻值 再利用运算放大器 LM741 产生 15 个档的对应电压 并联电路的开关使用模拟开关 CD4066 可以 方便的通过单片机系统控制其通断来改变反向输入端电阻阻值 最终实现运算发达电路增益的改变 图 2 3 1 2 基础部分系统总体框图 2 图 2 3 1 3 增益控制原理图 2 拓展部分 拓展部分 函数信号发生器暨音乐播放器 第 6 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 2 3 1 4 拓展部分电路原理图 1 3 图 2 3 1 5 拓展部分电路原理图 2 4 在函数发生器功能部分 单片机小系统通过电控制信号控制两片模拟开关 CD4066 不断调整 输出信号的幅度 运算放大电路的输出信号通过两路开关送至示波器 连续地看来在示波器上形成 第 7 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 了光滑的波形输出 在一个周期里以等时间间隔取 128 个点 单片机输出的只是这点上的相对应的 增益倍数 如果取的点足够密 则示波器上显示的波形可以相当光滑 音乐播放功能部分 单片机小系统一方面输出不同频率的高频方波信号 通过分压电路之后再 进入运放电路最终经由扬声器形成不同音高的声音 另一方面 单片机系统同时向数字开关 CD4066 输出控制信号 调整运放电路的输入电阻 从而控制放大倍率 最终体现为声音的强弱 从而实现了音高和音量的双重控制 现了音高和音量的双重控制 系统总体结构图系统总体结构图 图 2 3 1 6 函数信号发生器暨音乐播放器结构图 2 2 3 2 系统的功能 可变增益放大器可变增益放大器 由单片机和放大电路组成 通过按键控制单片机的数字信号输出 并由该 信号控制放大电路的参数变化 使电压增益从 0 1 倍 1 5 倍之间改变 键盘与显示键盘与显示 通过键盘输入使用者所需要的增益数值 用按键 KEY1 和按键 KEY2 控制增益 的倍数 按键 KEY1 为增加 0 1V 按键 KEY2 为减小 0 1V 最小为 0 最大为 1 5 按键 KEY3 为 快速增加 0 1V 按键 KEY4 为回到主菜单 超过此范围的数将被视为非法并将不予读入数据 用后 2 位的数码管显示增益放大倍数 包括一位整数 小数点和一位小数 交互性好 一秒无操作后将 显示实际增益值 第一位为符号位 后三位可显示并精确到两位小数 增益控制增益控制 通过键盘按键的键入调节放大的倍数 主要由单片机实现 系统的硬件结构 函数信号发生器 函数信号发生器 通过软件控制六路信号通过的 D A 转换在放大器的输出端输出正弦 三角 方形 锯齿等四种完整的数学波形 电子音乐合成及播放电子音乐合成及播放 通过增加一路控制信号 由单片机输出频率按曲调变化的方波信号经 过集成放大电路后在输出端驱动一个蜂鸣器 使之产生电子音乐 第 8 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 3 系统的硬件结构系统的硬件结构 3 13 1 硬件总体结构硬件总体结构 硬件总体分为四部分 1 单片机小系统模块 由各种芯片及一些外围电路组成 2 七段数码管 显示部分模块 由四组七段数码管组成 3 按键模块 共有四个按键 它们控制整个系统 提供人机操作界面 4 由模拟开关和运算放大器组成的运算放大电路模块 整个系统的核心部分 由八个模拟开 关 六个电阻 一个运算放大器组成 图 3 1 硬件总体结构的模块划分示意图 3 23 2 描述描述 3 2 1 功能描述 通过程序和按键控制 MCU 串口 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 的高低电平 来控制模拟开关 CD4066 的四路电路的通断 每路引脚分别与运放的四条支路串联 而每路引脚之间则是两两 并联 从而实现单片机小系统对增益实现的控制功能 同时 不同的并联电阻实现 LM741 的可变 增益 增益等级在 0 0 1 5 之间 16 档变化 数码管显示增益的值 CD4066 的功能 它是一个为模拟 数字信号的转换或多路复用设计的四路双向开关 它和 CD4016B 的引脚相兼容 但是拥有一个更低的导通电阻 此外 在整个输入信号范围内 导通电阻 第 9 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 是一个常量 CD4066B 包含四路独立控制的双向开关 一个开关中的 P 型 MOSFET 和 n 型 MOSFET 控 制信号的导通和关断 开关打开时 n 型沟道电位取决于输入电压 开关关闭时 取决于 Vss 这 种结构消除了带输入信号的开关晶体管门限电压的变化 因此 在整个作业信号范围内 要保持导 通电阻为低 与单信道开关相比 其优势包括输入信号峰值摆幅等于整个电源电压加上输入信号范 围内导通阻抗常量 其引脚定义如图 8 LM741 的功能 它是单片高性能内补偿运算放大器 具有较宽的共模电压范围 在使用中不会 出现闩锁现象 可用作积分器 求和放大器及普通反馈放大器 它的特性 1 不需要外部频率补 偿 2 具有短路保护 3 失调电压到零的 4 较宽的共模和差模电压范围 5 功耗低 3 2 2 接口定义 表 1 单片机控制信号管脚与模拟开关控制对应接口 单片机控制信号输出管脚 CD4066 1模拟开关 控制管脚 P1 4Control A P1 5Control B P1 6Control C P1 7Control D 图 3 2 2 1 CD4066 引脚图 5 图 3 2 2 2 LM741 引脚图 6 CD4066 的 VDD接 5V 电压 VSS接地 引脚 2 3 9 10 分别与四个电阻 10K 20K 40K 80K 串连 引脚 1 4 8 11 与 LM741 反相输入端引脚 2 串连 第 10 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 LM741 的 V V 分别接 5V 和 5V 电压 引脚 3 串连平衡电阻 20K 后接地 引脚 2 串联 电阻 8K 后再与引脚 6 相连 引脚 6 即为输出端 接平衡电阻 20K 和电容后再接地 模拟可控开关的四个控制端分别与单片机的 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 相连 四个电阻从小到 大分别为 R1 R2 R3 R4 对应 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 输出端口为运算放大器的 6 号端口 用万用表或示波器来测量输出值 3 2 3 技术要求 CD4066 1 电源供电电压范围为3 15V 本模块为5V 2 抗高频噪声能力为0 45 VDD typ 3 工作温度 40 85 LM741的 1 工作温度为 20 75 2 电源电压不能大于18V 本次给运放提供的电源电压为 5V 总体 1 各等级的实际增益值与标准值比较 误差应小于 3 且越精确越好 2 按键消抖 附加电容法 3 2 4 实现方式 图 3 2 4 增益可控放大电路原理图 2 根据理想放大器的原理 可以得知 U U i i 0 第 11 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 所以 增益放大倍数为 G 其中反相输入端接可变电阻 Rx 反向输入端与输 xi o R R V V 5 出端之间皆负反馈电阻 R5 在下图中 R5假设取为 8 千欧 模拟开关集成块控制的可变电阻模块通过 4066 实现 控制信号对增益的控制是通过改变 Rx 的值实现的 输入不同的控制信号 模拟开关的开合状态不同 即导通电阻的组合状态不同 它们的并联电阻 Rx 也不同 由于并联电路满足 所以当 1 0 1 5 R R 2 0 2 5 R R 时 四个电阻不同并联组合可以实现增益从 0 1 到 1 5 的等差变4 0 3 5 R R 8 0 4 5 R R 化 因此 可以取 R1 80K R2 40K R3 20K R4 10K 4321 11111 RRRRRx 第 12 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 控制信号电阻导通状况 K 等效电阻 K 相应增益 ABCD R1 80 R2 40 R3 20 R4 10 0001 导通 800 1 0010 导通 400 2 0011 导通导通 80 40 26 670 3 0100 导通 200 4 0101 导通导通 80 20 160 5 0110 导通导通 40 20 13 330 6 0111 导通导通导通 80 40 20 11 430 7 1000 导通 100 8 1001 导通导通 80 10 8 890 9 1010 导通导通 40 10 81 0 1011 导通导通导通 80 40 10 7 271 1 1100 导通导通 20 10 6 671 2 1101 导通导通导通 80 20 10 6 151 3 1110 导通导通导通 40 20 10 5 711 4 1111 导通导通导通导通 80 40 20 10 5 3 3 1 5 第 13 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 表 2 增益及其相应控制信号对应表 3 33 3 描述描述 3 3 1 功能描述 通过按键选择函数发生和音乐发声 并实现调节音量 频率 切换歌曲和切换波形等功能 具体功能如下 硬件模块 函数信号发生器与音乐播放器 可以产生基本的数学函数信号 三角波 方波 锯 齿波以及正弦波 并能播放简单的乐曲 同时 通过单片机程序控制函数信号的频率 当进入电子 音乐播放模式时 能自动播放电子音乐卡秋莎 3 3 2 接口定义 函数信号发生器是在基础部分的基础上在反向输入端再并联两个电阻 160K 320K 与单片 机的另外两个控制端相连 其中与 P3 2 P3 3 两个端口相接的两个电阻分别为 R5 R6 其中 R6 最 大 320 K R5 最小 160 K 输出端口仍为运算放大器的 6 号端口 电子音乐合成与播放是在波形发生的基础上再增加一个单片机输出接口 本模块中使用 P3 4 从 单片机中输出频率按曲调变化的方波经共射放大电路后送到运放的 6 号端口 3 3 3 技术要求 单片机能够根据程序输出不同频率的波形 进而通过 CD4066 的调控音量 最后由蜂鸣器发出 音乐 由外加电源 0 5V 提供基准电压 然后通过程序控制 CD4066 对基准电压进行放大缩小 从而实 现不同波形的输出 输出波形要求完整 不失真 并且波形没有 毛刺 按键消抖 焊接良好 线路清晰 没有太多交叉 尽量简洁 3 3 4 实现方式 音乐发声 通过软件控制单片机产生频率按曲调变化的方波信号 原因是方波的傅立叶展开中包含较多的 频率分量 可以使声音更加清晰悦耳 通过共射放大电路及分压后送入放大器 在输出端输出驱动 蜂鸣器发声 第 14 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 图 3 3 4 函数信号发生暨电子音乐合成电路图 4 函数发生 我们在基础部分的基础上在反向输入端再加两个电阻与原来的四个共同构成反向输入端 六个 电阻的比值为 R1 R2 R3 R4 R5 R5 R6 1 2 4 8 16 32 64 他们把个电阻能构成 000000 111111 这些二进制数 所以他们的通断共有 63 种组合 根据公式 1 n f onin i n R Vd V R 其中 0 1 分别表示单片机控制端的高低电平 通过连续输出 1 63 这些电压 进而构成了 n d 正弦 三角 方形 锯齿等波形 但是在信号发生器中 我们并没有将这些电压值都用到 主要原 因是如果全部用会使线条变粗 第 15 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 4 系统的软件结构系统的软件结构 4 14 1 软件总体结构和功能软件总体结构和功能 整个系统的软件体系结构 整个系统的软件体系结构 单片机端的软件主要的架构是取自模板文件 t mini c 和 demo 卡秋莎 c 在此之上根据 任务的需求进行了二次开发 try c 为最终程序 内容包含了基础部分和拓展部分 main 为主程序部分 对各个模 块以及参数的初始化工作 包括单片机系统初始化 中断工作寄存器初始化 定时器工作寄存器初 始化 全局变量赋初值以及串行通信口工作初始化 运行中虽未使用到串行通信口 但本程序无妨 保留 并打开硬件定时器 定时器 0 中断允许 然后进入循环 while 1 在 T0 T0 用以实现 5ms 定时 中断服务程序未被执行的空余时间里 处理机在主循环 while 1 中不断循环 T0 定 时计数器溢出时 可以在 单片机内部 硬件上产生一个 中断 请求信号 当处理机决定响应该 信号时 会首先把当前执行的程序现场参数保护起来 保护现场 然后转向执行该中断的 中断 服务程序 即本程序中的 timer0 函数 由于该服务程序的入口地址是有规定的 所以很容易找 到 当处理机从 中断服务程序 中退出时 会恢复现场 重新继续执行中断前的原程序 所有的主要的任务均在中断服务程序里完成 主程序的循环部分参与完成显示缓存的操作 软件总体结构的框图和功能说明软件总体结构的框图和功能说明 try c 主程序中断服务程序 变量初始化增益控制波形发生音乐播放 正弦波 方波 三角波 锯齿波 主程序循环 数码管缓存 图 4 1 2 软件总体结构框架 总体结构为先进行初始化变量 接着进入主循环 等待定时中断 如果无中断则顺序执行 中 断时根据按键选择模式 模式 1 为可控增益放大电路 模式 2 为函数信号发生器 2 1 为正弦波 2 2 为三角波 2 3 为方波 2 4 为锯齿波 模式 3 为音乐播放模式 第 16 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 4 24 2 重要的全局变量重要的全局变量 1 模式选择及其临时变量 音乐选择 unsigned int mode 0 unsigned int mode tmp 10 unsigned int music 0 2 音乐播放声响控制 unsigned int volume 10 3 时间软件定时器计数 unsigned char clock1s 4 1s 软件定时器溢出标志 bit clock1s flag 5 数码管位驱动和指示灯驱动信号输出缓存 定义了一个可位寻址的变量 unsigned char bdata output sel sbit led 1 output sel 5 sbit led 2 output sel 6 sbit led 3 output sel 7 sbit led 4 output sel 4 6 数码管扫描驱动指针 unsigned char xdata digi scaner 7 计数值十进制表示 unsigned char xdata digi 4 8 计数值缓存 第一列储存理想增益 第二列储存实际增益 unsigned char digi back 4 2 9 按键有效性控制 unsigned int key 1 0 unsigned int key 2 0 unsigned int key 3 0 第 17 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 unsigned int key 4 0 10 按键确认标志 bit key 0 11 变化反馈 用于启动主程序循环内的部分 bit change 0 12 增益倍数变量 分别为当前增益变量和实际增益变量 unsigned char current value 10 unsigned int real value 10 13 主程序用控制变量 unsigned int i main 14 波形信号变量 频率 当前相位 unsigned int frequency 10 unsigned long int pace 1 15 音乐播放变量 分别为音频频率 读谱指针 时间计数 状态标志 unsigned int audio frequency unsigned int audio ptr audio dura bit BZZ flag 4 34 3 流程逻辑流程逻辑 第 18 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 初始化变量 进入主循环 是否中断 否 判断按键 模式 2 函数信号发生器 输出信号 返回 判断按键 否 改变波形 是 模式 1 增益可控放大器 模式 3 音乐播放 按键内容 输出信号 判断按键 否 改变增益 按键内容 中断每 5ms 执行一次 图 4 3 程序流程逻辑 4 44 4 描述描述 4 4 1 功能描述 根据按键对模式变量进行操作 并把模式变量实时显示 当得到按键确认后 根据模式变量选 择模式 并进入第二次选择 以同样的方式选择波形或音乐 4 4 2 输入输出项描述 输入 名称 按键 标识 KEY1 4 类型 sbit 范围 0 1 来源 P1 0 3 输出 输出音乐 判断按键 否 改变音量 按键内容 第 19 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 名称 模式变量 模式临时变量 音乐选择变量 标识 mode mode tmp music 类型 int 范围 篇幅有限 详见程序内容 来源 程序定义 4 4 3 数据结构 篇幅有限 详见程序内容 4 4 4 调用函数说明 1 数码管驱动程序 light 功能 驱动并显示 参数 无 返回值 无 2 7 段数码显示译码 unsigned char NUMTOSEG7 unsigned char DATA 功能 将输入参数 DATA 转化为 7 段译码 参数 DATA 需要显示的数字或符号 返回值 7 段译码结果 4 4 5 算法 按键 1 2 控制变量增减 按键 3 返回上级 按键 4 系统重置 防抖动事例 其中 key 1 为按键时长 if KEY1 0 led 1 0 key 1 key 1 if key 1 30 确认按键有效并执行对应操作 else key 1 0 4 54 5 描述描述 4 5 1 功能描述 可控线性放大电路控制功能 对检测到的按键信号进行相应的操作 实现对增益值变量 current value 的增加和减少的操作 并且通过数码管显示出来 也即由单片机系统上的按键接受信 号 改变增益等级 将其转换成 4 个二进制数 对应 CD4066 1 的四路通断情况 1 表示通路 0 表 第 20 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 示断路 借由串口线输出到 CD4066 1 的控制端 并根据该增益值 通过 7 段数码显示译码 对 数码管控制信号赋值 控制数码管的增益显示 4 5 2 输入输出项描述 输入 名称 按键 标识 KEY1 4 类型 sbit 范围 0 1 来源 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 输出 名称 端口控制 标识 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 类型 sbit 范围 0 1 来源 中断程序输出 SW1 SW2 SW3 SW4 输入从单片机系统上的按键接受到的数据 DATA 输出为控制 CD4066 的二进制信号和对数码 管有实际控制作用的字节变量信号 4 5 3 数据结构 篇幅有限 详见程序内容 4 5 4 调用函数说明 1 数码管驱动程序 同 4 4 4 2 7 段数码显示译码 同 4 4 4 4 5 5 算法 按键 1 2 为慢速调整键 按键 3 为快速调整键 按键 4 为系统重置键 控制端口重要算法 SW1 current value 8 SW2 current value 8 4 SW3 current value 4 2 SW4 current value 2 1 4 64 6 描述描述 第 21 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 4 6 1 功能描述 波形发生时 程序每隔五毫秒进行一次开关中断 进行数据采集 实现 D A 转换 通过将计算 得到的各采样点数值量输出 产生频率可控的波形 4 6 2 输入输出项描述 输入 名称 按键 标识 KEY1 4 类型 sbit 范围 0 1 来源 P1 0 3 输出 名称 端口控制 标识 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 P3 2 P3 3 类型 sbit 范围 0 1 来源 中断程序输出 SW1 6 SW1 6 分别对应电阻 10 千欧 20 千欧 40 千欧 80 千欧 160 千欧 320 千欧 4 6 3 数据结构 篇幅有限 详见程序内容 4 6 4 调用函数说明 1 数码管驱动程序 同 4 4 4 2 7 段数码显示译码 同 4 4 4 3 电阻开关控制函数 setSWs unsigned int x 功能 将输入参数 x 转化为控制信号 参数 x 采样点数值量 返回值 无 4 6 5 算法 按键 1 2 为频率调整键 按键 3 为返回波形选择键 按键 4 为系统重置键 步数计算并转化为控制算法 pace pace frequency 2000 第 22 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 switch mode case 21 setSWs sin data pace SIN T 2000 break case 22 setSWs sqr data pace SQR T 2000 break case 23 setSWs trg data pace TRG T 2000 break case 24 setSWs swt data pace SWT T 2000 break 4 74 7 描述描述 4 7 1 功能描述 通过读取并解析存储好的数组 将其转化为频率变化的方波并将其输出到控制端 4 7 2 输入输出项描述 除了在 4 6 2 里列出的之外 需要用到一下变量 输出 名称 方波输出 蜂鸣器端口控制 标识 BZZ P3 4 buzzer P3 5 类型 sbit 范围 0 1 来源 中断程序输出控制 用于将方波信号输出到蜂鸣器 4 7 3 数据结构 篇幅有限 详见程序内容 4 7 4 调用函数说明 1 数码管驱动程序 同 4 4 4 2 7 段数码显示译码 同 4 4 4 3 电阻开关控制函数 同 4 6 4 用于调节音量 4 7 5 算法 按键 1 2 为音量调整键 按键 3 为返回音乐选择键 按键 4 为系统重置键 算法内容取自示例 demo 卡秋莎 c 第 23 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 5 系统功能及技术指标测试系统功能及技术指标测试 5 15 1 测试项目测试项目 基本部分的测试 1 显示功能 测试运用微动开关改变放大倍数时 数码管是否能正确显示倍数 2 增益放大功能 测量各个增益倍数下的实际输出电压是否正确 用它们与理论值做比较并 计算误差 误差范围应在 3 内 拓展部分的测试 1 测试人机界面 检验功能转换 即 SW1 是否正常 2 波形显示与切换 切换至函数信号发生器时 用示波器观察输出的四种基本波形 要求波 形完整清晰不失真 3 调频 在信号发生器状态下 通过按键的组合 调整波形的频率 并查看波形频率是否可变 4 电子音乐发生器与音量调节 调到拓展部分的音乐发声模式 测试电子音乐的播放 试听 喀秋莎 和另外一首歌曲 要求音色较好 测试按键调整音乐播放的音量 5 25 2 测试的资源测试的资源 直流稳压电源 1 个 用于为单片机小系统提供正常工作的电压及运放的输入电压 V0 数字式万用表 1 个 用于检查输出的准确性 以及为调试提供依据 示波器及专用开路线 用于做扩展部分时的输出察看工具 计算机及数据线 用于编写程序和把程序下载到单片机小系统上 电源连接线 5 35 3 测试方法测试方法 基础部分测试 基础部分测试 将程序下载到单片机小系统中 并在单片机小系统上加 5V 电源使之工作 在板上提供人机操作界面 按键切换到可控增益放大器模式 1 接入输入电压 Vi 0 5V 通过 按键操作 不断改变放大器的增益等级 共 15 个级 并在放大器的输出端用万用表测量输出值 并计算相应的误差 拓展部分测试 拓展部分测试 第 24 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 按键切换到函数信号发生器模式 2 输入电压 输出端接到示波器 在示波器中观察波形其完 整性 检测能否通过 KEY1 KEY2 键调整波形频率 能否通过按键 KEY3 返回上级菜单切换波形 按键切换到电子音乐播放模式 3 去掉输入电压 听是否有 卡秋莎 的音乐及其清晰度 并 检测能否通过 KEY1 KEY2 键调整音量 能否通过 KEY3 键返回上级菜单调整歌曲播放第二首音 乐 图 5 3 1 基础部分增益测试示意图 2 741 信 号 输 入 单片机小系统 控制面板 信 号 输 出 4066 电阻网络 图 5 3 2 系统测试基本连接图 5 45 4 测试结果及分析测试结果及分析 基础部分 基础部分 1 显示功能 测试运用微动开关改变放大倍数时 数码管能正确显示倍数 2 增益放大功能 测量各个增益倍数下的实际输出电压正确 用它们与理论值做比较并计算误 差 误差范围在 2 5 内 达到了实验的要求 表 3 为程序控制增益电路最终测试结果 其中 输入电压和输出电压为测量所得量 实际增益 输出电压 输入电压 相对误差 实际增益 增益设置 增益设置 第 25 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 根据测出的输入电压和输出电压 计算实际增益和相对误差 从而分析试验的准确性 从表 3 中可以看出 所有的数据基本符合要求 但是也存在部分数据稍微偏大的情况 例如 在增 益为 0 1 0 2 0 4 0 6 时 相对误差较大 分别为 2 4194 1 4199 1 3889 1 1111 产生误差的可能原因分析如下 1 该增益情况下所接入的一个电阻不准确 这是最有可能的原因 2 由于电路的焊接对电路的电阻产生了影响 3 开关电阻的引入造成的 影响 4 放大器本身不是理想的 表 3 程序控制增益电路最终测试结果 序列 号 输入电压 V 输出电压 V 显示增益实测增益误差 10 4960 0 0508 0 1 0 1024 2 4194 20 4930 0 1000 0 2 0 2028 1 4199 30 4900 0 1479 0 3 0 3018 0 6122 40 4860 0 1971 0 4 0 4056 1 3889 50 4840 0 2439 0 5 0 5039 0 7851 60 4800 0 2912 0 6 0 6067 1 1111 70 4780 0 3370 0 7 0 7050 0 7173 80 4750 0 3827 0 8 0 8057 0 7105 90 4730 0 4250 0 9 0 8985 0 1644 100 4700 0 4700 1 0 1 0000 0 0000 110 4680 0 5150 1 1 1 1004 0 0389 120 4660 0 5590 1 2 1 1996 0 0358 130 4630 0 6010 1 3 1 2981 0 1495 140 4610 0 6440 1 4 1 3970 0 2169 150 4580 0 6850 1 5 1 4956 0 2911 第 26 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 附 用 Origin 作图分析数据 0 00 20 40 60 81 01 21 41 6 0 0000 0 2000 0 4000 0 6000 0 8000 1 0000 1 2000 1 4000 1 6000 与与与与 与与与与 与与与 与与与与 Y B X Parameter ValueError A 0 B 1 000240 00107 R SD N P 0 99999 0 0037815 0 0001 与与与与与与与与与与与 图 5 4 显示增益与实际增益曲线图 由显示增益与实际增益曲线图可以分析得出 实际增益数据基本符合和显示增益的数值 线性拟合 情况较好 误差较小 均在 3 以内 符合实验要求 拓展部分 拓展部分 函数信号发生器能产生四种波形 正弦波 三角波 方波 锯齿波 且波形完整 连续 没有发 生严重失真 毛刺较少 频率从 0 1Hz 到 9 9Hz 以 0 1Hz 为间隔可变 电子音乐合成 播放的示例音乐 卡秋莎 完整清晰 音色良好 音量可从 0 1 1 5 倍可调 可以 播放第二首音乐 因为前期小组内试测时发现波形的毛刺过于严重 我们在电路中加入了一个电容用于消除抖动 实验证明效果甚佳 第 27 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 6 致谢致谢 本次科创 2 在各位指导老师的耐心指导和我们组三个成员的共同努力下圆满的完成 在此代表 小组的三位成员 感谢学院提供良好的实验场地和实验设备 感谢袁焱老师在每一次讲座中的详细指导与讲解 以及对我们提出的问题的耐心解答 感谢实验室所有的指导老师对本次科创的现场指导及批评指正 感谢实验器材室的老师们在科创过程中的帮助和指导 感谢在实验室一同探讨和学习交流的其他小组的同学 感谢提供参考资料的所有作者们 最后 对以上给与我们指导与帮助的老师和同学再次表示感谢 相信你们的很多帮助也会对我 们今后的学习生活有一定的启发与帮助 谢谢你们 第 28 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 7 参考资料参考资料 1 上海交大电子工程系 工程实践与科技创新 2A 讲座 2 基本部分的任务 放大电路设计 2 袁权等 工程实践与科技创新实验报告 R 2010 3 上海交大电子工程系 工程实践与科技创新 2A 讲座 4 系统调试实例 拓展项目推介 4 上海交大电子工程系 工程实践与科技创新 2A 讲座 6 拓展任务推荐项目的方案提示 5 CD4066 引脚图 6 百度文库 LM741 原理及应用电路 7 马忠梅等 单片机的 C 语言应用程序设计 北京航空航天大学出版社 1998 8 数字电子技术基础 阎石 高等教育出版社 9 模拟电子技术基础 童诗白 高等教育出版社 10 科创资料 运算放大器的使用方法 摘自 OHM 丛书 11 科创资料 CD4066 的使用方法 第 29 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 8 附录附录 整个系统的整体实物照片 基础 拓展 基础部分电路实物照片 第 30 页 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 加入拓展 波形发生器和电子音乐发生 后的电路实物照片 实验所需材料清单实验所需材料清单 基础部分实验所需材料 表 4 基础部分实验材料清单 名称 数量 限额 说明 LM741 1 片单运