【《蓝牙音箱的设计与实现》5400字（论文）】

蓝牙音箱的设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u95301绪论 1255451.1引言 2187121.2蓝牙音箱的发展现状 284822系统方案设计及主控芯片介绍 2812.1系统方案设计 2284912.2主控芯片介绍 3300732.3蓝牙数据传输原理 4162652.3.1蓝牙通信概念 424922.3.2蓝牙呼叫过程 4141892.3.3串口数据通信 5146403硬件电路设计 5174883.1单片机最小系统 579073.3蓝牙音频接收模块 6214413.4液晶显示模块 7322763.5功放模块 982584软件程序设计 1088254.1软件流程 10156194.2系统逻辑代码 11142145测试与分析 1283286总结与展望 1430476参考文献： 14摘要：随着现代社会人们对音乐的热爱，加上无线蓝牙技术和D类功放等技术的日益成熟，无线蓝牙音箱这类产品开始逐渐受到市场的追捧。故本文提出了一种基于AT89C51单片机的无线蓝牙音箱方案，它能够由普通锂电池或5V电源供电，并与智能产品的蓝牙连接，通过高效率的D类功放播放更加洪亮的音乐。本设计的硬件部分主要包括单片机最小系统模块、时钟电路模块、蓝牙音频接收模块、液晶显示模块、D类功放模块等。软件部分主要介绍了软件的主要流程和主要的逻辑代码。该方案的好处是能够不受普通有线音频产品的线路和场所束缚，满足演讲、户外演出等场合要求，可极大改善用户的听觉体验。关键词：蓝牙技术；蓝牙音箱；单片机；D类功放1绪论1.1引言随着科学技术的进步和社会的发展，人类所接触到的信息越来越多也越来越复杂。面对大量的信息，人们能够使用计算机和其他工具来有效和准确地处理这些信息。但是，为了迅速且清楚地向别人传达所处理的信息，我们必须寻找更好的显示技术来实现这一点。单片机技术和液晶显示技术的结合，使信息的传输和交换向着智能可视化的方向迅速发展。随着21世纪新兴科技的发展，人们对精神和物质上的追求也越来越高。一个便携的蓝牙音箱可以带给更好的精神体验，和极致的听觉盛宴。以往的音乐播放器尺寸较大，而且大多是卡片式的，无法随心所欲地播放音乐。本文设计的蓝牙音箱是以单片机为核心的可蓝牙连接的音箱，不但便携，效果还很好，只需用手机的蓝牙直接音箱就可以播放音乐，使用方便，也更有商业价值。1.2蓝牙音箱的发展现状2016年蓝牙联盟提出了全新的蓝牙5.0技术标准，新的蓝牙5.0针对低功耗设备性能有大幅提高和优化，有效工作距离可达300米，比上一版本的4.2高出5倍左右[1]。目前，一些户外演出、演讲等所用到的音箱都是有线模式，大多是单音箱，需要牵引较长的供电线路，且声音由前到后不均匀，不够便利，限制了音箱的使用场合，蓝牙5.0技术的出现，解决了这一问题。正因如此，品质卓越而价格低廉的蓝牙音箱将会是未来音频市场的追求，音频市场也将将会是数字音箱的天下。与此同时，物联网相关产业飞速发展，万物皆可联网。智能蓝牙音箱在其中起到了很好的桥梁作用。例如小米的智能家居就是围绕着小米音箱等设备来实现的。通过语音控制小米音箱即可实时控制各种家具电器。可以预见，未来的智能蓝牙音箱将会有更快的响应速度，更智能的理解能力，更大的发展潜力。2系统方案设计及主控芯片介绍2.1系统方案设计为了解决音箱体积庞大，线路复杂等问题，本文提出来一种蓝牙音箱的可行方案，根据现有的相关技术和实验材料提出的一款基于AT89C51单片机而设计的蓝牙音箱。蓝牙音箱的主体分为单片机模块、显示屏模块、蓝牙模块、功放模块以及电源五大类，系统整体结构如图1所示。图1总体设计方框图设计的整体是又主要分两大块，一是单片机的最小系统和LCD1602显示屏之间的通信组成屏幕显示功能；二是蓝牙模块和功放模块包括喇叭组成的音乐播放功能；（1）音量按键蓝牙音箱设计有两颗按键，左边为音量-1，右边为音量加1；等待按键扫描时有触发；（2）单片机系统包含软件运行程序，按键触发后，把数据传输给LED1602显示屏，可视化地观测数值变化；LCE1602显示屏第一行固定显示Bluetoothplayer，第二行读取单片机写入的音量数值；（3）蓝牙模块本设计采用一块m18蓝牙接收器，收到手机蓝牙传来的音乐数据，进行解码，再传给功放模块；（4）功放模块功放使用迷你D类功放板，可以左右声道各3W的输出功率；2.2主控芯片介绍在蓝牙音箱的主控芯片选择上还是选择了最为熟悉且成本低的AT89C51芯片，\o"at89c51供应商/pdf中文资料"AT89C51是一种带4Kbytes闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位的\o"单片机供应商"单片机[2]。一般AT89C51单片机的EEPROM能够反复擦除100次左右。该可擦除只读存储器采用了ATMEL公司的高密度、非易失存储器制造的技术，兼容了工业标准的MCS-51指令系统，同时还与输出管脚相兼容。单片机内部拥有多功能8位中央处理器再加上闪烁存储器组合在一起，ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器[2]。单片机引脚图如下图所示:图2STC89C51单片机引脚图2.3蓝牙数据传输原理2.3.1蓝牙通信概念蓝牙通信主要是指两个无线蓝牙设备之间建立连接，两个设备分别是主从关系。对于主从关系，一个模块只能是其中之一，但可以自由切换主从模式。本文手机的蓝牙为主设备，能够主动搜索其他蓝牙设备并积极建立连接；蓝牙音箱的蓝牙接收模块为从设备，只能一直监听和等待别的设备的主动连接。2.3.2蓝牙呼叫过程1.由手机蓝牙主设备发起呼叫；2.主设备主动搜索并找到其他蓝牙设备；3.与从蓝牙设备配对，有的从设备需要输入PIN码，本文使用的从设备不需要；4.当配对成功后，从设备将主设备记录为信任，下一次主设备发起呼叫时就不需要重新配对；5.之后连接成功建立，主设备和从设备即可进行双向的数据通信；2.3.3串口数据通信蓝牙设备之间的数据传输主要是一对一的串口通信。在蓝牙设备出厂前都会预先设置两个蓝牙设备的匹配信息，如PIN码等，两个蓝牙设备无需任何外部电路的情况下，自动设置连接和串口数据的通信。蓝牙设备一般使用串口通信，比特率默认为115200；串口通信是串口按bit发送和接收字节数据，基本传输如下图示： 图3串口通信3硬件电路设计3.1单片机最小系统单片机的最小系统是单片机案例必不可少的部分之一。除了包括最主要的的芯片之外，还包括系统必需的时钟、电源、复位等部分，共同组成使单片机能正常运行的最少部件系统。电源、时钟等电路也是使单片机能够运行的必要条件，本文使用外接时钟电路的方式，要XTAL1接单片机19引脚，XTAL2脚接单片机18引脚，晶振的频率选择12MHz，C3和C4两个微调电容取22pF；本设计将会以最小系统作为蓝牙音箱显示功能部分的核心，通过增加LED1602显示屏、蓝牙芯片、迷你D类功放板等，使在一起共同完成蓝牙音箱的设计与实现。最小系统组成如下图所示：图4单片机最小系统3.3蓝牙音频接收模块本设计使用的蓝牙音频接收器是MH-M18蓝牙芯片，该芯片为贴片式设计，体积小，且满足需求。可应对低功耗的蓝牙设计方案，该芯片还支持蓝牙4.2的传输，默认5V电压供电或者3.7V锂电池供电，双声道立体无损播放，还支持WAV/WMA/FLAC/APE/MP3无损解码。当蓝牙模块通电后，可通过手机蓝牙可搜索到蓝牙MH-M18，连接后就能播放音乐；模块具有一个蓝色指示灯，蓝当牙未连接时，指示灯快闪；当蓝牙连接上时，指示灯常亮；当蓝牙在播放时，指示灯慢闪。图5MH-M18蓝牙芯片图6MH-M18蓝牙芯片引脚功能图该蓝牙模块有6个引脚，对应6项功能，小巧而功能强大。Key引脚：进入蓝牙模块的AT模式，连接不同的电阻和按键可实现音量减小、增加、暂停/播放、模块部分电源的开关；MUTE引脚：模块无声时MUTE输出3.3V高电平，播放音乐时输出低电平；3、4引脚分别接电源正极和地；具有断电音量保护功能：模块默认上电100%音量。按键可控制音量的增减，如果小于15%,则再次上电音量为15%,如果大于15%，则上电后保持原来不变。图7M18蓝牙芯片功能实现连接图3.4液晶显示模块本设计使用的是LCD1602液晶显示屏，LCD1602是一种可显示数字、字母、特殊符号等点阵式LCD屏幕，其1602是指LCD显示屏共可以显示两行，每行有16个字符（1个汉字占用2个字符）。LCD1602引脚主要有逻辑电源引脚VDD，VSS；偏压信号引脚VL；数据引脚D0-D7、RS、R/W、EN；背光带电源引脚BLA，BLK；其中：1.VL引脚：主要为LCD显示屏对比度的调整端，接电源正极时对比度最小，字比较看不清，接地时对比度最大，对比度过高时会产生奇怪符号，在本文设计中采用外接一个1k电阻作为对比度电阻；2.RS引脚：RS控制寄存器在不同电平时选择相应的寄存器，当处于高电平时就选择数据寄存器，当处于低电平时就选择指令寄存器；3.EN引脚：E端为液晶显示屏的使能端，如果E端从高电平到低电平，液晶显示屏模块就会执行相应的命令。LCD1602显示屏与单片机连接如下图示：图8LCD1602显示屏与单片机连接图对于一块LCD1602液晶显示屏主要是通过只需要实现写数据、写指令、初始化三个控制函数即可实现对LCD1602的控制，如图所示。图9LCD显示屏基本操作3.5功放模块本设计使用PAM8403音频功放板，它是一块输出功率为3W的D类功率放大器，它采用了新型的无耦合输出方式和没有低通滤波电路的方案,使其可直接驱动喇叭直接降低了整个方案的成本，同时也降低了内部空间大小。PAM8403原有频率的各种倍频的有害干扰低，噪声的干扰也比较小。这能得到优质的音质和极好的听觉体验。在外部元器件都一样的情况下，D类的PAM8403功放比一般甲类功放在相同时间内高效不少，这样就相当于变相增加电池的续航能力，是设计各种音频播放设备（如蓝牙音箱）的不二之选[6]。PAM8403的工作电压在2.5V-5.5V，本设计使用手机充电器USB接口的5V电源供电。一个优质喇叭负载一般4Ω，功率在2-8W之间；它的效率可高达90%，在4Ω负载和充电器的5V电源条件下，可提供左右各3W的输出功率。A类、B类等功放的效率只有30%左右，D类功放的90%更受欢迎。图10PAM8403迷你D类数字功放板4软件程序设计4.1软件流程软件流程图如下：软件部分的设计主要是接在单片机P3.2和P3.3引脚的两个音量按键触发，音量的val值发生改变，把具体的val数值存储在一个二维数组eep[2]中，然后传输给LED1602显示屏，变化地显示val的值，例如：按一下第一个减按钮，LED显示屏第二行音量数值会减1；音量的数值上下限在0-15。蓝牙模块和功放模块为另一部分，给蓝牙模块也接上电源供电即可。图11软件流程图4.2系统逻辑代码本文的程序主要使用keil5进行编写。Main函数中，给两个按钮进行定义，初始化LCD显示屏，调用LCD打印、LCD光标坐标、LCD写入数字函数等实现显示屏上Bluetoothplayer和volume字符显示功能；在while循环中，不断检测key1和key2是否被按下，当按键按下后，vol值相应地也在0-15之间改变，把改变的数值存入eep[]数组中，把数据传输LCD1602显示屏，实现了触发按键改变音量的功能。Main函数的主要代码如下：图12主函数代码本文使用的单片机内部不包含EEPROM，但可以通过使用FlashROM模拟EEPROM实现相同的功能；保证了掉电情况下数据不会丢失。EEPROM读写程序如下图所示：图13EEPROM写函数图14EEPROM读函数5测试与分析在准备好成品的所有材料后，根据蓝牙音箱的原理图把各元件连接在一起，用电烙铁焊接在一起，蓝牙音箱的原理图如下所示：图15蓝牙音箱原理图实验成品图如下所示：图16单片机连线图图17蓝牙音箱正面图上电以后，按下电源开关，屏幕、程序初始化，LCD1602显示屏共有两行，每行16个字节，在第一行固定显示字符“bluetoohplayer”，在第二行显示“volume：15”，手机连接蓝牙芯片后，开始播放音乐，通过加减音量按钮对声音进行控制。蓝牙名称为蓝牙芯片名称——MH-M18，并带有记忆功能，当再次上电后，会自动连接之前连接的智能设备，直接播放音乐即可。6总结与展望本文主要是设计一个基于AT89C51的蓝牙音箱方案，实现了通过蓝牙芯片与手机等设备的连接，两个按键能够控制音量等加减，并在LED屏幕上显示的功能。主要做了以下几个方面的工作：实现蓝牙音箱的软件效果，在keil5上主要包括主函数编写，蜂鸣器的效果，LCD11602显示屏上字符的显示效果，编写AT89C51的eeprom读写程序等。在电路板上焊接元器件，进行组装。最终把程序烧录到单片机内部flash中。EEPROM能够长久保存，停电不丢失数据。在焊接电路板的过程中，由于经验不足，遇到了比较多的问题，一开始遇到了屏幕文字显示暗淡，调节对比度电阻无效，最后发现虚焊造成的，还有一颗按键没反应，最终找了好久决定更换一颗才解决问题，也非常感谢老师和同学在这一过程中对我的帮助和建议。实际上本文只完成了最基础的蓝牙音箱设计，现代蓝牙音箱的发展可谓日新月异。比较著名的例子有百度公司的小度智能音箱，还有小米公司的小爱智能音箱，不但可以蓝牙连接，还具备连接WiFi的功能，并增加语音模块进行语音控制。未来已经形成了以智能蓝牙设备为核心的智能家居体系，语音命令智能蓝牙音箱就可以自由调控家里的各种智能电器，如智能窗帘、智能电视、智能冰箱等。以上这些问题都待我后续更加深入的研究和探索。参考文献：王吉健，李曙光.一种蓝牙5.0LECodedPHY的接收电路设计[J].集成电路应用，2019，35（6）：12-13.付琛.低功耗、微型化近距离无线通信模块硬件设计[J].科技信息（学术版），2006，33（12）：21-22.丁益壮，吴佳胜，胡凯.一种具有报警功能的智能室外儿童游泳圈[J].工业控制计算机，2019，