工程實(shí)踐與科技創(chuàng)新2a_第9組_梁詩宇

1、班級學(xué)號具體負(fù)責(zé)的工作聯(lián)系方式梁詩宇f11030245110309713基礎(chǔ)部分、函數(shù)信號發(fā)生器、電子音樂發(fā)生、自動增益和紅外遙控硬件制作以及實(shí)驗(yàn)報告撰成偉f11030215110309627基礎(chǔ)部分、函數(shù)信號發(fā)生器、電子音樂發(fā)生、自動增益和紅外遙控軟件制作以及實(shí)驗(yàn)報告撰貺f11030245110309702實(shí)驗(yàn)報告撰寫摘 要：本設(shè)計包括了msp430實(shí)現(xiàn)的可控增益放大器、信號發(fā)生器暨音樂播放、自動增益、紅外線音量遙控四個模塊。此報告包括了它們主要的功能，系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)硬件以及軟件的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方法，系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)、調(diào)試分析、針對用戶操作的詳細(xì)

2、說明，對系統(tǒng)某幾個部分的深入擴(kuò)展研究，心得體會，問題調(diào)試等。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，可控增益，自動增益，電子音樂，函數(shù)發(fā)生，紅外遙控abstract this design report includes three modules implemented by the msp430the controlled gain zoom device ,the functions signal generators with the music player, the device which can gain automatical transmission and the volume remote c

3、ontrolled by the infrared ray.we describe their main function, system block diagram, system hardware, design and implementation method of software ,technical index of system ,debugging analysis, detailed operations for the users,extended research in other parts of the system ,operating experience ga

4、ined in experiment ,problem detecting and so on .keywords scm, controllable gain, automatic gain, electronic music, function occurs, infrared remote control上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院地 址：東川路800號郵 編：200240目錄1. 概述51.1 編寫說明51.2 名詞定義51.3 縮略語62. 系統(tǒng)總體說明72.1 課題任務(wù)規(guī)定的設(shè)計要求72.1.1 基礎(chǔ)部分：可控增益放大電路72.1.2 拓展部分72.2 實(shí)際完成后的功能82

5、.2.1 基礎(chǔ)部分82.2.2 拓展部分82.3 系統(tǒng)的設(shè)計原理與分析92.3.1 系統(tǒng)的設(shè)計原理和總體結(jié)構(gòu)92.3.2 系統(tǒng)的功能123. 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)133.1 硬件總體結(jié)構(gòu)133.2 描述143.2.1 功能描述143.2.2 接口定義143.3 描述153.3.1 功能描述153.3.2 接口定義153.3.3 技術(shù)要求163.3.4 實(shí)現(xiàn)方式173.4 描述213.4.1 功能描述213.4.2 接口定義213.4.3 實(shí)現(xiàn)方式213.5 描述253.5.1 功能描述253.5.3 技術(shù)要求263.5.4 實(shí)現(xiàn)方法263.6 273.6.1 功能描述273.6.2 接口定義273.

6、6.4 實(shí)現(xiàn)方式284. 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)294.1 軟件總體結(jié)構(gòu)和功能294.1.1 基礎(chǔ)部分+自動增益控制程序304.1.2 基礎(chǔ)部分+函數(shù)發(fā)生器+音樂播放+紅外遙控音量314.2 描述314.2.1 功能描述324.2.2 調(diào)用函數(shù)說明324.2.3 算法334.3 描述334.3.1 功能描述334.3.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)34const unsigned int music_data2344.3.3 調(diào)用函數(shù)說明344.3.4 算法365. 系統(tǒng)功能及技術(shù)指標(biāo)測試395.1 測試項(xiàng)目395.1.1 基本部分的測試395.1.2 拓展部分的測試395.2 測試的資源405.3 測試方法405.3

7、.1 基礎(chǔ)部分測試方法405.3.2 拓展部分測試方法405.4 測試結(jié)果及分析416. 致謝427. 參考資料438. 附錄448.1 實(shí)物照片448.2 課程學(xué)習(xí)心得和建議意見448.3 程序清單468.3.1 基礎(chǔ)部分+自動增益程序468.3.2 函數(shù)信號發(fā)生+電子音樂+紅外音量控制程序60第96頁上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院1. 概述1.1 編寫說明本設(shè)計報告是介紹了這次科技創(chuàng)新的總體設(shè)計和實(shí)現(xiàn)的全過程，并對其中的設(shè)計思想和實(shí)際原理做了詳細(xì)的說明。撰寫本文為了系統(tǒng)地展示本次科技創(chuàng)新的第9小組的設(shè)計全過程，并鍛煉本小組成員在撰寫科技報告的基本能力。本報告具有一定單片機(jī)基礎(chǔ)知識以及

8、電路分析的人及其它科學(xué)愛好者閱讀。1.2 名詞定義單片機(jī)小系統(tǒng)（at89s52）：包括cpu（進(jìn)行運(yùn)算、控制）、ram（數(shù)據(jù)存儲）、rom（程序存儲）、輸入/輸出設(shè)備（串行口、并行輸出口等）的一塊集成電路。單片機(jī)：又稱單片微控制器,，把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。包括cpu（進(jìn)行運(yùn)算、控制）、ram（數(shù)據(jù)存儲）、rom（程序存儲）、輸入/輸出設(shè)備（串行口、并行輸出口等）。cd4066：是一個為模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換或多路復(fù)用設(shè)計的四路雙向開關(guān). 它和cd4016b的引腳相兼容,但是擁有一個更低的導(dǎo)通電阻. 此外, 在整個輸入信號范圍內(nèi), 導(dǎo)通電阻是一個常量。可變增益放大器電路：增益可以調(diào)節(jié)的

9、放大器電路。本實(shí)驗(yàn)通過單片機(jī)，控制電路中一些開關(guān)的開合，改變電路的某些參數(shù)來控制和改變放大器的電壓增益。增益范圍為0.1到1.5。檢波: 將正弦波形變換為直流的電路，本實(shí)驗(yàn)中采用峰值檢波，即獲得的是正弦輸入波的峰值電壓。輸入輸出口（i/o）：單片機(jī)輸出線的一些特定的可用于電平信號輸入輸出的接口，本報告中主要指p1與p2的某些端口。函數(shù)信號發(fā)生器：信號發(fā)生器是利用可控增益運(yùn)算放大電路，每隔5 ms 對輸入電壓進(jìn)行采樣，通過單片機(jī)來控制電路中的7個開關(guān)，形成各種幅值的電壓，從而形成各種各樣的波形。電子音樂播放器：通過調(diào)節(jié)蜂鳴器路端電壓頻率和有效值來發(fā)出特定音頻音量的音樂的器件。發(fā)光二極管：由數(shù)層參

10、雜半導(dǎo)體材料制成，分別帶有過量電子及空穴，當(dāng)電流通過時，電子和空穴互相結(jié)合并放出能量，從而幅射出光芒。紅外通信：紅外通信就是對二進(jìn)制數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)，以便利用紅外信道進(jìn)行傳輸；紅外通信接口就是針對紅外信道的調(diào)制解調(diào)器。1.3 縮略語scm: single chip micyoco 單片機(jī) pld: programmed logical divce 可編程邏輯控件data sheet & manual 數(shù)據(jù)手冊ic: integrated circuit 集成電路4066：cd4006bc芯片，實(shí)現(xiàn)模擬開關(guān)功能2. 系統(tǒng)總體說明2.1 課題任務(wù)規(guī)定的設(shè)計要求 2.1.1 基礎(chǔ)部分 設(shè)計制作

11、一個增益可控的放大器電路，并通過單片機(jī)小系統(tǒng)控制其直流增益等級的變化。在給定的單片機(jī)小系統(tǒng)板上提供人機(jī)操作界面，使操作者能通過按鍵操作，設(shè)置放大器的增益等級，相應(yīng)的增益值在數(shù)碼管上顯示。具體指標(biāo)如下：（1） 最低增益小于0.15倍；最高增益大于1.45倍；（2） 放大器的增益最少包括15個標(biāo)準(zhǔn)值等級：從0.1倍到1.5倍，以0.1間隔共15種；（3） 各等級的實(shí)際增益值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，誤差小于3%，且越精確越好。即其中vi為各級實(shí)測電壓，vk為各級標(biāo)準(zhǔn)電壓。2.1.2 拓展部分2.1.2.1 自動增益調(diào)節(jié)電路通過隨輸入波幅度變化自動更改增益等級，限制輸出的幅度，使其保持在一定的范圍內(nèi)。設(shè)計制作一

12、個紅外線遙控音量放大電路，用紅外方式來遙控對音頻輸入信號的放大倍數(shù)，并輸出至耳機(jī)，在自己設(shè)計的紅外操作面板上提供人機(jī)界面，使操作者能通過按鍵操作，設(shè)置紅外放大的增益等級，相應(yīng)的增益值顯示在數(shù)碼管上。并且能在耳機(jī)端得到清楚的音頻輸出，并使所設(shè)計的電路對音量有較為明顯的控制效果。2.1.2.2 函數(shù)信號發(fā)生器暨電子音樂合成和播放設(shè)計制作函數(shù)信號發(fā)生和電子音樂合成系統(tǒng)，電路可輸出正弦、三角、鋸齒、方波等數(shù)學(xué)函數(shù)波形，可以調(diào)節(jié)幅度和頻率。可以在揚(yáng)聲器輸出端播放給定的音樂卡秋莎以及我們小組自己的音樂葫蘆娃和天空之城。2.1.2.3 紅外遙控音量放大電路設(shè)計制作一個紅外線遙控音量放大電路，用紅外方式來遙控

13、對音頻輸入信號的放大倍數(shù)，并輸出至耳機(jī)，在自己設(shè)計的紅外操作面板上提供人機(jī)界面，使操作者能通過按鍵操作，設(shè)置紅外放大的增益等級，相應(yīng)的增益值顯示在數(shù)碼管上。并且能在耳機(jī)端得到清楚的音頻輸出，并使所設(shè)計的電路對音量有較為明顯的控制效果。2.2 實(shí)際完成后的功能2.2.1 基礎(chǔ)部分實(shí)現(xiàn)了可控增益的功能，放大器的增益包括15個等級，以0.1為間隔從0.1至1.5倍；實(shí)現(xiàn)了人機(jī)操作界面，通過中間2個按鍵來選擇0.1到1.5這15個增益等級，最后一個按鍵直接切到1.0 。各等級下增益值的相對誤差小于3%2.2.2 拓展部分函數(shù)信號發(fā)生部分通過單片機(jī)按鍵控制可實(shí)現(xiàn)方波、三角波、正弦波、鋸齒波的輸出，可通過

14、按鍵2循環(huán)選擇波形種類，并可以通過按鍵3，4的組對輸出波形進(jìn)行三檔不同頻率的調(diào)制以及三檔不同幅度的調(diào)制。最終能夠在示波器上顯示出清晰的，精確，光滑的波形。電子音樂合成部分可通過按鍵1實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)“葫蘆娃”、“喀秋莎”、“天空之城”三首歌曲的播放，并通過按鍵3，4 實(shí)現(xiàn)3檔控制音量。自動增益部分可實(shí)現(xiàn)：當(dāng)輸入電壓ui的峰峰值upp小于0.2v時，輸出電壓u0=1.5upp；當(dāng)輸入電壓0.45vupp0.3v時，輸出電壓u0=upp（1.01.5）；當(dāng)1.9vupp0.45v時，輸出電壓u0=upp；當(dāng)輸入電壓 upp1.9v 時，輸出電壓u0=upp（0.11.0），使得輸出電壓小于1.9v，但

15、此時電壓大于0.45v。使得在示波器上輸出隨著輸入信號的增大而連續(xù)的變化，并在upp=0.3v，0.45v，1.9v三點(diǎn)處分段連續(xù)。紅外遙控部分可實(shí)現(xiàn)：當(dāng)對紅外線發(fā)射板上的音量增大，減小鍵的按壓，可實(shí)現(xiàn)耳機(jī)中音樂聲音的增大和減小。通過運(yùn)用運(yùn)算放大器的特性使得遙控的靈敏度不會隨外界陽光，室內(nèi)日光燈的光強(qiáng)的改變而驟然下降，也不會隨發(fā)生器和接受器之間阻隔雜物而驟然下降，使得遙控裝置抗干擾強(qiáng)，靈敏度高。2.3 系統(tǒng)的設(shè)計原理與分析2.3.1 系統(tǒng)的設(shè)計原理和總體結(jié)構(gòu)2.3.1.1 基礎(chǔ)部分 本系統(tǒng)是由單片機(jī)控制的增益可控放大器系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶的按鍵輸入，通過單片機(jī)的處理，分別輸出到數(shù)碼管與液晶顯示模

16、塊，以顯示相應(yīng)的增益等級，并輸出信號來控制增益放大器電路模塊，實(shí)現(xiàn)0.1倍道1.5倍，共15個增益等級的電壓輸出。由單片機(jī)控制增益的變化，信號源的輸入信號是0.6v，頻率為600hz的交流電壓源vi，通過msp430輸出控制信號控制數(shù)字開關(guān)cd4066，控制4個開關(guān)的痛斷，形成反響放大電路的輸入電阻的16種不同的阻值，從而使運(yùn)算放大電路的增益分別達(dá)到0.0，0.1，0.21.5倍。最后通過萬用表測量輸出信號。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可由2-1表示，其中控制電阻通斷的電路可由圖2-2簡易表示。圖2-1 基礎(chǔ)部分結(jié)構(gòu)圖圖2-2 增益控制原理圖2.3.1.2 自動增益本拓展部分將基礎(chǔ)部分的輸出端所輸出的交流電

17、壓通過檢波二極管，電阻，電容所組成的檢波電路，使得交流信號變?yōu)榉递^小的直流信號。并用運(yùn)算放大器將獲得的直流信號與預(yù)訂的兩個閾值電壓做比較，從而在運(yùn)算放大器的輸出端輸出3.3v或0v的電壓，此時所對應(yīng)的數(shù)字信號即為1和0。繼而，將該數(shù)字信號返回單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)外電路所反饋的1，0組合實(shí)現(xiàn)對模擬開關(guān)即cd4066的合理的控制。并通過多次循環(huán)使輸出電壓升高或降至合理的電壓范圍內(nèi)。參數(shù)控制信號 運(yùn)算放大器多路開關(guān)單片機(jī)數(shù)字信號交流信號雙運(yùn)算放大器比較電路檢波電路直流信號圖2-3自動增益部分結(jié)構(gòu)圖2.3.1.3 函數(shù)信號發(fā)生器和電子音樂合成播放在基礎(chǔ)部分的基礎(chǔ)上將兩塊cd4066并聯(lián)，在運(yùn)放的反向

18、輸入端在加2檔電阻，同時增加單片機(jī)的控制線，由另一片cd4066四個中的兩個模擬開關(guān)控制，來產(chǎn)生26 -163種阻值，再通過運(yùn)放電路放大，產(chǎn)生近似的連續(xù)電壓。利用單片機(jī)小系統(tǒng)周期性動態(tài)連續(xù)地改變放大器增益，可在輸出端看到由正弦波外包絡(luò)線所組成的正弦波，方波，三角波以及鋸齒波。通過對方波進(jìn)行有規(guī)律的調(diào)幅以及調(diào)頻，則可以合成電子音樂并通過揚(yáng)聲器播放。交流信號源單片機(jī)交流信號輸入控制信號波形輸出參數(shù)示波器運(yùn)算放大器多路開關(guān) 圖2-4函數(shù)信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)音樂信號控制信號音樂信號輸出參數(shù)揚(yáng)聲器運(yùn)算放大器多路開關(guān) 圖2-5 電子音樂合成與播放器結(jié)構(gòu)圖2.3.1.4 紅外遙控音量放大電路 在基礎(chǔ)部分的

19、可控增益放大電路和電子音樂合成和播放拓展部分的基礎(chǔ)上，再增加紅外發(fā)射和紅外接收兩個部分即可實(shí)現(xiàn)紅外遙控音量的目的。通過紅外發(fā)射部分的按鍵可以使得紅外二極管發(fā)射兩種不同寬度的光脈沖，紅外接收部分的紅外二極管通過接收光脈沖而改變二極管兩端的電壓，通過與運(yùn)算放大器所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓比較，則可將一定寬度的光脈沖轉(zhuǎn)換為一定寬度的數(shù)字信號。將該數(shù)字信號反饋回單片機(jī)，單片機(jī)接收脈沖后，通過判斷脈沖延遲的時間確定增減可控增益部分的輸入電阻的阻值，從而實(shí)現(xiàn)對音量大小的調(diào)節(jié)。紅外發(fā)射部分電壓信號光脈沖紅外接收部分紅外二極管按鍵紅外二極管 比較電壓運(yùn)算放大器數(shù)字信號音樂播放部分單片機(jī)音樂信號 控制信號耳機(jī)音樂信號輸出

20、運(yùn)算放大器參數(shù)多路開關(guān) 圖2-6 紅外遙控音量調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)圖2.3.2 系統(tǒng)的功能 鍵盤與顯示：基礎(chǔ)部分4鍵控制，拓展部分4鍵控制，7段數(shù)碼管顯示增益幅度，波形種類，頻率，當(dāng)前調(diào)節(jié)模式等多種信息?？煽卦鲆娣糯笃鳎涸鲆娲笮?.1倍至1.5倍，以0.1為間隔共15檔，每檔增益誤差均在3%的范圍內(nèi)。自動增益：可接收外部電路反饋的數(shù)字信號，從而可確定電壓改變的方向，通過自動循環(huán)可逐漸將電壓改變至可接受的范圍內(nèi)。 函數(shù)信號發(fā)生器：通過軟件控制六路信號通過的d/a轉(zhuǎn)換在放大器的輸出端輸出外包絡(luò)線為正弦，三角，方波，鋸齒等四種完整的數(shù)學(xué)波形。通過按鍵選擇所要顯示的波形，連接到示波器后，示波器屏幕上會顯示該

21、波形，同時在七段數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的字符，如“1”代表方波，“2”代表三角波，“3”代表正弦波，“4”代表鋸齒波。同樣通過按鍵，可以進(jìn)行三檔不同頻率的調(diào)制以及三種不同幅度的調(diào)制。電子音樂合成及播放：通過增加一個多路開關(guān)，使得增益檔數(shù)成幾何數(shù)增長。使得由單片機(jī)輸出頻率按曲調(diào)變化的方波信號經(jīng)過集成放大電路后在輸出端驅(qū)動一個蜂鳴器，并產(chǎn)生電子音樂。通過單片機(jī)上的按鍵，可以播放“喀秋莎”，“葫蘆娃”，“天空之城”三首不同的歌曲，與此同時，可以通過按鍵對歌曲的音量大小實(shí)現(xiàn)三檔改變。紅外遙控：通過按壓紅外發(fā)射板上的按鍵，可以實(shí)現(xiàn)對電子音樂合成與播放部分所播放的電子音樂的音量大小逐級增大或減小的功能。并且遙控

22、效果不隨距離或中間的間隔物的影響而大幅下降。3. 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)3.1 硬件總體結(jié)構(gòu)紅外控制電路cd4066cd4066msp430音樂合成電路函數(shù)發(fā)生電路基礎(chǔ)放大電路音樂播放波形輸出增益輸出 圖3-1硬件總體結(jié)構(gòu)圖硬件總體分為六部分：1單片機(jī)小系統(tǒng)模塊 2基礎(chǔ)部分增益模塊 3函數(shù)發(fā)生模塊 4音樂發(fā)生模塊 5紅外遙控模塊表3-1 硬件總體模塊列表單片機(jī)小系統(tǒng)模塊用于信號接收與處理，含單片機(jī)等芯片和電路基礎(chǔ)增益模塊實(shí)現(xiàn)放大功能的主要模塊，由模擬開關(guān)，電阻，運(yùn)算放大器組成，從單片機(jī)系統(tǒng)接受信號。紅外遙控模塊基礎(chǔ)增益的拓展模塊，含基礎(chǔ)電路，紅外線發(fā)生器和接受器，將信號通過紅外線傳給單片機(jī)系統(tǒng)函數(shù)信號

23、發(fā)生模塊基礎(chǔ)部分，再加兩個電阻和一塊cd4066開關(guān)組成音樂發(fā)生模塊由函數(shù)發(fā)生模塊再加一蜂鳴器組成3.2 描述3.2.1 功能描述可由系統(tǒng)本身的按鍵產(chǎn)生增益控制信號。并將正確的響應(yīng)經(jīng)i/o接口輸出至外電路。由i/o接口注3接收增益控制信號 ，并將正確的響應(yīng)再經(jīng)i /o接口輸出至外電路。所對應(yīng)的增益放大倍數(shù)可顯示在系統(tǒng)的七段數(shù)碼管上。注3：i/o口：四個8位并行i/o口，既可用作輸入，也可用作輸出；3.2.2 接口定義p1p2：通用i/o口；vcc：電源端，一般接3.3v；gnd：電源地；xtal1，xtal2：外接晶體振蕩器，不能超過24m；需加微調(diào)電容，一般為30pf；rst/vpd：復(fù)位端

24、，平時為低電平；ale/prog：地址鎖存允許信號端；ea/vpp：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端； 圖3-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖43.3 增益可控放大電路3.3.1 功能描述由cd4066數(shù)字模擬多路開關(guān)控制，tlv2372運(yùn)算放大電路控制，線性放大輸入的交流電壓。具體功能如下：（1） cd4066數(shù)字開關(guān)：控制10k,20k,40k,80k,4檔電阻的接入。（2） tlv2372運(yùn)算放大器：通過利用其“虛短”，“虛斷”的性質(zhì)，構(gòu)造反響放大電路實(shí)現(xiàn)對輸入的交流電壓的放大。3.3.2 接口定義3.3.2.1 cd4066數(shù)字多路開關(guān)cd4066共14個管腳。2個管腳接3.3v電

25、源以供電，12個管腳控制4個獨(dú)立開關(guān)。如圖7所示。圖3-3 cd4066管腳定義和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)57，14號管腳：集成電路供電端，14號管腳接3.3v電壓；7號管腳接地。1，2，13號管腳：控制開關(guān)a，在本電路中控制電阻r1=10k。其中，1號，2號管腳為開關(guān)輸入、輸出端，13為控制端，接單片機(jī)p1.5口。3，4，5號管腳：控制開關(guān)b，在本電路中控制電阻r2=20k。其中，3號，4號管腳為開關(guān)輸入、輸出端，5為控制端，接單片機(jī)p1.4口。6，8，9號管腳：控制開關(guān)c，在本電路中控制電阻r3=40k。其中，8號，9號管腳為開關(guān)輸入、輸出端，6為控制端，接單片機(jī)p1.7口。10，11，12號管腳：控

26、制開關(guān)d，在本電路中控制電阻r4=80k。其中，10號，11號管腳為開關(guān)輸入、輸出端，12為控制端，接單片機(jī)p1.6口。3.3.2.2 tlv2372運(yùn)算放大器tlv2372共八個引腳，其中兩個引腳接3.3v外接電源，另外六個引腳組成2個獨(dú)立的運(yùn)算放大器。圖3-4 tlv管腳定義和內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)58號引腳接3.3v的正電源，4號引腳接地，此兩個引腳為運(yùn)算放大器提供電源。3號引腳接1.65v直流電壓，用以抬升輸出波形。2號引腳需接輸出端以及反向放大電路中的輸入電阻。1號引腳需接輸出端，此引腳對地電壓即為反向放大電路的輸出電壓。3.3.3 技術(shù)要求模塊整體的相關(guān)技術(shù)要求：焊接良好，線路清晰，表面走線

27、較少，背面走線較多。沒有太多交叉，十分簡潔明了人機(jī)界面友好，按鍵消抖，輸入電壓：3.3 v放大器的增益至少包括15個標(biāo)準(zhǔn)值等級：從0.1至1.5倍，以0.1為間隔共15種；各等級的實(shí)際增益值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，誤差應(yīng)小于3%，且越精確越好cd4066的相關(guān)技術(shù)要求:電源供電電壓范圍為3-15v，本模塊為3.3v抗高頻噪聲能力為0.45 vdd (typ.) 工作溫度：-40 +85tlv2372的相關(guān)技術(shù)要求為：工作溫度為：-20-75本次給運(yùn)放提供的電源電壓為3.3 v3.3.4 實(shí)現(xiàn)方式如圖3-5所示，基礎(chǔ)部分主要運(yùn)用反向放大電路可鍵控增益功能，其中r3 ,r4 ,r5 ,r6作為反向放大電路的

28、輸入電阻，其組合決定著電路輸出的增益的大小。而其組合由msp430單片機(jī)小系統(tǒng)板通過對cd4066數(shù)字多路開關(guān)的控制而實(shí)現(xiàn)的。下面則詳細(xì)分析，如何運(yùn)用該電路實(shí)現(xiàn)交流電壓的反向放大功能的。圖3-5 可鍵控增益電路電路簡圖將上述原理圖簡化為下圖圖3-6 可鍵控增益電路電路示意圖此時令交流信號源為vi，電阻rl兩端電壓為v0，直流電源為vs，則可列寫以下方程利用上述方程組可變換出關(guān)于uc的一階微分方程利用數(shù)學(xué)分析中一階線性微分方程求解的方法不難解得也即是其中當(dāng)t足夠大時，輸出電壓趨向于穩(wěn)定，也即是其中rf是由4個電阻并聯(lián)而成的，則有 則輸出電壓v0即為 通過v0表達(dá)式我們不難發(fā)現(xiàn)，可以通過利用單片機(jī)

29、控制cd4066多路開關(guān)，從而控制r3,r4,r5,r6電阻的輸入組合，從而得到不同幅度的增益值。綜合考慮后選取r3=80 k, r4=40 k, r5=20 k, r6=10 k, rm=8 k,（此處電阻值均為理論值，實(shí)際上由于生產(chǎn)的電阻都是有固定阻值的，故實(shí)際選取的電阻有些近似） 此時可實(shí)現(xiàn)0.11.5倍的增益。增益等級和各檔阻值如下表3-2此時需指出的是，當(dāng)用直流萬用表測量輸出端的電壓時，仍有1.65v的讀數(shù)，其原因在于vo中不僅包含有直流部分還有交流部分，通過觀察vo(t)的表達(dá)式不難發(fā)現(xiàn)此點(diǎn)。但是在測量增益時，需使用交流電壓表進(jìn)行測量。表3-2 各增益等級所需阻值與4個電阻組合表增

30、益等級各檔的阻值（k）電阻的組合0.180.000r10.240.000r20.326.667r1/r20.420.000r30.516.000r3/r10.613.333r3/r20.711.429r2/r3/r10.810.000r40.98.889r1/r418.000r2/r41.17.273r1/r2/r41.26.667r3/r41.36.154r1/r3/r41.45.714r2/r3/r41.55.333r1/r2/r3/r43.4 紅外遙控電路3.4.1 功能描述（1） 利用按鍵和電路產(chǎn)生兩種不同時長的脈沖信號（2） 紅外發(fā)射二極管輸出紅外光脈沖，與此同時紅外接收二極管接收紅

31、外光脈沖。（3） 紅外二極管將接受的紅外光脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)槎O管兩端跳變的電壓，運(yùn)算放大器將跳變電壓與提前設(shè)定的閾值電壓做比較，并將比較的結(jié)果以數(shù)字信號的方式的輸入至單片機(jī)，從而單片機(jī)控制cd4066數(shù)字多路開關(guān)的接斷，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)電路上輸出電壓增益的變化。3.4.2 接口定義紅外發(fā)射端：音量調(diào)高按鍵和音量調(diào)低按鍵紅外接收端：信號經(jīng)由idc10插座送入單片機(jī)p2.1、p2.4接口3.4.3 實(shí)現(xiàn)方式3.4.3.1 芯片74hc123（1）74hc123由兩個相同單穩(wěn)觸發(fā)器組成，通過與外部rc電路連接，可產(chǎn)生兩種任意不同寬度的脈沖，此兩種脈沖則作為單片機(jī)確認(rèn)執(zhí)行增大或減小功能的依據(jù)。 圖3-7 74h

32、c123內(nèi)部結(jié)構(gòu)7 （2）74hc123管腳定義：管腳14和15、6和7：與外部rc電路相連，從而產(chǎn)生不同時長管腳2和3、10和11：均接vcc管腳1、9：出發(fā)信號輸入端，輸入來自按鍵的脈沖管腳5、13：信號輸出端3.4.3.2 設(shè)計思想與方法紅外遙控調(diào)節(jié)音量大小裝置的總設(shè)計原理簡圖如圖3-8所示，整個紅外遙控裝置分為紅外發(fā)射裝置，紅外接收裝置，以及音樂播放與音量調(diào)整裝置三個主要部分。下面則分開詳盡說明實(shí)現(xiàn)的思想方法以及具體細(xì)節(jié)。圖3-8 紅外遙控模塊原理圖8（1）紅外發(fā)射裝置紅外發(fā)射裝置主要通過兩個按鍵觸發(fā)不同時長的連續(xù)信號，使得紅外二極管發(fā)出相同時長的光脈沖信號。 如圖3-9所示，當(dāng)按鍵j

33、1,j2接通時，r4，c3或者r5，c4所組成的rc串聯(lián)電路將會導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)rc充電電路，選擇不同的r，c的值，將會導(dǎo)致rc充電電路的充電時長有很大的差異。在此，本小組選用r4=3k,c3=1f以及r5=3k,c4=10f。對于r4,c3組，最后實(shí)驗(yàn)測的其產(chǎn)生的脈沖時長為t1=12s，對于r5，c4組，最后實(shí)驗(yàn)測的其產(chǎn)生的脈沖時長為120s。產(chǎn)生的脈沖通過二極管d1,d2所組成或邏輯電路被導(dǎo)入到三極管中。當(dāng)有脈沖產(chǎn)生時，三極管q1被導(dǎo)通，此時紅外二極管的一端接地，此時紅外二極管發(fā)出光脈沖。當(dāng)r6中沒有脈沖經(jīng)過時，三極管保持?jǐn)嚅_狀態(tài)，此時紅外二極管的一端懸空，此時二極管兩端沒有瞬時信號，則紅外二極

34、管不會發(fā)出光脈沖。 圖3-9 紅外遙控發(fā)射端原理圖此時為避免按鍵抖動而產(chǎn)生對電路的影響，則在電路中兩個按鍵開關(guān)上并聯(lián)了兩個電容用作消抖電容，即圖3-9中的c1、c2，此時選取c1=22f,c2=22f。（2）紅外接收電路模塊 如圖3-10所示，當(dāng)接收部分的紅外二極管沒有接收到紅外線時，在實(shí)驗(yàn)室條件下，可以發(fā)現(xiàn)，紅外二極管兩端的電壓幾乎等于直流電壓所提供的電壓，此時所串聯(lián)的電阻上的分壓幾乎為零。此時二極管兩端的電壓大約為3.2v。此時電壓稍大于預(yù)定的閾值電壓（3.1v），則在此條件下運(yùn)算放大器的輸出電壓為3.3v，也即對應(yīng)數(shù)字信號1。紅外發(fā)射裝置中的紅外二極管發(fā)射紅外光脈沖，當(dāng)接收部分的紅外二極

35、管接收到紅外線后，二極管的阻值瞬間將會降低到6k,此時二極管兩端的分壓將會瞬間降低，在實(shí)驗(yàn)中測量大約為2.9v，此時二極管的分壓稍小于閾值電壓，則此時運(yùn)算放大器的輸出端將會輸出暫態(tài)電壓信號0v，也即對應(yīng)數(shù)字信號0。將運(yùn)算放大器的輸出端接入單片機(jī)中，單片機(jī)根據(jù)輸入的信號確定cd4066的開斷。接單片機(jī)圖3-10紅外接收電路圖 （3）音樂播放及耳機(jī)驅(qū)動電路通過使用基礎(chǔ)部分電路以及電子音樂合成部分的電路，通過增加耳機(jī)的驅(qū)動電路，則可以在耳機(jī)中獲得清晰的音樂信號。電子音樂合成部分將在電子音樂合成與播放部分進(jìn)行詳細(xì)的敘述，在這里就不贅述了。阻值由單片機(jī)控制耳機(jī)圖3-11音樂播放及耳機(jī)驅(qū)動電路圖3.5 自

36、動增益模塊電路3.5.1 功能描述自動增益主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)輸入電壓超出閾值電壓的范圍內(nèi)，單片機(jī)根據(jù)外電路所反饋的數(shù)字信號，選擇適當(dāng)?shù)脑鲆娌⒖刂贫嗦烽_關(guān)，將輸入電壓的值控制在閾值電壓的范圍內(nèi)。3.5.2 接口定義這部分主要要求寫接入單片機(jī)的引腳的定義，例如，單片機(jī)上p2.3是用來干什么的，p1.5是用來干什么。 。3.5.3 實(shí)現(xiàn)方法如圖3-12所示，在基礎(chǔ)部分電路的輸出端首先增加了有檢波二極管，一個大電阻和一個大電容所組成的檢波電路。該電路主要實(shí)現(xiàn)對交流信號和直流信號的轉(zhuǎn)化，此時應(yīng)當(dāng)注意的是r1與c3值選擇的不同，該電路將交流信號轉(zhuǎn)換為直流信號的幅值比例也就會隨之改變。并且此時應(yīng)當(dāng)注意到，當(dāng)r1與c

37、3的值越大，檢波電路所輸出的直流信號將會越穩(wěn)定，所以本小組選用阻值為3m的大電阻與0.1f的大電容組成并聯(lián)rc電路。隨后，將檢波電路輸出的直流電壓接入兩片運(yùn)算放大器中，這兩片運(yùn)算放大器主要起電壓比較的功能。注意到這兩片運(yùn)算放大器的正向輸入端均接檢波電路的輸出端，運(yùn)算放圖3-12 自動增益電路圖大器的負(fù)向輸入端接有預(yù)定的閾值電壓。顯然，當(dāng)來自檢波電路的輸出電壓大于高閾值電壓且大于低閾值電壓時，運(yùn)算放大器u2和運(yùn)算放大器u3的輸出端均會輸出3.3v，對應(yīng)的數(shù)字信號為1和1；當(dāng)檢波電路的輸出電壓低于高閾值電壓且高于低閾值電壓是，運(yùn)算放大器u2的輸出端將會輸出0v，運(yùn)算放大器u3的輸出端將會輸出3.3

38、v，此時對應(yīng)的數(shù)字信號為0和1；當(dāng)檢波電路的輸出電壓既低于高閾值電壓且低于低閾值電壓時，運(yùn)算放大器u2和運(yùn)算放大器u3的輸出端均會輸出0v，對應(yīng)的數(shù)字信號為0和0。此時，需要指出的是運(yùn)算放大器u2輸出3.3v，運(yùn)算放大器u3輸出0v的情況是不會出現(xiàn)的，也即是1和0的組合是不會在實(shí)際中出現(xiàn)的。 將兩個運(yùn)算放大器的輸出端接入單片機(jī)中，那么當(dāng)單片機(jī)接收到1，1的數(shù)字信號時，單片將會控制多路開關(guān)，將基礎(chǔ)部分電路的增益值減小0.1。當(dāng)單片機(jī)接收到0，1的數(shù)字信號時，單片機(jī)則控制多路開關(guān)實(shí)行原有的增益值。當(dāng)單片機(jī)接收到0，0的數(shù)字信號時，單片機(jī)將會控制多路開關(guān)，將基礎(chǔ)部分電路的增益值增大0.1。此后，通過

39、迭代的方式，依次此減小或增到增益值，且每次變化的增益值均為0.1，則最終會使輸出電壓的峰峰值落在規(guī)定的范圍內(nèi)。3.6 函數(shù)信號發(fā)生和電子音樂合成與播放3.6.1 功能描述通過單片機(jī)上的按鍵進(jìn)行信號發(fā)生器和電子音樂模塊的切換。進(jìn)入函數(shù)信號發(fā)生器模塊，通過單片機(jī)上的按鍵可以選擇輸出的波形，同時在示波器上可以清楚的看到波形。在本系統(tǒng)中有四種不同的波形可供選擇，如方波，正弦波，三角波以及鋸齒波。通過單片機(jī)上的兩個按鍵還可實(shí)現(xiàn)對輸出波形的幅值調(diào)控以及對輸出波形的頻率的調(diào)控，幅值調(diào)制和頻率調(diào)制在本系統(tǒng)中均為三檔調(diào)制。如果此拓展部分與紅外遙控部分一并使用，則可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通過紅外方式實(shí)現(xiàn)對波形幅值的調(diào)控。進(jìn)入

40、電子音樂模塊，可播放音樂喀秋莎、葫蘆娃、天空之城。本系統(tǒng)默認(rèn)為單曲循環(huán)，即當(dāng)放完第一首歌后，重復(fù)播放第一首歌?？梢酝ㄟ^單片機(jī)上的按鍵對播放的歌曲進(jìn)行選擇，同時，通過單片機(jī)上的按鍵可以對播放的音樂音量大小實(shí)現(xiàn)五檔調(diào)制。此部分建議與紅外遙控部分共同使用，即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離調(diào)制電子音樂的音量的大小。3.6.2 接口定義3.6.3 實(shí)現(xiàn)方式3.6.3.1 函數(shù)信號發(fā)生器：示波器圖3-13函數(shù)信號發(fā)生器電路示意圖如圖3-13所示，j1表示由基礎(chǔ)部分的數(shù)字多路開關(guān)，rf1表示基礎(chǔ)部分接入電路的電阻。j2表示在本拓展項(xiàng)目中新增的一片cd4066多路開關(guān)，而rf2則表示新增的三個電阻中接入電路的等效電阻。本小組選

41、用的六個并聯(lián)電阻的阻值為r1=10k, r2=20k,r3=40k，r4=80k，r5=160k，r6=320k，r7=640k，單片機(jī)通過控制兩片多路開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)128不同的等效阻值。vo的輸出公式為其中rl為圖示電阻，rfk為第k個并聯(lián)的輸入電阻，dk表示第k個電阻是否接入電路，當(dāng)dk=0時，第k個電阻沒有接入電路，當(dāng)dk=1時，第k個電阻接入電路。vi為輸入的交流電壓信號。當(dāng)單片機(jī)通過控制兩片多路開關(guān)改變接入電路的電阻的大小時，輸出的增益值將會立即改變。當(dāng)單片機(jī)等時間間隔的有規(guī)律的改變接入電阻的大小，則可以在示波器上得到幅值有規(guī)律變化的正弦波，如果該規(guī)律進(jìn)行周期性變化，則在示波器上可以清

42、楚的看到輸入的正弦波的外包絡(luò)線呈現(xiàn)出清晰的波形。所以，利用此點(diǎn)特性，當(dāng)增益值隨時間呈線性增大，那么外包絡(luò)線則呈線性變化，則在示波器上可以觀察到三角波。同理，運(yùn)用合理的增益-時間關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)方波，正弦波以及鋸齒波。3.6.3.2 電子音樂合成： 如圖3-14所示，在電子音樂合成電路中電路的信號輸入不再是原有的交流信號源，而是由單片機(jī)輸出的方波信號，此方波信號的頻率是隨著時間變化的，所以該方波信號在本拓展中用作電子音樂的音樂信號。但是眾所都知，音樂的音調(diào)與音量都是變化的，在此音調(diào)的變化是由單片機(jī)輸出的方波頻率而決定。但是，單片機(jī)輸出的方波信號的幅值是不變的，所以仍然不能合成電子音樂，所以信號的幅

43、度此時就可以運(yùn)用基礎(chǔ)部分的放大電路來實(shí)現(xiàn)了。此時音量的變化已用人工轉(zhuǎn)化為了數(shù)字信號了，也即是單片機(jī)可根據(jù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號通過控制兩片多路開關(guān)改變電路輸出的增益值來改變方波的音量，最后即可在揚(yáng)聲器中聽到清晰的音樂聲音。在此需說明的是，由于在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)單片機(jī)發(fā)出的方波可以推動揚(yáng)聲器發(fā)聲，所以本小組在電路中就沒有再添加由三極管組成的放大電路?？刂茊纹瑱C(jī)揚(yáng)聲器圖3-14電子音樂合成與播放電路示意圖4. 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)4.1 軟件總體結(jié)構(gòu)和功能軟件總體分為兩部分：（1）基礎(chǔ)+自動增益，結(jié)構(gòu)見圖4-1。系統(tǒng)初始化按鍵掃描中斷掃描 電壓信號掃描對輸入的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理數(shù)碼管顯示圖1 基礎(chǔ)+自動增益功能：在系

44、統(tǒng)初始化后，若第一位數(shù)碼管對應(yīng)數(shù)字1，則對單片機(jī)上的按鍵進(jìn)行掃描，進(jìn)入基礎(chǔ)模塊模式。若按下第一個按鍵，則第一位數(shù)碼管對應(yīng)數(shù)字2，則進(jìn)入自動增益處理模塊。（2）基礎(chǔ)+音樂合成+信號發(fā)生器+紅外音量遙控，結(jié)構(gòu)見圖19中斷服務(wù)函數(shù)波形輸出系統(tǒng)初始化音樂1/2/3 開中斷按鍵掃描顯示和輸出 圖19基礎(chǔ)+音樂合成+信號發(fā)生器+紅外音量遙控功能：主體結(jié)構(gòu)仍是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)部分信號的增益與輸出顯示。借助中斷實(shí)現(xiàn)對模式變量的反復(fù)檢測。4.1.1 基礎(chǔ)部分+自動增益控制程序4.1.1.1 單片機(jī)按鍵：4.1.1.2p1dir &= bit3; p2dir &= (bit3+bit2+bit0) ; / p1.3、p2

45、.0、p2.2、p2.3這四個引腳設(shè)置為按鍵輸入4.1.1.3 自動增益模塊電壓檢測端口 ：p2dir &= bit1p2dir &= bit4; 4.1.1.4 單片機(jī)對外電路輸出 ：p1dir |= bit4+bit5+bit6+bit7 ; /p1.41.51.61.7設(shè)置為輸出/ 0.8，對應(yīng)于連接10k電阻的開關(guān)，對應(yīng)引腳 p1.5/ 0.4，對應(yīng)于連接20k電阻的開關(guān), 對應(yīng)引腳 p1.4/ 0.2，對應(yīng)于連接40k電阻的開關(guān), 對應(yīng)引腳 p1.7/ 0.1，對應(yīng)于連接80k電阻的開關(guān), 對應(yīng)引腳 p1.64.1.2 基礎(chǔ)部分+函數(shù)發(fā)生器+音樂播放+紅外遙控音量4.1.2.1 模式

46、種類 ：sw0 = 1，代表函數(shù)信號發(fā)生部分，sw0 = 2，代表音樂播放部分sw2 = 1 代表函數(shù)的幅度較大sw2 = 2 代表函數(shù)的幅度最小sw2 = 3 代表函數(shù)的幅度中等sw2 = 4代表函數(shù)調(diào)頻， 變慢sw2 = 5 代表調(diào)頻， 最慢sw3 = 1 代表方波sw3 = 2 代表三角波sw3 = 3 代表正弦波sw3 = 4 代表鋸齒波sw1 = 1 代表播放音樂葫蘆娃sw1 = 2 代表播放音樂喀秋莎sw1 = 3 代表播放音樂天空之城4.1.2.2 單片機(jī)對外電路輸出 p1sel &= (bit4+bit5+bit6+bit7+bit0+bit1); /將p1.0引腳與160千歐

47、電阻相連， 將p1.1引腳與320千歐電阻相連p1dir |= bit4+bit5+bit6+bit7+bit0+bit1; /將各引腳設(shè)置輸出4.2 描述4.2.1 功能描述通過檢測單片機(jī) p2.1 和 p2.4 讀入控制信號。由p1.0、 p1.1、 p1.4、 p1.5、 p1.6、 p1.7口輸出高低電平控制4066的通斷，進(jìn)而控制放大電路的放大倍數(shù)。對鍵盤防抖進(jìn)行掃描（首先檢測按鍵是否被按下，同時設(shè)置一定的按鍵延時以保持按鍵的穩(wěn)定），并順序掃描驅(qū)動數(shù)碼管顯示增益倍數(shù)。4.2.2 調(diào)用函數(shù)說明4.2.2.1 unsigned char numtoseg7(unsigned char d

48、ata)功能：7段數(shù)碼顯示譯碼，data： 需要顯示的數(shù)字或符號4.2.2.2 void display_led(unsigned char seg,unsigned char sel)功能：四位數(shù)碼管及四個led燈驅(qū)動4.2.2.3 void port_init(void) ; 功能：i/o端口初始化4.2.2.4 void timera0_init(void)功能：a0計時器初始化4.2.2.5 _interrupt void timer_a0 (void)功能：a0中斷函數(shù)，其中包括基礎(chǔ)部分和自動增益模式的選擇和二者的具體實(shí)現(xiàn)4.2.2.6 void init_devices(void)

49、功能：所有設(shè)備初始化，包括設(shè)置時鐘，內(nèi)部rc振蕩器，開全局中斷等等 4.2.2.7 void main(void)功能： 設(shè)定循環(huán)，持續(xù)在數(shù)碼管上顯示數(shù)據(jù)4.2.3 算法4.2.3.1 鍵盤掃描和按鍵的消抖中斷程序每隔5ms執(zhí)行一次鍵盤掃描。p2in & bit0、p2in & bit2、p2in & bit3、p1in & bit3的值代表相應(yīng)的端口的高低電平，低電平說明按鍵按下，高電平說明按鍵彈起。當(dāng)檢測到某一鍵按下時，并不馬上響應(yīng)，而是設(shè)定了變量pre1和pre2進(jìn)行檢測，以此實(shí)現(xiàn)消抖功能。4.3 描述4.3.1 功能描述通過單片機(jī)上的按鍵進(jìn)行信號發(fā)生器和電子音樂模塊的切換進(jìn)入函數(shù)信號發(fā)生器模塊，可通過按鍵切換并調(diào)節(jié)幅度和頻率，并在數(shù)碼管上顯示當(dāng)前調(diào)節(jié)模式（幅度、頻率）和對應(yīng)幅值和頻率值。同時示波器上可顯示正弦波，三角波，方波，鋸齒波等，可以通過按鍵選擇所需要的波形，并在數(shù)碼顯示管上顯示波形所對應(yīng)的數(shù)字。進(jìn)入電子音樂模塊，可播放音樂喀秋莎、葫蘆娃、天空之城。通過按鍵可實(shí)現(xiàn)三首歌的切換。同樣通過按鍵可實(shí)現(xiàn)對歌曲音量的調(diào)節(jié)。利用按鍵和電路產(chǎn)生兩種不同時長的脈沖信號，輸出和接受紅外脈沖，將接受的紅外脈沖信