基于單片機(jī)控制的音頻放大器的設(shè)計(jì)

摘? 要：本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)控制的音頻放大器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由控制器模塊、調(diào)音與音頻放大模塊、音源選擇模塊、頻譜模塊、溫度檢測與風(fēng)扇控制模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊、指示模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了音頻放大、音量調(diào)節(jié)、音源選擇、頻譜顯示、功能顯示、功放溫度監(jiān)控等功能。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);音頻放大;音頻頻譜;功能顯示

中圖分類號：TN722? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）23-0033-03

Design of Audio Amplifier Based on MCU Control

ZHU Mingqiang

（Guangxi Polytechnic Vocational Technical School，Nanning? 530031，China）

Abstract：This paper designs an audio amplifier system based on single chip microcomputer. The system consists of controller module，tuning and audio amplification module，sound source selection module，spectrum module，temperature detection and fan control module，key control module，display module，indication module and power module. The system realizes audio amplification，volume adjustment，sound source selection，spectrum display，function display，power amplifier temperature monitoring and other functions.

Keywords：MCU;audio amplification;audio frequency spectrum;function display

0? 引? 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)在音頻控制方面的應(yīng)用越來越廣泛。音頻放大器除具有功率放大功能外，還能顯示正在播放的音頻信號的頻譜，使音樂不但能聽，還能“看”，為使用者帶來高雅美觀的聽覺、視覺效果。隨著技術(shù)進(jìn)步和人們生活水平的提高，人們越發(fā)重視并享受音樂的視覺動(dòng)態(tài)美。

1? 基于單片機(jī)控制的音頻放大器的設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)控制的音頻放大器組成框圖如圖1所示，主要包含控制器模塊、調(diào)音與音頻放大模塊、音源選擇模塊、頻譜模塊、溫度檢測與風(fēng)扇控制模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊、指示模塊和電源模塊。

2? 基于單片機(jī)控制的音頻放大器的電路設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)控制的音頻放大器總電路圖如圖2所示，各模塊電路介紹如下。

2.1? 控制器模塊

單片機(jī)8051資源比較豐富，可以實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制，但該處理速度較慢，資源尚不夠豐富，需要擴(kuò)展較多外圍電路。采用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)功能強(qiáng)大，抗干擾性極強(qiáng)，它的速度在晶振同樣的情況下比普通51單片機(jī)快8～12倍，有8路10位的AD轉(zhuǎn)換功能且多了兩個(gè)定時(shí)器，還帶有兩路PWM功能，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)。

STC12C5A60S2本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了其內(nèi)在特性比89C51更加優(yōu)越，并且單片機(jī)資源豐富，可以簡化系統(tǒng)外圍硬件電路，提高數(shù)據(jù)處理速度，故選用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器。

2.2? 調(diào)音與音頻放大模塊

音頻的調(diào)音通過調(diào)節(jié)串入的電阻大小來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)采用MCP41100數(shù)字電位器來實(shí)現(xiàn)，采用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)音量控制，且調(diào)節(jié)音量檔位多。數(shù)字電位器的大小根據(jù)實(shí)際來確定，保證音頻源能驅(qū)動(dòng)能力，在此要盡可能提高輸入信號的信噪比，降低功率放大器的功耗與增益。

音頻放大器是音頻信號輸出的最后環(huán)節(jié)，要綜合考慮其輸出功率、信號失真度、散熱等指標(biāo)。

隨著電子行業(yè)的快速發(fā)展，音頻放大器出現(xiàn)了很多可供選擇的類型，本文選擇TDA2003，TDA2003是線性的放大器，是常用的OTL集成電路，線性的放大器的主要優(yōu)點(diǎn)是低失真，比如負(fù)載輸出8Ω、輸出功率為1W的失真度僅為0.15%。

TDA2003是在多媒體中應(yīng)用最普遍的一種集成芯片，電流輸出能力強(qiáng)，諧波失真和交越失真很小，里面有各種保護(hù)電路，如：短路保護(hù)、地線偶然開路、熱保護(hù)、電源極性接反等，所以該功放管工作安全可靠。該集成塊電路簡單，外接元件少，通頻帶寬，音質(zhì)優(yōu)美。電源電壓8～18V，輸出功率大，RL=4Ω時(shí)可達(dá)18W。使用時(shí)要在集成塊TDA2003上可安裝散熱片，否則工作時(shí)間過長、溫度過高容易燒壞。

MCP41100的輸出電阻作為音頻放大器音量調(diào)節(jié)，采用分壓輸出的形式。電阻R16、R15用于增益設(shè)置，R15的值會(huì)影響電源抑制比，R15越大，電源抑制比越低。為了提高效率，R15的值可取大一些，如10Ω，R15的值確定后，根據(jù)放大倍數(shù)再確定R16的值。

2.3? 音源選擇模塊

音源選擇使用CD4066四雙向模擬開關(guān)，由單片機(jī)P1.6、P1.7分別控制對應(yīng)的音源選擇通道。音源的兩端一端接到音源輸入端，另一端接到地。

2.4? 頻譜模塊

用64個(gè)LED形成8*8矩陣顯示屏，行列驅(qū)動(dòng)由三極管實(shí)現(xiàn)。每一行8個(gè)發(fā)光二極管的陽極接到PNP三極管的集電極，每一列發(fā)光二極管的陰極接到PNP三極管的發(fā)射極，這樣就能對8*8的LED顯示屏進(jìn)行控制。要顯示的音頻頻譜是通過動(dòng)態(tài)掃描來實(shí)現(xiàn)的，先通過單片機(jī)輸出數(shù)據(jù)到第一列，再通過單片機(jī)選通第一列，延時(shí)一段時(shí)間后再對第二列進(jìn)行控制，當(dāng)顯示速度循環(huán)足夠快時(shí)，就在LED上形成穩(wěn)定的圖文信息，這樣就形成了音頻頻譜。由于I/O口不夠用，加了2個(gè)PNP三極管進(jìn)行了行和列的總控制。

2.5? 溫度檢測與風(fēng)扇控制模塊

TDA2003在使用過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，所以要加裝散熱片。為了監(jiān)測產(chǎn)生的溫度的大小，使溫度不過高而損壞TDA2003，采用溫度傳感器DS18B20檢測功率放大器TDA2003的溫度。DS18B20是一線總線數(shù)字溫度傳感器，測量溫度范圍為-55～+125℃。DS18B20體積小、測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)。風(fēng)扇主要是給TDA2003散熱，由單片機(jī)對DS18B20測量的溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)設(shè)定的溫度控制風(fēng)扇工作。當(dāng)溫度達(dá)到一定溫度（如40℃）時(shí)，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著溫度的升高，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速相應(yīng)變快，溫度達(dá)到60℃的時(shí)候是風(fēng)扇的最高轉(zhuǎn)速，全速運(yùn)行。風(fēng)扇的速度可由單片機(jī)進(jìn)行PWM控制。

2.6? 按鍵控制模塊

采用5個(gè)獨(dú)立按鍵來完成控制功能，這種方式是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。軟件設(shè)計(jì)采用查詢方式來設(shè)計(jì)，低電平有效。通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。采用獨(dú)立式鍵盤，電路配置靈活，軟件簡單。K1、K2分別用于設(shè)置音量加、減，MCP41100數(shù)字電位器的總電阻100kΩ分為256級，再把256級分為10檔，默認(rèn)聲音設(shè)置在5檔，當(dāng)單片機(jī)采集到K1有低電平信號時(shí)，聲音加1檔即變?yōu)?檔，一直加到10檔。當(dāng)單片機(jī)采集到K2有低電平信號時(shí)，聲音減1檔，一直變?yōu)?。K3用于顯示切換，每按一次，數(shù)碼管顯示的信息在溫度、音量檔次、音源選擇切換。K4用于音源選擇，本系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)音源，分別由單片機(jī)的P1.6、P1.7腳進(jìn)行控制。K5用于控制開始和停止，默認(rèn)是開始狀態(tài)，當(dāng)按下該按鍵，聲音停止，再次按下則恢復(fù)原狀。

2.7? 顯示模塊

顯示模塊通過4位級聯(lián)的共陽數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)，數(shù)碼管的數(shù)據(jù)口接到單片機(jī)的P0口，所以加了10K?的上拉排阻。數(shù)碼管的位碼由4個(gè)I/O口通過4個(gè)PNP三極管來控制。數(shù)碼管主要用來顯示溫度、音量檔次、音源選擇等信息，默認(rèn)顯示溫度值，其他信息通過切換按鍵進(jìn)行切換查看。因?yàn)镮/O口不夠用，加了1個(gè)PNP三極管進(jìn)行顯示的總控制。

2.8? 指示模塊

指示電路采用的是發(fā)光二極管進(jìn)行指示，并加了1個(gè)PNP三極管進(jìn)行指示總控制。指示電路主要進(jìn)行電路各工作狀態(tài)的指示，如溫度顯示、音量檔次、音源選擇、超溫等。

2.9? 電源模塊

電源模塊主要輸出直流12V、5V電壓，采用三端穩(wěn)壓集成7812與7805分別得到12V和5V的穩(wěn)定電壓。該方法方便簡單，工作穩(wěn)定可靠，這種集成電路只有三根引腳，在許多場合都有著廣泛應(yīng)用。直流12V電壓給音頻放大器TDA2003供電，5V電壓主要給單片機(jī)、數(shù)字電位器、溫度傳感器、MCP41100、指示模塊、顯示模塊、頻譜模塊供電。因電機(jī)工作電流較大，通過變壓器輸出的電壓經(jīng)整流、濾波后單獨(dú)供電到電機(jī)。

3? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于STC12C5A60S2控制的音頻放大器，實(shí)現(xiàn)了音頻放大和音頻頻譜顯示，同時(shí)帶有音量調(diào)節(jié)、音源選擇、功能顯示、功放溫度監(jiān)控等功能。本文設(shè)計(jì)的音頻放大器為使用者帶來美觀的視覺動(dòng)態(tài)美，同時(shí)，為電子技術(shù)人員提供了技術(shù)鑒定依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 段麗娜.基于ARM的音頻頻譜顯示器的設(shè)計(jì) [J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014，33（9）：77-79+83.

[2] 魏建軍，王振愿，白樂樂，等.單電源寬范圍音頻放大器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（1）：89-90.

[3] 張倩.OTL音頻功率放大電路的分析與設(shè)計(jì) [J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，14（2）：171-174.

[4] 楊雪梅，張慧.基于STM32的音樂播放器 [J].信息通信，2016（3）：136-137.

[5] 韋君玉，謝超，莫韋蓬，等.基于LM386的應(yīng)用設(shè)計(jì)電路 [J].通訊世界，2016（1）：149.

作者簡介：朱名強(qiáng)（1985-），男，漢族，廣西柳州人，教師，研究生，工學(xué)碩士，畢業(yè)于檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)，研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)、電氣電子技術(shù)、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。