工程实践与科技创新A

工程实践与科技创新A 标准化工作室编码[XX968T-XX89628-XJ668-XT689N]

本次项目利用单片机MSP430实现按键可控增益放大电路，同时完成了音乐播放、红外遥控、自动增益可控增益放大器三个拓展模块。此报告旨在介绍所实现的系统功能、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、针对用户操作的说明等等。并对模块设计、实现过程中的部分问题进行了深刻的思考和探究。

关键词：

单片机；增益可控；自动控制、函数发生、红外遥控、电子音乐

ABSTRACT

Our project includes the basic modules implemented by the MSP430—the controlled gain zoom device and three extra modules — the music player, the gain-automatical-available device and the volume remote controlled by the infrared ray. In this report，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 and so on. In addition , research in other parts of the system shown in this report is about operating experience gained in experiment ,problem discovering and thinking .

KEYWORDS

SCM, controllable gain, automatic gain, function occurs, infrared remote control ，electronic music

目录

1. 概述 (1)

编写说明 (1)

名词定义 (1)

缩略语 (1)

2. 系统总体说明 (3)

课题任务规定的设计要求 (3)

增益程序可控放大器电路 [3]： (3)

音乐发生[3]： (3)

红外控制增益调节： (3)

自动增益调节 [3]： (3)

实际完成后的功能 (4)

增益程序可控放大器电路： (4)

音乐发生： (4)

红外遥控： (4)

自动增益控制： (4)

系统的设计原理与分析 (4)

系统的设计原理和总体结构 (4)

系统的功能 (5)

3. 系统的硬件结构 (7)

硬件总体结构 (7)

<单片机小系统>描述 (8)

功能描述 (8)

接口定义 (8)

实现方式 (9)

<增益可控放大电路>描述 (9)

功能描述 (9)

接口定义 (9)

技术要求 (9)

实现方式 (9)

<音乐发生模块>描述 (10)

功能描述[2] (10)

接口定义 (10)

技术要求 (11)

实现方式 (11)

<自动增益电路模块>描述 (11)

功能描述[2] (11)

接口定义 (11)

技术要求 (11)

实现方式 (11)

<红外遥控模块>描述 (12)

功能描述 (12)

接口定义 (12)

技术要求 (12)

实现方式 (12)

4. 系统的软件结构 (14)

软件总体结构和功能 (15)

重要的全局变量 (15)

<键值处理模块>描述 (16)

功能描述 (16)

输入输出项描述 (16)

数据结构 (17)

算法 (17)

<音乐发生模块>描述 (17)

功能描述 (17)

输入输出项描述 (17)

数据结构 (18)

调用函数说明 (18)

算法 (18)

<红外遥控模块>描述 (19)

功能描述 (19)

输入输出项描述 (19)

数据结构 (20)

调用函数说明 (20)

算法 (20)

<自动增益模块>描述 (20)

功能描述 (20)

输入输出项描述 (20)

数据结构 (21)

算法 (21)

5. 系统功能及技术指标测试 (21)

测试项目[3] (22)

基础放大电路： (22)

音乐发生器： (22)

红外遥控： (22)

自动增益： (22)

测试的资源 (22)

测试方法[3] (23)

基础部分：增益可控制放大器电路 (23)

拓展部分一：音乐发生 (23)

拓展部分二：红外遥控 (23)

拓展部分三：自动增益 (23)

测试结果及分析 (23)

基础部分：增益可控制放大器电路 (23)

拓展部分一：音乐发生 (26)

拓展部分二：红外遥控 (26)

拓展部分三：自动增益 (26)

6. 致谢 (26)

7. 参考资料 (27)

8. 附录 (28)

课程学习心得和建议意见 (29)

程序清单 (31)

基础部分 (32)

拓展部分 (42)

（1）概述

a)编写说明

此文主要介绍了本小组成员在工程实践与科技创新[2A]课程中经过大半个学期的努力完成的作品，同时涵盖了研成品的究过程和最终展示成果。至第十二周为止，我们完成了基础部分的增益可程序控制放大电路，并完成了三项拓展任务，包括音乐发生模块、红外遥控模块和自动增益控制模块。另外，此文末附有小组成员的感悟和心得。本文供老师批阅和审查，同时也为其他致力于研究此产品的高校学生们参考。

b)名词定义

单片机小系统[1]：包括CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、I/O设备（串行口、并行输出口等）的一块集成电路。

CD4066：四双向模拟开关，主要用作模拟或数字信号的多路传输。

TLV2372【6】：本实验项目中用到的一种运算放大器芯片。

LM358【7】：本实验项目中用到的一种运算放大器芯片。

2AP9：本实验项目中用到的一种二极管。

UA741CP：本实验项目中用到的一种运算放大器芯片。

增益：输出信号对输入信号的放大倍数。

增益可控放大电路：通过控制信号（本项目中由单片机产生）与控制电路（本项目中主要由CD4066与电平转换电路构成）控制输出信号对输入信号放大倍数的电路。

自动增益：根据输出信号的幅值，对增益进行自动控制。设定输出信号的上下限，当输出信号峰值超出最高值或低于最低值时，系统自动调节增益值以控制输出信号峰值。

红外遥控：分别制作红外信号的发生电路与接收电路，使得增益控制可以通过红外遥控来实现

电子音乐合成与播放[2]：电路输出频率按音乐曲调变化的方波，可通过蜂鸣器发出音乐声。

电平转换电路：通过运算放大器实现逻辑电平转换的电路。

电压比较电路: 自动增益模块中，将检波电路的输出结果与参考电压进行比较并返回两个比较结果的电路。

c)缩略语

[列出在本文档中缩略语的英语全称及中文说明。为后续方便陈述，可以自定义若干缩略语。]

运放：运算放大器

音乐发生：电子音乐合成与播放

增益：运算放大电路输出信号与输入信号的比值

红外控制：红外控制增益模块

（2）系统总体说明

a)课题任务规定的设计要求

i.增益程序可控放大器电路 [3]：

设计制作增益可键控的线性放大器电路，通过单片机控制增益等级的切换，单片机提供人机操作界面，数码管显示增益，用户通过按键设置增益。

设计指标[5]：

（1）最小增益须小于倍（建议取），最大增益须大于倍（建议取）

（2）至少15个增益等级：建议按等差排列，比如，，，…，

（3）所有级别的增益相对误差 < 3%

ii.音乐发生[3]：

单片机利用程序控制产生一段音乐，音乐可以任选，可循环播放。

设计指标：

（1）音量能够调整

（2）音调能够调整

（3）播放速度可调

（4）可播放多首歌曲

（5）能否用多种方案实现

iii. 红外控制增益调节：

制作红外遥控发送与接收电路，使用红外遥控来控制增益

设计指标：

（1）可否双向控制增益（增加和减少）

（2）控制距离大于50cm

（3）保证足够的灵敏度

iv.自动增益调节 [3]：

人为设置峰值上下限，系统自动检测输出信号幅值，若峰值超出该峰值区间，则系统自动调节，使输出信号达到规定范围以内。

设计指标：

（1）电压比较是否有效

（2）电压比较是否有双门限（上限、下限）

b)实际完成后的功能

i.增益程序可控放大器电路：

本小组成品达到基础部分任务要求，系统的电压增益总分为15个等级，增益在~之间进行转换。增益的控制可通过单片机上的按键进行控制，增益大小显示在七位数码管上。

ii.音乐发生：

单片机控制蜂鸣器发出音乐，共设置了《小苹果》《K歌之王》这两首音乐，可对歌曲曲目进行切换，同时完成了音调、音速可控功能，控制通过单片机上按键实现。

iii.红外遥控：

项目包括了红外信号的发射端与接收端，利用两节干电池给发射电路供电，可通过发射电路上的两个按键，分别控制增益的上调与下调，遥控距离在150cm以上并且灵敏度较高。

iv.自动增益控制：

该成品的自动增益控制模块，将系统的增益控制在~之间。当增益低于时，系统自动提高增益使增益达到。当系统增益高于时，系统自动减少增益使增益为。

c)系统的设计原理与分析

i.系统的设计原理和总体结构

增益可控放大电路 [4]：

此部分为该项目的基础，也是项目的核心。控制信号由单片机发出，通过电平转换电路，控制着信号通过（xxxxx）运算放大器实现放大的功能。增益有十五个等级，通过十五路电阻并联耗费巨大，故放大器的输入电阻用四路相互并联，分别对应的增益是、、、，十五个等级的增益可通过四路的组合实现。单片机发出的信号传到

CD4066内的四个模拟数字开关，模拟数字开关分别与四路并联电阻相连以控制该路的导通状态，从而达到控制增益的效果。

电子音乐合成与播放[3]：

利用单片机内置的定时器输出频率连续变化方波，即音乐信号源。方波的频率由音乐的曲调决定。并将音乐信号源作为放大电路初始的输入信号，在放大电路的输出端连接蜂鸣器，即可通过蜂鸣器播放音乐。至此，基础部分的增益倍数可通过音量的高低来反映。

红外遥控：

本模块是由红外输出端产生一个小脉冲，通过接收端将脉冲传至单片机中，单片机根据程序中的内设值识别脉冲信号代表的是增加音量还是减小音量并做出动作，再根据基础部分原理改变音乐信号的增益来实现音量变化。

自动增益电路[3]：

本项目自动增益控制电路模块设置了双门限电压。将基本放大电路输出的增益信号经过检波以后，将信号返回至单片机，单片机对接收到的数据进行处理，令其与规定增益（~）的参考电压进行比较，从而向电平转换电路输入自动控制信号，控制信号接入CD4066的模拟开关，控制四路电阻的阻值，从而达到自动控制增益的效果。

ii.系统的功能

增益可控放大电路：单片机控制信号控制系统增益增益共有15个等级，从递增至，效果是将输入信号放大，误差均在1%之内

键盘与显示：通过单片机上的8个键以及红外遥控器上的两个按键对所有的功能进行控制，在七段显示管显示当前模式与相关信息。

可对歌曲曲目进行切换，同时完成了音调、音速可控功能，控制通过单片机上按键实现。

红外遥控：

通过红外遥控器上的两个按键，控制增益的上调与下调。

自动增益：人为设置峰值上下限，系统自动检测输出信号幅值，若峰值超出该峰值区间，则系统自动调节，使输出信号达到规定范围以内。

（3）系统的硬件结构

a)硬件总体结构

图硬件总体结构图

硬件总体大致分为四个部分：增益可控放大电路、红外遥控电路与自动增益电路三大模块以及实验底板。

四个部分具体为：

底板：括键盘与七段显示管

增益可控放大电路：包括电平转换电路，多路电阻排，CD4066，TLV2372

自动增益电路：包括检波电路与电压比较电路

红外遥控电路：包括多路电阻排，红外发射管，红外接收管，三极管以及74HC123。在实现任何功能时，都需用到底板与增益可控放大电路模块。基础功能与音乐发生功能只需要用这两个部分就可以实现。

b)<单片机小系统>描述

i.功能描述

（1）读取按键信号和电路信号

（2）根据程序处理信号

（3）在相应的管脚上输出信号

（4）在七段晶体管上显示当前状态

ii.接口定义

VCC：电源端，+5V

GND：接地端

通用I/O端口：

~端口用于向增益可控放大电路输出控制信号；

~端口用于向幅度调制信号电路输出控制信号；

、端口用于读取自动增益电路经比较后得到的反馈信号

端口用于向增益可控放大电路输出音乐信号。

iii.实现方式

主要通过编写程序实现模块控制，在第四节会有对这部分内容的详细讲述。

c)<增益可控放大电路>描述

i.功能描述

可用单片机实现对输出信号的增益的改变，增益等级为~。

ii.接口定义

外部接口定义：电路输入接信号源，四个控制端口接单片机~端口。

单片机的输出端口对应控制的电阻即为

- 100k Ω； -50k Ω； - 25k Ω； - Ω。

iii.技术要求

(1) 最小增益绝对值小于；

(2) 最大增益绝对值大于；

(3) 增益等级不少于15级；

(4) 所有级别的增益相对误差 < 3%且尽可能小。

iv.实现方式

(1)电路连线图

图增益可控放大电路模块原理图[4]

图电平转换电路模块原理图[5]

图增益可控放大电路运算放大器工作模拟图

(2)电路原理 由放大器工作原理可知，当放大器工作在如图所示电路中时，放大倍数

i

f R R G =。 电路中的i R 可CD4066控制的1R 、2R 、3R 、4R 通过不同的组合方式并联得到。

∑=p

i R R 11 当我们取f R R R R R 108424321====时，由于i

f

R R G =

，我们可以算得1R 、2R 、3R 、4R 分别对应倍增益、倍增益、倍增益、倍增益，通过他们的不同通断组合就能得到~倍这15种不同的增益等级。 d)<音乐发生模块>描述

i.功能描述[2] 音乐发生模块可通过单片机输出不同频率的方波，使蜂鸣器改变音调高低，达到发出音乐声的效果。该模块可通过按键可实现音量调节、倍速调节、歌曲切换的功能，播放曲目有《K 歌之王》《小苹果》。

ii.接口定义

音乐发生模块与增益可控放大电路模块使用同一个电路实现。其P1端口接单片机端口，接收音乐信号，P2端口接蜂鸣器，P3端口空置，CTRL 端口接单片机~端口接收控制信号。

iii.技术要求

1）额外增加曲目；

2）增加曲速等拓展功能。

iv.实现方式

通过写入数组让单片机输出频率按曲调变化的方波，在代码中加入控制变量实现如曲速，歌曲切换等功能。

e)<自动增益电路模块>描述

i.功能描述[2]

自动增益部分是将信号电压与设定阈值比较，并在超出阈值时作出增益的改变，使得增益总在一定范围内。自动增益电路由电压比较电路和检波电路构成。其中检波电路用于将输入的交流信号转变为大小是其峰值的直流信号。

ii.接口定义

增益可控放大电路的OUTPUT 端接自动增益电路的INPUT 端，控制端分别接单片机，端口。

iii.技术要求

能够把输入信号的峰值控制在一定范围内，我们组选择的范围是~。

iv.实现方式

（1）电路实现

图电压比较电路原理图 图检波电路原理图

（2）检波电路原理

检波电路是一个一阶RC 电路。当输入的电压大于检波电路的电容电压时二极管导通，电容充电，当输入电压小于检波电路的电容电压时，二极管截止，电容放电。如果要能够使检波电路的输出始终为输入信号的峰值，其时间常数应该足够大。 假设输入信号为频率Hz f 400=的正弦波Ω=M R 1，F C μ1.0=则信号周期s T 310*5.2-=，时间常数s RC 1.0==τ ，τ<

f)<红外遥控模块>描述

i.功能描述

红外遥控部分是通过发射端控制两个电键，分别在电路中产生长度不同的两个脉冲，以红外信号的形式发送到接收端，再由单片机实现调节增益大小的功能。长度不同的两个脉冲分别控制增益的大小增加或减小。

ii.接口定义

红外遥控电路的控制端口接接单片机端口。

iii.技术要求

在实现功能的同时尽量是的遥控距离增大

iv.实现方式

（1）电路实现

图红外发射端原理图

图红外接收端原理图

红外遥控电路由红外发射电路部分与红外接收电路部分组成。其中，红外发射部分（2）基本原理：

（a）发射端电路

原理图如图，图中左端是两个结构相似的单稳态触发器电路，上下分别对应电键s1、s2。电阻电容对应R2、C2（R5、C4）是控制脉冲宽度的RC充放电定时元件。带入t=K×R×C，可计算t1，t2,。二极管D2,D4实现了“或”逻辑，使得只要一路信号围高电平就可以让红外管发红外光。

（b）接收端电路

从右至左依次啥红外接收、电压比较和接入单片机的接口。当接收到红外光信号时，串联电阻急剧变小，A点升到较高电位，再由比较器放大至+5V左右以被单片机识别，如图。

图较长脉冲在A，B两点的波形示意图

（4）系统的软件结构

a)软件总体结构和功能

程序主要由头文件申明与常量、变量的定义、中断子函数以及主函数三个部分构成。

其中，中断子函数包含音乐发生模块、红外遥控模块与自动增益模块。

主函数包含初始化模块与键值处理模块。

具体功能如下：

初始化模块：完成系统的初始化。

键值处理模块：读取键盘输入的键值并改变相应的全局变量，控制运行状态并向七段数码管输出当前的状态。

音乐发生模块：读取音乐数组并播放音乐。

红外遥控模块：处理遥控器对于音量的控制。

自动增益模块：接受反馈的电压信号判断并控制系统处于要求的音量范围内。

b)重要的全局变量

unsigned char state = 10;能描述

用于读取键盘输入的键值并改变相应的全局变量，向七段数码管输出当前的状态。ii.输入输出项描述

iii.数据结构

press_flag , press_code, press_state：判断当前的按键状态以及被按下的是哪个键

digit:数码管状态

T_A0,state,music,auto_control,index_change:程序状态，控制数码管输出

iv.算法

本模块通过读取全局变量press_flag与press_code来判断哪个键被按下。然后，根据相应的键码，对state、music、TA_0、auto_control、index_change这五个全局变量进行操作来改变程序的运行状态

d)<音乐发生模块>描述

i.功能描述

读取包含音乐曲调的数组，并将其转化为方波并输出。

ii.输入输出项描述

iii.数据结构

unsigned char music：用于表示音乐发生时的曲目，在模块初始时进行判断，从而读取不同的乐谱数组。对应《小苹果》与《K歌之王》。

int T_A0：用于表示音乐发生时的曲速，为1到9级可调，5为正常速度。

unsigned int audio_frequency：用于表示当前方波的频率，从乐谱数组中读取后向计时器A1的寄存器输出。

unsigned int audio_ptr：辅助读谱指针，每次读取乐谱之后就执行“audio_ptr++;”

unsigned int audio_dura=0：持续时间计数变量，即音乐中的节拍长短控制。

unsigned char NumOfMus = 2：定义了乐曲的数量。

iv.调用函数说明

void Play_Music(void)：调用该函数一次即音乐播放一个音节。该函数打包了音乐播放的全部控制内容。

v.算法

图音乐发生算法流程图[2]

e)<红外遥控模块>描述

i.功能描述

读取调制波形的采样数组，并由其控制电路的增益等级，使得输入信号被预设函数调制。

ii.输入输出项描述

iii.数据结构

short1,short2,long1,long2：脉冲输入时间的上下限控制。short1，short2分别为短脉冲上下限，long1，long2分别为长脉冲上下限。

hongwai_adder:记录脉冲的持续时间。

hongwai_status:记录系统状态0:无脉冲1;短脉冲2:长脉冲

iv.调用函数说明

void gain_control(void)：用于控制4个输出音量控制的口。通过读取state的值（15个状态）来分别给出4个音量控制端口（,,,）的输出电平。

v.算法

当inputHongWai为0时，hongwai_status的值置0。

当inputHongWai为1时，hongwai_adder加1。

当hongwai_adder处于short1,short2控制的上下限之间时，hongwai_status值为1。

当hongwai_adder处于long1,long2控制的上下限之间时，hongwai_status值为2。

当inputHongWai变为0时，hongwai_status的值控制state变化.

最后通过读取state的值来输出音量控制。

f)<自动增益模块>描述

i.功能描述

读取自动增益电路的反馈信号，并判断和控制输出音量是否在要求范围中

ii.输入输出项描述

iii.数据结构

volt:AD转换后的电压数值。

Vmax，Vmin：通过计算得出的控制音量大小所需的电压上下限。

iv.算法

把输入电压通过模数转换得到程序内的电压值。判断该电压值是否在所给出电压之间。不是即把state恢复到要求的范围内。