1、 班 级 08212 学 号 08212003本科毕业设计论文 题 目 基于单片机的音量控制电路设计 学 院 长 安 学 院 专 业 电子信息工程 学生姓名 崔振垒 导师姓名 杨振江 毕业设计（论文）诚信声明书本人声明：本人所提交的毕业论文基于单片机的音量控制电路设计是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果，论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均在论文中加以说明；有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本论文和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。论文作者： 崔振垒 （签字）时间：2012
2、年 5 月 18 日指导教师已阅： 杨振江 （签字）时间：2012 年 5 月 19 日西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学 院 毕业设计（论文）任务书 学生姓名 崔振垒 学号 08212003 指导教师 杨振江 职称 副教授 学院 长安学院 专业 电子信息工程 题目名称 基于单片机的音量控制电路设计 任务与要求 1. 熟悉 STC 系列单片机的工作原理； 2. 掌握数字电位器的使用方法，重点学习数控音频信号工作机理； 3. 熟练掌握 C51 程序设计技巧与编程方法； 4. 设计基于单片机的音频控制电路系统（原理与 PCB 图） ； 5. 设计相关操作软件； 6. 撰写毕业论文。 开始日
3、期 2012.1.15 完成日期 2012.5.20 院长（签字） 年 月 日 注：本任务书一式两份，一份交学院，一份学生自己保存。 西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学 院 毕业设计（论文）工作计划 学生姓名 崔振垒 学 号 08212003 指导教师 杨振江 职 称 副教授 学 院 长安学院 专 业 电子信息工程 题目名称 基于单片机的音量控制电路设计 一、 毕业设计（论文）进度 起 止 时 间 工 作 内 容 2012.1.152012.1.30 熟悉 STC 单片机的工作原理，掌握中断、串口等使用方法； 2012.2.12012.2.28 掌握数字电位器工作原理，熟悉数模信号控制
4、电路； 2012.3.12012.3.15 熟练掌握 C51 程序编程方法； 2012.3.162012.3.25 熟悉 PROTEL99SE 软件工具，设计相关测试电路（原理图及 PCB 图） ； 2012.3.262012.4.23 设计基于单片机的音量控制系统（包括相关硬件、相关软件及调试部分等内容） ； 2012.4.242012.5.20 撰写毕业论文并准备答辩。 二、主要参考书目（资料） 1 杨振江， 单片机原理与实践指导，中国电力出版社，2008 年 8 月 2 杨振江， 流行集成电路程序设计与实例，西安电子科技大学出版社，2009 年2 月 3 杨振江 刘男 杨璐，单片机应用与
5、实践指导，西安电子科技大学出版社，2010 年 3 月 4 张毅刚，单片机原理及接口技术(C51 编程)，人民邮电出版社，2011 年 8 月 5 张毅刚，新编 MCS-51 单片机应用设计(第 3 版)，哈尔滨工业大学出版社，2008 年 4 月 6 谢维成 杨加国，单片机原理与应用及 C51 程序设计，清华大学出版社，2009年 7 月 三、主要仪器设备及材料 PC 机、单片机及相关设计系统。 四、教师的指导安排情况（场地安排、指导方式等） 每周指导一次以上。 五、对计划的说明 注：本计划一式两份，一份交学院，一份学生自己保存（计划书双面打印） 西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学
6、院毕业设计（论文）中期检查表学 院 长安学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 崔振垒 学 号 08212003 班 级 08212 导师姓名 杨振江 职 称 副教授 单 位 机电院 题目名称 基于单片机的音量控制电路设计 检 查 内 容 检 查 结 果 题目是否更换及更换原因 无 学生出勤情况 基本能按照要求进行设计 进 度 评 价 （完成总工作量的百分比） 45%质量评价、进度描述 熟悉了 STC 单片机的工作原理、SPI 接口和数字电位器的用法。并初步设计了相关控制电路和相关软件。 总 体 评 价 （按优、良、中、及格、不及格五挡评价） 中存在的问题与建议 尽快完善原理电路、PCB 电路图
7、设计和论文的撰写。 学 院 审 核（盖章） 注：此表由指导教师填写，5 月 15 日前交学院办公室，中期检查成绩将作为毕业设计总成绩的一部分；此表装订入毕业设计（论文）中。 西 安 电 子 科 技 大 学 长 安 学 院毕业设计（论文）成绩登记表学 院 长 安 学 院 专 业 电子信息工程 姓 名 崔振垒 学 号 08212003 成 绩 题目名称 基于单片机的音量控制电路设计 指导教师 杨振江 职 称 副教授指导教师评语及对成绩的评定意见签名 年 月 日评阅人评语及成绩评定意见 签名 年 月 日答辩小组意见 签名 年 月 日学院答辩委员会 意见 答辩委员会主任签名 （学院盖章） 年 月 日
8、注：学院、专业名均写全称；成绩登记表双面打印。 ABSTRACT摘 要 随着电子技术的飞速发展，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，音频功放在日常生活中更是随处可见，除了传统的旋钮式音量调节外，数字调节音量也越来越常见。同时在一些特殊的应用中，数字调节音量有着无可比拟的优势。 本文设计使用了 SPI(Serial Peripheral Interface-串行外设接口)型数字电位器 MCP41XXX 系列，辅以 STC89C52 单片机进行控制，增益的调整和控制是通过数字电位器中不同阻值的电位器以及软件的进一步修正来达到的，较好的实现了数控音频信号，可应用于要求放大器增益可程序控制等场合。
9、本系统还设计出了较为直观明了的人机交互界面，LCD 显示器不仅仅用于显示当前的音量值，同时还显示了当前的功率，除了加减音量按键之外，还人性化地增加了一个复位按键，以满足在某些特殊的情况时的需求。 关键词： 单片机 数字电位器 可控增益 放大器 摘 要 ABSTRACT With the rapid development of electronic technology, modern electronic products through almost all aspects of social audio power amplifier in daily life is everywher
10、e, in addition to the traditional knobs type sound volume outside, digital adjust volume also more and more common. While in some special applications, the digital adjust volume has incomparable advantage. This paper design uses SPI(Serial Peripheral Interface) type digital potentiometer MCP41XXX se
11、ries, and with the STC89C52 single-chip microcomputer control, the adjustment and control is the gain by digital potentiometer resistance in the different potentiometer and software to achieve further modified, better realize the numerical control audio signals, can be applied to request amplifier c
12、an process control and so on. The system also designed a more intuitive and man-machine interface, LCD display not just for show the current volume value, and at the same time also shows that the current power, in addition to adding and subtracting volume buttons, but also human to gain a reset butt
13、on to meet in some special situations demand. Keywords: MCU Digital Potentiometer gain control Amplifier 目 录目 录第一章 绪 论 -11.1 课题背景 .11.2 国内外现状 .11.3 课题设计目的 .21.4 本文研究内容 .2第二章 总体方案设计 -32.1 单片机的比较和选择 .32.2 增益控制方案的比较和选择 .32.3 数字电位器的比较和选择 .4第三章 系统总体设计 -53.1 系统设计的任务要求 .53.2 系统设计原理 .6第四章 系统硬件电路设计 -74.1 单片机
14、部分 .74.1.1 STC89C52 的主要特性 .74.1.2 STC89C52 的功能描述 .84.2 按键控制电路 104.3 显示电路 124.4 数字电位器 134.4.1 数字电位器的原理和结构 134.4.2 数字电位器的音量控制电路 164.5 系统硬件电路 18第五章 系统软件设计 -195.1 系统总流程图 195.2 模块设计 205.2.1 单片机子程序 20目 录 i 5.2.2 按键控制程序 215.2.3 显示 程序 225.2.4 数字电位器控制程序 23第六章 系统调试 -256.1 软件调试 256.2 系统调试 256.3 PCB 设 计图 26结束语
15、-27致 谢 -29参考文献 -31附 录 -330 基于单片机的音量控制电路设计第一章 绪 论 1.1 课题背景 人耳对声强的主观感受遵循韦伯定律，在音量较小时人耳对声波振幅的改变感受灵敏，声音达到一定响度后，人耳的听觉特性开始变得迟钝。而指数型电位器的阻值变化规律为先慢后快，如果将这种衰减特性用在音量调节中，则恰好可以抵消人耳对音量感知的对数特性，保证主观听感的平滑。 与传统的机械式音量电位器相比，数字电位器(DCP)的阻值调节由内部 CMOS开关控制，因而使用寿命长、可靠性高且不会产生机械噪声。如果将廉价的通用型线性数字电位器直接用于音量调节，在小音量状态下稍微调节电位器即会使输出声压陡
16、然增加，无法保证大动态范围内音量的准确定位，因此目前将数字式电位器运用在成熟功放产品中的实例还不多。实际上，如果将低分辨率线性数字电位器与通用嵌入式系统结合起来，就能够得到运用于音量控制领域的低成本高分辨率指数式电位器。 随着新技术的不断开发与应用，近年来单片机发展十分迅速，一个以微机应用为主的新技术革命浪潮正在蓬勃兴起，单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小、重量轻、耗能低、可靠性高、抗干扰能力强和使用方便等独特优点，在数字、智能化方面有广泛的用途。传统的电位器控制音量高低精度差，单片机的出现使得数据处理音量和控制精度问题能够得到很好的解决。 1.2 国内外现状 随着电子技术突飞
17、猛进的发展，电子音量控制的应用虽然已经十分广泛，但从国内来讲，我国的电子音量控制产品还是以中、低端产品为主，并且片式元件品种少，生产规模不大，远远满足不了整机的需要。现在我国所使用的片式元件，进口或外资企业在国内生产的占大部分，总体发展水平仍然不高，同日本、美国、德国等先进国家相比，仍然有着较大的差距。成熟的电子音量控制产品主要以功第一章 绪 论 1放控制及常规的调谐为主，它们只能适应一般的系统音频控制，而用于较高控制场合的智能化、自适应控制，国内技术还不十分成熟，形成商品化并广泛应用的控制产品较少。 随着我国经济的发展及加入 WTO，我国政府及企业对此都非常重视，相继建立了一些国家级、企业级
18、的研发中心，开展创新性研究，使我国电子音量控制行业得到了迅速的发展。已发展成为具有相当规模、专业门类齐全、品种基本配套的行业体系。通过技术改造，引进先进技术，实现了多品种、自动化大生产，产品质量得到了普遍提高，整机配套能力、新品开发能力普遍增强，已为发展规模经济奠定了良好的基础。 1.3 课题设计目的 1：巩固、加深和扩大单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制的能力。 2：培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图表及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力。 3：通过对课题设计方案的分析、选择、比较、熟悉单片机用系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步
19、骤。 1.4 本文研究内容 本文将介绍一种由数字电位器构成的音量调节电路的设计方法。并且这种设计中带有数字显示，能清晰明了的知道音量的大小。本设计中主要应用 COMS 管集成芯片进行设计，应用到的主要芯片有 STC89C52，它主要是控制数字电位器进而控制音量的大小，SPI 接口型 MCP41XXX 是控制电路的主要芯片，是控制电路中的数字电位器。MCP606 它主要是运算放大器，单位增益稳定，失调电压低。 2 基于单片机的音量控制电路设计第二章 总体方案设计 2.1 单片机的比较和选择 当今单片机厂商琳琅满目，产品性能各异。常用的单片机有很多种：Intel8051 系列、Motorola 的
20、 M68HC 系列、Atmel 的 AT89 系列、台湾华邦的 W78系列、荷兰 Philips 的 PCF80C51 系列、Microchip 公司的 PIC 系列、Atmel 的AT90S 系列、韩国三星公司的 KS57C 系列 4 位单片机、台湾义隆的 EM-78 系列等。在本文研究中，选择了 STC 公司的 STC89C52 单片机。STC89C52 是深圳宏晶公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，与标准 MCS-51 指令系统及 8052产品引脚兼容，片内置通 8 位中央处理器（CPU）和 FLASH 存储单元，功能强大STC89C52 单片机适用于许多较为复杂控制应用场
21、合。 2.2 增益控制方案的比较和选择 方案 1：采用 ADA+DSP 构成的数字信号处理系统来实现，该方案的系统组成复杂、成本较高。 方案 2：采用可编程放大器，由于采用专用芯片，增益控制受限于芯片所提供的能力，灵活性差，其成本也较高。 方案 3：放大器的增益与电阻有关，改变相应电阻的阻值就可改变放大器的增益，由于采用数字电位器改变电阻来控制放大器增益的方案具有概念清晰、电路组成简单、实现容易、成本低廉，可较好地满足实际要求。对于不同的电压增益可选用不同阻值的电位器，并通过改变该电位器滑动端计数寄存器的数值来改变滑动端相对于固定端的电阻值，从而实现增益的调整。 综合以上方案，选择方案 3，使
22、用数字电位器控制增益。 第二章 总体方案设计 32.3 数字电位器的比较和选择 在这里，按照数字电位器的常用接口类型来选择。 方案 1： IC 总线属于二线串行接口，基于 IC 总线的数字电位器内部EPROM 可在掉电前储存滑动端的位置，具有机械电位器的工作特性。数据传输只用两根线，传输速率高。由于 IC 总线型数字电位器输出方式是漏极开路或集电极开路的形式，所以组成 IC 串行数据总线的串行数据线 SDA 和串行时钟线 SCL必须经过上拉电阻接到正电源上。SDA 和 SCL 都为双向 I/O 口线。 典型产品有 Xicor 公司生产的 X9221 和 X9241 数字电位器。 方案 2： S
23、PI(Serial Peripheral Interface-串行外设接口)是一种同步串行外围总线接口。它可使单片机与各种外围设备以串行方式进行通信，在对速度要求低，功耗低，需要保存的参数少的系统中可广泛应用。使用 SPI 接口的数字电位器不仅简化了设计，还提高了数字电位器的可靠性。SPI 接口型数字电位器采用三线 SPI 接口方式与主机进行串行通信。它含有一个标准三线串行控制接口。典型的产品有美国 Microchip 公司的 MCP41XXX/MCP42XXX 系列电位器，是用SCK 代表串行时钟端，SI 代表串行数据输入端， 代表片选端。 cs综合以上方案，选择方案 2，采用 SPI 型数
24、字电位器 MCP41010 来调节音量。 4 基于单片机的音量控制电路设计 第三章 系统总体设计 3.1 系统设计的任务要求 设计一个音量可程控、有输出音量显示的基于单片机的音量控制电路。后级功率放大部分可用运算放大器元件，供电电源为+5V，输入信号电压幅度为(101000)mVrms，负载为 8 欧姆电阻。技术指标如下：a失真度3%时，输出功率 P07.5W；b频率响应为(2022000)Hz；c在信号源的幅度和频率固定为某一值时，可以设置输出功率，并实时测量、显示输出功率，显示的输出功率(Ps)与设定功率(Pg)的相对误差(Ps-Pg)/Pg3%。基本功能： （1）设计一个基于单片机的音量
25、控制电路：要求有两个外部操作按键，即音量自动增加按键 K1(或用“+”表示)和音量自动减小按键 K2(或用“”表示)。 （2）接通电源时，音响设备的音量处于一个适中的位置。 扩展功能： 通过按键的处理是音量能自动的增减，能在显示器上显示音量的大小。 第三章 系统总体设计 53.2 系统设计原理 基于单片机的音量控制电路，采用 MCP41XXX 系列数字电位器，用 STC89S52单片机进行控制，音量和音调的调节是通过选择数字电位器中不同阻值的电位器以及软件的进一步修正来达到的，较好地实现了可控增益放大器。其最大特色就在于，实现了用数字的方法控制模拟电路，即音量和音调的控制，系统设计原理见图 3
26、.1 所示。 图 3.1 系统设计原理 利用数字电位器能较容易实现对放大器增益的控制，且具有电路简单、控制方便、成本低廉等优点。通过采取措施也可实现对放大器增益较高精度的控制，增益的调整是通过选择数字电位器中不同阻值的电位器以及软件的进一步修正来达到的，可控增益放大器可应用于采集系统中的信号调理或要求放大器增益能程控的场合。系统原理电路图见附录 A。信号输入 数字电位器 音频功率放大 单 片 机 音量显示 键盘 信 号 输 出 6 基于单片机的音量控制电路设计 第四章 系统硬件电路设计 基于单片机的音量控制电路的硬件设计，首先采用分块设计的方法。将整个系统分为：按键控制电路模块、显示电路模块、
27、数字电位器的音量控制电路模块，单片机与数字电位器的接口电路模块。 4.1 单片机部分 4.1.1 STC89C52 的主要特性 STC89C52 是一种带 8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Flash Program and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 COMOS 8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容 1。STC89C52 单片机的主要功能见表 4.1所示。 表 4.1 STC89C52 的主要功能主要功能特性 兼容 MCS-51 指令系
28、统 8K 可反复擦写 Flash ROM 片内带 256B 的数据存储器 时钟频率 0-24MHZ寻址空间为 64KB 128 个用户位寻址空间 21 个特殊功能寄存器 4 个 8 位的并行 I/O 接口 3 个 16 位定时器/计数器 6 个中断源 1 个全双工的串行 I/O 接口 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 第四章 系统硬件电路设计 74.1.2 STC89C52 的功能描述 1STC89C52 的管脚STC89C52 单片机的管脚见图 4.2 所示。 P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0(RXD)
29、10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17XTAL218XTAL119GND20 P2.0(A8) 21P2.1(A9) 22P2.2(A10) 23P2.3(A11) 24P2.4(A12) 25P2.5(A13) 26P2.6(A14) 27P2.7(A15) 28PSEN 29ALE/PROG 30EA/VPP 31P0.7(AD7) 32P0.6(AD6) 33P0.5(AD5) 34P0.4(AD4) 35P0.3(AD3) 36P0.2(AD2) 37P0.1(AD1)
30、38P0.0(AD0) 39VCC 40图 4.2 STC89C52 单片机的管脚 电源 (1)VCC芯片电源，接+5V。 (2)GND接地端。 时钟XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体。 控制线 (1)ALE/PROG地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲。 (2)PSEN片外 ROM 读选通信号。 (3) RST/Vpd复位/备用电源。 (4) EA/Vpp 片外 ROM 选用端/片内 EPROM 编程电源。 I/O 引脚 STC89C52 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口,共 32 个引脚。 8 基于单片机的音量控制电路设计 (1)
31、P0 口8 位双向 I/O 口。 在不并行扩展外存储器与扩展 I/O 口时，P0 口可用作双向 I/O 口。 在并行扩展外存储器与扩展 I/O 口时，P0 口可用于分时传送低 8 位地址(地址总线)和 8 位数据信号(数据总线)。 (2) P1 口8 位准双向 I/O 口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。 (3) P2 口8 位准双向 I/O 口。 在不并行扩展外存储器与扩展 I/O 口时，P2 口可用作双向 I/O 口。在并行扩展外存储器与扩展 I/O 口时，P2 口可用于传送高 8 位地址(属地址总线) 。 (4) P3 口8 位准双向 I/O 口。 可作一般 I/O 口用，同时
32、 P3 口每一引脚还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)，P3 口的第二功能见表 4.3 所示。表 4.3 STC89C52 单片机 P3 口的第二功能端口引脚 第 二 功 能 P3.0 RXD （串行输入口） P3.1 TXD （串行输出口）P3.2 /INT0 （外部中断 0） P3.3 /INT1 （外部中断 1）P3.4 T0 （定时器 0 的外部输入）P3.5 T1 （定时器 1 的外部输入）P3.6 /WR （外部数据存储器写选通）P3.7 /RD （外部数据存储器读选通）2时钟电路时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路(图 4.4)，XTAL1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路 5。 外部方式的时钟电路(图 4.4)，XTAL1 接地，XTAL2 接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12MHz 的方波信号。第四章 系统硬件电路设计 9图 4.4(a) 内部时钟方式电路 4.4(b) 外部方式时钟电路 3复位电路 （1）复位操作
