智能音响系统开发设计毕设.docx

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智能音响系统开发设计毕设

天津职业技术师范大学

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

专业：

电气技术教育

班级学号：

电气1012-11

************

指导教师：

李宏伟副教授

二〇一五年六月

天津职业技术师范大学本科生毕业设计

智能音响系统开发设计

Developmentanddesignofintelligentsoundsystem

专业班级：

电气1012班

*******

指导教师：

李宏伟副教授

学院：

自动化与电气工程学院

2015年6月

摘要

伴随着人们生活水平提高，音影视越来越受到人们的欢迎，而音响在众多场地的用途越来越多，家庭、工作随处可见。

人们对音响的使用性能也越来越有追求，为了大多数音响爱好者为此设计了智能音响系统音响。

本设计以AB类音频功放TDA7294集成电路作为主功放电路，不失真功率（10%）达到40W*2，并带功率实时显示、功率灯光显示、功放电源电压显示、收音机、MP3数字文件解码、音频频率可调集为一体的一款具有功能多音质好功率大的音响系统。

功放的电源需要正负直流电压提供，工作电压在±10V~±40V,电源采用环牛300W变压器，为功放提供充足功率源；电源电压在±1.25V~±32V可调，电源用ad采集电压通过51单片机处理后在数码管显示出实时电压。

通过TA7630P电路4个手调电阻来调节音响的音量、高低音及左右平衡度。

音响系统使用了可以实现FM及MP3文件解码转为的音频信号的电路，且带有红外小遥控，有音量加减、上下首、输出音频频率选择等多种功能，MP3、FM、外部音频输入可切换。

在播放的音乐的过程有lcd12864显示实时运行功率，音频信号输入16路电压比较器带动16个发光二极管随着功放的功率变换而高低闪烁。

关键词：

音响；MP3解码；环变压器；TDA7294；TA7630P

ABSTRACT

Music,FilmandTVnowaremoreandmorepopularalongwiththeincreasingoflivingstandard.And,speakeriswidelyusedforhouseholdandworking.However,theperformanceofspeakernowplaysanimportantroleforuser,therefore,theintelligentspeakerhadbeenlaunchedbydesignerinordertoofferbetter-performancespeakertospeakerhobbyist.

ThiskindofspeakertakesABaudiofrequencyandintegratedcircuitTAD7294asmainPowerAmplifier.Itreaches40W*2andTHD<=10%.Itisamultifunctionallyintelligentandpreferablespeakerthatpossessactual-timepowerconsumptionindicator,powerlighting,supplyvoltageindicator,receiver,MP3Digitalfiledecoding,adjustableAFaudiofrequency.

PoweramplifiersourceisprovidedbypositiveandnegativeDCvoltagewithworkingvoltage±10V~±40V,itadoptsthe300WCattleringvoltagetransformerforsupportingenoughPoweramplifiersource.Theadjustablevoltageisamong±1.25Vto±32V,andthePoweramplifiersourceindicatestheactual-timeworkingvoltagebyadoptingadCollectingvoltageanddealingwith51singlechip.Thevolume,high-lowsoundsandEquilibriumdegreearerealizedby4pcsmanualelectricresistanceofTA7630Pcircuit.ThespeakerisbasedontheelectriccircuitthatabletoConvertFMandMP3Filedecodingtoaudiosignal.Itisamulti-fuctionalandintelligentspeakerthatpossessesRemotecontrollerbyinfraredray,volume+-,last/nextsongs,optionalOutputaudiofrequency,switchableMP3,FMexternalAudio-in.Whatismore,thereareactual-timeworkingPowerConsumptionindicatesbyLCD12864whileplayingmusic,and16pcsDiodeskeeptwinklingaccordingtothechangingPowerConsumption.ItworksbasedontheAudio-insignaland16-wayvoltagecomparator.

KeyWords：

Speaker;MP3Decoder;Cattleringvoltagetransformer;TDA7294,;TA7630P

1绪论1

1.1研究的背景与意义1

1.2研究现状1

1.3研究的主要内容1

2系统方案设计3

2.1系统总体方案设计结构3

2.2音频功率放大器3

2.3功放电源系统4

2.4电源系统的电压显示4

2.5功率检测4

2.6单片机选择5

2.7系统总体设计方案5

3系统的硬件设计与实现7

3.1电源电路设计PCB制作及电压检测显示7

3.1.1直流电源7

3.1.2三端集成稳压器的PCB设计8

3.1.3电源电压测量及显示设计9

3.2音频功率放大器的设计及PCB制作10

3.2.1集成功放TDA7294电路设计10

3.2.2功率放大器的PCB制作11

3.2.3集成功放TDA7294芯片的散热11

3.3直流控制芯片TA7630P集成音频滤波电路12

3.4MP3音频解码电路13

3.4.1MP3音频解码器的功能介绍13

3.4.2红外线遥控器的功能介绍13

3.5单片机控制电路14

3.5.1电源电压显示的处理器Atmega8单片机简介14

3.5.2功率采集处理电路At89C52单片机小系统简介15

3.6实时运行功率的显示16

3.6.1直流电压电流电量检测模块介绍16

3.6.2液晶显示电路介绍17

3.6.3功率显示系统的电路设计18

3.7电压比较器的应用电路设计18

3.7.1集成运放LM324介绍18

3.7.2利用LM324集成运放设计的16路电压比较器LED驱动电路19

4系统软件设计20

4.1微处理器的程序开发环境20

4.1.1At89C51程序开发环境介绍20

4.1.2Atmega8程序开发环境介绍20

4.2程序设计及流程图20

4.2.1功率检测模块及显示的程序设计20

4.2.2功放电源电压采集与显示的程序设计22

5系统调试及性能测试24

5.1直流电源的调试24

5.2前级滤波放大电路的调试24

5.3信号检测记录24

5.3.1音频功率放大器的放大性能测试24

5.3.2前级滤波电路的性能测试24

6结论28

7参考文献29

8附录30

9致谢32

1绪论

1.1研究的背景与意义

音乐的发展史从古至今已有大量的制作，在我们的今天，音乐是流行、通俗、戏曲、民歌等等一片繁荣；各种流行音乐、影视制作深深融入我们的生活。

如今科学技术提高，经济发展速度的飞快，人民生活水平不断的提高，影视设备是人们娱乐产品首选之一。

音响设备作为家庭影院、KTV和电脑的配套产品，在家庭影院快速发展和电脑逐渐普及的带动下显示出强劲的发展动力。

由于产品需求量大幅度增长，对音响设备的要求越来越高，作为供应商的生产企业纷纷扩建、增产，市场竞争日趋激烈。

1.2研究现状

随着人们生活水平的提高，高保真音响设备和高端的家庭影院逐渐兴起。

在这些设备中，功放机几十瓦甚至几百瓦的音频功率是多数的。

因此，失真小、高效率的音频功率放大器就成为关键部件。

进入21世纪后，各式便携式的弱电设备成为电子设备中的一种重要的发展趋势。

近十载年来，中国的音响行业快速的发展，从传统意义上的音箱、扬声器，家庭影视中的声设备，公共场地、会议室中要用到的扩音系统等等；随着数字电子技术的发展，音响将与计算机、通信设备、视频设备及智能化居家电器相配合，一体化趋势发展。

如今，音响设备的老产品更新换代、新产品层出不断，其产品外观逐渐个性化、艺术化。

1.3研究的主要内容

针对我国音响设备的趋势，结合多个模块的功能技术的研究，自主研发了一套智能音响系统。

主要完成以下各指标：

a）在不失真的情况下功率达到50W*2，并尽量提高功率。

b）采用PC模块接收MF信号以及解读mp3音频文件。

c）在液晶屏上显示系统功率。

本系统是以tda7294为主功放芯片为主的音频功率放大器，本设计以AB类音频功放集成电路作为主功放电路，不失真功率（10%）达到40W*2，并带功率实时显示、功率灯光显示、功放电源电压显示、收音机、MP3数字文件解码、音频（音量，高音，低音，平衡音）可调集为一体的一款具有功能多音质好功率大的音响系统。

tda7294的工作电压在±10V~±40V,电源采用环牛300W变压器，10000uf电解电容滤波，为功放电路提供充足功率源；稳压器由金属封装的LM317、LM338稳压电路及三级管扩流电路组成；电源电压在±1.25V~±32V可调，最大电流在3A左右；用ad电路采集电源电压发送到51单片机处理后在8段数码管显示出实时电压。

音频信号源输入TA7630P电路，由4个手调电阻来调节音量、高音、低音及左右平衡音。

音响系统接入了可以实现FM及MP3文件解码转为的音频信号的电路，并且带有红外小遥控，有音量加减、上下首、收音机模式切换、输出音频频率选择等多种功能，FM、MP3、外部音频输入可切换。

在播放的音乐的过程有LCD液晶屏显示实时功率变化，音频信号输入16路电压比较器使16个蓝色发光二极管随着功率变换而高低闪烁。

本课题的研究音响智能化，它将电子技术、计算机、控制、通信等实用电子技术集中运用于音响系统。

智能音响系统弥补现市场上普通音响器材在功能方面的不足，音响的多功能化使音响的控制更加灵活，体现出其实用性与方便性。

与人类未来家居电器的人性化、智能化、多元化这一主线相融合，同时将给音响行业和社会带来更多的经济和社会效益。

2系统方案设计

2.1系统总体方案设计结构

该系统主要由供电模块、音频功率放大器、音频信号处理、电源检测及显示、单片机系统等模块功能组成，结构框图如图2-1所示。

图2-1结构框图

2.2音频功率放大器

音频功率放大器主要用来放大声源信号及推动音响发出声音，音色的好听与否取决与音频功率放大器的性能，所以音频功率放大器是音响的核心。

方案1采用LM1875集成音频放大电路。

lm1875功放集成芯片价格优廉，外围电路接法简单，输出电流3A，输出功率较大。

电路内部设有过载、过热及反向电势（感性负载）安全工作保护。

其工作电压范围为±6～±25V，输出功率为30W。

此电路多数应用在有源电脑音箱，具有失真小、优美音质、短路保护和过热保护等特点。

该电路调试简单，效果明显，为广泛音响发烧友所喜爱的芯片之一。

方案2采用TDA7294音频芯片作为功率放大电路。

该芯片差分输入级由双极型三级管构成，推动级和末端功率输出级采用半导体技术场效应管。

这种混合半导体技术制造工艺使得TDA7294既有双极型信号处理电路也有MOS功率管的优点。

电源电压范围：

±10V~±40V，输出功率为70W，最大可达到100W，音色极具厚重优美，被发烧友誉为“胆味功放”；内置的静音待机功能，带有短路电流及过热保护功能。

外围电路复杂程度较简单，可应用在HiFi家庭音响、有源音响等领域。

综上论证，两种集成功放芯片表现力都相当不错，但是TDA7294相对音质较好，音色优美，且功率大，因此功率放大器选TDA7294作为主功放电路。

2.3功放电源系统

功放的电源主要是供给音频功率放大器作为工作电压源，电源的功率及电压的稳定性是功放对电源的主要要求。

方案1采用大功率环变压器作为主要供电功率，两路交流33v输出，采用大电流整流桥整流，一级滤波采用大容量电解电容10000uF/63v，稳压器用金属封装的正电压LM317k、负电压LM338k，此稳压器线性电压可调范围大，输出电流大，有3A、5A选择，并带有过载保护，目前市场此款5A的稳压器较难购买。

由此制作的电源电路稳定，功率大，电流大，非常适合用于功放电路，电路也相对简单。

方案2制作开关电源，开关电源效率高，电压稳定，电路相对复杂，调试难度高，没有一定开关电源基础制作起来相当困难。

由于开关电源制作难度大，因此直接选取方案1作为电源系统。

2.3电源系统的电压显示

功放的工作电压有着重要的意义，特别是双电源功放电路，对其供电正负电压的对称性大小、电压的高低对其功率、音质有着直接的影响，因此设计了对电源电压的检测及显示电路。

方案1采用16位AD芯片采集电压，经过单片机程序换算用LCD液晶屏显示。

方案2采用Atmage8单片机直接采集模拟电压，Atmage8内有10位精度ADC功能，程序配置简单，并且可以直接驱动LED数码管。

结论：

以上两种方法各有长处，但是方案2设计更为便。

电压显示需要比较直观性，明显的，因此显示需要采用LED数码管。

2.4功率检测

对于功放的功率用仪器检测相当麻烦，且功率是在实时变化中；此设计能实时显示功放的运行功率，体现出该功放的运行详细转态。

方案1采用电流互感器采集电源线路电流，在互感器输出端接上采集电阻，再用集成运放采集电阻上的电压，AD采集运放输出电压经过单片机换算在LCD液晶屏显示。

这个方法思路清晰，可行度较高，但经过调试发现运放的采集不是特别稳定，制作过程也是麻烦。

方案2采用直流电压电流电量检测模块可与电脑通迅电池电压电流功率电量检测，可测量直流电压电流功率电能参数，模块带有UART和RS485可与电脑或单片机通迅，可多个模块用485总线接一起，实现多路直流电压电流功率电量检测，此模块检测准确度高，效率高反应快，控制程序简单，线路接法更是简单，单片机采集后在LCD液晶屏显示。

综合上诉选方案2作为功率检测制作。

2.5单片机的选择

单片机在本设计中主要用来采集电压及显示，主要分两部分，一是用来处理及显示功放的运行功率，而是用来采集及处理电源电压的数值。

方案1采用ATmega8作为主控制芯片，该控制器内部有较大容量的Flash、EEPROM、SRAM；有32个IO口，驱动的能力强，内部的资源很丰富，并且有ADC功能，可以直接采集模拟电压，程序配置简单，价格低廉。

方案2采用AT89S51芯片作为单片机控制芯片。

该芯片价格便宜，功能足够达到所需；程序编写简单，调试简单，应用也是相当多。

结论：

两种单片机都能够满足设计需要，AT89S51相对较普遍，程序编写也较为简单；具体方案采用At89C51单片机作为功率显示的处理器，采用Atmage8采集电源电压，然后用LED数码管显示。

2.6系统总体设计方案

综上所论，系统采用TDA7294集成电路作为音频功率放大器的主芯片，音色好输出功率大；功放的电源制作采用环变压器及金属封装LM317/LM338作为可调稳压电源，电源电压显示采用Atmage8采集电压并用LED数码管显示，功率显示采用直流电压电流检测模块作为主要电路，单片机选择Atmage8和At89C51作为电源电压的采集显示及功率检测显示的处理器。

系统电源设计框架图如图2-2所示、系统功能结构设计框架如图2-3所示。

图2-2系统电源设计框图

图2-7系统功能结构设计框图

3系统的硬件设计与实现

3.1电源电路设计PCB制作及电压检测显示

3.1.1直流电源

TDA7294的工作电压在±10V~±40V,功率在70W*2，TDA7294的工作电压只有在±28V以上才能很好的发挥出它的效果，同时工作电流也比较大；为了能够满足功率放大器的最大功率，本设计采用了300W环牛变压器，双路交流33V输出，整流桥电路通过电流25A，电流采用大容量10000uf电解电容作为滤波。

稳压器采用三端可调稳压器LM317/LM337正负电压输出，LM317/LM337是输出电压可变的集成三端稳压块使用方便、应用广泛，LM317的封装形式有多种，一般有金属封装T0-3、金属封装T0-39、塑料封装T0-220这三种（图3-1所示）。

图3-1LM317封装图

本设计采用金属封装T0-3功率较大，常被功放发烧友称之为金封“毒菇”，性能远在一般的塑封LM317/LM337之上，高可靠、耐高温、低温飘。

比塑封的317电流大，散热更好。

输出电压：

1.25-37VDC；输出电压公式：

Vo=1.25（1+R2/R1）；输出电流：

5mA-3A；芯片内部具有过热、过流、短路保护电路；具体电路设计图如图3-2所示。

图3-2三端稳压器的电路设计

3.1.2三端集成稳压器的PCB设计

三端集成稳压器电路较简单，外围器件最少仅需2个电阻便可组成可调稳压电路；PCB制作的软件版本是Altiumdesigner6.9；由于功放的工作电流较大，在PCB设计的时候要注意有大电流流过的线要加粗。

电源板的焊接板是用敷铜板打印线路用药水腐蚀而成，板子厚度有1.6mm，硬度较大，足够承受电路的物理重量及安装是的受力压迫，设计图如图3-3所示，实物图如图3-4所示。

图3-3电源PCB设计板

图3-4电源电路实物图

3.1.3电源电压测量及显示设计

三端集成稳压器是可调电源，所以电源输入给功放板之前需要先测量好其输出电压值，测量的方法可以有很多，比如用万用表直接测量是最准的，但是使用万用表测量比较费时，所以设计了使用Atmage8单片机采集两路电压，单片机ADC最大只能采集5V电压，因此先用较大功率的电阻分压后再送给单片机采集电压，负电压需要通过一个1/1反向比例运算放大器，转为正电压后被单片机采集，通过单片机处理运算后在数码管上显示。

其电路设计图如图3-5所示，数码管显示电路如图3-6所示。

图3-5采集控制运算电路

图3-6数码管显示电路

3.2音频功率放大器的设计及PCB制作

3.2.1集成功放TDA7294音频功率放大器电路设计

TDA7294是目前性能最好、功率最大的单片音频放大器之一。

它由意法公司根据分立元件甲乙类音频功放经典电路设计而成。

其前级采用低噪声、低失真的双极性晶体管电路，末级采用高耐压、大电流DMOS管缓冲输出，既有双极性电路的音色纯正优点，又有场效应管高压大电流驱动输出特点。

该芯片的设计具有耐高压、低噪音、低失真度、重放音色极具亲和力等特色；且具有静音待机功能，短路电流及过热保护功能使其性能更加完善。

芯片参数如下：

工作电压范围：

VCC+VEE=80V

电压范围

|VCC|+|VEE|=20V-80V

输出功率

最高达100W

输出功率

|VCC|=|VEE|=35V，RL=8欧时为70W

转换速率（SR）

10V/us

开环增益

80dB

总谐波失真（THD）

0.01%（典型值）

电路设计使用其官方的典型应用电路，接成如图3-7电路增益为30dB（R3/R2），增大R3或减小R2可以提高放大器增益,反之增益下降；TDA7294的⑨脚静音控制端，当该脚低于2.5V时，TDA7294执行静音操作，输出端无信号输出，⑩脚为待机模式控制端，当该脚低于2.4V时，TDA7294工作在待机模式，内部电路停止工作，使待机和关机过程都在静音状态下进行，确保了放大器开关机无噪声。

典型应用电路如下图3-7所示。

图3-7TDA7294应用电路

3.2.2功率放大器的PCB制作

采用设计软件Altiumdesigner6.9设计原理图及PCB，电路板采用腐蚀铜电路板制作，电路板厚度1.6毫米；地走线布线基本符合一点接地的原则，信号地和电源地分开，输入小信号地和输出大信号地分开。

从而最大限度的减小噪音以及减小自激的可能，提高信噪比。

电源线、输出线电流较大，应尽量画粗，以保证电路足够大电流通过。

电路板的PCB设计图如图3-8所示，实物图如图3-9所示。

图3-8功率放大器的PCB板

图3-9功率放大器的实物图

3.2.3集成功放芯片的散热

由于TDA7294工作电流较大，芯片发热量大，需要比较大的散热片，且在一定的情况下需要强制风冷。

在PCB板的设计就专门给芯片留了散热片的位置，散热片采用电脑CPU散热铝片改造，并且加上风扇。

3.3直流控制芯片TA7630P集成音频滤波电路

音频调节电路主要采用TA7630为主要芯片，工作电源电压±5V，它是属于直流控制，双声道控制；具有电源供给范围宽、温度漂移小、串音小、音调控制范围宽等特性，适用于汽车音响、收录机等等多个应用。

主要作用是对输入的音频信号进行处理，改变音频信号的高音、低音、信号强度和两通道音频信号的平衡度，输出为后级放大的输入音频信号。

电路原理图如图3-10所示。

图3-10音频调节电路原理图

3.4MP3音频解码电路

3.4.1MP3音频解码器的功能介绍

MP3解码器工作电源在3.7-5V，抗干扰能力强，数字化，噪音低，非常适合音响的改造与组装。

MP3解码器的主要功能是将U盘、内存卡内的MPP3音频文件转换成数字音频信号输出，供给后级放大电路作为音频输入信号。

且可以接收FM信号，实现收音机功能。

解码器上有3个按键，中间的按键按下是暂停功能，长按是MP3文件解码与收音机模式的切换；左右两个按键长按可以加减音量，按下是上下首选择，在收音机模式，按下是调台功能。

模块上有红外遥控器可开关机解码器，控制音量、上下首、换台、音效变换、切换收音机模式、暂停播放。

其实物图如图3-11所示。

图3-11MP3解码器模块实物图

3.4.2M红外线遥控器的功能介绍

在解码器上装有红外接收器，用来接收小遥控器的发