基于单片机的音量控制电路设计

摘要

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。

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

2017.1.15—2017.1.30熟悉STC单片机的工作原理，掌握中断、串

口等使用方法；

2017.2.1—2017.2.28掌握数字电位器工作原理，熟悉数模信号控

制电路；

2017.3.1—2017.3.15 熟练掌握C51程序编程方法；

2017.3.16—2017.3.25熟悉PROTEL99SE软件工具，设计相关测

试电路（原理图及PCB图）；

2017.3.26—2017.4.23 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）；

ABSTRACT

2017.4.24—2017.5.20 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

摘要

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。

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

ABSTRACT

ABSTRACT

With the rapid development of electronic technology, modern electronic products through almost all aspects of social audio power amplifier in daily life is everywhere, 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 series, 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 can 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 button to meet in some special situations demand.

Keywords: MCU Digital Potentiometer gain control Amplifier

目录i

目录

第一章绪论-------------------------------------------------------- 1

1.1课题背景 (1)

1.2国内外现状 (1)

1.3课题设计目的 (2)

1.4本文研究内容 (2)

第二章总体方案设计------------------------------------------------- 3

2.1单片机的比较和选择 (3)

2.2增益控制方案的比较和选择 (3)

2.3数字电位器的比较和选择 (4)

第三章系统总体设计------------------------------------------------- 5

3.1系统设计的任务要求 (5)

3.2系统设计原理 (6)

第四章系统硬件电路设计--------------------------------------------- 7

4.1单片机部分 (7)

4.1.1 STC89C52的主要特性 (7)

4.1.2 STC89C52的功能描述 (8)

4.2按键控制电路 (10)

4.3显示电路 (12)

4.4数字电位器 (13)

4.4.1 数字电位器的原理和结构 (13)

4.4.2 数字电位器的音量控制电路 (16)

4.5系统硬件电路 (18)

第五章系统软件设计------------------------------------------------ 19

5.1系统总流程图 (19)

5.2模块设计 (20)

5.2.1 单片机子程序 (20)

ii 目录

5.2.2 按键控制程序 (20)

5.2.3 显示程序 (22)

5.2.4 数字电位器控制程序 (23)

第六章系统调试---------------------------------------------------- 25 6.1软件调试 (25)

6.2系统调试 (25)

6.3PCB设计图 (26)

结束语-------------------------------------------------------------- 27致谢-------------------------------------------------------------- 29参考文献------------------------------------------------------------ 31附录-------------------------------------------------------------- 33

第一章绪论 1

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

2 基于单片机的音量控制电路设计

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。

第二章总体方案设计 3

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合。

2.2增益控制方案的比较和选择

方案1：采用A／D／A+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，使用数字电位器控制增益。

4 基于单片机的音量控制电路设计

2.3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： I2C总线属于二线串行接口，基于I2C总线的数字电位器内部E2PROM 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I2C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I2C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： SPI(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，cs代表片选端。

综合以上方案，选择方案2，采用SPI型数字电位器MCP41010来调节音量。

第三章系统总体设计 5

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(10～1000)mV rms，负载为8欧姆电阻。

技术指标如下：

a．失真度≤3%时，输出功率P0≥7.5W；

b．频率响应为(20～22000)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)/Pg≤3%。

基本功能：

（1）设计一个基于单片机的音量控制电路：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。

6基于单片机的音量控制电路设计

3.2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3.1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。

第四章系统硬件电路设计7

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、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

8基于单片机的音量控制电路设计

4.1.2 STC89C52的功能描述

1．STC89C52的管脚

STC89C52单片机的管脚见图4.2所示。

图4.2 STC89C52单片机的管脚

①电源

(1)VCC——芯片电源，接+5V。

(2)GND——接地端。

②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。

③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。

④ I/O引脚

STC89C52共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚。

第四章系统硬件电路设计9

(1)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

2

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。

10基于单片机的音量控制电路设计

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[4]

计算机在启动运行时都需要复位，复位是使中央处理器CPU和内部其他部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。

只要RST保持高电平，STC89C52单片机将循环复位。复位期间，ALE、PSEN

输出高电平。RST从高电平变为低电平后，PC指针变为0000H，使单片机从程序存储器地址为0000H的单元开始执行程序。复位后，内部各寄存器的初始内容见图4.6所示。当单片机执行程序出错或进入死循环后，也可按复位按钮重新启动。

（2）复位信号及其产生

RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。

上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，STC89C52单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。在时钟电路工作以后，当外部电路使得RST端出现两个机器周期(24个时钟周期)以上的高电平，系统内部复位。复位有两种方式：上电复位和按钮复位，如图4.5所示。

(a)上电复位电路 (b)按钮复位电路

图4.5 STC89C52复位电路

4.2 按键控制电路

按键控制电路有单片机（STC89C52）和3个分别控制音增益大小的按钮构成，按键控制接单片机P1.4～P1.6。再按键被按下之前，单片机各个引脚处于高电平，

第四章系统硬件电路设计11 当有按键按下时，相对应的引脚变为低电平，当检测到有引脚变为低电平时，执行相应的操作，按键控制电路见图4.6所示。

图4.6 按键控制电路

按键检测中，采用定时中断的方法。即当计数值到一定大时，开始读取P3口，并将计数器清零，根据读到的键盘值，执行相应的操作。另外有一种情况，按键抖动问题：当操作者手动按键时，由于按键会产生数次抖动，而在较短的时间内，检测程序会检测到多次按下操作，而执行多次相应程序，这与实际情况并不相符。

因为对于操作者来说，只是按了一次按键，而检测程序执行了多次。因此在软件设计中加入消除按键抖动程序。具体实现方法如下：按键被按下时，设置一个时间片（如20ms），在这段时间内进行按键状态判断，如果在时间片结束时，按键状态没有发生变化，仍然为低电平，则表明按键确实被按下，之后再执行相应的操作，这样就可以消除按键抖动对按键检测的造成的影响。

12基于单片机的音量控制电路设计

4.3显示电路

LCD显示电路由单片机（STC89C52）、液晶LCD、阻级三级放大管构成。其中液晶的数据端接至单片机P0.0～P0.7口，液晶选择线接单片机P2.0～P2.2，显示数据由P0口输出至显示器，显示相应的内容。液晶显示内容由单片机从数字电位器获得，显示电路见图4.7所示。

图4.7 显示电路

显示时，单片机通过按键程序读取按键值，并判断是那个控制键被按下，再执行相应操作。同时单片机将发送数据到数字电位器，数字电位器再根据传送的数据执行抽头的上调或下调动作，达到音量调节的目的。单片机可读取数字电位器当前的抽头值，将其编码后送至P0口，显示器获得数据后，显示出相应的值，完成一次显示任务。显示器设计为动态显示，平均每隔20ms更新一次，从而实现了音量、音调的实时显示功能[3]。

第四章系统硬件电路设计13

4.4数字电位器

机械式电位器通常用来调整系统参考电压、增益误差和偏置电压误差。数字电位器可以用来完成相同的任务，而且还能提供额外的数字调整控制功能。

4.4.1数字电位器的原理和结构

1. MCP41XXX系列数字电位器的特点

MCP41XXX系列器件是具有256个抽头的数字电位器(XDCP)。该系列电阻有10K Ω、50KΩ和100KΩ几种，内部包含电阻阵列、滑动开关、控制单元和16位存储器。滑动端的位置由SPI总线控制[2]。

每次上电或重新复位“数据字节”的数据被初始化为80H(即电位器的滑动端处在中心位置)。

MCP41XXX系列器件采用CMOS工艺，功耗极低，被广泛地应用于仪器仪表和精密电压或电流控制系统中。

2. MCP41XXX系列数字电位器的引脚描述

MCP41XXX系列数字电位器的引脚见图4.8所示。

图4.8 MCP41XXX系列数字电位器的引脚

MCP41XXX引脚表述：

1) PA0：数字电位器的一个固定端；

2) PB0：数字电位器的一个固定端；

3) PW0：数字电位器的抽头滑动端；

14基于单片机的音量控制电路设计

4) cs：数字电位器SPI接口的片选引脚；

5）SCK：串行数据输入的同步时钟。在数据准备好的情况下，SCK的下降沿同步输入数据；

6) SI：串行数据输入信号。在SCK的配合下，SI向器件输入数据；

7) Vss：电源地引脚；

8) Vdd：电源正引脚。

3．MCP41XXX系列数字电位器的结构

MCP41XXX系列数字电位器由一个包含255个电阻单元的电阻阵列和一个滑动端开关网络组成。滑动端的位置由cs、SI和SCK 3线输入信号控制，见图4.9。

(a)内部结构 (b)等效电路

图4.9 MCP41XX的内部结构、等效电路

4．MCP41XXX系列数字电位器的操作

MCP4lXXX系列数字电位器的操作是通过一个命令字节完成的。该命令字节格式见图4.10所示。一个字节命令实际上只对C1、C0位(功能选择)和Pl、P0位(电位器选择)进行设置即可。对于MCP41XXX系列器件来说，只有一个电位器P0，而MCP42XXX系列器件才有P1与PO两个电位器。