基于單片機控制的音頻放大器的設計

摘? 要：本文設計了基于單片機控制的音頻放大器系統，該系統由控制器模塊、調音與音頻放大模塊、音源選擇模塊、頻譜模塊、溫度檢測與風扇控制模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊、指示模塊和電源模塊組成。系統實現了音頻放大、音量調節、音源選擇、頻譜顯示、功能顯示、功放溫度監控等功能。

關鍵詞：單片機;音頻放大;音頻頻譜;功能顯示

中圖分類號：TN722? ? ? 文獻標識碼：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

隨著電子技術的發展，單片機在音頻控制方面的應用越來越廣泛。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。隨著技術進步和人們生活水平的提高，人們越發重視并享受音樂的視覺動態美。

1? 基于單片機控制的音頻放大器的設計

基于單片機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、調音與音頻放大模塊、音源選擇模塊、頻譜模塊、溫度檢測與風扇控制模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊、指示模塊和電源模塊。

2? 基于單片機控制的音頻放大器的電路設計

基于單片機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8051資源比較豐富，可以實現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，需要擴展較多外圍電路。采用STC12C5A60S2單片機，該單片機功能強大，抗干擾性極強，它的速度在晶振同樣的情況下比普通51單片機快8～12倍，有8路10位的AD轉換功能且多了兩個定時器，還帶有兩路PWM功能，指令代碼完全兼容傳統8051單片機。

STC12C5A60S2本身的內部結構決定了其內在特性比89C51更加優越，并且單片機資源豐富，可以簡化系統外圍硬件電路，提高數據處理速度，故選用STC12C5A60S2單片機作為主控制器。

2.2? 調音與音頻放大模塊

音頻的調音通過調節串入的電阻大小來實現，現采用MCP41100數字電位器來實現，采用數字電位器實現音量控制，且調節音量檔位多。數字電位器的大小根據實際來確定，保證音頻源能驅動能力，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節，要綜合考慮其輸出功率、信號失真度、散熱等指標。

隨著電子行業的快速發展，音頻放大器出現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點是低失真，比如負載輸出8Ω、輸出功率為1W的失真度僅為0.15%。

TDA2003是在多媒體中應用最普遍的一種集成芯片，電流輸出能力強，諧波失真和交越失真很小，里面有各種保護電路，如：短路保護、地線偶然開路、熱保護、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，音質優美。電源電壓8～18V，輸出功率大，RL=4Ω時可達18W。使用時要在集成塊TDA2003上可安裝散熱片，否則工作時間過長、溫度過高容易燒壞。

MCP41100的輸出電阻作為音頻放大器音量調節，采用分壓輸出的形式。電阻R16、R15用于增益設置，R15的值會影響電源抑制比，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，根據放大倍數再確定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，由單片機P1.6、P1.7分別控制對應的音源選擇通道。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LED形成8*8矩陣顯示屏，行列驅動由三極管實現。每一行8個發光二極管的陽極接到PNP三極管的集電極，每一列發光二極管的陰極接到PNP三極管的發射極，這樣就能對8*8的LED顯示屏進行控制。要顯示的音頻頻譜是通過動態掃描來實現的，先通過單片機輸出數據到第一列，再通過單片機選通第一列，延時一段時間后再對第二列進行控制，當顯示速度循環足夠快時，就在LED上形成穩定的圖文信息，這樣就形成了音頻頻譜。由于I/O口不夠用，加了2個PNP三極管進行了行和列的總控制。

2.5? 溫度檢測與風扇控制模塊

TDA2003在使用過程中會產生較大的熱量，所以要加裝散熱片。為了監測產生的溫度的大小，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。風扇主要是給TDA2003散熱，由單片機對DS18B20測量的溫度進行數據處理，根據設定的溫度控制風扇工作。當溫度達到一定溫度（如40℃）時，風扇開始轉動，隨著溫度的升高，風扇的轉速相應變快，溫度達到60℃的時候是風扇的最高轉速，全速運行。風扇的速度可由單片機進行PWM控制。

2.6? 按鍵控制模塊

采用5個獨立按鍵來完成控制功能，這種方式是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態不會影響其他輸入線上的工作狀態。軟件設計采用查詢方式來設計，低電平有效。通過檢測輸入線的電平狀態可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。采用獨立式鍵盤，電路配置靈活，軟件簡單。K1、K2分別用于設置音量加、減，MCP41100數字電位器的總電阻100kΩ分為256級，再把256級分為10檔，默認聲音設置在5檔，當單片機采集到K1有低電平信號時，聲音加1檔即變為6檔，一直加到10檔。當單片機采集到K2有低電平信號時，聲音減1檔，一直變為0。K3用于顯示切換，每按一次，數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，本系統設置了2個音源，分別由單片機的P1.6、P1.7腳進行控制。K5用于控制開始和停止，默認是開始狀態，當按下該按鍵，聲音停止，再次按下則恢復原狀。

2.7? 顯示模塊

顯示模塊通過4位級聯的共陽數碼管來實現，數碼管的數據口接到單片機的P0口，所以加了10K?的上拉排阻。數碼管的位碼由4個I/O口通過4個PNP三極管來控制。數碼管主要用來顯示溫度、音量檔次、音源選擇等信息，默認顯示溫度值，其他信息通過切換按鍵進行切換查看。因為I/O口不夠用，加了1個PNP三極管進行顯示的總控制。

2.8? 指示模塊

指示電路采用的是發光二極管進行指示，并加了1個PNP三極管進行指示總控制。指示電路主要進行電路各工作狀態的指示，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，采用三端穩壓集成7812與7805分別得到12V和5V的穩定電壓。該方法方便簡單，工作穩定可靠，這種集成電路只有三根引腳，在許多場合都有著廣泛應用。直流12V電壓給音頻放大器TDA2003供電，5V電壓主要給單片機、數字電位器、溫度傳感器、MCP41100、指示模塊、顯示模塊、頻譜模塊供電。因電機工作電流較大，通過變壓器輸出的電壓經整流、濾波后單獨供電到電機。

3? 結? 論

本文設計了一個基于STC12C5A60S2控制的音頻放大器，實現了音頻放大和音頻頻譜顯示，同時帶有音量調節、音源選擇、功能顯示、功放溫度監控等功能。本文設計的音頻放大器為使用者帶來美觀的視覺動態美，同時，為電子技術人員提供了技術鑒定依據。

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作者簡介：朱名強（1985-），男，漢族，廣西柳州人，教師，研究生，工學碩士，畢業于檢測技術與自動化裝置專業，研究方向：自動控制技術、電氣電子技術、實驗系統。