高保真音响设计
摘 要本文设计了一款能够实现音频功放高保真放大、音量控制以及液晶屏显示等功能的高保真音响控制系统。与传统的音响控制系统相比，本系统具有低廉的价格和优异的性能，具有一定的潜在实用价值。在主控上本系统使用了51单片机作为主控核心，不仅使得成本大大降低，而且减小了系统的功耗，并促使了系统的综合性能得到了提升。在设计流程上，本文首先搭建了硬件系统，随后辅以Protel、Keil以及Visio等专用软件进行程序代码编写与烧录，并在此基础上进行了测试。通过大量的试验验证以及改进优化之后，本系统实现了预期拟设的所有功能指标。
目录
一、引言 1
（一） 高保真音响控制系统的发展背景 1
（二） 高保真音响系统的国内外发展现状 1
（三） 研究内容 2
二、方案选择及元器件介绍 3
（一）系统主控芯片的选取 3
（二）STC89C51单片机介绍 4
（三）功率放大器概述 4
（四） TPA3112型D类功放介绍 6
（五） LCD1602型液晶简介 7
三、硬件系统设计 8
（一）高保真音响系统的硬件结构框图设计 8
（二）51单片机最小系统设计 9
1. 晶振电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三）功放电路设计 10
（四）液晶电路设计 10
（五）按键电路 11
四、软件系统设计 12
（一）高保真音响系统的软件工作流程设计 12
（二）液晶显示流程设计 12
五、实物展示 14
（一）硬件调试 14
（二）制作总结 16
六、总结 17
七、参考文献 18
八、致 谢 19
九、附录 20
（一） 原理图 20
（二） PCB图 21
（三） 元件列表 22
（四） 源程序代码 23
一、引言
高保真音响控制系统的发展背景
高保真音响控制系统是指一种内部嵌入单片机等微处理器作
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
为主控芯片，在单片机片外搭配放大器、音频功放、扬声器、高精度液晶屏、按键以及某些无线收发模块的控制系统。这些系统所表现出的特点是以单片机作为核心部分，在软件上以SPI、IIC或者串口等一些典型接口进行相互之间数据收发。过去使用最为广泛的一类音乐播放器为MP3，这类播放器的典型特点是以MP3解码器作为核心部分，通过微处理器的驱动实现对乐曲的解码和播放。本课题将要设计的这种高保真音响控制系统主要为了完成音乐信号的放大、音量设置以及液晶显示等功能。能够实现这种功能的系统在很早以前就已经出现了，较早期的高保真音响系统在组成上以传统的系统结构占据主要部分，在功能的实现上也主要是以传统A类结构来实现的，这类功放的发热量极大，效率低。随着电子技术逐渐发展后，设计者将一些PWM调制技术融入到传统高保真音响系统中，虽然这些功能在实现难度上非常容易，但是却使得功放在不损失音色的前提下大大提升了效率，使得传统高保真音响系统更加具有实用性，使用者在用这种传统高保真音响系统时能够得到更高的使用体验感。因此设计者们意识到这一趋势之后，不断将当时较为先进的电子技术和成熟控制技术嵌入到传统高保真音响系统内部。在二十世纪后半叶半导体技术和单片机技术实现大发展后，传统高保真音响系统迎来了新的发展契机，单片机丰富的控制方式和成熟的控制性能得到了设计师的一致好评。这一时期，在高保真音响系统设计过程中，设计人员纷纷将单片机控制系统嵌入其中，通过将液晶屏、扬声器以及各种无线通信模块的搭配，实现了手机、wifi遥控功放等新型智能功能。上世纪七十年代后期集成传感器技术的成熟为新型高保真音响控制系统的发展注入了新鲜的血液，这些外型小巧、测量灵敏的传感器探头往往能够按照被测对象的变化而按规律输出相应能够被测量到的电压/电流信号，通过单片机等微处理器与集成传感器的搭配，从而能够实现高保真音响系统的更高的性能。
高保真音响系统的国内外发展现状
高保真音响控制系统在我国的研究起步期相对较晚，其开始时间大约可以追溯到二十世纪初。当时单片机控制系统在国内飞速普及后，使得国内一些技术从业人员开始将目光对准了将单片机系统嵌入到高保真音响控制系统内部。国内的相关技术人员不断从国外一些先进的成熟系统中进行学习，在此基础上能够实现一些简单的开环控制系统。但是对于高保真音响系统的复杂控制，相对于当时国外一些发达国家还有一定的差距。目前国内外对于高保真音响控制系统的研究仍旧处于一种火热的状态。由于微处理器技术不断发展，这在很大程度上不断促进高保真音响系统的更新换代。得益于微处理器的处理速度、处理性能、生产成本以及稳定性的逐渐提升，使得高保真音响系统也在不断提高其性价比。
研究内容
本文提出了采用8位型51单片机作为主控核心的高保真音响控制系统，通过将这种性价比超高并且带有高稳定性性能的芯片嵌入到这种系统中，能够大幅度地降低目前市场上相关产品的生产成本，并且在很大程度上改进了相关产品所存在的普遍缺点。在论文的结构安排上，文章的第一章主要通过到图书馆以及互联网查阅资料对高保真音响控制系统的发展背景进行了简要的阐述，并对目前国内外相关院校、企业或者兴趣小组的研究成果进行了调查与对比，从而分析出他们的研究现状；文章第二章快速确定了高保真音响控制系统的主控核心单片机即51单片机，该核心确立后，通过查阅大量资料，选择出了单片机外围模块所要使用的型号，并对其性能特点进行了简要介绍；论文的第三章是高保真音响控制系统的硬件设计章节，在这一部分，笔者将详细描述控制系统的硬件结构以及各个模块电路的设计过程；论文的第四章是软件设计章节，在这一部分，笔者将通过流程图形式对程序的设计过程进行详细的分析。
本课题将设计一款高保真音响系统，本系统将以STC89C51单片机作为主控芯片，在片外配合晶振电路、复位电路构成STC89C51单片机最小系统，实现对LCD1602液晶屏、TPA3112功放的驱动，用户通过按键的设置，能够实现功放增益的调节，从而实现音量的配置。
二、方案选择及元器件介绍
（一）系统主控芯片的选取
为了实现本文所有的设计指标，必须得对控制系统的主控器芯片进行一个全方位的考核，这不仅仅涉及到它的性能和功能等方面，还要对它外形封装以及管脚数量等情况进行仔细对比。通过对目前微处理器市场上多款常用的器件查阅和学习，最终从中选择出了430单片机以及51单片机两种器件进行全面对比，从而选择出其中一个来进行控制系统的设计。
所谓430单片机指的是TI公司在二十世纪初推出的一种以低功耗为主要特点的控制器芯片，在当时它的低功耗性能达到了单片机市场上的最高水平，该公司的测试人员通过一个新鲜柠檬产生的酸性电压来对430单片机进行供电，使其进入了正常的工作状态，并且柠檬的酸性汁液发出的电量足以使其维持工作达到一小时以上。该低功耗特性使得MSP430单片机迅速赢得了许许多多手持设备设计者的青睐，由于手持设备多是通过电池供电，并且许多外形轻巧的手持设备或者玩具都是通过干电池供电，而干电池的电压最多达到3V左右，许多以5V电压供电的单片机就不适用于这种设备中，而以3.3V供电的430单片机则能轻松工作，这就是430单片机的优势。经过了十几年的发展和优化，430单片机已经形成了多个种类以适用于不同用户。其中F2系列以集成功能模块多、价格低廉赢得了最多的使用者，尤其是学生用户，不但有利于他们学习低功耗的概念，更能使得他们通过配置F2为数不多的寄存器来更快地熟悉430单片机。因此本文若采用F2系列430单片机，那么不但能够使得系统具有低功耗的特点，更能够通过430单片机丰富的配置来使得最终系统取得非常小的外形体积。
目录
一、引言 1
（一） 高保真音响控制系统的发展背景 1
（二） 高保真音响系统的国内外发展现状 1
（三） 研究内容 2
二、方案选择及元器件介绍 3
（一）系统主控芯片的选取 3
（二）STC89C51单片机介绍 4
（三）功率放大器概述 4
（四） TPA3112型D类功放介绍 6
（五） LCD1602型液晶简介 7
三、硬件系统设计 8
（一）高保真音响系统的硬件结构框图设计 8
（二）51单片机最小系统设计 9
1. 晶振电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三）功放电路设计 10
（四）液晶电路设计 10
（五）按键电路 11
四、软件系统设计 12
（一）高保真音响系统的软件工作流程设计 12
（二）液晶显示流程设计 12
五、实物展示 14
（一）硬件调试 14
（二）制作总结 16
六、总结 17
七、参考文献 18
八、致 谢 19
九、附录 20
（一） 原理图 20
（二） PCB图 21
（三） 元件列表 22
（四） 源程序代码 23
一、引言
高保真音响控制系统的发展背景
高保真音响控制系统是指一种内部嵌入单片机等微处理器作
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
为主控芯片，在单片机片外搭配放大器、音频功放、扬声器、高精度液晶屏、按键以及某些无线收发模块的控制系统。这些系统所表现出的特点是以单片机作为核心部分，在软件上以SPI、IIC或者串口等一些典型接口进行相互之间数据收发。过去使用最为广泛的一类音乐播放器为MP3，这类播放器的典型特点是以MP3解码器作为核心部分，通过微处理器的驱动实现对乐曲的解码和播放。本课题将要设计的这种高保真音响控制系统主要为了完成音乐信号的放大、音量设置以及液晶显示等功能。能够实现这种功能的系统在很早以前就已经出现了，较早期的高保真音响系统在组成上以传统的系统结构占据主要部分，在功能的实现上也主要是以传统A类结构来实现的，这类功放的发热量极大，效率低。随着电子技术逐渐发展后，设计者将一些PWM调制技术融入到传统高保真音响系统中，虽然这些功能在实现难度上非常容易，但是却使得功放在不损失音色的前提下大大提升了效率，使得传统高保真音响系统更加具有实用性，使用者在用这种传统高保真音响系统时能够得到更高的使用体验感。因此设计者们意识到这一趋势之后，不断将当时较为先进的电子技术和成熟控制技术嵌入到传统高保真音响系统内部。在二十世纪后半叶半导体技术和单片机技术实现大发展后，传统高保真音响系统迎来了新的发展契机，单片机丰富的控制方式和成熟的控制性能得到了设计师的一致好评。这一时期，在高保真音响系统设计过程中，设计人员纷纷将单片机控制系统嵌入其中，通过将液晶屏、扬声器以及各种无线通信模块的搭配，实现了手机、wifi遥控功放等新型智能功能。上世纪七十年代后期集成传感器技术的成熟为新型高保真音响控制系统的发展注入了新鲜的血液，这些外型小巧、测量灵敏的传感器探头往往能够按照被测对象的变化而按规律输出相应能够被测量到的电压/电流信号，通过单片机等微处理器与集成传感器的搭配，从而能够实现高保真音响系统的更高的性能。
高保真音响系统的国内外发展现状
高保真音响控制系统在我国的研究起步期相对较晚，其开始时间大约可以追溯到二十世纪初。当时单片机控制系统在国内飞速普及后，使得国内一些技术从业人员开始将目光对准了将单片机系统嵌入到高保真音响控制系统内部。国内的相关技术人员不断从国外一些先进的成熟系统中进行学习，在此基础上能够实现一些简单的开环控制系统。但是对于高保真音响系统的复杂控制，相对于当时国外一些发达国家还有一定的差距。目前国内外对于高保真音响控制系统的研究仍旧处于一种火热的状态。由于微处理器技术不断发展，这在很大程度上不断促进高保真音响系统的更新换代。得益于微处理器的处理速度、处理性能、生产成本以及稳定性的逐渐提升，使得高保真音响系统也在不断提高其性价比。
研究内容
本文提出了采用8位型51单片机作为主控核心的高保真音响控制系统，通过将这种性价比超高并且带有高稳定性性能的芯片嵌入到这种系统中，能够大幅度地降低目前市场上相关产品的生产成本，并且在很大程度上改进了相关产品所存在的普遍缺点。在论文的结构安排上，文章的第一章主要通过到图书馆以及互联网查阅资料对高保真音响控制系统的发展背景进行了简要的阐述，并对目前国内外相关院校、企业或者兴趣小组的研究成果进行了调查与对比，从而分析出他们的研究现状；文章第二章快速确定了高保真音响控制系统的主控核心单片机即51单片机，该核心确立后，通过查阅大量资料，选择出了单片机外围模块所要使用的型号，并对其性能特点进行了简要介绍；论文的第三章是高保真音响控制系统的硬件设计章节，在这一部分，笔者将详细描述控制系统的硬件结构以及各个模块电路的设计过程；论文的第四章是软件设计章节，在这一部分，笔者将通过流程图形式对程序的设计过程进行详细的分析。
本课题将设计一款高保真音响系统，本系统将以STC89C51单片机作为主控芯片，在片外配合晶振电路、复位电路构成STC89C51单片机最小系统，实现对LCD1602液晶屏、TPA3112功放的驱动，用户通过按键的设置，能够实现功放增益的调节，从而实现音量的配置。
二、方案选择及元器件介绍
（一）系统主控芯片的选取
为了实现本文所有的设计指标，必须得对控制系统的主控器芯片进行一个全方位的考核，这不仅仅涉及到它的性能和功能等方面，还要对它外形封装以及管脚数量等情况进行仔细对比。通过对目前微处理器市场上多款常用的器件查阅和学习，最终从中选择出了430单片机以及51单片机两种器件进行全面对比，从而选择出其中一个来进行控制系统的设计。
所谓430单片机指的是TI公司在二十世纪初推出的一种以低功耗为主要特点的控制器芯片，在当时它的低功耗性能达到了单片机市场上的最高水平，该公司的测试人员通过一个新鲜柠檬产生的酸性电压来对430单片机进行供电，使其进入了正常的工作状态，并且柠檬的酸性汁液发出的电量足以使其维持工作达到一小时以上。该低功耗特性使得MSP430单片机迅速赢得了许许多多手持设备设计者的青睐，由于手持设备多是通过电池供电，并且许多外形轻巧的手持设备或者玩具都是通过干电池供电，而干电池的电压最多达到3V左右，许多以5V电压供电的单片机就不适用于这种设备中，而以3.3V供电的430单片机则能轻松工作，这就是430单片机的优势。经过了十几年的发展和优化，430单片机已经形成了多个种类以适用于不同用户。其中F2系列以集成功能模块多、价格低廉赢得了最多的使用者，尤其是学生用户，不但有利于他们学习低功耗的概念，更能使得他们通过配置F2为数不多的寄存器来更快地熟悉430单片机。因此本文若采用F2系列430单片机，那么不但能够使得系统具有低功耗的特点，更能够通过430单片机丰富的配置来使得最终系统取得非常小的外形体积。
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