科技创新2A第3组设计报告 红外.docx
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科技创新2A第3组设计报告红外
摘要:
本设计报告包括可变增益线性放大器电路和红外遥控音量控制系统的主要功能,系统框图,系统软件,及系统硬件的设计和实现方法,以及系统的调试分析,测试结果。
此报告还包括了与研究相关的理论和实践中所遇到的各种问题,设计者的心得体会。
关键词:
单片机;线形运算放大器;红外控制
ABSTRACT
Thisreportincludesexplicationsofinnerworkingsoftheelectriccircuitsandtheprogram,whichmakeupthesystemofLinearOperationalAmplifierandInfraredVolumeControl.Italsocontainsthemajorfunctions,requiredhardwareandsoftware.Thedesignspecifications,thedebuggingandtestingprocess,aswellasthedesigners’impressionsandexperience,theproblemsthedesignersencounteredarealsoattachedinthereport.
KEYWORDS
Single-chipMicrocontroller;LinearOperationalAmplifier;InfraredControl
目次
1.概述
1.1编写说明
主要内容:
本设计报告主要阐明第139小组通过运算放大器增减以实现音量遥控的程序、电路的设计和实现过程。
其中包括各种元器件的用途用法,系统框架图的设定,以及对设计,调试和实现过程中碰到的问题的分析和解决,测试结果。
编写目的:
此报告为科技创新[2]——关于电子系统的局部模块设计和实践——的课程总结,也是关于可变增益线性放大器电路和其控制系统和红外遥控控制音量的设计报告。
适读对象:
有一定电路和单片机知识基础,对科技创新[2]或该系统感兴趣的读者。
1.2名词定义
单片机小系统[1]:
包括CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储)、ROM(程序存储)、输入/输出设备(串行口、并行输出口等)的一块集成电路。
可变增益放大器电路:
在普通运算放大器的基础上增加了可变增益功能的运算放大器电路。
地址译码电路[2]:
电路中的译码器和4封装或非门组成了地址译码电路,其功能,是将单片机外部数据存储器地址空间,进行分配。
键控:
用按键控制系统。
1.3缩略语
单片机:
Single-chipMicrocontroller芯片级的微型计算机
F:
:
frequency频率
运放(Opamp):
operationalamplifier运算放大器
2.系统总体说明
2.1课题任务规定的设计要求
本系统是由单片机控制的运算放大器系统,并可通过按键对增益放大倍数(增益从0.0到1.5,共分16档)进行线性调整。
工作环境限定为直流状态。
在扩展部分中可通过红外线遥控装置对音量进行放大或缩小。
本系统主要由增益可变放大器及其外围控制电路组成。
外围电路又可分为单片机小系统,控制模块,输出模块,红外遥控模块组成。
组成框图如图2.10。
图2.10
单片机小系统:
采用技术较为成熟的51系列单片机。
控制模块:
主要由控制开关(cd4066)组成。
单片机接收到键盘或红外遥控模块传递的信号,控制cd4066对四个调整电阻的连通做出调整。
改变实际连入电路的电阻大小,从而改变放大器的放大倍数,如图2.11(a)。
扩展部分中还需要进行电平转换,如图2.11(b)[3]。
图中所示K1,K2,K3,K4这四个开关并不是真实存在的,而是由CD4066执行这些开关的功能,进行控制。
图2.11(a)
图2.11(b)
运算放大器:
采用反向放大器,如图2.12[4]。
图中所示可变电阻R即为图2.11中由CD4066控制的部分。
图2.12
输出模块:
如图2.13。
图2.13
红外控制模块:
如图2.14[5]。
图2.14
2.2实际完成后的功能
基础部分:
本系统的主要功能是根据用户的需要,将输入的直流信号按照要求进行线性放大,放大倍数由0.0~1.5,共有16档。
在单片机小系统板上提供按键和7段数码管,使用户能通过按键操作,设置放大器的放大倍数,相应的增益值在数码管上显示。
扩展部分:
扩展部分加入了红外遥控装置,可以对输入的音频信号经过放大后输出至耳机。
控制按键有音量增大和音量减小两个。
2.3系统的设计原理与分析
2.3.1系统的设计原理和总体结构
本次设计基本部分是由MCS51单片机控制的可变增益电压放大系统,其基本原理是通过单片机控制CD4066中模拟开关的导通或者断开来改变反相输入运算放大电路的结构(其中的某一电阻),从而达到改变增益的目的。
基础部分原理图如图2.3.10[6]:
图2.3.10
拓展部分原理:
通过电平转换把+5V变为+5V,0V变为-5V,然后通过驱动控制电平信号,以控制红外接收的增益。
2.3.2系统的功能
可变增益运算放大器(基本功能):
根据用户的需要,可以调节输出电压的放大倍数,并且显示增益值,从0.0~1.5倍,控制误差小于1%。
音量遥控:
根据红外感应,调节电压增益,使音量在0.0~1.5范围内增减,包括16个档位。
键盘与显示:
基础部分中,控制按键与7段显示数码管均位于单片机小系统板上;加入拓展部分后,控制按键位于红外控制模块中。
增益控制:
增益控制通过单片机和CD4066芯片,通过不同的信号状态和连接电阻可以产生15种组合,以得到15种不同的放大倍数。
电平转换:
将0~5V的输出范围扩大到-5~+5V。
驱动:
使最后放大器输出的信号可以直接传输到耳机或其他音频输出设备。
3.系统的硬件结构
3.1硬件总体结构
硬件总体框图如图3.10[7]。
图3.10
主要硬件模块:
1.运算放大器
2.CD4066开关
3.电平转换
4.单片机
5.脉冲宽度调制和红外发送
6.红外接收
7.驱动
3.2<可变增益放大电路模块>描述
3.2.1功能描述
根据从单片机传来的控制信号输出电压,该电压与单片机小系统板上的数码管显示相对应,实现0.0~1.5倍的增益控制音量大小。
3.2.2接口定义[8]
1.CD4066
(1)输入端
a输入信号Vi:
与4066的四个开关的输入端相连
b控制信号:
14pinIC座的四个控制信号的针脚与4066对应的四个开关的控制端相连
c+5V电压:
为4066提供工作电压
(2)输出端:
与四个电阻相连
2.LM741:
(1)输入端:
aVin+:
接地
bVin-:
与四个电阻相连
c+5V,—5V电压:
为4066提供工作电压
(2)输出端:
a做根引线作为测量增益输出端
b接反馈电阻R5
3.2.3技术要求
误差小于等于3%。
3.2.4实现方式
电路图如图3.20。
图中椭圆圈中部分不是真实存在的,CD4066实现椭圆圈中部分的功能,R代替了虚线框部分。
CD4066内阻小于1050Ω,为忽略其内阻,选取R11=10kΩ,R12=20kΩ,R13=40kΩ,R14=80kΩ,Rf=8kΩ,使得放大倍数在0.1~1.5之间(如表3.20)。
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
K1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
0
1
K2
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
1
K3
0
0
0
0
1
1
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
K4
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
表中第一行为放大倍数,第一列为开关,0表示断路,1表示通路。
表3.20
图3.20
放大器采用一片LM741芯片。
其管角与内部电路如图3.25[9]
(a)(b)
图3.25
其各项指标系数如表3.21[10]
表3.21(a)
表3.21(b)
3.3
3.3.1功能描述
根据单片机的信号控制4条支路的开断。
3.3.2接口定义
输入:
单片机的数据输出线
输出:
4条路的开断
3.3.3实现方式
图3.30
利用现有集成芯片,如图3.30[11]
3.4电平转换[12]
3.4.1功能描述
将0~5v的输出范围扩大为-5V~+5V,使得交流信号可以顺利通过模拟开关。
3.4.2接口定义
输入:
单片机的输出。
输出:
扩充后的单片机输出。
3.4.3技术要求
输入:
+5V~0V
输出:
+5V~-5V
3.4.4实现方式
一块LM324芯片上含四个运算放大器,电路连接如图3.44
图3.44
3.5单片机
3.5.1功能描述
基本部分功能:
通过按键控制,输出四位共十六种信号,并在数码管上显示输出值。
扩展部分增加功能:
用接收到的信号代替按键控制。
3.5.2接口定义
输入:
从高位到低位依次为:
P1^0,P1^1,P1^2,P1^3
输出:
P1^4,P1^5,P1^6,P1^7
3.5.3技术要求
第一个按键为档位加0.1,第二个按键为档位减0.1,第三个按键为复位键,第四个按键为基本部分与扩展部分之间的切换键。
按键的同时相应的指示灯显示。
3.5.4实现方式
硬件部分结构如图3.50[13]。
图3.50
软件部分编程实现,具体设计方式见第四部分系统的软件结构。
3.6脉冲宽度调制
3.6.1功能描述
将按键的信息转换成长度不同的红外信号通过红外发送装置发送。
3.6.2接口定义
输入:
S1或S2两个按键信号
输出:
长短不同的两个电脉冲信号,通过红外发射部分转换为红外脉冲信号
3.6.3技术要求
脉冲信号长度必须符合一定要求,能让单片机分辨出来。
3.6.4实现方式
电路如图3.64[14]
图3.64
图3.64中芯片为74HC123的两个部分。
R2,R1根据公式[15]
R2所对的74HC123产生长度t1的脉冲信号,R1产生长度为t2的信号,经过按键选择后输出。
3.7红外接收
3.7.1功能描述
将发射极发出的长度不同的红外信号转化为相应的电信号向下一级电路传送。
3.7.2接口定义
输入:
红外信号。
输出:
低电平电信号输出到单片机。
3.7.3技术要求
当收到红外信号时,输出低电平,否则输出高电平。
3.7.4实现方式
电路如图3.74[16]
图3.74
3.8驱动
3.8.1功能描述
使放大器输出的信号转换为可直接被耳机等音频输出设备接收的信号。
3.8.2接口定义
输入:
运放输出的信号。
输出:
处理过的音频信号。
3.8.3实现方式
电路如图3.80[17]
图3.80
4.系统的软件结构
4.1软件总体结构和功能
软件总体结构和功能程序可分为五部分:
常量定义,变量定义,所要调用的函数,时钟中断服务程序,主程序。
各个部分之间关系如图4.1
图4.1
4.2重要的全局变量
1.按键定义:
sbitKEY1=P1^0;
sbitKEY2=P1^1;
sbitKEY3=P1^2;
sbitKEY4=P1^3;
用单片机小系统板上四个按键,KEY1为加一,KEY2为减一,KEY3为复位键,KEY4为单片机按键控制与红外遥控的切换键。
2.电压输出定义
sbitV0=P1^4;
sbitV1=P1^5;
sbitV2=P1^6;
sbitV3=P1^7;
以上四个引脚作为输出电压。
每一个值为0或1,共24=16种情况,对应16个档位。
3.电压输入定义
sbitIN=P3^5;
此引脚作为红外信号的输入。
当有红外信号时值为0,否则为1。
4.按键标示
BitkeyPress1,keyPress2,keyPress3,keyPress4;
当有按键按下时,标示为1,抬起时表示为0。
5.状态标示
Bitstate;
基本部分:
state为0,屏蔽红外发射按键;
扩展部分时:
state为1,屏蔽小系统板按键。
4.3流程逻辑
程序可以分为主程序部分和中断程序部分。
主程序部分流程如图4.31。
图4.31
中断部分流程如图4.32[18]。
图4.32
4.4<红外输入>描述
4.4.1功能描述
通过红外脉冲的长度来判断计数器的增减。
4.4.2输入输出项描述
当有红外信号并且状态为红外输入时,clock开始计数。
Clock每5ms计一次,15次为75ms
当信号长度小于75ms时,计数器counter减1。
当信号长度大于75ms时,计数器counter加1。
当counter大于15时回到1,小于1时跳到15。
4.5<按键输入>描述
按下第一个按键,使计数器增1。
部分代码如下
if((KEY1==0)&&(keyPress1==0)&&(!
state))
{
if(counter>=15)
{counter=1;Set();}
else
{
counter++;
Set();
}
keyPress1=1;
}
else
if((KEY1==1)&&(keyPress1==1))
{
keyPress1=0;
}
keyPress为按键标示。
当有按键按下时,其值为1;否则其值为0。
用一个标记可以让counter每次只增加1。
5.系统功能及技术指标测试
5.1测试项目
基本部分的增益测试(定量)
扩展部分音量控制测试(定性)
5.2测试的资源
测试所用仪器:
稳压直流电源,万用表。
环境:
电工实验室普通环境。
5.3测试方法
基本部分增益测试:
将程序下载到单片机小系统中,并在单片机小系统上加+5V电源使之工作;
在板上提供人机操作界面,使操作者能通过按键操作,设置放大器的增益等级,相应的增益值在数码管上显示;
将可变增益放大器电路连接好,用数字万用表测试增益可控的放大器电路系统的各档(共16个档位)增益的数值并计算相应误差。
如图5.31。
图5.31
音量遥控
把中间电源线拆下,接上音量输入插线,用耳机引出,然后通过红外接收开关控制音量增益,并使增益倍数在数码管上显示。
如图5.32[19]。
图5.32
5.4测试结果及分析
增益测试结果如表5.40。
表5.40
虽然每个档位都略有误差,但是误差均小于1%,考虑到电阻值不能完全准确,元器件参数不能完全准确等原因,可以认为该系统的设计制作是很成功的。
如图5.40。
图5.40
显示增益曲线与实测增益曲线的拟合度达0.99998。
6.开发工具
6.1硬件开发工具
硬件电路制作工具:
电烙铁,万用表,示波器,直流电源,音频播放器,双头音频线,耳机。
硬件制作使用材料:
如表6.10[20]。
名称
数量限额
说明
LM741
1片
单运放,DIP封装
CD4066
1片
四模拟开关,DIP封装
IC座8pin
1个
集成块插座,配LM741
IC座14pin
1个
集成块插座,配4066
电线
1米
供连(焊)接电路使用
焊锡丝
1米
供焊接
1单元试验板
1块
供装配放大器电路使用
香蕉插头、螺母、垫片
4套
1单元试验板的配件
IDC10插座
1个
可作为放大器电路的外部接口
IDC10扁平电缆
1根
单片机与放大器电路的连接线
电阻
6个
供电路使用
单片机小系统板
1块
6单元电源底板
1块
表6.10(a)课程基本部分指定的材料
名称
数量限额
说明
LM324
1片
电平转换,DIP封装
74HC123
1片
单稳态多频振荡器,DIP封装
LM741
1片
单运放,DIP封装
IC座14pin
1个
集成块插座,配LM324
IC座14pin
1个
集成块插座,配74HC123
IC座8pin
1个
集成块插座,配LM741
电线
1米
供连(焊)接电路使用
焊锡丝
1米
供焊接
1单元试验板
1块
供装配音量遥控电路使用
香蕉插头、螺母、垫片
4套
1单元试验板的配件
IDC10插座
1个
可作为音量遥控的外部接口
红外接收
1个
接受红外线
红外发射器
1个
发射红外线
四脚开关
2个
遥控开关控制增益
耳机声道
2个
音量的输入和输出
三极管
1个
用于驱动
电解电容22μF
2个
用于驱动中
电容
4个
用于防抖动和遥控电路中
电阻
11个
供电路使用
IDC10扁平电缆
1根
音量遥控与放大器电路的连接线
表6.10(b)拓展部分指定的材料
硬件运行环境:
1.单片机小系统:
V1接测试电压;V2接-5V;GND接地;+5V接+5V;
2.单片机:
5V;
3.CD4066:
5V;
4.LM741:
10V;
5.LM324:
5V;
6.74HC123:
5V。
6.2软件开发工具
软件开发工具:
Keil(Version2):
编写程序;
Isplay:
下载程序到单片机。
软件运行环境:
单片机小系统。
7.调试过程
硬件部分:
1.电路排线复杂:
在设计和制作过程中,除单片机小系统外,共由四块电路板需要排线焊接。
设计者在设计过程中曾经多次重排线路,或使用跳线,力图线路清晰美观。
但受设计者经验能力所限,线路布局并未达到令人完全满意的程度;
2.调整红外发射脉冲的长短:
根据公式t=kRC,可以求得长脉冲的理论值,但是在实际操作中还需要用示波器测出长脉冲的实际值,再根据需要调节R和C的值;
3.三极管的接法:
三极管在红外控制模块中有重要作用,以其为核心元件组成的电路使红外发射管能获得较高的电压,从而发射出接收管足以收到的信号。
设计者在制作过程中多次将三极管接错;
4.缩小误差:
为使每个增益档位的误差都小于1%,设计者在调试过程中曾多次对运放模块中的电阻值做出微调,反复插拔电阻,带来了排线和焊接的麻烦。
软件部分:
红外脉冲接收:
用示波器读取接收到的红外脉冲的波形,计算其时间,调整clock的值,将小于其值的脉冲判断为短脉冲,否则为长脉冲。
8.致谢
对袁焱老师深表谢忱!
对实验室指导老师,助教老师深表感谢!
对04级学长顾季敏、顾超、王祺皓、陈彧,03级学长费菲、赵淼、王少石、顾及成致以谢意!
感谢其他帮助过我们小组的人!
9.参考资料
[1]费菲、赵淼、王少石、顾及成,《科技创新[3]设计报告》
[2]顾季敏、顾超、王祺皓、陈彧,《科技创新[2]设计报告》
[3]顾季敏、顾超、王祺皓、陈彧,《科技创新[2]设计报告》
[4]上海交通大学电子工程系,《科技创新[2]讲座3——放大器电路设计指导》
[5]顾季敏、顾超、王祺皓、陈彧,《科技创新[2]设计报告》
[6]顾季敏、顾超、王祺皓、陈彧,《科技创新[2]设计报告》
[7]上海交通大学电子工程系,《科技创新[2]讲座5——拓展任务方向介绍》
[8]顾季敏、顾超、王祺皓、陈彧,《科技创新[2]设计报告》
[9]NationalSemiconductor,LM741OperationalAmplifier
[10]NationalSemiconductor,LM741OperationalAmplifier
[11]TexasInstruments,CD4066BCMOSQUADBILATERALSWITCH
[12]顾季敏、顾超、王祺皓、陈彧,《科技创新[2]设计报告》
[13]上海交通大学电子工程系,《单片机小资料》
[14]上海交通大学电子工程系,《科技创新[2]讲座6——拓展部分方案提示》
[15]PhilipsSemiconductors,74HC/HCT123Dualretriggerablemonostablemultivibratorwithreset
[16]顾季敏、顾超、王祺皓、陈彧,《科技创新[2]设计报告》
[17]上海交通大学电子工程系,《科技创新[2]讲座6——拓展部分方案提示》
[18]顾季敏、顾超、王祺皓、陈彧,《科技创新[2]设计报告》
[19]上海交通大学电子工程系,《科技创新[2]讲座5——拓展任务方向介绍》
[20]上海交通大学电子工程系,《电院科技创新[2]课程通知(第03号)》
10.附录
部分电路图(摘自上海交通大学电子工程系——科技创新2讲座):
10.3音量遥控设计主图
10.1程序清单
#include
#include
/*////////////////////////////*/
/*/常量定义/*/
/*////////////////////////////*/
/*定时器初值*/
#defineV_T10xfd/*SCOM9600baud,!
notice:
crystal11.0592MHz*/
#defineV_TH00xee/*~5ms,!
notice:
crystal11.0592MHz*/
#defineV_TL00x00
/*1s软件定时器溢出值,200个5ms*/
#defineV_T1s200
/*数码管段驱动寄存器地址*/
#defineADDR_8SEGXBYTE[0x2000]
/*数码管位驱动和指示灯驱动寄存器地址*/
#defineADDR_SELXBYTE[0x4000]
/*按键*/
sbitKEY1=P1^0;
sbitKEY2=P1^1;
sbitKEY3=P1^2;
sbitKEY4=P1^3;
sbitV3=P1^4;
sbitV2=P1^5;
sbitV1=P1^6;
sbitV0=P1
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