基于单片机控制的音频放大器的设计

摘  要：本文设计了基于单片机控制的音频放大器系统，该系统由控制器模块、调音与音频放大模块、音源选择模块、频谱模块、温度检测与风扇控制模块、按键控制模块、显示模块、指示模块和电源模块组成。系统实现了音频放大、音量调节、音源选择、频谱显示、功能显示、功放温度监控等功能。

关键词：单片机;音频放大;音频频谱;功能显示

中图分类号：TN722      文献标识码：A 文章编号：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

隨着电子技术的发展，单片机在音频控制方面的应用越来越广泛。音频放大器除具有功率放大功能外，还能显示正在播放的音频信号的频谱，使音乐不但能听，还能“看”，为使用者带来高雅美观的听觉、视觉效果。随着技术进步和人们生活水平的提高，人们越发重视并享受音乐的视觉动态美。

1  基于单片机控制的音频放大器的设计

基于单片机控制的音频放大器组成框图如图1所示，主要包含控制器模块、调音与音频放大模块、音源选择模块、频谱模块、温度检测与风扇控制模块、按键控制模块、显示模块、指示模块和电源模块。

2  基于单片机控制的音频放大器的电路设计

基于单片机控制的音频放大器总电路图如图2所示，各模块电路介绍如下。

2.1  控制器模块

单片机8051资源比较丰富，可以实现各种控制算法和逻辑控制，但该处理速度较慢，资源尚不够丰富，需要扩展较多外围电路。采用STC12C5A60S2单片机，该单片机功能强大，抗干扰性极强，它的速度在晶振同样的情况下比普通51单片机快8～12倍，有8路10位的AD转换功能且多了两个定时器，还带有两路PWM功能，指令代码完全兼容传统8051单片机。

STC12C5A60S2本身的内部结构决定了其内在特性比89C51更加优越，并且单片机资源丰富，可以简化系统外围硬件电路，提高数据处理速度，故选用STC12C5A60S2单片机作为主控制器。

2.2  调音与音频放大模块

音频的调音通过调节串入的电阻大小来实现，现采用MCP41100数字电位器来实现，采用数字电位器实现音量控制，且调节音量档位多。数字电位器的大小根据实际来确定，保证音频源能驱动能力，在此要尽可能提高输入信号的信噪比，降低功率放大器的功耗与增益。

音频放大器是音频信号输出的最后环节，要综合考虑其输出功率、信号失真度、散热等指标。

随着电子行业的快速发展，音频放大器出现了很多可供选择的类型，本文选择TDA2003，TDA2003是线性的放大器，是常用的OTL集成电路，线性的放大器的主要优点是低失真，比如负载输出8Ω、输出功率为1W的失真度仅为0.15%。

TDA2003是在多媒体中应用最普遍的一种集成芯片，电流输出能力强，谐波失真和交越失真很小，里面有各种保护电路，如：短路保护、地线偶然开路、热保护、电源极性接反等，所以该功放管工作安全可靠。该集成块电路简单，外接元件少，通频带宽，音质优美。电源电压8～18V，输出功率大，RL=4Ω时可达18W。使用时要在集成块TDA2003上可安装散热片，否则工作时间过长、温度过高容易烧坏。

MCP41100的输出电阻作为音频放大器音量调节，采用分压输出的形式。电阻R16、R15用于增益设置，R15的值会影响电源抑制比，R15越大，电源抑制比越低。为了提高效率，R15的值可取大一些，如10Ω，R15的值确定后，根据放大倍数再确定R16的值。

2.3  音源选择模块

音源选择使用CD4066四双向模拟开关，由单片机P1.6、P1.7分别控制对应的音源选择通道。音源的两端一端接到音源输入端，另一端接到地。

2.4  频谱模块

用64个LED形成8*8矩阵显示屏，行列驱动由三极管实现。每一行8个发光二极管的阳极接到PNP三极管的集电极，每一列发光二极管的阴极接到PNP三极管的发射极，这样就能对8*8的LED显示屏进行控制。要显示的音频频谱是通过动态扫描来实现的，先通过单片机输出数据到第一列，再通过单片机选通第一列，延时一段时间后再对第二列进行控制，当显示速度循环足够快时，就在LED上形成稳定的图文信息，这样就形成了音频频谱。由于I/O口不够用，加了2个PNP三极管进行了行和列的总控制。

2.5  温度检测与风扇控制模块

TDA2003在使用过程中会产生较大的热量，所以要加装散热片。为了监测产生的温度的大小，使温度不过高而损坏TDA2003，采用温度传感器DS18B20检测功率放大器TDA2003的温度。DS18B20是一线总线数字温度传感器，测量温度范围为-55～+125℃。DS18B20体积小、测量精度高、抗干扰能力强。风扇主要是给TDA2003散热，由单片机对DS18B20测量的温度进行数据处理，根据设定的温度控制风扇工作。当温度达到一定温度（如40℃）时，风扇开始转动，随着温度的升高，风扇的转速相应变快，温度达到60℃的时候是风扇的最高转速，全速运行。风扇的速度可由单片机进行PWM控制。

2.6  按键控制模块

采用5个独立按键来完成控制功能，这种方式是各按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。软件设计采用查询方式来设计，低电平有效。通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。采用独立式键盘，电路配置灵活，软件简单。K1、K2分别用于设置音量加、减，MCP41100数字电位器的总电阻100kΩ分为256级，再把256级分为10档，默认声音设置在5档，当单片机采集到K1有低电平信号时，声音加1档即变为6档，一直加到10档。当单片机采集到K2有低电平信号时，声音减1档，一直变为0。K3用于显示切换，每按一次，数码管显示的信息在温度、音量档次、音源选择切换。K4用于音源选择，本系统设置了2个音源，分别由单片机的P1.6、P1.7脚进行控制。K5用于控制开始和停止，默认是开始状态，当按下该按键，声音停止，再次按下则恢复原状。

2.7  显示模块

显示模块通过4位级联的共阳数码管来实现，数码管的数据口接到单片机的P0口，所以加了10KΩ的上拉排阻。数码管的位码由4个I/O口通过4个PNP三极管来控制。数码管主要用来显示温度、音量档次、音源选择等信息，默认显示温度值，其他信息通过切换按键进行切换查看。因为I/O口不够用，加了1个PNP三极管进行显示的总控制。

2.8  指示模块

指示电路采用的是发光二极管进行指示，并加了1个PNP三极管进行指示总控制。指示电路主要进行电路各工作状态的指示，如温度显示、音量档次、音源选择、超温等。

2.9  电源模块

电源模块主要输出直流12V、5V電压，采用三端稳压集成7812与7805分别得到12V和5V的稳定电压。该方法方便简单，工作稳定可靠，这种集成电路只有三根引脚，在许多场合都有着广泛应用。直流12V电压给音频放大器TDA2003供电，5V电压主要给单片机、数字电位器、温度传感器、MCP41100、指示模块、显示模块、频谱模块供电。因电机工作电流较大，通过变压器输出的电压经整流、滤波后单独供电到电机。

3  结  论

本文设计了一个基于STC12C5A60S2控制的音频放大器，实现了音频放大和音频频谱显示，同时带有音量调节、音源选择、功能显示、功放温度监控等功能。本文设计的音频放大器为使用者带来美观的视觉动态美，同时，为电子技术人员提供了技术鉴定依据。

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作者简介：朱名强（1985-），男，汉族，广西柳州人，教师，研究生，工学硕士，毕业于检测技术与自动化装置专业，研究方向：自动控制技术、电气电子技术、实验系统。