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1、全国大学生电子设计竞赛2010年TI杯模拟电子系统专题邀请赛试题点光源跟踪系统（B 题）林进贵 田恒志 胡国庆辽宁工程技术大学电气与控制工程学院2014年7月26日点光源跟踪系统（B题）设计报告摘要 本设计STC12C5A60S2处理器为核心，设计并制作一个检测并跟踪白光LED点光源位置的光源跟踪系统。通过利用感光元件(光敏电阻），将光强转换为电压信号并进行放大，送AD转换，然后通过STC12C5A60S2单片机进行计算和分析，并利用分析结果控制舵机带动光笔运转，准确跟踪光源的运动。 系统由STC12C5A60S2单片机系统（含按键和液晶显示）、光电检测和放大、AD转换、舵机控制电路等组成。
2、为了克服环境光的影响和测量过程中的干扰，系统中采用了4个廉价光敏电阻（分为2组）进行测光。其方法是，首先对每组光电传感器进行多次测量和转换，在进行平均值滤波后，对滤波后的两组结果求差值，确定光源偏离方向，产生舵机控制信号，从而控制激光笔的移动，达到跟踪光源进行准确定位的目的。 本课题所采用的电路简单，算法合理。经过实际制作和测试，完全达到了题目基本部分和发挥部分的所有要求，效果很好。关键词：STC12C5A60S2 白光LED点光源跟踪 感光元件 舵机目录一、系统方案设计论证41.1 感光器件选用方案41.2 光源检测方案5二、系统实现72.1 硬件设计72.1.1 系统框图以及总体电路图7总
3、体电路图72.1.2 单元电路设计82.2 软件设计132.2.1 软件流程13三、系统整体测试及分析143.1 测试步骤143.2 测试结果15四、作品部分设计亮点16五、结论及设计感想16参 考 文 献17 Page 3 of 2625辽宁工程技术大学电控学院2014年TI杯大学生电子设计竞赛带啸叫检测与抑制的音频功率放大器的设计（D 题）林进贵 田恒志 胡国庆辽宁工程技术大学电气与控制工程学院2014年8月15日摘要本电路设计采用拾音电路和音频功率放大电路相结合的放大模式，前者采用LM358对电压进行放大，后者采用性能优良的 AY-TPA3112D1评估板对电压和电流放大，给音响放大器的
4、负载（扬声器）提供一定的输出功率。当负载一定时，希望输出的功率尽可能大，输出的信号的非线形失真尽可能的小，效率尽可能的高。在拾音电路和功放之间加上一个带通滤波器将一定频率的噪音滤掉。除此之外，加上相应的啸叫检测电路和啸叫抑制电路，有效抑制啸叫使得播放的声音清晰。根据实例电路图和已经给定的原件参数，使用仿真软件模拟电路，并对其进行分析，显示波形图，计算数据等操作。 关键词：拾音电路；LM358；AY-TPA3112D1评估板；输出功率；带通滤波器；啸叫抑制电路一、引言1.1设计任务 基于TI的功率放大器芯片TPA3112D1，设计并制作一个带啸叫检测与抑制功能的音频放大器，完成对台式麦克风音频信
5、号的放大，通过功率放大电路送喇叭输出。电路示意图如图1.1所示。啸叫检测啸叫抑制拾音电路接信号源功率放大电路ABK1音频功率放大器K2DCRL8WVo图1.1 电路示意图1.2设计要求 （1）设计并制作图1中所示的“拾音电路”和“功率放大电路”，构成一个基本的音频功率放大器。要求： a）在输入音频信号有效值为20mV时，功率放大器的最大不失真功率（仅考虑限幅失真）为5W，误差小于10；b）在输入音频信号有效值为20mV时，程控设置功率放大器的输出功率，功率范围为50mW5W；c）功率放大器的频率响应范围为200Hz 10kHz。（2）系统采用12V直流单电源供电，所需其他电源应自行制作。（3）
6、在功率放大器输出功率为5W时，电路整体效率80%。 （4）将台式麦克风与喇叭相隔1m背靠背放置，见图2，使用电脑播放音乐作为音频信号源。音频功率放大器能通过麦克风采集信号，经功率放大电路送喇叭输出，输出的音频信号清晰。 （5）设计并制作图1所示的啸叫检测电路和啸叫抑制电路，完善音频功率放大器。要求： a）在不进行啸叫抑制时（图1的选择开关K1连接A端，K2连接C端），将麦克与喇叭相隔1m面对面放置，见图2（b），从小到大调整功率放大器的输出功率，直到产生啸叫时停止；b）啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫，并计算啸叫的频率。实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率；c）启动啸叫抑制电路（图1的选
7、择开关K1连接B端，K2连接D端），音频功率放大器应能有效抑制啸叫，并正常播放音频信号。（6） 进一步改进啸叫抑制电路。在保障无啸叫的前提下，尽量提高音频功率放大器的输出功率；如果输出功率达到5W功率，啸叫抑制电路仍能正常工作，进一步缩短面对面放置的麦克风与喇叭之间的距离。 （7） 其他。 项 目主要内容满分方案论证比较与选择,方案描述3理论分析与计算系统相关参数设计5电路与程序设计系统组成，原理框图与各部分的电路图，系统软件与流程图5测试方案与测试结果测试结果完整性，测试结果分析5设计报告结构及规范性摘要，正文结构规范，图表的完整与准确性2总 分202、 方案设计与论证2.1方案对比本设计由
8、以下几个模块组成：拾音模块、功率放大模块、啸叫检测与抑制模块、显示模块、电压提供模块。2.1.1拾音模块设计要求“拾音模块”和“功率放大电路”，构成一个基本的音频功率放大器；输入音频信号有效值为20mV时，功率放大器的最大不失真功率（仅考虑限幅失真）为5W，误差小于10；功率放大器的频率响应范围为200Hz 10kHz。因此拾音模块包含两大块电路，即小信号放大电路和带通滤波器。2.1.1.1放大电路芯片选择方案一：LM358作为放大电路的放大芯片LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适合用双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电
9、源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其它所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。图2.1.1.1.1 LM358引脚图方案二：LM386作为放大电路的放大芯片LM368是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为外使得围元件最少，电压增益内置为20。但是在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200.输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mV，使得LM386特别适用于供电的场合。图2.1.1.1.2 LM386引脚图方案三：LM393作为放大电路的放大
10、芯片LM393是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.010mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC 并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号时脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。图2.1.1.1.3 LM386引脚图由于接收
11、信号微弱，要得到更精准的声源信号，选取了输入失调电压更小的，但是设计要求用12V单电源供电，综合考虑选用LM358。 2.1.1.2带通滤波电路的选取方案一：经典带通滤波电路带通滤波器是指能通过某一频率范围内的频率分量、但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器，与带阻滤波器的概念相对。一个模拟带通滤波器的例子是电阻-电感-电容电路(RLC circuit)。这些滤波器也可以用低通滤波器同高通滤波器组合来产生.图2.1.1.2.1 经典带通滤波电路方案二：二阶带通滤波器二阶带通滤波器在经典带通滤波器的基础上改进的，提高阶次使得信号衰减更加明显，滤波效果更好。方案三：高阶带通滤波器高阶带通带通
12、滤波器滤波效果最好，通带范围内较为平坦，通带范围外被衰减，截止频率分辨清晰但是，滤波阶数太高了，就会导致成本提高很大，因为阶数越高，带通滤波器的电路结构越复杂，处理起来，难度就会越大。价格比较昂贵，性价比不高。综上考虑，选用二阶带通滤波器。2.1.2功率放大模块设计要求在功率放大器输出功率为5W时，电路整体效率80%。设计并制作图1所示的啸叫检测电路和啸叫抑制电路，完善音频功率放大器。要求：在不进行啸叫抑制时（图1的选择开关K1连接A端，K2连接C端），将麦克风与喇叭相隔1m面对面放置，见图2，从小到大调整功率放大器的输出功率，直到产生啸叫时停止；啸叫检测电路能实时监测所产生啸叫，并计算啸叫的
13、频率。实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率。方案一：TDA2030功放集成块电路 TDA2030是许多电脑有源音箱所采用的HI-FI功放集成块。它接法简单，价格实惠。额定功率为14W。电源电压为618V。输出电流大，谐波失真和交越失真小（14V/4欧姆，THD=0.5%）。具有优良的短路和过热保护电路。 图2.1.2.1 TDA2030引脚图方案二：AY-TPA3112D1评估板TPA3112D1是一款具有SpeakerGuard的25W单声道、无需外加滤波器的D类音频放大器，运用在电视和消费类音频设备中。该芯片供电范围为8V26V；采用H桥作为功率输出级，使得其可在输出没有传统LC滤波
14、器的情况下直接驱动感性负载；输入的音频信号可以是差分形式，其中在24V供电的情况下，满负载驱动8的桥接式扬声器，声音失真率仅为0.1%。图2.1.2.2 PA3112D1引脚图相比较而言，根据题目要求TPA3112D1操作方便简单，功耗低，声音几乎不失真，更加符合题目要求。所以选用TPA3112D1。2.1.3主控单片机MCU的选择设计要求从小到大调整功率放大器的输出功率；实时显示啸叫频率和相应的功率放大器输出功率。方案一：AT89C51AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串
15、行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。方案二：STC12C5A60S2STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),
16、针对电机控制，强干扰场合。相比较而言，因为要将模拟信号处理成数字信号进入单片机进行运算所以要用到A/D、D/A转换，而STC12C5A60S2内部集成A/D、D/A处理起来方便快捷，而且与传统的51单片机相比处理速度更快。所以选用STC12C5A60S2。 2.1.4 显示模块 方案一：LCD12864 LCD12864为带中文字库的128X64 是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。其显示分辨率为12864, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单
17、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84 行1616 点阵的汉字. 也可完成图形显示低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。方案二：LED显示屏LED显示屏：又称电子显示屏或者飘字屏幕。是由LED点阵列和LED PC面板组成，通过红色，蓝色，绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显
18、示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，单色、双色屏主要用来播放文字的，全彩屏主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。 本次大赛要求的是128*64以上分辨率的显示屏，所以选择LCD12864就能满足设计要求。并且自带字库，简单方便。故本设计采用LCD显示屏。三、硬件电路设计 3.1系统框图图3.1系统框图系统主要有四大部分构成拾音模块（包括啸叫检测和抑制电路）、功率放大模块、电压转换模块、信息其间检测扬声器两端电流有效值送入MPU处理后经LCD显示出来。3.2放大电路图3.2放大电路接收部分是用全向式麦克风接收声音信号。由于麦克
19、风接收到的信号在不经过放大时信号很小，不易检测，故后级利用运算放大器将接收的信号进行放大，已达到后级电路的要求。次放大电路采用把运算放大器接成同相比例放大电路，放大倍数由R2和R5共同决定，放大倍数,通过调节R2可以很方便的改变放大倍数，以达到要求。3.3滤波电路根据要求频率响应范围为200HZ20kHz，所以设计一个高通和一个低通串联组成带通滤波器。根据要求、由计算得出：、。图3.3滤波电路3.4功率放大电路AY-TPA3112D1评估板：图3.4功率放大电路TPA3112D1采用差分信号输入，经调制后得到两路驱动信号DRVP和DRVN，这两路信号事实上为两路占空比随输入信号变化的PWM，它
20、们和它们的反向信号一起控制H桥的桥臂的开关，实现功率的放大输出。见附录一AY-TPA3112D1评估板接线图。3.5啸叫检测抑制电路图3.5.1单限比较器图3.5.2啸叫抑制电路啸叫检测电路是由LM9402组成的单限比较器，手动设定阈值，当出现啸叫时信号电压幅值较大通过单限比较器后变成单片机可处理的高低电平，单片机进行处理即可减小啸叫。3.6单片机最小系统及其按键电路和液晶12864显示电路SC706芯片检测流过扬声器的电流得到模拟信号根据公式、单片机内部自带AD、DA单片机处理信号后得出数据送到LCD12864显示出功率值。按键调整输出功率的大小。图3.6单片机最小系统及其按键电路和液晶12
21、864显示电路3.7整体电路实物图见附录二四、软件设计4.1软件流程图4.1.1整体软件程序流程图图4.1.1整体软件流程图4.1.2中断程序流程图图4.1.2中断程序流程图4.2程序代码见附录三五、测试结果与分析5.1测试方法与仪器基础部分：1.信号发生器输出有效值为20mV的正弦波接入电路系统信号源接口，调整输出功率，用交流电压表测得输出电压有效值，根据公式获得输出功率。2.调整信号发生器的输出信号频率，把功率放大器输出端接入数字示波器，检验、观察输出波形在200Hz10kHz内频率响应是否满足要求。3.调整功率放大器输出功率增加到5W，读取供电单电源的电压和电流，根据公式算出电路整体效率
22、。4.使用电脑USB喇叭播放音乐，按题目要求摆放喇叭、音响、麦克风，检验喇叭声音是否清晰。发挥部分：按题目要求摆放喇叭、音响、麦克风，对比示波器的输出值和单片机显示值检测啸叫频率是否准确；同理，对比输出功率是否准确；增大功率放大器的输出功率，直至产生啸叫，切换进入啸叫抑制电路，观察啸叫是否被成功抑制。提高输出功率至5W，观察啸叫是否被抑制，缩短麦克风与喇叭的距离，直至产生啸叫，记录麦克风与喇叭的距离。5.2测试数据第一项：改变频率记录输出电压的五组值，计算输出功率。U（V）66.56.46.36.4P（V）4.505.285.124.965.12要求输出功率为5W，误差小于10%。即由表可知测
23、试结果满足要求。第二项：在输入频率从100Hz30kHz变化时，观察到输出波形在200Hz和20kHz附近有明显的衰减变化，在200Hz20kHz范围内无明显衰减，基本满足要求。第三项：调整功率增加到5W记录电压电流值并计算效率如下表所示。U（V）1212121212I（A）0.520.500.510.500.51P（W）6.2466.1266.12（%）80.183.381.783.381.7由上表数据可知电路整体效率。第四项：使用电脑USB喇叭播放音乐，按题目要求摆放喇叭、音响、麦克风，喇叭声音清晰。满足要求。第五项：按题目要求摆放喇叭、音响、麦克风，记录示波器啸叫频率的输出值和单片机显示
24、值和输出功率计算值与其显示值如下表。增大功率放大器的输出功率，直至产生啸叫，切换进入啸叫抑制电路，观察观察到啸叫被成功抑制。f(示波器)(Hz)30050060010005000f(显示值)(Hz)3105105939874988P(计算值)(W)6.246.156.206.106.05P(显示值)(W)6.276.106.196.116.07第六项：提高输出功率至5W，观察啸叫没有被抑制，没能满足要求，电路有待改进。5.3测试结果分析本设计基本完成题目中的大部分要求，个别要求由于技术知识，及电路硬件功能有限未能满足要求，电路有待改进。参考文献1 郭引用，翁芸，杨完全.无源探测定位技术分析J.
25、现代电子技术，2004，第21期：9-11.2 朱丽莉，陈永健.无源探测定位网J.情报指挥控制系统与仿真技术，2004，第26卷(第5期)：22-24.3 单月晖，孙仲康.不断发胀的无源定位技术J.航天电子对抗，2002，第1期：36-42.4 陆晓燕.基于麦克风阵列实现声源定位D.大连：大连理工大学，2003，3.5 李剑锋.无源时差定位技术及其应用研究D.成都：成都理工大学，2007，3.6 邓勇，徐晖.平面三站时差定位中的模糊及无解研究研究J.系统工程与电子技术，2000，第22卷(第3期)：27-29.7 张波.无源时差定位系统的仿真研究J.测控技术，2005，第24卷(第1期)：52
26、-53.8 黄智伟.全国大学生设计竞赛培训教程M.北京：电子工业出版社，2003：12-16.9 童诗白模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，2010：89-99.10 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2006：25-30.11 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2006：13-17.12 魏立峰.单片机原理与应用技术M.北京：北京大学出版社，2010：56-65.13 万永波，张根宝等基于ARM 的嵌入式系统J微计算机信息，2005(22)：1-2.14 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2005）M.北京：北京理工大学出版社,2007：45-48.15 黄智伟.全国大学生设计竞赛培训教程M.北京：电子工业出版社.2003：23-28.16 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛制作实训M.北京：北京航空航天大学出版社,2007：31-36.17 康华光.电子技术基础（模拟部分）M.北京：高等教育出版社.第五版2005：89-97.18 康光华.电子技术基础(数字部分)M.北京：高等教育出版社.第五版2005：102-125.附录一附录二附录三 Page 25 of 26