单片机实例分享，打造音乐频谱时钟

电路原理

下面我们按各功能模块逐一给大家介绍一下这个制作的电路原理吧。

图25.1 时钟显示效果

图25.2 频谱显示效果

电源电路如图25.3所示。

图25.3 电源部分的电路

电源模块采用了一支很常见的7805稳压芯片，再加一大一小两个电容进行滤波，输入端直接买了个9V/1A的电源适配器，方便省事。7805额定输出电流1A，对于这样的小系统来说，已经完全够用了。实际使用下来，7805发热不太大，无需加装散热片。为了使用方便，我在7805的输入端加装了一个开关和一个红色LED，分别作为系统电源开关和指示灯。

这部分电路如图25.4所示。单片机采用的是STC89C52RC，考虑到成本和功能性问题，时钟部分我没有单独买时钟芯片，直接使用内部定时器中断作为时钟源，这直接导致的结果就是时钟误差稍大。经测试，每24小时误差在1分钟左右，作为一个功能性的DIY作品，就饶了它吧，呵呵……温度传感器采用的也是常用的DS18B20，相信大家都很熟悉。3个功能按键分别是时钟(闹铃)小时调整、时钟(闹铃)分钟调整和时钟/闹铃切换。

图25.4 时钟、温度部分的电路

为了跟“频谱”切题，时钟、温度的显示没有采用传统的数字表示，而是分别把时钟的小时、分钟的十位和个位分别用点来表示，每两列表示一位，每行表示一点，左下角是时钟，右上角是温度。是不是有点晕乎呢?其实只要你看了实物就会觉得很简单，文字的确不是很好表达。时钟没有单独设置“秒”的显示，为了增强显示效果，我特地在右下角设置了沙漏下落效果，每一秒钟下落一行。

3.频谱分析部分

电路如图25.5所示。这部分的制作跟“五色LED频谱”是一样的原理，都是把音频信号经AD采样，用快速傅里叶变换求出频点的幅值，再根据幅值大小来驱动相应的LED。只不过我设计的是每次采128个点，最后十六分频而已。单片机采用的是STC12C5A60S2，已经在信号输入端加了47pF的电容滤波，但还是发现有噪声。可能是因为使用的是洞洞板，还有就是走线过长的缘故。我试着加大了电容再次滤波，但直接导致低频响应变差，鉴于噪声不是很严重，最后只好作罢，将就一下了。

图25.5 频谱分析部分的电路

4.WAV 音乐播放部分

电路如图25.6所示。这部分应该是整个系统里面最复杂的了，WAV音乐播放部分是在数码之家论坛hit00版主的“WAV播放器”的基础上修改而来的。单片机选用的是STC12C5616AD，虽然该单片机自带有SPI接口，在一定程度上已经简化了程序，但SD卡文件的操作确实有难度。原来的程序里带有语音，受到单片机存储空间的限制，语音质量太差，没有“暂停”及”上一曲”功能。我去掉了语音，增加了暂停及上一曲功能。其中暂停功能的实现花了我不少时间，本来想当暂停的时候就让单片机进入死循环，开始的时候再跳出来，结果试了以后发现完全不是那么回事。单片机PWM信号的输出本来就用的中断，单片机进不进入死循环，中断还是一样的工作。要不就让它在暂停的时候掉电或是待机什么的呢?好吧，查STC12C5616AD的手册。一看手册我笑了，PCON电源控制寄存器不正是我想找的吗，单片机进入掉电模式，单片机状态维持当前值，呵呵……问题解决。功放部分采用了LM386功放芯片，直接引用了网上LM386的典型应用电路。

图25.6 WAV音乐播放部分的电路

5.显示部分

电路如图25.7所示。为了能有好的显示效果，显示部分用的是32×16的高亮度聚光蓝色LED组成的点阵屏，1kΩ电阻限流。全过程手工焊接，可能我焊得慢，整整焊了一晚上。焊接状态与电路细节如图25.8、图25.9所示。

图25.7 显示部分的电路

由于时钟部分跟频谱分析部分共用点阵屏，所以必须考虑两路信号的隔离分时显示。还有就是32列LED的列驱动问题。信号的隔离分时显示我用的是74HC573锁存器，通过控制OE端口将需要显示的信号线路的74HC573选通，而将另外一组信号通过74HC573的高阻态实现隔离。LED的列驱动选用的是74HC154(4线—16线译码器)，只需一组I/O口就可实现32列LED的列驱动了。

到此，整个系统的介绍就完了，在这里特别感谢数码之家论坛的hit00版主在制作过程中给予的大力帮助。图25.10就是这个实物作品的全家福。

为了尽量减少干扰和连线，整个板子电源全是用焊锡走的线。信号线采用杜邦线和插针连接，方便调试。

虽然制作时觉得挺累，但当看到自己做的东西“跑”起来那一刻，就什么都值了，我相信每一个DIY爱好者都会有这种感觉吧，也许这就是DIY的乐趣。相关源程序可到qq群657864614进行下载。

图25.8 焊接状态

图25.9 电路细节

图25.10 完成的电路板实物

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单片机创意小制作，ARM7音乐播放器

在校学习期间，教我单片机的王老师时常提起ARM处理器。她提醒我说，我们是计算机专业的，应该研究嵌入式系统。起因是，我喜欢单片机，而单片机偏偏在我们学校是电子系的专业。把单片机玩转了，对于计算机专业的我，就显得偏离专业了。那时，我还是头脑一热，在网上买了一个AT91SAM7S64最小系统。但是，一直没有像样地玩它。只是断断续续地写了几个简单的程序，像学习51单片机一样学它。随着时间的推移，它被遗忘在一边了。不过这几天在整理零碎时，我又开始注意到它了。

这次制作的主题是——做一款能够媲美山寨CD机的音乐播放器。随着MP3、MP4、手机、PMP等便携播放器的出现，在市场上很少看到专门卖CD机的柜台了。想想也是，现在马路上很少看到有人拿个硕大的CD机听音乐。最主要的原因，估计是CD光盘尺寸偏大，携带不便，所以现在听MP3的人越来越多了。但是，不管怎样，CD的音质还是相当好的。还记得去年，我制作了一款M8音乐播放器，朋友听了后，直接评价那音质不行。我解释说，那是8位的播放器，还是被他鄙视了。太伤我心了。于是，我又琢磨着做一款新的播放器，希望它超过普通MP3的音质。这回做好后，又特意给那位朋友试听了一下，这次他评价说，这音质的确超过普通MP3了。下面我会和大家分享制作它的过程。

主要芯片介绍

这次制作的音乐播放器使用了TI公司的PCM1770，它是24位低功耗立体声音频DAC。由于它能够直接驱动耳机，所以选择它作为音频解码器。当耳机的阻抗为16Ω时，它的输出功率为13mW。PCM1770使用的电源范围为1.6～3.6V，支持标准的I2S音频接口。对DAC的操作是通过SPI接口实现的。它的音量也由软件控制，音量控制一共分为64个等级。

电路的处理器使用Atmel公司的AT91SAM7S64。它有64KB的FLASH程序存储器，16KB的内部SRAM，是高性能的32位RISC架构的ARM7处理器，最高工作频率可达55MHz。它一共有64个引脚，PIO控制的I/O驱动电流可以达到8mA，PA0～PA3可以达到16mA，但所有I/O电流之和不能超过150mA。这款处理器具有SSC同步串行控制器，支持I2S标准，也有SPI接口，可以设定8到16位的数据长度，每个SPI接口有4个片选线。这样，处理器与DAC解码器的数据传输、控制命令的发送都可以在硬件上连接实现。

可实现功能

这个制作完成后，将CD音质的WAV文件复制到SD卡内，文件必须存放在根目录下。程序通过AT91SAM7S64的SSC串行控制器，把音频的数据流通过SSC接口传输到TI的音频DAC上。这样，耳机就播放出动听的音乐了。播放器使用普通的微动按钮控制，一共用了5个按钮，分别实现音量、选曲、播放、暂停等控制。

工作原理

整个制作，由图11.1所示的AT91SAM7 S64 最小系统(左边)、洞洞板(中间)和转接成DIP封装的PCM1770 DAC(右边)组成。

图11.1 制作所需的各部分实物

这款音乐播放器的工作原理并不复杂。主要由5大部分组成：

(1)AT91SAM7S64最小系统，比51单片机最小系统稍微复杂些。

(2)PCM1770 I2S音频解码器，用于驱动耳机或音响，播放音乐。

(3)SD卡存储卡，存放44.1kHz/16位的WAV格式的音乐文件。

(4)5个普通的微动按钮，功能分别为：控制音量、前后选择音乐和播放/暂停音乐。

(5)简单的用稳压芯片将5V的USB电源转换成3.3V的电路工作电源。

音乐播放器的原理图如图11.2所示，可分为5大部分：左上角为稳压电路，左下角为5个微动按钮，右上角为SD卡，右下角为TI的音乐DAC芯片，中间的就是AT91SAM7S64的最小系统了。

1.稳压电源

图11.2 电路原理图

它使用1117-3.3V的稳压芯片，把USB接口的5V电源转换成3.3V。4个电容起到滤波作用。稳压芯片可以采用SPX1117-3.3V、LM1117-3.3V或AMS1117-3.3V。如果使用有极性的电解电容，不要粗心地把正负极性弄反。

2. 5个微动按钮

这5个微动按钮排列成经典的上下、左右、中间的十字结构，它的控制功能大家很容易理解，分别是上下为音量控制、左右为切换歌曲控制、中间为暂停/继续播放控制。

3. SD 卡

使用了它的SPI接口，直接和ATM7的SPI接口的NPCS0、MOSI、MISO、SPCK连接，在程序中我使用了系统时钟16.9344MHz作为SPCK时钟，这样它的传输速率才可以超过CD音乐格式标准的数据流速度。

4. TI的DAC

这是这个系统最关键的地方，它需要SPI接口控制它，同时又需要I2S接口给它提供数据流。它的SPI控制接口与AT91SAM7S64的NPCS1、MOSI、MISO、SPCK引脚相连，程序通过拉低 NPCS0 与 NPCS1 这两个引脚来片选 SD 卡或 DAC 芯片。在传输数据时，可以拉低不同的片选信号来指定传输的方向。DAC的LRCK、DATA、BCK接口分别与RAM7的TF、TD、TK连接。但由于DAC芯片还需要系统时钟，它可以是128fs、192fs、256fs或384fs(fs为音乐的采样率，如44.1kHz采样率)。所以，我通过ARM7的PCK0引脚输出384fs频率的时钟。最后，还可以通过控制DAC的PD引脚为0，让DAC休眠，减低它的功耗。

5. AT91SAM7S64 最小系统

正确连接好处理器各内部控制器的电源，如VDDFALSH、VDDIO、VDDCORE、VDDPLL等，确认USB的D+上拉电阻到3.3V。在播放44.1kHz音乐时，确认使用的是16.9344MHz晶体(在下载程序时使用18.432MHz)。最后，在AT91SAM7S64的PLL RC引脚上连接 PLL滤波用的电容。这样，ARM7上电后就能运行代码了。

AT91SAM7S64的电源系统比较复杂，但还好仅仅需要单一的3.3V电压，即可解决所有供电问题。电源使用USB的5V电压，经过1117-3.3V稳压芯片稳压，然后给DAC、AT91SAM7S64、SD卡供电。AT91SAM7S64还需要1.8V的电源电压，好在它内部集成的电压调节功能，能输出1.8V电压。

AT91SAM7S64处理器只要正确连接好需要的2种电源电压(3.3V、1.8V)，焊接上18.432MHz的外部晶体，并且连接上简单的USB接口电路，在物理上就能够下载程序了。注意，当使用18.432MHz的外部晶体时，烧录文件才能通过USB接口下载。但由于音乐播放器需要16.9344MHz的外部晶体，才能以正常的速率播放CD采样率(44.1kHz)的音乐。因此，下载好程序后，还需要切换晶体。这一步麻烦些。

程序首先初始化AT91SAM7S64的SPI接口和SSC接口，并使能PIOA引脚(连接按钮的引脚)和SSC接口(I2S接口)的中断。等初始化接口完毕后，程序才能通过已经正确配置的接口，初始化音频DAC、SD卡设备。等这些操作完成后，程序会通过读取SD卡的特定扇区，识别文件系统种类，并搜索根目录下的第1个音乐文件。最后，通过按钮控制，实现音乐的播放。

使用方法

先要格式化SD卡，使用FAT(FAT12与FAT16的合集)或FAT32都可以。然后，复制44.1kHz、16位的WAV音乐到SD卡上(注意，请复制到根目录)。插上USB电源后，按中间的播放/暂停按钮播放音乐(音乐播放器在上电时不能自动播放，还需要按下播放/暂停按钮才能播放)。

烧录文件的下载与使用

1. 引导代码简介

AT91SAM7S64内部含有一段叫SAM-BA BOOT的程序，它在出厂时已被固化，不会被擦除，也不会被改变。在特定的条件下，它会被复制到内部Flash中，这个复制的过程叫系统程序恢复。系统程序恢复后，下一次上电或手动复位时，SAM-BA BOOT代码就会运行了，它使用片上集成的USB或DEBUG串口与上位机通信，实现自编程。

2. 恢复启动代码

在PA0、PA1、PA2、TST这4个引脚保持高电平的状态下，上电并等待10s。由于上电时PA0、PA1、PA2默认上拉电阻使能了，所以这3个引脚可以悬空。而TST引脚内部下拉电阻使能，因此需要通过外部电路将TST引脚拉高。

10秒后当芯片再次上电时(记得恢复TST引脚为低电平)，就会运行SAM-BA BOOT程序了。这时，把芯片的USB接口连接上电脑，电脑上就会发现新硬件，并自动安装驱动。当然，前提是你在电脑上已经安装了SAM-BA ISP下载软件。

3. 关于 ERASE 引脚

上电时ERASE引脚的上拉可以用来擦除内部Flash的安全位，并且会在50ms的时间内完成。它的作用是使整个内部Flash存储器的内容被清除掉。当完成这些操作后，安全位才会清除。

当你使用SAM-BA对器件编程后，执行了Enable Security Bit操作，即编程了Flash安全位，那么下一次恢复系统程序前必须拉高ERASE引脚。

4. SAM-BA 软件使用

首先，安装SAM-BA ISP软件，它会连同驱动一起安装的。这样，当把已经恢复启动代码的ARM7插入USB接口时，驱动即可自动安装，并在设备管理器里多出如图11.3所示的设备。

然后，双击软件运行，出现图11.4所示的运行画面。选择图11.4所示的连接方式“\usb\ARM0”和开发环境“AT91SAM7S64-EK”后，按“Connect”后连接。接着，烧录软件的主界面就会跳出，如图11.5所示。

图11.3

图11.4

图11.5

然后，点击“Send File”按钮，选择烧录用的BIN文件。最后，点击“Send”发送即可。期间会弹出扇区解锁确认和扇区锁定确认对话框，点击“Yes”即可。

几秒后，程序就烧录完毕了。重新上电后，音乐播放器的代码就能成功运行了。

制作简介

其实，整个制作对刚学习ARM7处理器的人也不难。买一个AT91SAM7S64的最小系统，它的32个PIO口一般都会引出来的，并用插针连接。只需要自己做底板，焊接好插座，就能方便地合并了。

我做的这个底板是用万用板制作的，尺寸大约是10cm×10cm。仔细观察的朋友，还会发现，这个底板的功能不仅仅是特意用来做音乐播放器的，还可以做许多关于ARM7的小实验。

底板的反面我用绝缘导线连接线路，这也是我目前喜欢的做法(见图11.6)。如果觉得难看，大家还可以自制PCB的底板，这样也能轻松焊接。

为了使自己的制作更美观，我又在网上买了片1.8mm厚的有机玻璃板。用小锯切割成10cm×10cm大小后，用砂纸仔细打磨。打磨好后在合适的位置上钻孔，最后用2mm的螺丝和对应的铜座固定，这个制作的外观就完成了(见图11.7)。

大家会发现制作的正面还有一根飞线，这是由于我买的最小系统，3.3V的电源插针没有向下引出，只好拿了条杜邦线连接到底板了。

图11.6 用绝缘导线连接底板背面的线路

图11.7 用有机玻璃制作播放器的外壳

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