实验题目：基于单片机的音乐炫彩天塔设计

1. 课程简要信息

单片机装调与实验，64 学时，电类专业二年级以上

2. 实验内容与任务（限 500 字）

1） 采用增强型8051 单片机STC12C5A60S2 为主控制器，依据单片机控制点阵的原理，利用LED焊接搭建成天津广播电视塔（简称天塔）模型。

2） 采用用74HC573 和ULN2803等芯片驱动 LED点阵，控制点亮 LED灯显示音乐频谱；控制天塔展示效果，还通过单片机内置的 ADC对音频信号进行采样，然后控制天塔亮的层数达到根据音乐跳舞的效果。

3）调节相关参数实现天塔LED点阵达到理想的灵敏度和稳定的效果。

4）设计多种炫彩开机 LED 动画，提高产品视觉效果，同时达到检测 LED 的作用；

5）制作出适合产品的包装，保证产品的美观性，同时可以在一定程度上保护产品的结构稳定性。

3. 实验过程及要求（限 300字）

1） 学习了解基于单片机控制下不同频率、精度要求下音频接收的方法；

2）学习傅里叶变换相关知识，学习数字信号处理的原理；获取音频信号，并将模拟信号转化成数字信号；

3） 选择音乐信号的采样方式，注意是否满足要求的采样速度；

4） 查找满足实验要求的信号处理算法，注意算法的速度、精度、CPU 占用率等特征；；

5） 构建基于天塔外形的 LED 点阵显示方式，编写控制程序并进行仿真，设计电路结构；选用适当的元器件，设计灵敏度控制方式，调整系统参数；

6） 构建简易的测试方法，用信号发生器输出单频信号，测定频谱显示器误差，手机音响播放音乐，观察整体效果；

7） 撰写设计总结报告，并通过分组演讲，进行开题和结题报告，学习交流不同解决方案的特点。

8） 教师根据产品的效果和工艺进行成绩评定。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

本作品旨在通过音频输入方式，将声音信号转化为可视的炫彩 LED天塔动态效果，提高音乐用户体验度，涉及到音频接收、环境噪声处理、数模信号转换、fft 算法处理、led点阵动态扫描显示、显示模式调整等相关知识与技术方法，此外涉及巧用单面腐蚀板设备制作双面腐蚀板、焊接基本功训练、仪器设备标定及抗干扰处理等操作。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

通过对该产品的开发制作，能使学生更好的学习单片机控制点阵显示原理。引导学生了解现代数字信号处理方法、显示控制技术，深入理解频谱技术。充分锻炼焊装能力和电路设计能力，培养学生的工程实践能力和基本工程素养。

6. 设计与引导

本实验的过程是一个比较完整的工程实践项目，需要经历学习研究、方案论证、系统设计、实现调试、测试标定、设计总结等过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1） 学习数字信号处理的基本方法，了解随着频率测量范围与显示精度要求的不同，在接收器选择、傅里叶变换算法等方面不同的处理方法。2） 不同接收器输出信号的形式、幅度、驱动能力、有效范围、线性度都存在很大的差异，后续的信号调理和滤波电路也要根据信号的特征来设计；一般来说，接收器的使用说明中都有参考电路。3） 实验要求的算法精度，主要取决于信号采样，因此将模拟信号转换为数字信号时可供选择的方式较多，如常规的逐次逼近型 8 位 ADC、双积分型 MC14433、ICL7106/07等都可以采用；也可以采用 V/F 转换的方式，等等。4）可以简略地介绍 LED 点阵显示的基本原理，要求学生自学实现频谱显示的编程。5） 在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，标定所完成的频谱显示器的误差；需要根据实验室所能够提供的条件，设计测试方法，搭建声音频率可控且较为稳定的测试环境。6） 在实验完成后，可以组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，拓宽知识面。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7. 实验原理及方案

1)系统结构

图1 基本结构图

图 2 详细扩展功能图

2)实现方案

图 3 总体设计原理图

该系统以单片机最小系统板为控制核心，工作在 5v 电压下，通过 I/O 接口连接驱动模块用来驱动 LED，LED 模块采用的是 74HC573+ULN2803 驱动，其中 74HC573 控制 LED的正极，ULN2803 控制 LED 的负极。如图 3 底座 4 个 LED 使用的七彩 LED，为了控制方便，4 个 LED 都接到了单片机的 IO 口，可以方便的控制其亮灭，使用七彩 LED 的原因是，其发出的LED光多姿多彩，给天塔的绚丽增添多一份优美，电路如下图所示：

音频电路的设计主要是采用了 T 型口的 USB 接口，因为该接口包含了音频和电源的输入，又因为控制模板的单片机是自带了 AD 的，所以通过按键切换到音频模式下，我们可以看到天塔随音乐在跳舞。

XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

因为一个机器周期含有 6个状态周期，而每个状态周期为 2个振荡周期，所以一个机器周期共有 12 个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为 12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为 1us。

硬件系统的设计步骤：

（1）根据系统的功能要求确定选用的元器件；
（2）分配单片机各个 P 口地址，以连接对应的元器件，方便控制；
（3）利用 DXP 软件构建系统的硬件图；

软件部分的设计步骤:

（1）确定各部分模块对应要实现的功能，并根据连接图写出对应程序中对应的控制信息，便于软件编写；（2）用keil 软件编写程序，对应各模块功能模块化编写，便于程序的检查和调试；（3）利用 keil 软件生成 hex 文件，用 PROTEL 软件绘制电路图；（4） 依照电路图，在电路板上焊接各元件，完成系统实物设计；（5）将焊好的电路板反复进行硬件调试和系统整体调试，直到实现系统要求的预定功能。

8. 教学实施进程

该实验分为准备阶段、设计阶段、实施阶段、验收阶段等四个阶段。

准备阶段：要求学生提前预习相关知识，确定实验方案，准备实验材料。实验开始前学生自由分组，每组进行实验的开题报告，开题报告中要说明实验的方案、人员分工、基本实验原理、具体时间安排等信息，教师对学生的实施方案进行必要的指导，帮学生把握正确的实施方向。

设计阶段：学生在教师的指导下设计电路原理图并仿真，编写单片机控制程序，设计pcb图。在设计阶段教师对于基本的设计方法进行讲解，引导学生进行多种方案的比较，注重要求学生掌握设计技巧和设计的规范。设计完成后，由教师进行检查并及时纠正学生设计中的不足。

实施阶段：根据设计方案，学生在教师指导下进行印制电路的制作和焊装，学生独立完成天塔模型的焊装搭建，下载进已经编写完的控制程序，进行系统的测试。

验收阶段：学生进行结题报告，展示完成的产品，总结经验，上交实验报告。教师对完成情况进行点评并打分，批阅实验报告。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验任务要求：明确说明要达到的效果
2） 实验技术指标：说明预期要完成的各项指标
3） 元器件测试：测试实验中所用到的元器件参数
4） 电路设计原理图：整体的电路原理图和仿真图
5） 电路印制板图：设计完成的PCB图
6） 电路焊装及测试分析：说明焊装的全过程和测试的步骤，列出各项数据
7） 产品操作说明：说明产品的各项功能，并列出操作方法。
8） 实验结果总结及建议：对整个实验进行总结，提出对于教学方法的改进建议。

10.考核要求与方法（限 300 字）

1） 实物验收：对完成的炫彩音乐天塔进行测试，要求具备由 LED 形成的动画效果

和随着输入音频的变化的及时响应。实验效果验收占 $3 0 %$

2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。占 $2 0 %$

3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力，产品是否具体有一定的扩展性。占 $1 5 %$

4） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。占 $1 0 %$

5） 实验数据：测试数据和测量误差等实验相关数据是否完善。占 $1 0 %$

6） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。占 $1 5 %$

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

1） 本项目的焊接工作量大，难度高，充分锻炼了学生的基本技能。

2. 该项目有一定的现实应用背景和比较高的实用价值，以现实的标志性建筑物为LED显示载体，具有较好的创新性和趣味性。

3）本项目综合运用了很多专业课程学习到的知识，比如傅里叶变换、信号与系统、数字信号处理等；使学生通过实验深入理解了所学知识。

实验案例信息表