Микропроцессорные устройства

438811_301ПЭ31.frw

Схема Э3.cdw

Пояснительная записка.docx

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Омский государственный Технический Университет
Кафедра: Радиотехнические устройства и системы диагностики
Специальность: Радиотехника
На тему: Проектирование аналого-цифровой цветомузыкальной установки
По дисциплине: Цифровые устройства и микропроцессоры
Студент: Савченко Андрей Анатольевич
Пояснительная записка
Руководитель работы:
В курсовой работе рассматриваются вопросы проектирования аналого-цифровой цветомузыкальной установки предназначенной для бытового использования в качестве дополнения к современным акустическим системам.
С давних времен человечество интересовало взаимосвязь слуха и зрения. Существуют 2 метода решения подобной проблемы это музыкальный световой синтезатор (МУС) где происходит цветовое кодирование-синтез музыкального инструмента с одновременным управлением цвета источника света впервые такого рода идея была реализована в начале 20 века известным русским композитором Скрябиным в процессе создания симфонии “Прометей”. Второй метод решения этой взаимосвязи является преобразование спектра звука в цвет. Таких устройств в настоящее время достаточное количество тем не менее они представляют большой интерес.
В данной курсовой работе рассматривается проектирование аналого-цифровой цветомузыкальной установки (АЦЦУ). Главным достоинством данной АЦЦУ является относительная простота её изготовления и наладки а так же более низкие профессиональные требования к разработчику по сравнению с аналогичными чисто аналоговыми образцами. Данная конструкция является переходным вариантом между чисто аналоговой схемотехникой и цифровой.
Физические основы (ЦМУ)5
1 Трехкомпонентная теория цветового зрения5
2 Методы образования цветов7
3 Двухкомпонентная теория цветового зрения9
Обзор и анализ цветомузыкальных установок12
1Объемная цветомузыкальная установка “ГАРМОНИЯ”12
2Светодиодная ЦМУ «Свет-1».15
3Цветомузыкальный переключатель гирлянд20
Проектирование каскадов ЦМУ23
1. Разработка структурной схемы ЦМУ23
2. Разработка узла анализа и индикации ЦМУ26
3. Разработка программы МК28
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ЦМУ. Схема электрическая структурная 34
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Блок-схема ЦМУ .. 35
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ЦМУ. Схема электрическая принципиальная 36
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ЦМУ. Перечень элементов ..37
Физические основы (ЦМУ)
1 Трехкомпонентная теория цветового зрения
Впервые гипотезу о механизме цветового зрения высказал М. В. Ломоносов который в 1756 г. сформулировал трехкомпонентную (трехцветную) теорию восприятия цветов. Согласно этой теории в глазу имеются три вида приемников лучистой энергии (колбочек) воспринимающих соответственно красную (длинноволновую) желтую (средневолновую) и голубую (коротковолновую) части видимого спектра.
Подобные гипотезы были также выдвинуты в Англии Томасом Юнгом в 1807 г. в Германии - Гельмгольцем в 1852 г. и за основные цвета были приняты красный зеленый и синий.
Все наши ощущения есть не что иное как результат смешения в различных пропорциях этих трех цветов. При одинаково сильном возбуждении трех видов колбочек создается ощущение белого цвета при равном слабом - серого а при отсутствии раздражения - черного. При этом глаз воспринимает яркость предметов путем суммирования ощущений получаемых тремя видами колбочек а цветность - как отношение этих ощущений.
Трехкомпонентная теория цветового зрения в настоящее время является почти общепринятой. Предполагается что в каждом виде колбочек содержится соответствующий цветочувствительный пигмент названный йодопсином обладающий определенной спектральной чувствительностью (характеристикой поглощения). Химический состав пигментов еще не определен.
Рисунок 1.1.1 - Шкала спектра электромагнитных волн.
На рисунке 1.1.1 выделены цвета называемые главными. Границы здесь довольно условные так как каждый цвет непрерывно переходит в следующий образуя множество оттенков. Число воспринимаемых глазом оттенков (спектральных цветов) очень велико и трудно поддаётся точному учету.
Установлено что области спектральной чувствительности трех фотопигментов перекрываются и при зрительном восприятии возбуждаются две или даже три группы колбочек но в различной степени. Иными словами излучение почти всех участков видимого спектра возбуждает не одну группу колбочек и поэтому всегда более чем один из трех независимых приемников участвует в механизме цветовосприятия. Наличием трех приемников света с перекрывающимися областями спектральной чувствительности и объясняют существование метамерных цветов идентичных по цветовому восприятию но вызываемых световыми потоками с различным спектральным составом. Существуют и другие теории цветового зрения однако ни по одной из них не удается ответить на все вопросы об установленных фактах относящихся к цветовому зрению. Правда почти все теории допускают существование трех типов приемников. Отклонения в цветовом зрении также частично свидетельствуют в пользу трехкомпонентной теории. Наряду с теми кто обладает нормальным цветовым зрением (трихромагы) встречаются люди не различающие цветов (ахроматы) а также имеющие ослабленную чувствительность к одному из трех основных цветов или различающие только два основных цвета (дихроматы). Несмотря на то что механизм цветового зрения окончательно не выяснен для создания системы 1ДТВ достаточно уже известных закономерностей цветового зрения выявленных в результате большого числа опытов по смешению цветов. Именно они позволили разработать метрику цвета (колориметрию) производить с достаточной точностью цветовые расчеты воспроизводить цвета и создать цветную фотографию печать кино и телевидение.
2 Методы образования цветов
Существуют два метода образования цветов: аддитивный и субтрактивный основанные соответственно на сложении и вычитании цветов. Первые опыты по сложению световых потоков для образования какого-то цвета можно отнести ко времени проведения Ньютоном в 1666 г. эксперимента по расщеплению с помощью призмы белого светового потока на его составляющие - спектр. Когда он пропустил расщепленный световой поток через вторую призму то убедился что вновь получается белый свет. Это и был первый опыт аддитивного образования цвета т. е. сложения цветовых потоков для получения белого цвета. В 1807 г. Юнг обнаружил что ощущение белого цвета можно получить путем сложения красного зеленого и синего световых потоков. При этом большинство других цветов видимого спектра образуется путем суммирования указанных трех цветов в различных пропорциях. Эти три цвета были названы основными (первичными). В качестве основных могут быть взяты и другие три цвета удовлетворяющие условию линейной независимости согласно которому ни один из этих цветов не должен получаться при сложении двух оставшихся.
Эксперименты по сложению цветовых потоков указывают на возможность получения большинства других цветов видимого спектра путем сложения только трех независимых цветов (красного R зеленого G и синего В)
Сущность оптического смешения цветов заключается в том что на неизбирательно отражающий диффузный экран направляют три световых потока: красный зеленый и синий (цветной Рисунок 1.2.1).
Рисунок 1.2.1 (а-аддитивное образование цветов путем смещения трех основных световых потоков. б-субтрактивное образование цветов путем смещения трех основных красок)
Последние могут быть получены например от источников белого света перед которыми установлены соответственно красный зеленый и синий светофильтры. Цвет экрана будет зависеть от интенсивности смешиваемых цветов. Образование цветов путем оптического смешения трех основных используется в проекционных устройствах воспроизведения цветных телевизионных изображений. Последовательное смешение имеет место при последовательной во времени смене цветов (красного зеленого и синего) с частотой при которой мелькание цветов не видно. При быстром вращении вертушки диск которой окрашен в различные цвета в виде секторов образуется новый цвет который зависит от их угловых размеров.
3 Двухкомпонентная теория цветового зрения
В 1959 году в американской печати появилось сенсационное сообщение: «Трехсотлетняя теория цветного зрения рухнула! Эксперименту Эдвина Г. Лэнда доказали что глаз человека совсем не нуждается в красных световых волнах чтобы видеть красный цвет в оранжевых - оранжевый в желтых - желтый. Комбинируя всего-навсего два светофильтра при фотографировании и последующем проецировании полученного черно-белого снимка на экран Лэнд воспроизводит естественную гамму красок присущую объекту». Сейчас можно с уверенностью сказать что в этих сообщениях было по крайней мере две неточности: во-первых фотографии Лэнда не отражают естественную гамму красок; во-вторых эффекты полученные Лэндом Легко объясняются с позиций трехцветной теории зрения. Чтобы понять о чем речь придется сделать коротенький исторический экскурс. В 1672 году Ньютон с помощью призмы разложил «белый свет» в спектр. Накладывая одни участки спектра на другие люди научились получать новые цвета. Впоследствии обнаружилось что для создания любого цвета в том числе и белого достаточно смешать в разных пропорциях три основных цвета - красный зеленый и синий. В начале XIX века была выдвинута гипотеза о существовании в сетчатке глаза трех родов чувствительных приемников реагирующих на три основных цвета. В 1855 году с помощью трех фильтров получили первую цветную фотографию своеобразную заявку на цветное кино и телевидение. Позднее уже в XX веке выяснилось что каждый приемник воспринимает с максимальной чувствительностью лишь один из основных цветов хотя и способен реагировать на более широкую область спектра. Исследования показали: цветную картину мира подобную той которую видим мы «созерцают» далеко не все живые организмы. Это зависит от числа и спектральной характеристики приемников имеющихся в их светочувствительных клетках. Например у лягушки и черепахи по два приемника. У лягушки максимум чувствительности обоих приемников расположен ближе к красной области спектра так что квакушка смотрит на мир как бы сквозь розовые очки. А вот черепаха - сквозь зеленые. Светочувствительные клетки морской свинки обладают одним приемником. Понятно почему перед морской свинкой окружающий мир предстает в виде черно-белой фотографии. Зрительное восприятие дождевого червя ограничивается в лучшем случае определением направления на светящееся тело. Не только цветного но и черно-белого изображения для червя не существует. У человека клетки сумеречного зрения - палочки - имеют также один приемник. Отсюда ясно почему в сумерках «все кошки серы». "Ну а при чем тут цветовое кодирование? В конце XVIII века великий немецкий поэт и ученый В. Гёте в своей работе о цвете обратил внимание на тот факт что тени деревьев и других предметов в красных лучах заходящего солнца кажутся синими. Позднее было установлено что белый экран после освещения синими лучами кажется красноватым. Иными словами белые предметы всегда окрашены в цвет дополнительный к тому который перед этим на них падал. Это и есть явление цветовой адаптации. Оно объясняется так: раздражение зрительных клеток цветного зрения - колбочек - одним из основных цветов приводит к уменьшению чувствительности соответствующего приемника в то время как чувствительность двух других приемников остается без изменения. Так появляется субъективная окраска сдвигающая область цветоощущения человека либо в сторону красного либо в сторону синего цвета. Нечто подобное наблюдается при замене белого или черного фона цветным. Уменьшение чувствительности одного из приемников заставляет видеть на подкрашенном фоне те цвета которых на самом деле нет. Можно довольно точно рассчитать цветом какой интенсивности следует подкрасить фон чтобы уменьшить чувствительность приемника? Тогда вся гамма красок получается уже не естественной а как бы подкрашенной одним из основных цветов. Именно к такой подкраске фона и сводились в сущности опыты Лэнда.
Обзор и анализ цветомузыкальных установок
1Объемная цветомузыкальная установка “ГАРМОНИЯ”
Предлагаемая цветомузыкальная установка (ЦМУ) «Гармония» (Автор: С. Сорокин) может быть использована в рекламных устройствах декорационно-оформительской практике и дискотеках. Перекрестное многократное смешивание цветов описываемой ЦМУ совместно с иллюзионным вращением ламп одного цвета позволяет получить оригинальную цветомузыкальную композицию.
Электронный блок ЦМУ состоит из двух частей: переключателя ламп на трёхфазном тринисторном мультивибраторе и приставки RC-фильтра.
Рисунок 2.1.1 - Схема приставки на RS-фильтрах.
Рисунок 2.1.2 - Схема переключателя ламп.
Приставка на RС-фильтрах служит для создания цветомузыкального эффекта ее принципиальная схема изображена на рисунке 2.1.1. Приставка содержит три канала разделенные по частотам: низкие - до 200 Гц средние - от 200 до 6000 Гц высокие - выше 6000 Гц.
Каналам соответствуют лампы излучателя со стеклами красного зеленого синего цветов. Минимальный уровень входного сигнала 08 В максимальный 2 В регулируется с помощью резистора R8. На вход приставки подается сигнал с любого звуковоспроизводящего устройства: электропроигрывателя радиоприемника магнитофона. Разделение входного сигнала по частотам осуществляется RС-фильтрами. Приставка получается простой и доступной для повторения любому радиолюбителю. Звуковой сигнал пройдя фильтры R1 R4 С1 С4 поступает на управляющие электроды тиристоров VJ V3 зажигающих лампы Н1 НЗ.
В электронном блоке ЦМУ применены широко распространенные элементы- резисторы МЛТ УЛМ; переменные резисторы СП СПО; конденсаторы МБМ К50-6 тиристоры с Uобр = 400 В. Трансформатор Т1 ТВН-3. Его данные: сердечник - Ш16Х24 обмотка 7 - 60 витков ПЭЛ 051; II - 100 витков ПЭЛ 051. Лампы накаливания общего назначения напряжением 220 В и мощностью до 200 Вт на канал.
Настройка переключателя на трехфазном тринисторном мультивибраторе на определенное время переключения ламп достигается подбором конденсаторов и сопротивлений в управляющих цепях переключателя. Для защиты конденсаторов С1 СЗ завязанных между собой по кольцу рекомендуется применить стабилитроны типа Д817А. Они устанавливаются параллельно емкостям и убираются после настройки переключателя. В целях безопасности желательна установка электролитических конденсаторов в корпус. Для настройки фильтров приставки электронного блока ЦМУ используется звуковой генератор сигнал с которого подается на вход приставки.
При изготовлении и эксплуатации цветомузыкальной установки «Гармония» необходимо соблюдать следующие меры безопасности. Все оголенные участки внутренней проводки ВОУ должны быть надежно изолированы. Перед использованием выходного оптического устройства в работе необходима проверка отсутствия замыкания отдельных проводников на металлический корпус основания с помощью омметра. Разъемы от электронного блока к ВОУ должны иметь надежный контакт. При эксплуатации ЦМУ «Гармония» с лампами накаливания от 100 до 200 Вт на канал необходимо после каждого часа работы отключать ВОУ на 5 10 мин для охлаждения установки. При использовании ламп до 100 Вт на канал установка может работать беспрерывно.
Преимущества данной цветомузыкальной установки по сравнению с остальными заключается в простоте её изготовления в остальном эта схема желает лучшего.
2Светодиодная ЦМУ «Свет-1».
Рисунок 2.2.1 – Схема ЦМУ «Свет-1»
На Рисунке 2.2.1 представлена схема ЦМУ «Свет-1» (Автор: Савченко А.А.). Разберём подробнее данную ЦМУ.
Как таковая идея построения цветомузыки по данному принципу не нова и является практически классической. Но в связи с некоторыми техническими решениями обладает рядом преимуществ по сравнению с другими подобными устройствами.
Итак сигнал с выхода аудиоустройства через разделительные конденсаторы С11 С12 поступает на вход смесителя каналов собранного на резисторах R16 R17 R18. Применение данного смесителя позволяет использовать для управления устройством как стерео так и моно выход. К тому же в стерео сигнал разделен на 2 канала по частотному диапазону а для корректной работы цветомузыки необходимы оба канала. С выхода смесителя сигнал поступает на развязывающий трансформатор. Он обеспечивает гальваническую развязку цепи управления и ЦМУ. Эта мера необходима для защиты Вашего аудиоустройства от повреждения в случае пробоя выходных транзисторов или микросхем а так же каких либо коротких замыканий. Со вторичной обмотки трансформатора сигнал поступает на регулятор общего уровня.
Снимаемый с данного движка сигнал через разделительные конденсаторы С1 С15 С27 поступает на входа компрессоров каналов.
Через конденсатор С1 сигнал поступает на компрессор сигнала НЧ канала реализованный на элементе DA1.1 микросхемы DA1. Компрессор сжимает динамический диапазон аудио сигнала (примерно 40 децибел) до динамического диапазона светодиодов и ламп накаливания (около 20 децибел). Таким образом можно сказать он выполняет роль согласующего устройства. Благодаря применению диодов VD1 VD2 в обратной связи характеристика компрессии является логарифмической. С выхода компрессора сигнал поступает на предусилитель реализованный на элементе DA 1.2 где и усиливается до нужного уровня. После усиления данный сигнал фильтруется двухзвенным ФНЧ фильтром Баттерворта 4-ого порядка. Данный фильтр выделяет сигнал с частотами от нескольких герц до 450 Гц и имеет ослабление около 20 децибел (10 раз) в полосе задержания. Таким образом на выход фильтра проходят такие инструменты как барабаны бас гитара и басовые струны акустической гитары. Отфильтрованный сигнал вновь усиливается усилителем на элементе DA 2.1 и поступает через регулятор уровня R13 на вход выходного каскада. В качестве выходных транзисторов были применены транзисторы МП16А. Применение германиевого транзистора позволило ещё более повысить чувствительность данной ЦМУ к слабым сигналам. В принципе данные транзисторы можно заменить любыми аналогичными германиевыми транзисторами. А для повышения нагрузочной способности применить составной транзистор.
Через конденсатор С15 сигнал поступает на компрессор сигнала СЧ канала собранный на элементе DA2.2 а с его выхода на предусилитель на элементе DA2.3. Назначение принцип работы и устройство компрессора и предусилителя аналогично каналу НЧ. С выхода предусилителя сигнал поступает на вход двухзвенного полосового фильтра Чебышева. Он собран на элементах DA2.4 и DA3.1. Данный фильтр имеет более крутой фронт спада сигнала в полосе задержания чем фильтр Баттерворта но неравномерность сигнала в полосе пропускания находится около 3 децибел. Данный фильтр пропускает полосу частот от 450 до 3500 герц. Таким образом на выход данного канала попадет вокал и большинство музыкальных инструментов. С выхода фильтра сигнал поступает на вход усилителя где вновь усиливается до нужного уровня и через регулятор уровня R44 поступает на вход выходного каскада. Его устройство и назначение аналогично выходному каналу НЧ.
Канал ВЧ построен аналогично предыдущим каналам но в качестве фильтра использован двухзвенный ФВЧ Чебышева. Он реализован на элементах DA4.1 DA4.2. На выход данного канала попадут такие инструменты как малые тарелки 1-я и 2-я струны акустической гитары. Остальные каскады аналогичны каскадам предыдущих каналов.
В данной ЦМУ специально на каждый канал применён компрессор с предусилителем. Это сделано для исключения влияния одного канала на другой. Это является основным достоинством данной цветомузыки по сравнению с другими моделями. Кроме того к достоинствам ЦМУ можно отнести малое потребление тока от источника питания и при этом достаточный уровень освещенности при использовании сверхярких светодиодов и интересной конструкции экрана! В качестве пробного экрана ЦМУ были применены корпуса от гелевых ручек с вклеенными с обоих сторон светодиодами заданных цветов. Потребляемый ток при применении сверхярких светодиодов L-53PBC L-53MGC и им подобных не превышает 02-03А. Напряжение питания ЦМУ может находится в пределах от 6 до 14 Вольт.
Настройка данной ЦМУ очень проста. В каждом канале следует подобрать резистор обратной связи усилителя так что бы он выдавал максимальное усиление но не возбуждался. При этом не стоит особо обращать внимания на искажение сигнала так как после компрессии и фильтрации вообще сложно сказать что на выходе аудио сигнал. Для канала НЧ следует подобрать резистор R23 для СЧ - R50 для ВЧ - R69. Далее остаётся только подобрать токоограничительные резисторы R15 R46 и R65 по типу применяемых светодиодов. После включения ЦМУ выводим движки резисторов R13 R44 R63 примерно в 70- 80% от максимального сигнала. Подаем на вход какой либо аудио сигнал и регулятором общего уровня R19 добиваемся нужного уровня сигнала по миганию светодиодов экрана. После этого если нужно подстраиваем каждый канал соответствующим регулятором уровня канала. На этом настройку ЦМУ можно считать законченной.
Все применяемые детали указаны на схеме.
Стоит только сказать пару слов об изготовлении развязывающего трансформатора. Он наматывается на ферритовом кольце К20х12х6 проводом МГТФ-0.07 или МГТФ-0.12. И первичная и вторичная обмотки содержат по 50 витков. После намотки следует пропитать обмотки нитролаком или нитрокраской. Данные меры надежно защитят трансформатор от пробоя и коротких замыканий.
Фото с испытания ЦМУ представлено на Рисунке 1.2.2 и 1.2.3
Рисунок 2.2.2 – Фото с испытания ЦМУ
Рисунок 2.2.3 – Фото с испытания ЦМУ
3 Цветомузыкальный переключатель гирлянд
Переключатель елочных гирлянд (Автор: Э.Литке) можно построить на одной микросхеме К176ЛА7 или К176ЛЕ5 что значительно уменьшит его габариты. Кроме того небольшие изменения в переключателе позволяют значительно расширить его применение не только в новогодних иллюминациях но и в инструментальных ансамблях в качестве устройства цветомузыкального сопровождения.
Принципиальная схема такого варианта переключателя приведена на Рисунке 1.3.1. На микросхеме DD1 собран трехфазный управляемый генератор. Поскольку на всех выходах элементов 2И-НЕ форма импульсов прямоугольная то формирователь импульсов генератора отсутствует и выходы элементов микросхемы подключены через разделительные конденсаторы С1 - СЗ к управляющим электродам тринисторов VS1 - VS3. Ток потребляемый переключателем от сети не превышает 4 мА.
Управление частотой генератора производится одним переменным резистором R5 с движка которого на входы элементов микросхемы подается постоянное напряжение смещения (через диоды VD4- VD6). Частота генератора при нижнем (по схеме) положении движка резистора R5 когда диоды VD4 - VD6 закрыты определяется из выражения:
где т - постоянная времени равная R7C7. Если т вычислено в миллисекундах то
Расчет t начинают задаваясь нижней
частотой генератора 40 Гц и емкостью одного из конденсаторов С7 - С9 близкими по номиналу например 0115 012 мкФ. ТКЕ этих конденсаторов должен быть минимальным чтобы уменьшился уход частоты от нагрева. Емкость конденсатора С7 подставляют в формулу и определяют номинал резистора R7.
Рисунок 2.3.1. Принципиальная схема переключателя.
Далее после сборки переключателя и монтажа печатной платы устройство включают с одной гирляндой и подбирают номинал резистора R4 в зависимости от имеющегося переменного резистора R5 (22 33 кОм) так чтобы верхний предел частоты генератора был 63 65 Гц. При подборе резистора R4 и измерении частоты необходимо соблюдать меры предосторожности так как переключатель не имеет гальванической развязки с питающей электросетью. Для развязки желательно использовать временно небольшой разделительный трансформатор.
Работу генератора проверяют вращая ось резистора R5. Переключение ламп гирлянды в момент совпадения частот сети и генератора должно прекратиться или стать очень медленным вблизи среднего положения движка резистора R5. В крайних его положениях лампы гирлянды должны мерцать.
Затем проверяют работу переключателя при включенных трех гирляндах. Гирлянды должны переключаться строго поочередно с небольшим перекрытием по накалу.
Колебания волн различны так как возникают они за счет биений на гармонических составляющих частот сети и трехфазного генератора.
«Радуга» в укрупненном варианте с лампами 36 В X 25 Вт была испытана на праздничном концерте и получила положительные отклики. Мощность потребляемая одной гирляндой (без учета гасящего резистора в ее цепи) составила
Преимуществом данной цветомузыкальной установки заключается в применении микросхемы непосредственно запитывая её от сети не используя понижающий трансформатор что естественно уменьшает энергозатраты и габариты установки а применение последнего в качестве гальванической развязки.
Проектирование каскадов ЦМУ
1. Разработка структурной схемы ЦМУ
Наиболее близким по разделению каналов аналогом проектируемой ЦМУ служит ЦМУ «Свет-1». Следовательно в качестве прототипа будем использовать данную ЦМУ.
На Рисунке 3.1.1 представлена структурная схема разрабатываемой ЦМУ.
Рисунок 3.1.1 – Структурная схема ЦМУ
ЛК - вход левого канала
ПК - вход правого канала
СМ - смеситель сигнала
КС - Компрессор сигнала
ФНЧ - фильтр низких частот
ПФ - полосовой фильтр
ФВЧ - фильтр высоких частот
МК - микроконтроллер
ККЦ - канал красного цвета
КЗЦ - канал зелёного цвета
КСЦ - канал синего цвета
Аудиосигнал с линейного выхода аудиоустройства поступает на входы смесителя (СМ) левого (ЛК) и правого (ПК) каналов. Данный смеситель необходим для правильной работы разработанной ЦМУ т.к. в стерео сигнале частотный диапазон разделён на 2 канала а для работы нам нужны оба канала.
Полученный сигнал со смесителя поступает на вход компрессора сигнала. Данный компрессор выполняет 2 роли:
- согласует динамический диапазон аудиосигнала с динамическим диапазоном ламп накаливания и светодиодов. Данный компрессор имеет логарифмическую характеристику легурирования. Это связано с особенностями восприятия изменения яркости человеческим глазом;
- ограничивает уровень поступающего на входы фильтров сигнала на заданном уровне тем самым защищая их от запирания а так же обеспечивает нужный уровень чувствительности к слабым сигналам.
С выхода компрессора полученный сигнал поступает на входы фильтров ФНЧ ПФ ФВЧ. Данные фильтры разделяют весь частотный диапазон аудиосигнала на 3 канала по частотному диапазону. Каналу красного цвета (ККЦ) соответствует диапазон частот от 0 до 150 Гц каналу зелёного цвета (КЗЦ) от 200 до 4000 Гц каналу синего цвета (КСЦ) от 4500 Гц и выше. Расчёт данных фильтров аналогично расчету смесителя и компрессора мы рассматривать не будем т.к. он не входит в специфику данной дисциплины.
Разделённый по каналам аудиосигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микроконтроллера (МК). Оцифрованный сигнал МК разделяет по амплитуде на 8 подканалов для каждого из основных каналов.
Во время наличия сигнала на входах АЦП участие в работе принимают 3 канала: ККЦ КЗЦ и КСЦ. В то же время когда на входе АЦП сигнал с фильтров отсутствует (то есть на входе отсутствует аудиосигнал) в работу включается канал фона (КФ). Он выполняет роль подсветки помещения при отсутствии аудиосигнала.
2. Разработка узла анализа и индикации ЦМУ
На Рисунке 3.2.1 представлена электрическая принципиальная схема узла анализа сигнала и узла световой индикации.
Рисунок 3.2.1 – Схема узла анализа и индикации
Узел анализа и индикации разработанной ЦМУ выполнен на широко распространённом микроконтроллере AVR Atmega16. Для упрощения электрической схемы и анализа фильтры условно заменены генераторами сигналов с частотой генерирования равной средней частоте каждого канала ЦМУ.
Микроконтроллер U1 включён по классической схеме. Элементы С1 С2 С3 L1 служат для подавления помех поступающих с источника питания а так же возникающих при работе АЦП микроконтроллера.
Порт D данного микроконтроллера совместно с подключёнными к нему токоограничительными резисторами и светодиодами служит для индикации ККЦ порт С – для индикации КЗЦ порт B – КСЦ. Кроме того канал фона реализован на выходе PA7 порта А.
Работа данного узла очень проста. Сигнал с выходов фильтров поступает на входы АЦП. АЦП преобразует поступающий аналоговый сигнал в цифровую форму. Далее микроконтроллер анализирует амплитуду сигнала (от 0 до 5 В) и подает Лог. 1 на нужное количество ножек порта анализируемого канала в зависимости от поступающей амплитуды.
Каналы в данной АЦП анализируются последовательно. Сначала анализируется ККЦ производится индикация амплитуды сигнала далее АЦП переключается на анализ КЗЦ производит индикацию амплитуды и переключается на КСЦ. Если же на всех 3 входах АЦП сигнал отсутствует то срабатывает КФ. Исходный код программы для МК представлен далее.
3. Разработка программы МК
Разработку программы для МК начнём с выработки общей блок-схемы. Блок схема программы приведена на Рисунке 3.3.1.
Рисунок 3.3.1 – Блок-схема программы для МК
Исходный текст программы с комментариями приведён ниже.
#include utildelay.h>
#define F_CPU 8000000UI
Выставляем частоту работы процессора равной 8 мГц
Разрешаем работу АЦП режим работы определяется SFIOR предделитель = 4
SFIOR=0 Включаем режим непрерывного преобразования
Источник опорного уровня - внешний на 5В на выводе AREF аналоговый вход - РА0(ADC0)
DDRC=0 Настраиваем порт С на выход
PORTC=0 Выводим Лог.0 на выходы порта C
DDRD=0 Настраиваем порт D на выход
PORTD=0 Выводим Лог.0 на выходы порта D
DDRB=0 Настраиваем порт B на выход
PORTB=0 Выводим Лог.0 на выходы порта B
DDRA=0 Настраиваем ножку A7 порта А на выход
PORTA=0 Выводим Лог.0 на выход A7 порта А
uns Определяем переменную V
Настраиваем ножку РА0(ADC0) на аналоговый вход
Запускаем преобразование
Ждём флага завершения преобразования
Считываем значение АЦП
Производим анализ амплитуды сигнала
Делаем небольшую задержку
Настраиваем ножку РА1(ADC1) на аналоговый вход
Настраиваем ножку РА2(ADC2) на аналоговый вход
if ((V == 0) & (V1 == 0) & (V2 == 0))
Анализируем состояние входов АЦП
Включаем канал фона если сигнала на входах нет
В данной курсовой работе были разработаны основные узлы аналогово-цифровой цветомузыкальной установки (АЦЦУ). Данная АЦЦУ предназначена как дополнение к любой бытовой акустической системе в качестве устройства расширяющего функционал системы.
Данная АЦЦУ питается от напряжения 5В которое будут обеспечивать аккумуляторная батарея или батарея элементов электропитания (носимый вариант АЦЦУ) напряжение питания аккумулятора автомобиля (возимый вариант АЦЦУ) или источник вторичного электропитания преобразующий переменное напряжение сети 220В 50Гц в постоянное напряжение 5В (вариант стационарного АЦЦУ).
Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы ATMEL: Учебник для вузов Под редакцией А.В.Евстифеев – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Додэка-ХХI 2005 – 558 с.
Светодиодная ЦМУ Савченко А.А. Журнал Радиолюбитель. 2013. №1. С. 12-14.
Светодиодная ЦМУ Савченко А.А. Журнал Радиомир. 2013. №4. С. 16-18.
Васильев В. А. Веневцев М. К. Транзисторные конструкции сельского радиолюбителя.- М.: Энергия 1980 с. 83-84
Галеев Б. М. Светомузыкальные устройства.- М.: Энергия 1978.
Иванов Б. С. В помощь радиокружку.- М.: Радио и связь 1982 с 124-127.
Сорокин С. Выходное оптическое устройство цветомузыкальной установки- В помощь радиолюбителю. Вып. 75 1981 с. 15-24.

Блок-схема.cdw

438811_301ПЭ3.frw

GJM1555C1H220JA01D 33 пФ
GJM1555C1H220JA01D 100 нФ
СКД-С475-2-90х25 54814-2011
-510 Ом-5% ОЖО.467.180
LQW2BHNR47J03 120 мкГн

Структурная схема.cdw

ЛК - вход левого канала
ПК - вход правого канала
СМ - смеситель сигнала
КС - Компрессор сигнала
ФНЧ - фильтр низких частот
ПФ - полосовой фильтр
ФВЧ - фильтр высоких частот
МК - микроконтроллер
ККЦ - канал красного цвета
КЗЦ - канал зелёного цвета
КСЦ - канал синего цвета
Схема электрическая структурная