電子信息工程基于單片機的手勢識別音樂播放器

1、 基于單片機的手勢識別音樂播放器 中文摘要本設(shè)計在理解STM32F030F4P6芯片的技術(shù)特點和明確音樂播放器的主要功能的基礎(chǔ)上，提出了一種基于單片機的音樂播放器軟硬件設(shè)計的具體實現(xiàn)方法，并運用手勢識別的方式對音樂播放器進行簡單的操作，最后通過實際電路的調(diào)試以及相關(guān)程序的編寫實現(xiàn)了音樂播放器的制作。設(shè)計中采用了STM32F030F4P6單片機作為音樂播放器的中央控制器，并通過QJ008-16s音頻芯片對外置TF卡上的MP3、WMV格式的音頻文件進行讀取操作，然后進行音頻解碼，實現(xiàn)歌曲播放功能。用戶可以通過手勢或者物理按鍵進行歌曲的選擇以及音量的調(diào)節(jié)，還可以通過OLED屏幕上的顯示以調(diào)節(jié)鬧鐘、時

2、鐘、休眠的相關(guān)設(shè)置。在最后的系統(tǒng)測試中表明，該音樂播放器在保留了播放音樂的基本功能的前提下，成功實現(xiàn)了手勢識別操作，其他功能也能正常運行，達到了既定的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：單片機 音樂播放器 手勢識別 音頻解碼Abstract This project analyzes the technical characteristics of STM32F030F4P6 microcontroller and the main functions of audio player, putting forward a method of hardware and software design of aud

3、io player based on single chip microcomputer, and the use of gesture recognition to the audio player simple operation. Finally, through the actual circuit debugging and related programming to achieve the audio player production. In the project, STM32F030F4P6 microcontroller is used as the central co

4、ntroller of the audio player, and Qj008-16s audio chip is used to read MP3 and WMV audio files on the external TF card, and then conduct audio decoding to realize the music playback function. Users can choose songs and adjust the volume through gestures or physical buttons. They can also adjust the

5、alarm clock, time clock, sleep setting and other relevant settings through the display on the OLED screen. It was shown in the final system test, on the premise of keeping the basic function of playing music, the audio player successfully realizes gesture recognition operation, and other functions c

6、an also operate normally, meeting the established design requirements.Key words： Singel Chip Audio Plyer Gesture Recongnition Audio Decoding 目 錄第一章 緒論 11.1 課題研究背景11.2 論文研究內(nèi)容11.3 論文結(jié)構(gòu)安排2第二章 硬件電路設(shè)計 32.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計32.2 硬件選擇32.2.1 硬件選擇思路32.2.2 手勢識別模塊的選擇42.2.3 音頻解碼芯片的選擇52.2.4 音頻功放芯片的選擇52.2.5 嵌入式微控制器的選擇62.3 各

7、硬件電路設(shè)計7 2.3.1 嵌入式微控制器電路設(shè)計7 2.3.2 音頻播放電路設(shè)計10 2.3.3 供電電路設(shè)計14 2.3.4 傳感器電路設(shè)計17 2.3.5 其它電路設(shè)計182.4 本章小結(jié)20第三章 軟件系統(tǒng)設(shè)計 213.1 軟件開發(fā)環(huán)境213.2 系統(tǒng)程序設(shè)計213.3 各子程序模塊設(shè)計223.3.1 音頻播放控制程序設(shè)計223.3.2 手勢識別程序設(shè)計24 3.3.3 按鍵程序設(shè)計27 3.3.4 顯示程序設(shè)計293.4 本章小結(jié)30第四章 系統(tǒng)測試 314.1 系統(tǒng)測試的內(nèi)容314.2 系統(tǒng)測試過程314.2.1 電池電壓測試314.2.2 顯示及播放測試324.2.3 手勢識別測

8、試334.2.4 系統(tǒng)設(shè)置測試354.3 本章小結(jié)36結(jié)論 37參考文獻 38致謝 39附錄 40附錄一 音樂播放器PCB圖 40附錄二 音樂播放器實物圖 4143廣東東軟學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）第一章 緒論1.1課題研究背景近年來，嵌入多種微型傳感器的可穿戴電子設(shè)備發(fā)展迅速，相關(guān)產(chǎn)品層出不窮，比如Apple Watch，藍牙耳機和智能手機等電子設(shè)備?？纱┐髟O(shè)備的流行預(yù)示著人們對高科技產(chǎn)品的渴求以及其中具有巨大的發(fā)展前景。其中，手勢識別技術(shù)是可穿戴領(lǐng)域中一個重要的組成部分。它最初是通過機器設(shè)備檢測手臂的運動姿態(tài)，比如關(guān)節(jié)的角度變化和空間坐標(biāo)的改變，從而計算出運動姿態(tài)的數(shù)據(jù)，并賦予這些數(shù)據(jù)變化的

9、意義，最后根據(jù)其意義執(zhí)行不同的功能。這類設(shè)備雖可提供良好的檢測效果，但將其應(yīng)用在常用領(lǐng)域不僅價格昂貴，而且檢測設(shè)備過于復(fù)雜，不利于往后的修理和維護。其后，光學(xué)標(biāo)記方法取代了上述方法，通過紅外線檢測人手位置和手指的變化，與上述方法相比數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，但缺點是仍需要操作復(fù)雜的儀器設(shè)備。本設(shè)計所使用的基于視覺的手勢識別方式是通過視頻采集設(shè)備采集手勢動作的信息，并運用計算機視覺技術(shù)對采集的圖像序列進行處理，進而對手勢事件加以識別1 武霞,張崎,許艷旭.手勢識別研究發(fā)展現(xiàn)狀綜述J.電子科技,2013,(06):177-180。這種基于視覺的手勢識別技術(shù)避免了環(huán)境因素的干擾，成為了一種簡單的交互方式，具有廣

10、泛的運用場景和廉價的訓(xùn)練成本。因此，手勢識別作為一種簡單而又方便的識別模式必將在未來的電子設(shè)備的使用中占有一席之地。在此背景下，開發(fā)出一種加入該手勢識別技術(shù)的音樂播放器是有巨大的市場前景的。首先，手勢識別技術(shù)順應(yīng)了可穿戴電子設(shè)備的市場潮流，為用戶帶來不一樣的使用體驗。其次，該技術(shù)還能減少播放器上按鍵的數(shù)量，進一步提高音樂播放器的封裝度并減小設(shè)備的尺寸，使用戶在有限的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)不同的功能。而且，音樂播放器減少了按鍵的使用就可以相對應(yīng)地把思考設(shè)備上按鍵的布局轉(zhuǎn)移到提升播放器外觀或者播放器音質(zhì)上面，進一步提升產(chǎn)品的競爭力，為用戶提供更好的使用體驗。1.2 論文研究內(nèi)容本論文的設(shè)計項目包括了硬件和軟件

11、部分。硬件部分包括了PCB的焊接、電源電路的設(shè)計、播放電路的設(shè)計、傳感器模塊的設(shè)計、STM32核心部分的設(shè)計等。軟件部分包括播放控制程序的設(shè)計、顯示程序的設(shè)計、手勢識別程序的設(shè)計、主程序的設(shè)計等。最后，實現(xiàn)了硬件和軟件部分后，還要進行整體模塊的測試，Bug修改的過程。用戶通過Micro-USB數(shù)據(jù)接口將電腦上的WMV、MP3格式的音頻文件復(fù)制到播放器上的TF卡上進行儲存，然后QJ008-16s音頻解碼芯片對音頻文件進行讀取以及解碼操作，并將處理好的數(shù)據(jù)用CSC8002功放驅(qū)動喇叭進行音頻的播放，0.96寸的OLED屏幕進行信息的顯示。其中，由STM32F03芯片作為中央控制芯片對整個操作過程進

12、行監(jiān)控和控制，為各個模塊進行計算功能，保證各個模塊有條不紊地運行。根據(jù)設(shè)計的目標(biāo)，須達到以下的要求：第一，播放內(nèi)存卡中的歌曲（上一曲、下一曲、音量增加、音量減小、音頻播放、音頻暫停），若插入音頻線，則停止當(dāng)前的播放狀態(tài)，自動切換到外部的音源，如手機、電腦等；第二，通過四個觸動按鍵和手勢識別模塊控制音頻的播放；第三，Micro-USB接口不僅可以對電池充電，還可以對TF卡進行操作（相當(dāng)于讀卡器），如存入/刪除歌曲等；第四，播放器無操作兩分鐘，屏幕自動休眠，按下觸動按鍵進行喚醒；第五，屏幕上顯示播放器當(dāng)前的電量；第六，屏幕上顯示當(dāng)前環(huán)境的溫度；第七，屏幕上顯示實時時鐘，并使用獨立的紐扣電池供電，掉

13、電仍可正常計時；第八，鬧鐘設(shè)置、休眠設(shè)置、時鐘設(shè)置。1.3 論文結(jié)構(gòu)安排本論文結(jié)構(gòu)安排如下：第一章為緒論，主要描述了可穿戴電子設(shè)備的背景，使用手勢識別對于音樂播放器的作用和意義，以及論文的主要研究內(nèi)容；第二章為硬件電路設(shè)計，該部分講述了硬件的選擇，電子電路系統(tǒng)的連接和工作原理；第三章為系統(tǒng)軟件設(shè)計，主要概述了系統(tǒng)的程序設(shè)計，以及各主要模塊的軟件設(shè)計方案；第四章為系統(tǒng)軟硬件測試，對特定模塊進行功能測試，觀察實際的效果，驗證數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，并對音樂播放器進行實際的運行測試；最后是將論文整體進行總結(jié)和歸納，講述了在研發(fā)音樂播放器過程中的感受和收獲，以及項目未來改進的方向。第二章 硬件電路設(shè)計2.1 硬

14、件系統(tǒng)設(shè)計硬件系統(tǒng)由嵌入式微控制器、音頻解碼模塊、功放模塊、液晶顯示模塊、手勢識別模塊、電池模塊，以及按鍵、時鐘、溫度檢測、輸入輸出檢測模塊組成。在該硬件系統(tǒng)設(shè)計中，采用了ST公司生產(chǎn)的STM32F030F4P6作為主控微型芯片。單片機通過控制QJ008-16s音頻芯片實現(xiàn)對TF卡的音頻、文檔等數(shù)據(jù)信息進行解碼，實現(xiàn)音頻的播放；在手勢的控制下，實現(xiàn)對音頻音量調(diào)節(jié)，音頻選擇播放的功能。硬件系統(tǒng)框架如下圖2-1所示。手勢識別，按鍵IC+ADC液晶顯示單片機其它模塊IC4IOUART+USB+3IO音頻讀取、解碼、播放圖2-1 硬件系統(tǒng)框架圖2.2 硬件選擇2.2.1 硬件選擇思路設(shè)計一個嵌入式產(chǎn)品

15、，我們首先要明確產(chǎn)品的需求以及使用場景，然后根據(jù)產(chǎn)品的要求去設(shè)計出所需要的功能，接著確定產(chǎn)品功能的框架和流程圖，并根據(jù)產(chǎn)品的定位、資金的多少、功耗的約束、開發(fā)的難度等問題去篩選合適的電子元器件，最后知道了硬件的接口數(shù)量后，選擇一個架構(gòu)熟悉、內(nèi)存足夠的嵌入式微控制器。本項目名稱是音樂播放器，實現(xiàn)的功能是手勢識別和音頻播放，需要用到的器件有嵌入式微控制器、手勢識別模塊、音頻解碼芯片、音頻功放芯片。需要注意的是，本項目需要實現(xiàn)便宜和便攜兩個要求，所以電子元器件盡量選擇低功耗，體積小巧的貼片元件，從而提高產(chǎn)品的續(xù)航能力，縮小產(chǎn)品的實際面積。開始確定產(chǎn)品的需求和使用場景明確產(chǎn)品的功能功能器件分析選擇合適

16、的器件結(jié)束圖2-2 硬件選擇流程圖2.2.2 手勢識別模塊的選擇 目前市面上所使用的手勢識別模塊大多使用ADPS-9960傳感器進行手勢的判斷，該傳感器具有廣泛的使用場景，并且被設(shè)計成各種手勢模塊，以方便開發(fā)者和用戶的使用。在本次設(shè)計中，我們就根據(jù)市面上流行的各種手勢識別模塊來挑選符合設(shè)計要求的電路板。目前在市面上找到的手勢模塊有四種，下面分別從供電電源、通信方式、模塊尺寸、識別范圍、是否支持手勢識別以及價格這六個方面進行篩選。表2.1 手勢模塊選型表方案名稱供電電源通信方式模塊尺寸識別范圍手勢識別價格（元）1APDS-99603.3VIC20*15.3mm10-20cm25.612ATK-P

17、AJ76203.3/5VIC16*16mm5-15cm59.23VL6180X3-5VIC16*16mm0-100mm27.394PAJ7620U22.83.3VIC14*14mm5-15cm29從表中我們可以知道支持手勢識別的有方案1、2、4，手勢識別距離合適（2-10cm左右）的有方案2、4，價格比較便宜的是方案4，所以方案4，即PAJ7620U2選擇作為本次設(shè)計的手勢識別模塊。2.2.3 音頻解碼芯片的選擇選擇音頻解碼芯片作為本次設(shè)計的電子元器件主要有以下幾條要求。第一，芯片的封裝尺寸要小，盡量使用貼片封裝；第二，芯片支持讀取儲存卡內(nèi)的音頻文件；第三，芯片的成本控制在10元以內(nèi)；第四，芯

18、片得到主流市場的認(rèn)可，性能穩(wěn)定可靠。由于市場上音頻解碼芯片種類繁多，功能復(fù)雜，本論主要挑選三個方案作為比較。方案一：WM8731S音頻解碼芯片。集成耳機驅(qū)動；支持8KHz-96KHz的采樣頻率；音頻分辨率為24位；采用28腳SSOP封裝；芯片尺寸為5*5mm；工作電壓為2.7-3.6V；價格9元。方案二：VS1003B音頻解碼芯片。支持MP3和WAV音頻格式的讀取和解碼；采用3.3V供電；16位片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器；片內(nèi)RAM的容量為5.5KB；芯片尺寸為6*6mm；價格10元。方案三：QJ008音頻解碼芯片。芯片支持24位DAC輸出；支持AD按鍵控制；支持單片機異步串口采用UART控制；支持使用F

19、AT16、FAT32文件系統(tǒng)格式；芯片尺寸為10.30*3.95mm；價格3元。綜合所述，在項目的實際應(yīng)用當(dāng)中選擇尺寸更加小巧，功能更加符合項目，價格更加便宜的QJ008芯片作為音頻解碼芯片更為合適。2.2.4 音頻功放芯片的選擇為了符合硬件選型標(biāo)準(zhǔn)，音頻功放芯片選擇的要求有以下幾條。第一，芯片采用單聲道D類功放；第二，工作電壓范圍在3-5V左右；第三，芯片應(yīng)選擇貼片封裝；第四，價格控制在10元以內(nèi)。根據(jù)這些條件，在網(wǎng)上找到了CSC8002D功放芯片作為本項目的功放芯片，其芯片較于其它功放芯片有價格便宜，引腳少，便于編程的優(yōu)點。2.2.5 嵌入式微控制器的選擇根據(jù)設(shè)計要求以及上述芯片的選擇，嵌

20、入式微控制器的要求有：低功耗，性價比高；需要支持IC協(xié)議和UARAT串口；使用貼片封裝；工作電壓在3-5V范圍內(nèi)；芯片使用ARM架構(gòu)，數(shù)據(jù)總線寬度為16位及以上。根據(jù)低功耗還有性價比的要求，本次項目選擇ST公司32位的微型單片機作為嵌入式微控制器，而ST公司的芯片由下表進行選擇。圖2-3 STM32主頻選擇圖因為該音樂播放器數(shù)據(jù)運算量不大，此處選擇Coretex-M0系列、48MHz的單片機就足夠了，這里選擇STM32F0系列。 圖2-4 STM32功能選擇圖本次項目需要使用USART、SPI和USB的功能，工作電壓在2.0V-5.0V左右，F(xiàn)lash和RAM的容量大小選擇最小的16Kb和4K

21、b就足夠了，處于成本的控制選擇STM32F0x0系列。圖2-5 STM32內(nèi)存選擇圖整個單片機的功能用不了這么大的Flash，所以選擇16K的就行了，針腳也是選擇最少的，所以本項目選擇使用的嵌入式微控制器為STM32F030F4芯片。2.3 各硬件電路設(shè)計本次設(shè)計的硬件部分主要由嵌入式微控制器電路、音頻播放電路、供電電路、傳感器電路以及其它電路共同組成，下面將一一介紹各部分硬件電路的設(shè)計。2.3.1 嵌入式微控制器電路設(shè)計嵌入式微控制器簡稱單片機，它能夠在單獨的芯片內(nèi)實現(xiàn)最基本的計算機功能。單片機內(nèi)部包含中央處理器、只讀存儲器和隨機存儲器等主要部件，它能夠控制運算符號，并且能夠向系統(tǒng)發(fā)送運算指

22、令。單片機由于體積小、重量輕、集成度高、價格便宜等原因為嵌入式開發(fā)者的學(xué)習(xí)、應(yīng)用和研究提供了便利2 劉軍.例說STM32M.北京航空航天大學(xué)出版社, 2011。本次設(shè)計中采用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F030F4P6芯片作為音樂播放器的微控制器，在實際電路中對音樂播放器的數(shù)據(jù)進行控制與處理。芯片引腳圖如下所示：圖2-6 STM32F030F4P6芯片引腳圖（1）嵌入式微控制器的主要特性 芯片采用ARM架構(gòu)，CPU處理的數(shù)據(jù)寬度為32位，并且頻率為48MHz；Flash的容量為16Kb，RAM的容量為4Kb；工作電壓范圍在2.4V-3.6V；晶體振蕩器支持最小4MHz，最大32MHz，內(nèi)置

23、40kHzRC振蕩器；內(nèi)部多達10個定時器；2個IC接口，2個USART接口，2個SPI接口；支持串行線性調(diào)試模式（SWD）。（2）嵌入式微控制器引腳說明表2.2 STM32F030F4P6芯片引腳定義表引腳號引腳名稱類型功能描述1BOOT0端口為下拉電路，單片機從Flash內(nèi)存開始啟動，并采用SWD下載方式2PF0檢測檢測鋰離子電池的狀態(tài)，并控制充電提示燈的亮滅3PF1O接NPN型三極管的基極，用于控制音頻解碼芯片和音頻功放的電流，實現(xiàn)音頻暫停的操作（導(dǎo)通時電路為低電平，斷開時電路為高電平）4NRST復(fù)位端口。該端口為上拉電路，正常工作時保持高電平，單片機正常運行；遇到故障或者其他原因需要復(fù)

24、位時，按下K5按鈕，端口變成低電平，單片機復(fù)位5VDDAPOWER3.3V供電電壓6PA0檢測接鋰離子電池的正極，檢測鋰離子電池的實際電流并對其數(shù)據(jù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而得到鋰離子電池的的電量7PA1IOOLED屏進行IC通信的雙向數(shù)據(jù)線，進行數(shù)據(jù)的傳輸8PA2IOOLED屏進行IC通信的時鐘線，對數(shù)據(jù)的傳輸進行控制9PA3檢測檢測USB是否被插入。引腳懸空時電路為高電平，USB插入時電路為低電平10PA4沒有使用11PA5IO采集DS18B20的溫度數(shù)據(jù)12PA6O接NPN型三極管的基極，控制有源蜂鳴器。低電平導(dǎo)通，高電平斷開13PA7檢測檢測耳機接口是否被插入。耳機接口插入時電路為低電平，懸空

25、時電路為高電平14PB1檢測按鍵檢測。由于單片機中的IO口的數(shù)量不足，所以采用AD按鍵的設(shè)計方案，以輸入電流的大小來判斷輸入什么按鍵15VSSGND接工作地16VSDDPOWER3.3V供電電壓17PA9O使用USART1串口與音頻解碼芯片連接，進行信號輸出18PA10I使用USART1串口與音頻解碼芯片連接，進行信號輸入19PA13IO代碼燒寫數(shù)據(jù)口，使用SWD下載方式20PA14IO代碼燒寫時鐘口，使用SWD下載方式圖2-7 STM32F030F4P6芯片原理圖（3）嵌入式微控制器程序下載配置STM32程序的下載方式有JTAG、SWD、串口。由于JTAG接口引腳有20個、占用 IO口多、串

26、口下載的電路復(fù)雜、占用電路板較多的空間，故此本次設(shè)計采用SWD下載方式3 朱朔. 基于機器視覺的無人平臺目標(biāo)識別與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計D.南京理工大學(xué),2018,(01)。該下載方式需要四個端口，分別是電源端口、接地端口、數(shù)據(jù)端口(SWDIO)、時鐘端口(SWCLK)。下載速度最高可達4MHz，而且支持在線調(diào)試功能。在程序編寫的過程中可以通過在線調(diào)試，實時查看相關(guān)寄存器和指定變量的值，或者設(shè)置斷點（檢查程序邏輯），能方便地檢查出程序中存在的BUG。此外在進行程序調(diào)試時無須經(jīng)常燒寫單片機Flash程序存儲空間，增加了單片機Flash的壽命。圖2.8 STM32F030F4P6下載接口原理圖在進行程序的燒

27、寫時還需要配置BOOT0和BOOT1（F0系列不需要配置BOOT1）相應(yīng)的IO口的電平高低來選擇STM32的啟動（boot）方式，如下表所示：表2.3 BOOT配置表由上圖可知，為了STM32通過Jlink或者STlink的SWD模式燒寫程序，則需將BOOT0端口接地，從而使單片機從flash啟動。同時，還要在BOOT0端口和地之間還要接上一個10K的電阻，起到保護芯片的作用。2.3.2 音頻播放電路設(shè)計音頻播放電路主要由音頻解碼芯片、音頻功放芯片、耳機檢測電路和USB電路組成。（1）音頻解碼芯片音頻解碼芯片的功能是將存放在SD卡、硬盤等介質(zhì)上的音頻文件解碼，芯片對文件的解析能力決定著播放器音

28、質(zhì)的表現(xiàn)4 張志偉.基于單片機的音樂播放器的設(shè)計與實現(xiàn)J.電子制作,2014(05):7-8，所以挑選音頻解碼芯片是整個項目中重要的環(huán)節(jié)。本次設(shè)計中采用QJ008-16s音頻解碼芯片，該芯片支持串口功能，并具有MP3和WMV音頻文件的解碼功能，同時芯片支持USB/SD/TF的驅(qū)動方式。在文件系統(tǒng)上支持FAT16、FAT32格式，在硬件規(guī)格上采用SOP16封裝方式。該芯片在使用的過程中可以通過發(fā)送簡單的串口指令來完成播放指定的音頻，并支持上下曲設(shè)置、音量加減、曲目循環(huán)等功能，無需繁瑣的底層操作。該芯片還可以播放儲存卡內(nèi)部的音頻，通過USB數(shù)據(jù)線連接電腦下載進儲存卡，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠，使用方便。相較于

29、前代產(chǎn)品QJ004-16s音頻解碼芯片解決了存放音頻文件容量較小的問題，能夠存放較多的音頻文件。圖2.9 QJ008-16s芯片原理圖表2.4 QJ008硬件參數(shù)表名稱參數(shù)采樣率支持（KHz）：8/11.025/12/16/22.05/24/32/44.1/48MP3文件格式支持播放MP3、WMV格式文件支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng)，最大支持32G的存儲介質(zhì)（TF/SD卡，U盤）音質(zhì)24位DAC輸出，動態(tài)范圍支持90dB，信噪比支持85dBUSB接口支持USB2.0協(xié)議UART接口標(biāo)準(zhǔn)串口協(xié)議，接口采用TTL電平，波特率可自行設(shè)定輸入電壓供電電壓在3.3-5.4V范圍內(nèi)，最佳為4.2V額

30、定電流15mA（不帶U盤）尺寸10.30*3.95mm工作溫度-4070度相對濕度5%95%表2.5 QJ008-16s芯片引腳定義表引腳號引腳名稱類型功能描述1P01IOFLASH/TF數(shù)據(jù)腳2P00IOFLASH/TF片選腳3P32IOFLASH/TF時鐘腳4P02/VCOMOIAD_KEY按鍵值檢測腳5USBDMIOUSB數(shù)據(jù)線D-6USBDPIOUSB數(shù)據(jù)線D+7VCOM檢測芯片基準(zhǔn)電壓檢測腳8DACVSSAGND模擬地9DACRAO芯片音頻信號右聲道輸出10DACLAO芯片音頻信號左聲道輸出11VDDIOPOWER芯片LDO輸出3.3V，TF模塊供電12LDO5VPOWER芯片音源輸

31、入引腳5V13VSSIODGND數(shù)字地14P23/24IO芯片串口通信發(fā)射口TXD-對應(yīng)單片機RXD15P30/P25IO芯片串口通信接受口RXD-對應(yīng)單片機TXD16P46/VPPI芯片工作狀態(tài)指示燈，播放時輸出高電平（2）音頻功放芯片音頻功放芯片的功能就是放大音頻設(shè)備的微弱輸入信號，產(chǎn)生足夠的電流推動揚聲器的播放。本次設(shè)計使用的功放芯片型號是CSC8002D，是一款單通道橋式連接音頻功率放大器，自帶關(guān)斷模式。芯片工作在5V的電壓條件下，可為3負載提供3W的連續(xù)平均功率；在關(guān)斷模式下，CSC8002D處于低功耗狀態(tài)，工作電流為0.6A，適合于小型嵌入便攜式設(shè)備，除此之外，該芯片還具備外部控制

32、的低功耗關(guān)斷模式、以及內(nèi)部熱關(guān)斷保護機制。CSC8002D功放芯片有較高的能量轉(zhuǎn)化率，而且體積小巧，具有較強的可靠性，并且芯片外部電路無需耦合電容、旁路電容及緩沖電路，需配置的外圍器件極少，其增益可以通過外部電阻進行配置，便于電路設(shè)計。芯片的引腳圖如下所示：圖2.10 CSC8002D芯片引腳圖音頻功放芯片的主要特性：無需耦合電容、旁路電容及緩沖網(wǎng)絡(luò)；待機電流為0.6A；增益輸出穩(wěn)定；增益可通過外部配置；采用SOP8貼片封裝。表2.6 CSC8002D芯片引腳定義引腳號引腳名稱類別功能描述1SHUTDOWNI關(guān)斷端口（當(dāng)關(guān)斷端為高電平時，運放關(guān)閉，CSC8002D不工作）2BYPASSI/O電

33、壓基準(zhǔn)端3+INI正向輸入端4-INI反向輸入端（接收QJ008-16s芯片的音頻信息）5VO1O音頻輸出端1（接揚聲器）6VDDPOWER電源端（輸入3.7V）7GNDPOWER接地端8VO2O音頻輸出端2（接揚聲器）（3）耳機檢測電路耳機檢測電路的作用是選擇音源進行播放。當(dāng)數(shù)據(jù)接口未插入時，檢測引腳電平由上拉電阻確定，默認(rèn)為高電平，播放TF卡中的音源；當(dāng)數(shù)據(jù)接口插入時，檢測引腳從高電平變?yōu)榈碗娖剑シ牌鞯某绦驅(qū)和．?dāng)前歌曲的播放，并播放外部設(shè)備的音源，如手機、電腦等設(shè)備。圖2.11 耳機檢測電路原理圖（4）USB電路USB電路的作用是為鋰離子電池充電和提供數(shù)據(jù)接口的功能。USB電路與QJ0

34、08音頻解碼芯片上具有USB功能的 IO 口相連，通過軟件實現(xiàn)USB通信協(xié)議，可實現(xiàn)讀取、修改、添加、查詢TF卡中的相關(guān)歌曲的功能。圖2.12 USB電路原理圖2.3.3 供電電路設(shè)計供電電路的作用有兩個。第一，為鋰離子電池提供外部電源的充電功能；第二，支持鋰離子電池為音樂播放器提供穩(wěn)定的工作電壓的功能；這兩個部分分別對應(yīng)電池充電電路和播放器供電電路。（1）電池充電電路a）電池充電芯片鋰離子電池的充電電路由LTC4054充電芯片為核心和其它配套電路所組成，其功能是為單節(jié)鋰離子電池提供恒定電流、電壓的線性充電功能。LTC4054充電芯片使用ThinSOT封裝，并在USB電源規(guī)范的工作場景下設(shè)計使

35、用，而且無需太多的外部器件，具有便攜的特點。該芯片還具有熱反饋功能，當(dāng)芯片工作在大功率負載或者高溫的條件下能夠自動調(diào)節(jié)充電電流，從而限制芯片的溫度，起到保護芯片的作用。表2.7 LTC4054充電芯片引腳定義表引腳號引腳名稱類別功能描述1CHRGO漏極開路充電狀態(tài)輸出。當(dāng)充電時，內(nèi)置N溝道MOSFET將CHRG端口置于低電位；充電完成后，MOSFET將CHRG端口置于高阻態(tài)。LTC4050檢測到低電鎖定條件時，CHRG呈現(xiàn)高阻態(tài)。在BAT引腳和地之間接1F的電容還能作為電池是否接好的指示，當(dāng)沒有電池時，LED會快速閃爍5 李健,田航.鋰電池線性充電管理芯片LTC4054及其應(yīng)用J.重慶教育學(xué)院

36、學(xué)報,2004(03):20-252GNDPOWER接地端3BATPOWER外部電源輸入端4VCCPOWER充電電流輸出端，為電池充電5PROGI/O充電電路編程，充電電流監(jiān)控和關(guān)閉端。在所有狀態(tài)下，此端口的電壓可以用下面的公式測算充電電流：IBAT=(VPROG/RPROG)1000圖2.13 LTC4045充電芯片原理圖LTC4054 充電芯片具體特點如下：可編程充電電流可達800mA；支持單節(jié)鋰電池下的恒定電流、電壓的線性充電功能；具備熱反饋功能，自動調(diào)節(jié)充電電流；通過USB口直接給單節(jié)鋰電子電池充電；預(yù)設(shè)精度為1%的4.2V充電電壓；當(dāng)充電電流降至設(shè)定值的1/10時，終止充電過程；芯片

37、進入待機狀態(tài)時，待機電流為25A；涓流充電閾值為2.9V； 芯片采用SOT23-5封裝處理；電流監(jiān)視器、自動充電、欠壓鎖定、充電狀態(tài)引腳、軟啟動限制浪涌電流。b）電池充電過程充電電路的作用是為單節(jié)鋰電池提供穩(wěn)定的充電電壓和充電電流，并在保證安全充電的同時，減少電池的損耗，提高電池的使用壽命。在實際使用中，鋰電池充電可以分為四個過程。第一個過程，涓流充電過程；在鋰離子電池的電壓低于2.9 V時采用涓流充電的模式進行充電，涓流充電的電流為恒流充電時的1/10C。當(dāng)電池電壓達到2.9V時，涓流充電過程停止，進入恒流充電過程。第二個過程，恒流充電過程；當(dāng)電池電壓在涓流充電閾值以上時，芯片會提高充電電流

38、進行恒流充電，恒流充電的電流可以通過外部電阻的設(shè)置來調(diào)節(jié)，一般在0.2C到1.0C之間。在這個過程中，電池電壓從涓流充電閾值2.9V慢慢攀升，直到電壓達到浮充電壓4.2V時，恒流充電過程停止，進入恒壓充電過程。第三個過程，恒壓充電過程；在這個過程中，充電電流隨著鋰電子電池電芯的飽和，由恒流充電的電流值慢慢減少，當(dāng)充電電流減少到1/10C時，充電電壓不變，充電電流變?yōu)?，充電過程結(jié)束。第四個過程，充電終止過程。當(dāng)輸入電源移除，LTC4054充電芯片自動進入低電流狀態(tài)，電池漏電流小于2A。LTC4054充電芯片進入待機模式，充電電流減小到25A。圖2.14 電池充電過程圖c）電池電壓檢測電路電池電

39、壓檢測電路由兩個1%精度的電阻組成，通過電阻分壓的工作原理，將電路中當(dāng)前電壓反饋給單片機，然后單片機通過ADC采樣和計算得出當(dāng)前電池電壓值，若電壓低于最低限制電壓，則播放器強行進入低功耗模式，關(guān)閉內(nèi)部電路和外設(shè)供電。圖2.15 電池電壓檢測電路原理圖d）一鍵開關(guān)電路一鍵開關(guān)電路的作用是在設(shè)備開機時為其后的負載供電，在設(shè)備關(guān)機時斷開負載的供電，并通過長按按鍵使設(shè)備自動進入低功耗模式。該開關(guān)電路由PMOS和NPN管組成，當(dāng)單片機提供低電平時，NPN不導(dǎo)通，則PMOS不導(dǎo)通，其后面的負載被斷電；當(dāng)單片機提供高電平時，NPN導(dǎo)通，則PMOS導(dǎo)通，其后面的負載被供電。圖2.16 一鍵開關(guān)電路原理圖（2）

40、播放器供電電路播放器的供電采用了662K穩(wěn)壓芯片進行電壓的轉(zhuǎn)換。該芯片的紋波抑制率較高、運行功耗較低、實際工作時電壓差較小，而且具有過流保護和短路保護等安全保護的功能，是一款不錯的CMOS降壓型電壓穩(wěn)壓芯片。其主要特點如下所示：輸入穩(wěn)定性好：典型值為：0.05%/V；輸出的電壓范圍在1.5V5.0V之間，輸出電壓的精度為2%；極低的靜態(tài)偏置電流(典型值為8.0A)和壓差；帶載能力強（如當(dāng)輸入電壓為4.3V，輸出電壓為3.3V 時，輸出電流可達300mA）；極低的輸入、輸出電壓差：如當(dāng)輸出電流為160mA時，電壓差只有0.40V；極低的溫度調(diào)整系數(shù)。下圖中C1、C2為輸入端的濾波電容，用于濾除輸

41、入電壓中的高頻和低頻的噪聲和紋波。同理C3、C4做為輸出端的濾波電容，功能是相同的。圖2.17 662K穩(wěn)壓芯片電路原理圖2.3.4 傳感器電路設(shè)計（1）手勢識別模塊電路IC本次設(shè)計使用的PAJ7260u2手勢識別傳感器將手勢識別功能集成到一個芯片上，通過IC協(xié)議在外部使用兩個接口進行數(shù)據(jù)的傳輸。該芯片可以識別9種手勢，分別是從左到右，從右到左，從上到下，從下到上，順時針方向，逆時針方向、推、拉、揮動。圖2.18 PAJ7260u2電路原理圖表2.8 PAJ7260u2引腳定義表引腳號引腳名稱類別功能描述13.3VPOWER電源端口，提供3.3V電壓2RXI時鐘端口，控制數(shù)據(jù)的傳輸3TXO數(shù)據(jù)

42、端口，進行數(shù)據(jù)傳輸4GNDPOWER接地端口（2）手勢識別模塊工作過程PAJ7260u2手勢識別模塊內(nèi)部由四部分組成，分別是LED驅(qū)動器、手勢識別陣列、傳感器感應(yīng)陣列和目標(biāo)提取陣列。當(dāng)PAJ7260u2模塊開始工作時，LED驅(qū)動器向外發(fā)射紅外線信號，紅外線信號在有效的距離中探測到被測物體，然后目標(biāo)信息提取陣列會探測到被測物體反射過來的紅外信號，隨后將相關(guān)信息保存在寄存器中6 牛作東,李捍東.基于STM32的手勢識別控制器的設(shè)計J.電子測試,2019(06):19-19，同時，手勢識別陣列對物體的位置數(shù)據(jù)進行識別與計算，最終將計算結(jié)果保存到寄存器中，用戶可以通過IC端口對原始數(shù)據(jù)和手勢識別的結(jié)果

43、進行讀取。（3）溫度檢測電路溫度傳感器使用的是直插式DS18B20數(shù)字溫度傳感器，輸出數(shù)字信號，具有體積小、接線方便、抗干擾能力強、檢測精度高的特點。該溫度傳感器上共有三個引腳，1號引腳是接地端口；2號引腳是DQ端口，負責(zé)數(shù)字信號輸入、輸出功能；3號引腳是電源端口，為傳感器提供3.3V直流電壓。圖2.19 DS18B20溫度傳感電路原理圖2.3.5 其它電路設(shè)計（1）按鍵檢測電路由于單片機需要控制的外部設(shè)備比較多，且引腳接口不夠，故此按鍵掃描電路改為了AD檢測方式，通過檢測不同按下狀態(tài)的電壓值，達到識別按鍵的目的。 圖2.20 按鍵檢測電路原理圖（2）顯示電路在播放器的實際使用上，為了簡化操作

44、的難度，故使用了OLED顯示相應(yīng)的內(nèi)容來輔助操作。本次設(shè)計使用的OLED的控制器為SSD1306，采用IIC方式驅(qū)動該液晶屏，由于模塊上已板載了IIC通信所需要的上拉電阻，故此此處不再添加上拉電阻。圖2.21 OLED顯示電路原理圖（3）蜂鳴器電路蜂鳴器電路的作用在于提供鬧鐘提醒，當(dāng)時間達到默認(rèn)的設(shè)置值時，該報警電路將持續(xù)蜂鳴一分鐘，然后自動關(guān)閉，期間可以觸碰任意按鍵停止鬧鐘。圖2.22 蜂鳴器電路原理圖（4）日歷時鐘電路日歷時鐘電路采用了PCF8536芯片為播放器提供時間顯示的功能。這款芯片是PHILPS公司推出的一款工業(yè)級具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。該芯片具有多種功能，比如報警功能

45、、定時器功能、時鐘輸出功能、以及中斷輸出功能，能完成各種復(fù)雜的定時器服務(wù)，甚至可以為單片機提供看門狗功能。它被廣泛運用于電表、電話、以及便攜式儀器等電子產(chǎn)品領(lǐng)域7 趙亮.跟我學(xué)51單片機(十二)實時時鐘/日歷芯片PCF8563J.電子制作,2011(12):78-81。圖2.23 日歷時鐘電路原理圖在實際的電路中，日歷時鐘電路外接了32.768KHz外部晶振，為PCF8536芯片提供了穩(wěn)定而準(zhǔn)確的時鐘信號。同時，為了芯片在單片機斷電時能夠繼續(xù)進行時間的計算，在芯片外部的電路中設(shè)置了一塊單獨的紐扣電池，從而為芯片提供穩(wěn)定的電源。 2.4 本章小結(jié)本章以音樂播放器為出發(fā)點，從電子元器件的種類、特性

46、、價格、和尺寸確定相應(yīng)的電子元器件，從設(shè)計要求、電子元器件特性確定硬件電路的設(shè)計。電子元器件的選擇從音樂播放器的使用和設(shè)計要求上，首先確定的是音樂播放器的音頻解碼芯片，根據(jù)該芯片的數(shù)據(jù)傳輸要求選擇合適的音頻功放芯片，然后從數(shù)據(jù)的傳輸量、內(nèi)存的使用以及引腳的數(shù)量等方面確定微控制處理器，最后選擇一個符合設(shè)計要求的手勢識別模塊，器件的選擇基本完成8 宗穎,張婷婷,葛耿育,樊瑾.基于單片機的音樂播放器設(shè)計J.電腦知識與技術(shù),2018,14(33):254-255。其他的元器件，如電池充電芯片、電池穩(wěn)壓芯片、溫度檢測元件、日歷時鐘芯片、OLED模塊目前市場上已經(jīng)有成熟的解決方案，可以根據(jù)這些解決方案較快

47、速地選擇相應(yīng)的元器件，并設(shè)計出符合項目需求的電子電路。硬件電路設(shè)計可以根據(jù)自己的實際使用情況以及通過觀看器件的數(shù)據(jù)手冊上的說明進行設(shè)計。其中，硬件電路中的數(shù)據(jù)檢測和計算都是圍繞著微處理器來進行的，在進行設(shè)計之前應(yīng)該考慮微處理器的位置以及線路的排布。其次，供電電路為電路提供穩(wěn)定的電源，影響著整個硬件電路系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，所以供電電路應(yīng)放在第二位來進行考慮，接著是其它器件的電路設(shè)計，器件在生產(chǎn)之前廠家都已經(jīng)為用戶考慮好器件的電路設(shè)計，如果不是有特殊要求，默認(rèn)可以參照各個器件的數(shù)據(jù)手冊進行設(shè)計。在整個硬件電路的設(shè)計過程中，考慮到設(shè)計的難度以及項目的預(yù)算，部分電路采用了模塊化的設(shè)計思路如手勢識別模塊、

48、OLED顯示模塊，這些模塊使用簡單，價格低廉，同時也縮小的電路板的面積，但是加入了這些模塊使電路整體的設(shè)計受到影響，電路不夠集成，在日后的改進中還有繼續(xù)完善的空間。第三章 軟件系統(tǒng)設(shè)計3.1 軟件開發(fā)環(huán)境本次設(shè)計所使用的開發(fā)軟件為Keil for MDK，該軟件自帶強大的開發(fā)環(huán)境，并集成了多種編譯器，支持ARM公司生產(chǎn)開發(fā)的Cortex-M系列的內(nèi)核處理器，兼容CC+編程語言，啟動代碼不需要自己配置，非常容易上手，大大降低了開發(fā)難度，并提升了開發(fā)的效率。Keil for MDK作為軟件集成開發(fā)環(huán)境，使用流程如下：（1）新建源工程。導(dǎo)入ST公司的STM32F030系列的開發(fā)庫以及配置好的軟件開發(fā)

49、環(huán)境、加載啟動代碼等；（2）根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計相應(yīng)的CC+程序代碼（本次設(shè)計使用C語言作為編程語言）；（3）編譯應(yīng)用程序，根據(jù)實際硬件工作環(huán)境，修改程序中語法或邏輯的BUG，直到不出現(xiàn)錯誤為止；（4）調(diào)試與下載程序。本次設(shè)計采用的是St-link仿真器的SWD下載方法，該下載方式具有硬件設(shè)計簡單、占用IO口少（只需要三根線）、支持在線調(diào)試的優(yōu)點。3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計本次設(shè)計以音頻播放功能為基礎(chǔ)，系統(tǒng)按用戶的需求進行相關(guān)的操作，對實時性的要求較高，為了在單片機有限的計算性能內(nèi)提高單片機的響應(yīng)時間以及優(yōu)化計算機的交互性能，本次設(shè)計采用分時系統(tǒng)的時間調(diào)度（時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法），程序通過定時器的方式對

50、各種應(yīng)用的結(jié)構(gòu)數(shù)組進行中斷操作。時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法是一種使用廣泛，實用性較強，時間分配較公平的算法。在算法當(dāng)中，每個運行的時間周期叫做時間片，每個功能按照運行時間和響應(yīng)程度被分為不同的時間段，并按照時間的優(yōu)先度進行排序，CPU按照順序以時間片的形式運行相關(guān)的進程。如果當(dāng)時間片結(jié)束時進程還在進行，則CPU將被剝奪并分配給下一個進程，如果時間片結(jié)束前進程結(jié)束，則該進程提前結(jié)束9 毛春蘭. 基于嵌入式平臺的可配置界面系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)D.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011，CPU將資源分配給下一個進程。當(dāng)CPU運行到進程隊列的結(jié)尾時，將重新指到隊首運行相關(guān)的進程。圖3.1 時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度圖時間片設(shè)置的時間過短會導(dǎo)致進程頻繁切換，設(shè)置的時間過長會引起人機交互請求的速度變慢，影響播放器的響應(yīng)速度，所以合理的時間片設(shè)置的時間應(yīng)略大于時間最短的進程。由上圖可知，時間最短的是MP3按鍵的進程，時間為3ms，因此本次設(shè)計選擇的時間片為10ms。程序初始化后，定時器按照時間順序運行的進程有5個，分別是電池電源檢測、OLED顯示檢測、按鍵檢測、時鐘檢測和手勢檢測。時間片 按鍵檢測 手勢檢測時鐘檢測OLED顯示檢測電池電源檢測 圖3.2 時間片循環(huán)檢測圖