基于STM32单片机的高保真智能影音系统

摘要

本发明公开了一种基于STM32单片机的高保真智能影音系统，包括有STM32单片机、便携式蓝牙解码功放、智能终端和音响外设，通过便携式蓝牙解码功放中的音频放大模块、蓝牙模块和音响外设提升了音频信号输出质量，通过便携式蓝牙解码功放中的保护电路对外接的音响外设实现了保护功能，同时智能终端上安装的APP实现了了对音乐播放的控制以及蓝牙指令的处理，并且基于STM32单片机集成了一系列智能影音提示功能，本发明解决了传统智能影音设备音质不够好的问题，还具有保护外接音响设备的功能。

说明书

技术领域

本发明涉及音响技术领域，特别涉及一种基于STM32单片机的高保真智能影音系统。

背景技术

耳放是耳机功率放大器的简称，连接在耳机与音源之间，起到发挥耳机实力作用。音乐发烧友大多使用耳放，但传统的耳放大多只能支持有线连接方式，部分支持蓝牙的耳放只保留了蓝牙连接方式，用户失去了自由选择的权利。大部分的用户在户外更倾向使用蓝牙的连接方式，但音质会有所下降，在室内则更倾向使用有线的连接方式，可以获得最佳的音质，而目前的同类产品不能完美兼容这两种方式。同时市面上的耳放产品大多没有耳机保护电路，一旦发生电路故障，用户价格昂贵的耳机或音箱设备会被大电流烧坏。

目前市面上的智能影音系统都是建立在普通音响设备的基础上，其音质达不到Hi-Fi的要求，导致音乐发烧友很少愿意花钱购买天猫精灵、小度音箱等类似产品。同时缺乏价格优势，市场上现存商品大多定价偏高，市场下沉难度大。此外不同品牌产品间兼容性及关联性较差，存在许多兼容及适配问题。另外市场缺乏统一标准，监管难度较大。且大部分产品单一化生态极差，用户得不到良好的使用体验。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种基于STM32单片机的高保真智能影音系统，能够解决天猫精灵、小度音箱等传统智能音影设备音质不够好的情况，可以用于旅行途中、图书馆等无法使用外置电源的情境，并且具有耳机保护电路，从根本上消除了耳机或音箱设备损坏的可能性。

技术方案：本发明所述的基于STM32单片机的高保真智能影音系统，包括有STM32单片机、便携式蓝牙解码功放、智能终端和音响外设，所述STM32单片机通过蓝牙与智能终端收发指令，所述便携式蓝牙解码功放通过智能终端来接收操作指令，所述音响外设通过蓝牙或者连接线与便携式蓝牙解码功连接后输出音频，所述便携式蓝牙解码功放中包括有音频放大模块、蓝牙模块、耳机保护模块和电源滤波模块。

作为优选，所述STM32单片机包括有STM32微控制器、LCD触摸屏、通信模块、FLASH存储器、EEPROM和定时器，所述STM32单片机通过LCD触摸屏作为互动面板，以STM32微控制器为控制核心，以蓝牙模块作为通信手段，完成与智能终端的互动；

所述LCD触摸屏采用TFT-LCD，采用点阵格式：阴码，取模方式采用逐行式，取模走向采用顺向，采用16位FSMC接口传输数据，T_PEN用作笔中断,T_MISO用作SPI输出,T_MOSI用作输入、T_CS用作片选、T_SCK用作时钟信号，FSMC_NEW用作WR写入数据，FSMC_NOE用作RD读取数据，FSMC_A6用作RS选择数据和控制寄存器，PSMC_NE4用作CS片选，RSET与单片机NRST相连同时复位，所述LCD触摸屏采用XPT2046触控芯片，采用SPI通信模式；

所述通信模块采用HC-05蓝牙模块，在与其它蓝牙设备配对连接成功后，可以忽视蓝牙内部的通信协议，直接将蓝牙当做串口用；

所述FLASH存储器内保存有字库，所述字库通过每个汉字GBK码对应一个点阵码生成，所述字库用于显示互动界面字符；

所述EEPROM中保存有屏幕校准的历史参数；

所述定时器采用单片机RTC模块，与单片机分开供电，断点计时；

所述STM32单片机的工作过程包括有以下步骤：

S2.1：初始化显示器、触控芯片、HC-05蓝牙模块，生成字库，显示初始化界面；

S2.2：通过通信模块与智能终端连接；

S2.3：LCD屏幕对屏幕触摸进行扫描后进行屏幕校准，校准完成后判定接收到的定时任务；

S2.4：通过RTC闹钟模式开始定时任务；

S2.5：定时任务完成后，通过通信模块将定时任务完成信息发送至智能终端；

S2.6：LCD屏幕主界面复原。

作为优选，所述智能终端中安装有Qusic App模块，所述Qusic App模块包括有能够接收STM32单片机发送来的定时任务提醒的蓝牙提示模块。

作为优选，所述便携式蓝牙解码功放中的音频放大模块采用交流反馈的方式，在反馈电阻的位置串联了电容，将直流反馈变为交流反馈，同时在反馈网络中的电阻上并联电容，降低高频噪声；所述音频放大模块采用仿真中使用的改良版耳机功率放大电路，分为左右两声道，同时设置有调节音量大小的电位器以及耳机座；

所述蓝牙模块采用CSR64215模块，采用+12V升压电源模块供电，设置有独立的蓝牙开关和LED工作指示灯；

所述耳机保护模块包括有开机延时电路、关机瞬断电路、中点检测电路和指示灯电路，所述开机延时电路通过在电容前设置电阻，实现电容在刚开始充电时被视为短路，当电容电压提升至足以开启三极管的时候三极管导通使继电器吸合从而实现延时启动功能，所述三极管采用达林顿结构；所述关机瞬断电路中继电器与电源模块直接相连，保证电源切断时，继电器瞬间退出吸合状态；所述中点检测电路检测输入信号与地线的电压差，控制继电器的关端，检测端前设置有用于隔离交流的RC滤波电路，其中用于信号滤波的电容采用无极性电容；所述指示灯电路为多谐振荡器；

所述电源滤波模块采用由多个电解电容并联的模式构成退耦电路，同时每个大容量的电解电容分别并联有一个小容量的无极电容；所述退耦电路中退耦电容组的中心点为电源地，采用单点接地的方式处理；所述并联的电解电容的交点处设置有一根地线，所述地线经过浮地电阻后作为信号地。

作为优选，所述音响外设包括有耳机或者音箱设备。

有益效果：本发明组成了一套音质达到Hi-Fi标准的智能影音系统，解决了天猫精灵、小度音箱等传统智能音影设备音质不够好的情况，同时可以用于旅行途中、图书馆等无法使用外置电源的情境中，并且具有耳机保护电路，从根本上消除了耳机或音箱设备损坏的可能。

附图说明

图1是本发明的各模块构成示意图；

图2是本发明中音频放大模块电路图；

图3是本发明中蓝牙模块电路图；

图4是本发明中耳机保护模块电路图；

图5是本发明中电源滤波模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，为本发明的各模块构成示意图，包括有STM32单片机、便携式蓝牙解码功放、智能终端和音响外设，STM32单片机通过蓝牙与智能终端收发指令，便携式蓝牙解码功放通过智能终端来接收操作指令，音响外设通过蓝牙或者连接线与便携式蓝牙解码功连接后输出音频，其中便携式蓝牙解码功放中包括有音频放大模块、蓝牙模块、耳机保护模块和电源滤波模块。

本发明中STM32单片机包括有STM32微控制器、LCD触摸屏、通信模块、FLASH存储器、EEPROM和定时器，STM32单片机通过LCD触摸屏作为互动面板，以STM32微控制器为控制核心，以蓝牙模块作为通信手段，完成与智能终端的互动，其中STM32微控制器采用STM32f407，其采用了90nm的NVM工艺和ART技术，基于Cortex M4内核，在168MHz频率下，从Flash存储器执行时，STM32F407能够提供210DMIPS/566CoreMark性能，并且利用意法半导体的ART加速器实现了FLASH零等待状态，DSP指令和浮点单元扩大了产品的应用范围，能够在运行模式下从Flash存储器执行时实现低至238μA/MHz的电流消耗；

STM32单片机中LCD触摸屏采用TFT-LCD，采用点阵格式：阴码，取模方式采用逐行式，取模走向采用顺向，采用16位FSMC接口传输数据，T_PEN用作笔中断,T_MISO用作SPI输出,T_MOSI用作输入、T_CS用作片选、T_SCK用作时钟信号，FSMC_NEW用作WR写入数据，FSMC_NOE用作RD读取数据，FSMC_A6用作RS选择数据和控制寄存器，PSMC_NE4用作CS片选，RSET与单片机NRST相连同时复位；LCD触摸屏采用XPT2046触控芯片，SPI通信模式，芯片内含有12位逐次逼近型A/D转换器，只需两次A/D转换即可查出被按的屏幕位置。

STM32单片机中的通信模块采用HC-05蓝牙模块，在与其它蓝牙设备配对连接成功后，可以忽视蓝牙内部的通信协议，直接将蓝牙当做串口用，能够兼容Android系统，笔记本蓝牙，有效距离10m；

STM32单片机中的FLASH存储器内保存有字库，字库通过每个汉字GBK码对应一个点阵码生成，生成的字库可以用来任意显示互动界面字符；

STM32单片机中的EEPROM中保存有屏幕校准的历史参数；

STM32单片机中的定时器采用单片机RTC模块，与单片机分开供电，断点计时；

本发明中STM32单片机的工作过程包括有以下步骤：

第一步：初始化显示器、触控芯片、HC-05蓝牙模块，生成字库，显示初始化界面；

第二步：通过通信模块与智能终端连接；

第三步：LCD屏幕对屏幕触摸进行扫描后进行屏幕校准，校准完成后判定接收到的定时任务；

第四步：通过RTC闹钟模式开始定时任务；

第五步：定时任务完成后，通过通信模块将定时任务完成信息发送至智能终端；

第六步：LCD屏幕主界面复原。

在步骤一的初始化显示器中对GPIO进行设置后首先判断是否校准，校准完毕后LCD显示屏才会显示初始界面，校准时通过在屏幕四轴显示呈矩阵的点，分别点击这些点位并且记录物理坐标，判断物理坐标是否为举行，如果不是矩形，重新生成呈矩阵的点，继续判断，直至物理坐标呈矩形后，在EEPROM中保存计算得到的比例系数以及偏移量。

本发明中的智能终端中安装有Qusic App模块，Qusic App模块集成了音乐播放器的功能，同时能够通过蓝牙模块HC-05来接收STM32单片机发送来的定时任务提醒，在STM32单片机定时任务结束后，通过异步收发传输协议(UART)方式向HC-05发送字符HC-05接收后自动转化为蓝牙协议传输给智能终端，Qusic App模块通过智能终端确认收到任务消息后进行通知操作。

如图2所示，本发明中便携式蓝牙解码功放中的音频放大模块采用交流反馈的方式，在反馈电阻的位置串联了电容，也就是C3电容，将直流反馈变为交流反馈，这样可以使输出中点控制在1mV以下，R5电阻并联了一个C5，减少了高频噪声，使耳机输出的声音更加纯净，背景更安静。R1电阻选用47kΩ电阻，以增强抗干扰能力。本设计中反馈网络的电阻为33kΩ(R3电阻)47kΩ(R5电阻)，则放大倍数为

如图3所示，为便携式蓝牙解码功放中的蓝牙模块，采用CSR64215模块，采用+12V升压电源模块供电，设置有独立的蓝牙开关和LED工作指示灯，拨动蓝牙开关，可以控制蓝牙功能的开关，当蓝牙模块正常工作时，蓝色的LED指示灯亮，关闭时则熄灭。

如图4所示，为便携式蓝牙解码功放中的耳机保护模块，包括有开机延时电路、关机瞬断电路、中点检测电路和指示灯电路，开机延时电路就是在刚刚开机的一段时间之后接通耳机与电路，目的是跳过放大器刚开起时产生的冲击，以便保护耳机的安全；关机瞬断电路的功能与开机延时电路类似，由于放大器滤波电容的存在，在切断电源之后还会继续工作一段时间，而随着电容的放电供电电压越来越低，到最后也会产生一定的冲击，而关机瞬断也是为了在冲击产生之前切断耳机与电路之间的连接从而起到保护耳机的目的，因此可以通过以下思路实现：

延时启动通过电容充电实现，电源通过电阻给电容充电，电容刚开始充电时视为短路，当电容电压提升至足以开启三极管的时候三极管导通使继电器吸和从而实现延时启动功能。三极管采用达林顿结构，这种结构可以增大整体电流放大倍数从而降低开关的驱动电流使继电器更容易被控制。在C7上并联R12，在充电过程中与R11分压使得C7电压不会一直升高，确保Q5基极电压不至于过高而击穿三极管发射结。在保护器断电期间R12也可以释放掉C5上的电荷保证下一次延时启动的稳定工作。继电器线圈的两个脚根据电压的方向并联了反向的二极管，因为继电器线圈本身就是一个大电感，该二极管可以吸收线圈断电瞬间产生的比较大的反向电流从而保证电路工作稳定。而Q5的基极也被用于保护电路控制信号的接受点，当这点电压降低至小于两个三极管开启电压时保护电路工作，继电器断开。

按照图3中的参数计算，延时时间为

关机瞬断电路的功能通过保护器供电瞬间切断实现的，即当开关断开时，与电源模块直接相连的+15V电源瞬间从继电器上消失，继电器瞬间退出吸合状态，断开音频输出口，从而达到关机瞬断的效果，保护耳机不受冲击。

中点检测电路的功能并不像前两项功能每次开关机都会启动，只有在放大器输出直流的时候才会启动保护。因为耳机功率放大器的输出信号是交流的，而输出端对地直流电压要尽可能接近0。如果耳机放大器输出直流电压则会对耳机造成一定的伤害，如果放大器输出管发生损坏、短路或者断路都会使输出端产生近似于电源电压的直流电，对于±15V供电的耳机功率放大电路来说，出现这样的问题无疑对耳机是毁灭性的破坏，因此，设计了一个中点检测电路，其能对输入信号的对地电压进行检测，当输入信号与地线的电压差到达一定程度时保护启动，监测中点不仅要检测正电压，也要能检测负电压，最终转化为同样的信号控制继电器关断，以通过以下思路实现：

用两个三极管对电压进行检测。三极管开启电压较低通常只有0.5V，而且速度较快。当没有直流输入或直流在正负0.5V之间时，Q2、Q4均不导通，不影响继电器吸合。当输入大于0.5V正电压直流时，三极管Q2导通。将Q5基极下拉至地，保护启动，继电器断开。当输入小于-0.5V负电压直流时，三极管Q4导通。将Q5基极下拉至负电压，保护启动，继电器断开。检测端前面带有RC滤波电路用于隔离交流。毕竟给耳机的信号是交流信号，如果不进行隔离会影响正常使用。由于信号是正负信号，信号滤波用的电容应该选用无极性电容，但是由于该电容容值比较大所以选用两个电解电容对接的方案使用，效果等同于无极性电容。信号输入滤波电容用两个220μF对接串联,则实际参数为110μF，前面加3.3kΩ电阻，保证在有效值为4V的交流电在20Hz以上时不会保护。这样一来便可以保证300Ω高阻耳机在输出50mW功率以下时不会被保护，否则声音开大之后会被认为是直流进行保护，影响正常使用。

耳机保护模块中的闪烁指示灯电路是由R13、R14、R15、R16、C8、C9、Q7、Q8组成的多谐振荡器，给振荡器供电时Q7、Q8两个三极管交替导通，在R8上面串联发光二极管可以达到二极管闪烁的效果。将Q7集电极通过一个二极管接到Q6集电极上，当继电器接通时由于Q6导通，会将Q7集电极一端下拉至地，发光二极管停止闪烁改为常亮，这样在保护电路工作时候LED是常亮的，而在延时启动和出现中点问题导致继电器断开的时候LED闪烁，则该LED可以直接用于耳放的电源指示灯。

如图5所示，为本发明中电源滤波模块电路图，其中退耦电容每四个一组，并采用每个大容量电解电容分别并联一个小容量无极电容的方式，这样可以使低频、高频信号都可以很好的通过。电源经过退耦电容再连接至IC，这样可以有效吸收放大器工作时候产生的耦合信号，也可以避免由于电源线过长引起的干扰信号进入放大器。

音频功率放大器的地线设计十分重要，地线设计的好坏很大程度上决定了输出的声音是否有底噪。地线分为电源地和信号地，电源地提供大电流电源，一般功率输出地都要接这根；信号地主要提供参考电位，电流很小，所以也比较容易受到干扰。一般说来越靠近电容引脚的地方电容对交流信号抑制作用越强，所以两个并联在电源上的电容的交点可以认为是比较稳定的地，放大器输出的地也从这里引出。而信号地上各点到电容地交点的途中是不能有大电流存在的，否则会将耦合信号注入信号地从而干扰基准的稳定，造成声音不耐听甚至交流声等严重后果。在地线处理上我将退耦电容组的中心点作为电源地，并采用单点接地处理。又从交点上引出一根地线经过浮地电阻拉到前面作为信号地，使信号地与电源地彻底隔离提供稳定的基准。

本发明中便携式蓝牙解码功放解决了传统耳放所蕴含的缺点，集成了数-模转换器(DAC)、放大电路模块(AMP)和蓝牙传输模块(Bluetooth)，音频爱好者通过该产品可以将手机作为音源输出设备，通过外置蓝牙、解码和放大的方式提升随身音频信号输出质量，同时具有耳机保护电路，从根本上消除了耳机或音箱设备损坏的可能性，并且通过集成安装有Qusic APP的智能终端，负责音乐的播放和蓝牙指令的处理，并基于STM32设计了一系列智能影音提示功能，组成一套音质达到Hi-Fi标准的智能影音系统，解决了天猫精灵、小度音箱等传统智能音影设备音质不够好的情况，相较于单一的传统耳放有无可比拟的优势，实现了较好的集成，构建了完整的生态。