Đồ án môn học: Mạch khuếch đại công suất, điều khiển âm lượng bằng nút nhấn dùng Arduino

Mạch khuếch đại âm thanh sử dụng IC người ta thường sử dụngbiến trở cơ để điều chỉnh mức độ âm thanh và không có phần hiển thị mức độ âm lượng, điềunày sẽ gây nhiều bất tiện như âm lượng như mong muốn sẽ không được đáp ứng, sử dụnglâu ngày các biến trở này dễ hỏng. Kế thừa những ưu điểm vượt trội của các IC khuếch đạithuật toán và sự điều khiển linh hoạt của vi xử lý nhóm em chọn đề tài:“Mạch khuếch đại công suất, điều khiển âm lượng bằng nút nhấn và hiển thị âm lượnglên LCD” để thực hiện đồ án cho môn học này

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH

-

Môn học: ĐỒ ÁN 2

Đề tài:

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT,

ĐIỀU KHIỂN ÂM LƯỢNG BẰNG NÚT NHẤN

VÀ HIỂN THỊ ÂM LƯỢNG LÊN LCD

GVHD: ThS Nguyễn Trường Duy

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

I TÊN ĐỀ TÀI:

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT, ĐIỀU KHIỂN ÂM LƯỢNG BẰNG NÚT NHẤN VÀ HIỂN THỊ ÂM LƯỢNG LÊN LCD

II NHIỆM VỤ:

- Nghiên cứu, phát triển mô hình mạch khuếch đại công suất

- Lựa chọn linh kiện, thiết bị thiết kế phần cứng

- Thiết kế phần cứng bằng phần mềm mô phỏng

- Thiết kế và xây dựng phần mềm sử dụng Arduino

- Đánh giá kết quả thực hiện đồ án môn học

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

SINH

TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

I TÊN ĐỀ TÀI:

MẠCH KHUẾCH ĐẠI CÔNG SUẤT, ĐIỀU KHIỂN ÂM LƯỢNG BẰNG NÚT NHẤN VÀ HIỂN THỊ ÂM LƯỢNG LÊN LCD

II LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN

Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD

Tuần 1 Nội dung thực hiện Tuần 2 Sơ đồ khối và đề cương chi tiết Tuần 3 Báo cáo phần cơ sở lý thuyết Tuần 4 Báo cáo phần thiết kế

Tuần 5 Thiết kế lưu đồ Tuần 6 Mạch in

Tuần 7 Báo cáo đồ án

Chú ý:

- SV phải lên gặp GVHD theo lịch trên và mang theo tờ giấy này để GVHD ký tên xác nhận

- Trường hợp SV không lên báo cáo 2 lần trở lên sẽ bị cấm bảo vệ

- Trường hợp SV báo cáo trễ hạn sẽ bị trừ điểm tùy theo mức độ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký và ghi rõ họ và tên)

LỜI CAM ĐOAN

Đề tài này do chính bản thân nhóm em dựa vào việc tham khảo các tài liệu tham khảo trước đó Em xin cam đoan không sao chép bất kì tài liệu hoặc đề tài đã thực hiện trước đó

SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Phạm Văn Dũng – Nguyễn Chính Tùng

LỜI CẢM ƠN

Nhóm em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy ThS Nguyễn Trường Duy

đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chỉnh sửa những sai sót trong quá trình thực hiện Thầy đã chia sẻ những kinh nghiệm và tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành tốt đề tài cho đồ án môn học này

Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô khoa Điện – Điện tử đã hỗ trợ và giúp đỡ em trong nhiều mặt để hoàn thành đề tài thật tốt

Em xin chân thành cảm ơn!

SINH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Phạm Văn Dũng – Nguyễn Chính Tùng

NỘI DUNG

PHẦN 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 10

1 Đặt vấn đề 10

2 Mục tiêu 10

3 Giới hạn đề tài 10

4 Bố cục 11

PHẦN 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

1.1 Tổng quan về mạch khuếch đại công suất 12

1.2 TDA 2030 13

1.3 TDA 2050 13

1.4 IC NE5532 14

1.5 Arduino UNO 15

1.6 LCD 20x4 17

1.7 Module I2C LCD 19

1.8 Biến trở số X9C103 19

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ 21

2.1 Sơ đồ khối 21

2.2 Thiết kế 22

2.2.1 Khối vi xử lý 22

2.2.2 Thiết kế mạch lọc 23

2.2.3 Khối điều chỉnh âm lượng 25

2.2.4 Khối khuếch đại công suất 27

2.2.5 Khối nguồn 29

2.3 Nguyên tắt hoạt động 31

2.4 Sơ đồ nguyên lý và giải thích sơ đồ nguyên lý 31

2.5 Lưu đồ và giải thích lưu đồ 33

CHƯƠNG 3: THI CÔNG 36

3.1 Sơ đồ mạch in 36

3.2 Sơ đồ đặt linh kiện 37

3.3 Hình ảnh thực tế 38

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 41

1 Kết luận 41

2 Hướng phát triển 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1: Mạch khuếch đại không đảo 12

Hình 1 2: Hình ảnh thực tế TDA 2030A và sơ đồ chân 13

Hình 1 3: Hình ảnh thực tế TDA 2050 và sơ đồ chân 13

Hình 1 4: Hình ảnh IC NE5532 và sơ đồ chân 14

Hình 1 5: Module Arduino Uno R3 15

Hình 1 6: Sơ đồ chân của Arduino Uno R3 16

Hình 1 7: LCD 20x4 trong thực tế 17

Hình 1 8: Sơ đồ chấn LCD 18

Hình 1 9: Hình ảnh thực tết molude I2C LCD 19

Hình 1 10: Biến trở số X9C103 20

Hình 1 11: Sơ đồ chân biến trở số X9C103 20

Hình 2 1: Sơ đồ khối toàn mạch 21

Hình 2 2: Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý 22

Hình 2 3: Mạch lọc thông cao 23

Hình 2 4: Mạch lọc nhiễu sử dụng IC NE5532 24

Hình 2 5: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao sau khi đã tính toán linh kiện 24

Hình 2 6: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp 25

Hình 2 7: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông thấp sau khi đã tính toán linh kiện 25

Hình 2 8: Sơ đồ nguyên lý khối điều chỉnh âm lượng 26

Hình 2 9: Sơ đồ nguyên lý khối khuếch đại 27

Hình 2 10: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất kênh Left/Right 28

Hình 2 11: Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại công suất kênh Sub 29

Hình 2 12: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 30

Hình 2 13: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 32

Hình 2 14: Lưu đồ chương trình 34

Hình 3 1: Sơ đồ mạch in khối khuếch đại 36

Hình 3 2: Sơ đồ mạch in khối giao tiếp nút nhấn 36

Hình 3 3: Sơ đồ mạch in khối nguồn 37

Hình 3 4: Sơ đồ đặt linh kiện khối khuếch đại 37

Hình 3 5: Sơ đồ đặt linh kiện khối giao tiếp nút nhấn 38

Hình 3 6: Sơ đồ đặt linh kiện khối nguồn 38

Hình 3 7: Hình ảnh thực tế khối khuếch đại sau khi hàn linh kiện 39

Hình 3 8: Hình ảnh thực tế khối giao tiếp nút nhấn sau khi hàn linh kiện 39

Hình 3 9: Hình ảnh thực tế khối nguồn sau khi hàn linh kiện 40

Hình 3 10: Hình ảnh thực tế mô hình sản phẩm 40

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1: Thông số TDA 2030 13

Bảng 1 2: Thông số TDA 2050 14

Bảng 1 3: Thông số IC NE5532 14

Bảng 1 4: Thông số Arduino Uno R3 15

Bảng 1 5: Chức năng chân LCD 18

PHẦN 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1 Đặt vấn đề

Hiện nay mạch khuếch đại công suất âm thanh rất phổ biến trên thị trường, tầng khuếch đại thường được thiết kế sử dụng BTJ (FET) nhưng nhược điểm của khi sử dụng các transistor sẽ cho mạch thiết kế lớn, nhiều linh kiện, nhưng với yêu cầu công suất vừa phải phục vụ cho nhu cầu giải trí cá nhân thì để đơn giản người ta thường dùng các IC tích hợp sẵn như: TDA, LA, LM, TL … Sử dụng các IC khuếch đại tương tự như sử dụng một khối mạch điện phức tạp đã được tích hợp sẵn chắc chắn sẽ làm cho mạch nhỏ gọn và dễ dàng xác định được các thông số của các phần tử trong mạch như transistor, điện trở, tụ điện, …

Bên cạnh đó với cách mạch khuếch đại âm thanh sử dụng IC người ta thường sử dụng biến trở số để điều chỉnh mức độ âm thanh và không có phần hiển thị mức độ âm lượng, điều này sẽ gây nhiều bất tiện như âm lượng như mong muốn sẽ không được đáp ứng, sử dụng lâu ngày các biến trở này dễ hỏng Kế thừa những ưu điểm vượt trội của các IC khuếch đại

thuật toán và sự điều khiển linh hoạt của vi xử lý nhóm em đi đến quyết định chọn đề tài:

“Mạch khuếch đại công suất, điều khiển âm lượng bằng nút nhấn và hiển thị âm lượng lên LCD” để thực hiện đồ án cho môn học này

2 Mục tiêu

- Ứng dụng các kiến thức đã được học ở các môn: Điện tử cơ bản, Vi xử lý

- Xây dựng được mạch nguyên lý cho mạch khuếch đại Ampli 2.1

Sử dụng nút nhấn đề điều chỉnh âm lượng thông qua biến trở số

Điều khiển tín hiệu sử dụng Module Vi điều khiển Arduino Uno

Chương 3: Thi công

PHẦN 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

PHẦN 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về mạch khuếch đại công suất

Mạch khuếch đại công suất là mạch khuếch đại điện tử được thiết kế để tăng cường

độ công suất của tín hiệu đầu vào nhất định Công suất của tín hiệu đầu vào được tăng lên mức đủ cao để điều khiển tải các thiết bị đầu ra như loa, tai nghe, máy phát RF, v.v Không giống như các mạch khuếch đại điện áp/dòng điện, mạch khuếch đại công suất được thiết kế

để truyền tải trực tiếp và được sử dụng như một khối cuối cùng trong một chuỗi khuếch đại

Một hệ thống khuếch đại thường bao gồm: nguồn tín hiệu, bộ tiền khuếch đại (khuếch đại tín hiệu nhỏ), khuếch đại công suất và thiết bị đầu ra

Yêu cầu đầu tiên đối với tiền khuếch đại là có độ lợi cao và tuyến tính do nguồn tín hiệu thường có biên độ và dòng nhỏ

Công suất ở đầu ra lại lớn, nên phần tiền khuếch đại phải đảm bảo cung cấp cho tầng công suất một tín hiệu có biên độ lớn

Tầng công suất phải hoạt động hiệu quả và có khả năng cho công suất lớn từ vài W đến vài trăm W

Hiệu suất của mạch KĐCS: 𝑛 = 𝑃𝑂 (𝐴𝐶)

𝑃 𝑖(𝐷𝐶) × 100%

Hiện nay, để thiết kế mạch khuếch đại công suất nhỏ (vài WATT đến và chục WATT) người ta thường sử dụng linh kiện tích hợp (IC) Mạch khuếch đại công suất dùng

IC có hiệu suất làm việc cao, mạch đơn giản và dễ thiết kế

Ví dụ điển hình của mạch khuếch đại công suất dùng IC (Hình 1.1)

Hình 1 1: Mạch khuếch đại không đảo

𝑉𝑠 Điện áp nguồn cung cấp ± 22 V

𝑉𝑖 Điện áp vào (tín hiệu) 𝑉𝑠

Bảng 1 2: Thông số TDA 2050

𝑉𝑠 Điện áp nguồn cung cấp ± 25 V

𝑉𝑖 Điện áp vào (tín hiệu) 𝑉𝑠

1.5 Arduino UNO

Arduino là một nền tảng mã nguồn mở thường được sử dụng trong việc xây dựng các

dự án điện tử Arduino bao gồm vi điều khiển và một phần mềm IDE được sử dụng để lập trình viết và tải mã máy tính lên bo mạch Arduino có ba loại phổ biến là Arduino Uno R3,

Arduino Nano, Arduino Mega 2560 KIT Arduino trong hình (Hình 1.5) là Arduino UNO

R3 sử dụng vi điều khiển Atmega328Pdùng để xử lý các tác vụ cơ bản như điều khiển LED,

xử lý tín hiệu để điều khiển xe, trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên màn hình LCD Board Arduino Uno nói chung và các loại Board Arduino khác có thể chạy độc lập hoặc giao tiếp với các phần mềm chạy trên máy tính Ngôn ngữ lập trình cho các loại board Arduino thường do nhà sản xuất cung cấp

Hình 1 5: Module Arduino Uno R3

Bảng 1 4: Thông số Arduino Uno R3

Vi điều khiển ATmega328P-8bit AVR

Điện áp khuyên dùng 7-12V

Giới hạn điện áp 6-20V

Chân tín hiệu tương tự 6 (A0-A5)

Dòng điện ra mỗi chân I/O 40 mA

Dòng điện ra chân 3.3V 50 mA

Bộ nhớ Flash 32 KB

Hình 1 6: Sơ đồ chân của Arduino Uno R3

Sơ đồ chân của Arduino Uno dùng Chip điều khiển: Atmega328p

- 1 dao động thạch anh 16Mhz

- 1 cổng kết nối USB

- 1 jack cắm nguồn

- 1 nút reset

- Số chân đầu vào/ra: 14 (trong đó có 6 ngõ ra PWM)

- Số chân đầu vào tương tự: 6 (A0-A5)

- Điện áp ngõ vào: 7 - 12V DC

- Điện áp ngõ vào (giới hạn): 6 ~ 20V DC

- Dòng DC trên mỗi chân I/O: 40mA

- Bộ nhớ Flash: 32 KB

- SRAM: 2 KB

- EEFROM: 1 KB

Các board Arduino Uno không sử dụng chip chuyển đổi FTDI USB sang chuẩn nối tiếp thay vào đó các tính năng của Atmega328 được lập trình như một bộ chuyển đổi USB sang chuẩn nối tiếp

Chức năng một số chân đặc biệt trên Kit:

- Chân giao tiếp nối tiếp: 0 RX dùng để nhận (receive - RX) và 1 TX dùng để gửi (transmit – TX) dữ liệu nối tiếp TTL

- Chân PWM: 3, 5, 6, 9, 10 và 11: xuất PWM với độ phân giải 8 bit, điện áp ra có thể điều chỉnh được từ 0~5V

- Chân giao tiếp SPI: 10 SS, 11 MOSI, 12 MISO, 13 SCK dùng để truyền phát dữ liệu bằng giao thức SPI với các thiết bị khác

- Điều khiển tín hiệu RS

- Điều khiển tín hiệu R/W lên mức 1

- Điều khiển tín hiệu E lên mức cao để cho phép

- Đọc dữ liệu từ bus dữ liệu DB7-DB0 (data bus)

- Điều khiển tín hiệu E về mức thấp

Chế độ ghi:

- Điều khiển tín hiệu RS

- Điều khiển tín hiệu R/W xuống mức 0

- Điều khiển tín hiệu E lên mức cao để cho phép

- Xuất dữ liệu ra bus dữ liệu DB7-DB0 (data bus)

- Điều khiển tín hiệu E về mức thấp

- Giao tiếp: chuẩn giao tiếp I2C

- Tích hợp biến trở xoay điều chỉnh độ tương phản cho LCD

1.8 Biến trở số X9C103

Là một mạch chiết áp kỹ thuật số dùng Chip X9C103S bao gồm một dãy điện trở, các công tắc gạt, một phần điều khiển và bộ nhớ không thay đổi Biến trở số có thể được điều khiển thông qua Arduino

- Dạng thay đổi: tuyến tính

- Tự động lưu giá trị khi tắt nguồn

Biến trở số có 8 chân có chức năng như sau:

Hình 1 11: Sơ đồ chân biến trở số X9C103

- Chân số 1: Điều khiển cần gạt di chuyển theo hướng được chỉ định (tích cực mức thấp)

- Chân số 2: Điều hướng di chuyển của cần gạt xuống hoặc lên

- Chân số 3: Chân cố định của biến trở X9C103

- Chân số 4: Đất

- Chân số 5: Chân chạy (cần gạt) của biến trở X9C103

- Chân số 6: Chân cố định của biến trở X9C103

- Chân số 7: Thiết bị hoạt động khi đầu vào CS THẤP Giá trị bộ đếm hiện tại được lưu trong bộ nhớ không thay đổi khi CS được tích cực mức CAO và đồng thời ngõ vào INC cũng CAO

- Chân số 8: Nguồn

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ

2.1 Sơ đồ khối

Hình 2 1: Sơ đồ khối toàn mạch

Chức năng các khối:

- Khối vi xử lý: nhận tín hiệu từ nút nhấn, xử lý lệnh tương ứng và thực hiện lệnh để

điều chỉnh giá trị biến trở số, đồng thời thực thi lệnh hiển thị mức âm lượng lên màn hình LCD

- Mạch lọc: Tín hiệu âm thanh thông thường có hai kênh L/R không có đường tín

hiệu cho dải tần thấp Thông qua mạch lọc ta có thể lọc lại dải tần thấp và nâng cao mức tín hiệu này để đưa vào mạch khuếch đại cho loa Sub

- Khối điều chỉnh âm lượng: Tăng giảm âm lượng của âm thanh cho các loa trái,

phải và loa sub thông qua biến trở số

- Khối khuếch đại: Nâng cao công suất tín hiệu âm thanh lên cao trước khi đưa ra tải

(loa)

- Khối nguồn: Cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch hoạt động Trong đó cung cấp

nguồn 5V DC cho LCD, biến trở số; 12V DC cho mạch lọc, khối khuếch đại công suất và khối vi xử lý

2.2 Thiết kế

2.2.1 Khối vi xử lý

Khối vi xử lý sử dụng module Arduino Khối này sẽ thực hiện kết nối với các thiết bị ngoại vi như: nút nhấn, biến trở số, LCD

Mạch nguyên lý của khối vi xử lý và giải thích các chân kết nối:

Hình 2 2: Sơ đồ nguyên lý khối vi xử lý

- Ba chân INC của biến trở số L/R và Sub lần lượt được nối vào IO5, IO8 và IO11 của Arduino để điều khiển cần gạt

- Ba chân U/D của biến trở số L/R và Sub lần lượt được nối vào IO6, IO9 và IO12 của Arduino để điều hướng cần gạt biến trở

- Ba chân CS của biến trở số L/R và Sub lần lượt được nối vào IO4, IO7 và IO10 của Arduino

- Các nút nhấn U/D lần lượt được kết nối với IO0, IO1, IO2, IO3 của Arduino

- Kết nối hai chân Vw của biến trở số L/R và Sub với hai chân AD0 và AD1 của Arduino để đọc giá trị biến trở

- Sử dụng chân AD5 và AD4 để kết nối với hai chân SCL, SDA của LCD

2.2.2 Thiết kế mạch lọc

Với kiến thức đã học, chúng ta biết rằng mạch lọc tần số gồm có dạng lọc thụ động và lọc tích cực Khi làm việc ở tần số thấp, mạch lọc có điện cảm rất lớn dẫn đến kết cấu chung của mạch lọc thụ động trở nên phức tạp và tốn kém Do đó người ta thường sử dụng mạch lọc tích cực để khắc phục những nhược điểm trên Ở đây nhóm sử dụng mạch lọc thông cao

và mạch lọc thông thấp để xử lý tín hiệu âm thanh trước khi đưa vào mạch khuếch đại của kênh Sub

Nhóm chọn tần số cắt thấp cho mạch thông thấp là 𝑓𝑐 = 20𝐻𝑧 và tần số cắt cao cho mạch thông cao là 𝑓𝑐 = 320𝐻𝑧

Xây dựng mạch thuật toán sử dụng IC 5532 có chức năng lọc nhiễu tín hiệu âm thanh, đồng thời khuếch đại tín hiệu ngõ ra từ tín hiệu ngõ vào sau khi được lọc qua mạch lọc thông cao

Hình 2 4: Mạch lọc nhiễu sử dụng IC NE5532

Với độ lợi mong muốn 𝐴𝐹 = 10

Ta có: 𝐴𝐹 = 1 +𝑅𝐹

𝑅2 ➔ 𝑅𝐹 = (𝐴𝐹 − 1)𝑅2Chọn 𝑅2 = 4.7𝐾 ➔ 𝑅𝐹 = 42,3𝐾

Chọn giá trị điện trở 𝑅𝐹 thực tế là 39K

Mạch sau khi tính toán thiết kế:

Hình 2 5: Sơ đồ nguyên lý mạch lọc thông cao sau khi đã tính toán linh kiện