1、毕业设计（论文）开题报告自动化LED 音乐频谱设计与制作一、选题的依据及意义：光二极管（英语：Light-Emitting Diode，简称 LED） 是一种能发光的半导体电子元件。这种电子元件早灾 1962 年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用在人们的生活当中。与小白炽灯泡和氖灯相比，发光二极管的特点是：工作电压很低，LED使用低压电源，供电电压在直流 3-24V 之间（有的仅一点几伏），根据产品不同而异，也有少数 DC36V、DC40V 等，所以它是
2、一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所；工作电流很小（有的仅零点几毫安即可发光）；抗冲击和抗震性能好，可靠性高，寿命长，10 万小时，光衰为初始的 50%；通过调制通过的电流强弱可以方便地调制发光的强弱。由于有这些特点，发光二极管在一些光电控制设备中用作光源，在许多电子设备中用作信号显示器。LED 的价格越来越平民化，因 LED省电的特性，也许不久的将来，人们都会把白炽灯换成 LED 灯。我国部分城市公路、学校、厂区等场所已换装完 LED 路灯、节能灯等。因此 LED 在今后的灯具使用中会成为主流。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller U
3、nit），常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。由于单片机在工业控制领域的广泛应用，单片机由仅有 CPU 的专用处理器芯片发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体
4、积要求严格的控制设备当中。INTEL 的 8080 是最早按照这种思想设计出的处理器，当时的单片机都是 8 位或4 位的。其中最成功的是 INTEL 的 8051，此后在 8051 上发展出了 MCS51 系列单片机系统。因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。尽管 2000 年以后 ARM 已经发展出了 32 位的主频超过 300M 的高端单片机，直到现在，基于 8051 的单片机还在广泛的使用。在很多方面单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了广泛的应用。事实上单片机是世界上数量最多处理器，随着单片机家族的发展壮大，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机具有一下特性：1、
5、主流单片机包括 CPU、4KB 容量的 ROM、128 B 容量的RAM、 2 个 16 位定时/计数器、4 个 8 位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP；2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；3、单片机可靠性高，可工作到 106 107 小时无故障；4、处理功能强，速度快；5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品；6、控制功能强；7、环境适应能力强。现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。 汽车上一般配备 40 多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能
6、有数百片单片机在同时工作。单片机的数量远远超过 PC 机和其他计算机的总和。LED 音乐频谱是基于单片机设计和制作的。通过单片机控制输出信号来控制 LED闪烁，体现出音乐的动态频率，可以在聆听美妙音乐的同时，欣赏动感的音符跳动，可以给生活带来更多乐趣。个人也喜爱动手制作电子产品，在制作 LED 音乐频谱的过程中，感到非常快乐，也更加熟识所学单片机、信号处理等专业知识。故而选择LED 音乐频谱设计与制作作为毕业论文题目。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：2.1 全球 LED 产业现状目前，全球有近 200 家公司和 300 多所大学以及研究机构从事氮化镓基 LED 的材料生长、器件制作
7、工艺和相关装备制造的研究和开发工作，居于领先水平的公司主要有日本的 Nichia、Toyota Gosei、索尼、三洋、美国的 Cree Lumileds，欧洲的 Osram、菲利普、中国台湾的芯片厂家主要有国联、晶元、光磊、广镓、灿元、连威等，封装方面主要有亿光电子、鼎元光电、佰鸿工业等。 这些跨国大公司多有原创性的专利，引领技术潮流，占有绝大多数的市场份额，其中日本的日亚公司是全世界研究和生产 LED 的“顶尖“单位，十余年来其氮化镓基LED 的研究和开发水平一直领先其它单位 2-3 年。日亚公司在生产白色 LED 的荧光粉材料方面拥有多项专利，在 InGaN 白色 LED 芯片供应上一直
8、占统治地位，但专利技术一直控制在内部使用。Lumileds 公司也已开发出最大发光功率达 120 lm 的白光 LED，美国加州大学固态发光及显示中心计划在 2007 年前开发出效率为 200 lm/W的白光 LED。 面对半导体照明将要形成的巨大市场，世界上各半导体公司和照明公司纷纷投入巨资进军半导体照明市场，美国自 2000 年起投资 5 亿美元实施“国家半导体照明计划“。美国能源部预测，到 2010 年前后，美国将有 55%的白炽灯和荧光灯被半导体照明所替代，目前，世界上掌握半导体照明技术的半导体公司，都已经纷纷和老牌灯泡制造商结盟，如美国 HP 联合了日本 Nichia 和德国西门子，
9、美国 Cree、西门子和德国欧斯郎联合，美国 EMCORE 和 GE 联合，日本的东芝和本田联合等，其中欧斯郎和 GE 公司都是世界著名的灯泡制造巨商，通用电气、飞利浦、欧斯郎等世界三大照明巨头，全都启动大规模商用开发计划，与半导体公司合作或并购，成立半导体照明企业。 我国台湾是世界 LED 生产的最重要基地，其产量超过全球 LED 产量的 1/3，早在 20 世纪 90 年代初已经名列世界第三位。目前我国台湾 LED 产品市场占有率已达28%，超过了美国，位居世界 LED 市场第二位，产品 80%以上外销，主要销往韩国、日本、美国和欧洲等地，目前台湾地区 LED 业主要是向全彩化、高亮度和大
10、型化的方向发展。 在国家产业扶持、台商加入及国际巨头三方推进下，LED 产业在我国已具相当规模，已初步形成从外延片生产、芯片制备到器件封装集成应用比较完整的产业链，生产企业重点分布在长三角、珠三角、江西、福建及环渤海湾等地区。据统计，2004 年中国大陆的 LED 需求量约 240 亿只，应用市场达 300 亿元，2005 年总需求量为 300 亿只，应用市场达到 360 亿元。 LED 生产主要有 3 个环节，就是发光半导体外延片的生长、芯片制作和封装，目前国内 3 个环节都有，尤其是外延片的生长环节，我国与世界一流水平还有较大的差距。从产业价值链的情况看，高质量的外延片已经成为中国 LED
11、 产业发展的主要制约环节，中国的 LED 产业面临一个巨大的问题就是技术水平太低，中国 LED 产业刚刚处于起步阶段，不但与日本、美国、欧洲有巨大的差距，即便是与中国台湾相比，也相去甚远。 国内的外延片生长技术主要源于美国、基本上是进口美国的有机金属化学气相沉淀（MOCVD）装备，这些装备在美国就不是一流的装备，在整个 LED 产业外延片的生长、芯片、芯片封装 3 个环节中，外延片生长投资要占到 70%，外延片成本要占到封装成成品的 70%，同时外延片生长技术的人才全世界都缺乏，简单的说，外延片的水平决定了整个 LED 产业水平，国家“863“计划和信息产业发展基金及时支持了国产外延设备如液相
12、外延炉和 MOCVD 设备的研发，通过整机消化吸收，关键技术再创新等措施，填补了国内空白，使长期制约我国 LED 产业发展的装备瓶颈得以突破。由于 LED 外延片及芯片制造所需的装备要比集成电路芯片制造装备相对简单一些，我国除一些关键装备（如 MOCVD、等离子刻蚀机、光电特性测试分选机）尚存一定差距外，其余大部分装备都能自主生产，装备的技术可靠性已经接近国外同类装备的水平。2.2 LED 发展趋势 今年，针对不同应用场所的集成只能照明解决方案频频亮相于各大照明展。LED灯使我们的世界变得更加节能，同时 LED 灯通信和控制方式的结合可以让生活更加环保、便捷。智能控制与 LED 照明的结合将改
13、变人们使用照明的方式，它将大幅提高照明产品的附加值，为行业提供长期成长动力。尽管当前，智能控制在照明的应用还不能让人非常满意，但在不久的将来，必将是 LED 最大的优势。目前，智能控制所带来的商业价值被越来越多的关注，为了能在 LED 照明智能化时代抢占先机，很多企业的产品已不仅仅停留在调光调色的层面上，而是更加积极的探索整个照明系统的智能化控制。LED 智能控制具有很大的应用潜力。只能控制技术越来越多的被应用在 LED 领域，形成了新的技术体系与产品形态。包括智能控制、智能调光、智能感应、智能调色等在内的智能化应用是 LED 驱动电源技术进步的主要方向。未来 3 到 5 年内，LED光效接近
14、极限，智能化将成为行业发展的必然选择，应用于医疗保健、生态农业等行业的细分照明也有待发展。然而，智能照明控制系统关键是能做到低成本。智能照明需要推广，只有使用普遍化，价格才能逐渐降下来，但就目前来说，LED 智能照明的普及度不高。因此，智能照明的理念固然很好，但成本、标准问题、技术的成熟等问题，都阻碍着其前行，只有以前到达一个平衡点，智能控制才可能大放光彩。 2.3 单片机研究概况单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：定时器，比较器，A/D 转换器，D /A 转换器，串行通信接口，Watchdog 电路，LCD控制器等。 有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，
15、内部含有局部网络控制模块 CAN。为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路。在这些单片机中，脉宽调制电路有 6 个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。 特别引人注目的是：现在有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。这是一种建立在系统级芯片（System on a chip）概念上的结构。这种单片机由三个核组成：一个是微控制器和 DSP 核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。这种单片机的最大特点在于把 DSP 和微控制器同时做在一个片上。虽然从结构定
16、义上讲，DSP 是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。这是目前单片机最大的进步之一。这些单片机都是高档单片机，MCU 都是 32 位的，而 DSP 采用 16 或 32 位结构，工作频率一般在 60MHz 以上。新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。 现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。在这种形势中，扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是
17、今天单片机发展的目标之一。目前，一般单片机都可以在 3.35.5V 的条件下工作。而一些厂家，则生产出可以在 2.26V 的条件下工作的单片机。 单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器，原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。目前，把单片机嵌入式系统和 Internet 连接已是一种趋势。但是，Internet 一向是一种采用肥服务器，瘦用户机的技术。这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的，但对于控制嵌入式器件就成了“杀鸡用牛刀“了。要实现嵌入式设备和 Int ernet 连接，就需要把传统的 Internet 理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。为了使复杂的或简单的嵌入式设备，例如
18、单片机控制的机床、单片机控制的门锁，能切实可行地和 Internet 连接，就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，使嵌入式设备可以和 Internet 相连，并通过标准网络浏览器进行过程控制。 目前，为了把单片机为核心的嵌入式系统和 Internet 相连，已有多家公司在进行这方面的较多研究。 在单片机应用中，可靠性是首要因素为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在如下几点： 1、 EFT（Ellectrical Fast Transient）技术 EFT 技术是一种抗干扰
19、技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和 RC 滤波电路时，就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。这样，就提高了单片机工作的可靠性。2、 低噪声布线技术及驱动技术 在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去
20、耦电容，从而降低系统的噪声。 2.4 单片机的发展趋势随着科学技术的发展，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，将进一步向 CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方向发展，具体介绍如下：1) CMOS 技术（金属栅氧化物）：近年，由于 CHMOS 技术的进步，促进了单片机芯片更多地采用 CMOS 技术进行设计和生产。CMOS 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。2) 低功耗：单片机的功耗已下降许多，静态电流甚至降到 1uA 以下，使用电压在 3到 6V 之间，完全能够适应于电池工作，低功耗的效应不仅是功耗低，而且带来了
21、产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。3) 低电压：几乎所有的单片机都有 WAIT/STOP 等省电运行方式，允许使用的电压范围越来越宽，一般 3-6V 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达到 1-2V。目前 0.8V 供电的单片机已问世。4) 低噪声与高可靠性：为提高单片机的电磁抗干扰能力，是产品能够适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求。5) 大容量：以往单片机内的 ROM 为 1KB-4KB，RAM 为 64-128B，但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。目前，单片机内 ROM 最大可达64KB，RAM 最大为 2KB。6) 高性能
22、：主要是指进一步改变 CPU 的性能，加快指令运行的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。此外还有小容量、低价格、外围电路内装、串行扩展技术等。三、研究内容及实验方案： 以单片机作为主要处理器，将音频信号转换为电信号，在由 LED 显示屏，直观的显示所播放音乐的频率高低。本次设计的系统分为声音采集单元，声音处理单元和显示单元。声音采集单元由音频信号产生与放大电路、A/D 转换系统组成；声音处理主要由单片机完成，A/D 转换生成的电信号经过快速傅立叶变换之后，送给行列驱动器，进而驱动 16*16LED 点阵显示出音乐频率的高低。四、目标、主要特色及工
23、作进度1目标、主要特色利用单片机作为主处理器，设计并制作一个 LED 音乐频谱显示器，实现所播放音乐频率和强度的对应显示。2工作进度 1、查阅文献，翻译英文资料，书写开题报告； 第 1 周第 2 周2、整理资料，学习单片机和传感器等相关知识； 第 3 周第 8 周3、设计硬件原理图和编写程序，调试； 第 9 周第 15 周4、撰写毕业论文，准备答辩； 第 16 周第 18 周五、参考文献1 张孝虎DIY 音乐频谱显示电子制作，2011.112 凌志浩.AT89C52 单片机原理与接口技术M.北京：高等教育出版社，20113 刘志军等.关于 LED 发展趋势的探讨.科技资讯，2010.114 佚
24、名.中国 LED 显示应用产业发展年鉴.北京：电子工业出版社，20115 王赐然.大话 LED.北京：中国电力出版社，20116 诸昌铃.LED 显示屏系统原理及工程技术.北京：电子科技大学出版社，20007 孙进平等.51 系列单片机原理、开发与应用实例.北京：中国电力出版社，20098 陆彬.21 天学通 51 单片机开发（第 2 版）.北京：电子工业出版社，20119 彭喜元等.单片机原理与接口技术.北京：人民邮电出版社，200810 赵德安等.单片机原理与应用（第 2 版）.北京：机械工业出版社，200911 v.Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier EffectJ ,2002
