Đồ án Thiết kế và thi công hệ thống audio kĩ thuật số

 BỘ GIÁO DỤC & 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 
 --------------------------------- 
 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 
 NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG 
ĐỀ TÀI: 
 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ 
 THỐNG AUDIO KĨ THUẬT SỐ 
 GVHD: ThS. Nguyễn Trường Duy 
 SVTH: Đỗ Hồng Phúc MSSV:13141239 
 Hoàng Gia Huy MSSV: 13141112 
 Tp. Hồ Chí Minh – 12/2019 BỘ GIÁO DỤC & 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 
 --------------------------------- 
 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 
 NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG 
ĐỀ TÀI: 
 THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ 
 THỐNG AUDIO KĨ THUẬT SỐ 
 GVHD: ThS. Nguyễn Trường Duy 
 SVTH: Đỗ Hồng Phúc MSSV: 13141239 
 Hoàng Gia Huy MSSV: 13141112 
 Tp. Hồ Chí Minh – 12/2019 TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM 
 KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC 
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- 
 Tp. HCM , ngày 3 tháng 12 năm 2019 
 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 
Họ tên sinh viên 1: Đỗ Hồng Phúc MSSV: 13141239 
Họ tên sinh viên 2: Hoàng Gia Huy MSSV: 13141112 
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện - Điện tử Mã ngành: 01 
Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 
Khóa: 2013 Lớp : 13141DT 
I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG HI-END AUDIO KĨ 
 THUẬT SỐ 
II. NHIỆM VỤ 
1. Các số liệu ban đầu: 
 - Sử dụng Raspberry Pi 3 Model B 1.2v để làm bộ music server chạy hệ điều hành 
 Volumio. 
 - Tín hiệu số chất lượng cao được sử dụng trong hệ thống là các file nhạc chuẩn 
 Lossless, Hi-res audio, DSD được Rip từ CD, DVD, SACD và một số là mua trực 
 tuyến. 
 - Module DAC pifi 2 để làm bộ giải mã âm thanh kĩ thuật số chất lượng cao và xuất 
 tín hiệu đã qua xử lý. 
 - Bộ Aduino làm bộ điều khiển module PT2315 làm bộ chỉnh âm sắc cho tín hiệu 
 lấy từ DAC. 
 - Bộ khuếch đại công suất dùng chipamp KIA6210 lấy tín hiệu đã qua xử lý và xuất 
 tín hiệu ra loa. 
 - Loa Victor toàn dải T150D dùng để phát âm thanh cho hệ thống. 
2. Nội dung thực hiện: 
 - Nghiên cứu về raspberry, arduino. 
 - Tìm hiểu hệ điều hành Volumio 
 - Nghiên cứu các kiến thức liên quan đến Audio, các chuẩn nhạc( nhạc số & tương 
 tự),thiết kế mạch khuếch đại công suất, thiết kế của thùng loa, các cách chống 
 nhiễu cho hệ thống âm thanh, kiến thức bao quát về cách bố trí hệ thống audio, xử 
 lý phòng nghe (tán âm, tiêu âm, basstrap,vv). 
 - Tìm hiểu về các module DAC pifi, LCD 16x2, pt2315, cảm biến chạm. 
 - Tiến hành thiết kế các thành phần ban đầu của hệ thống. 
 - Tiến hành thiết kế sơ đồ nguyên lý cho từng module trong hệ thống. 
 - Tiến hành thiết kế PCB cho từng module. 
 - Lập trình kết nối điều khiển. 
 - Chạy thử nghiệm hệ thống. 
 ii 
 - Cân chỉnh và hoàn thiện hệ thống. 
 - Viết báo cáo. 
 - Báo cáo đề tài tốt nghiệp. 
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 15/09/2019 
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/12/2019 
V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: ThS. Nguyễn Trường Duy 
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 
 iii 
 TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM 
 KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC 
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ----o0o---- 
 Tp. HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2018 
 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 
Họ tên sinh viên: Đỗ Hồng Phúc MSSV: 13141239 
 Hoàng Gia Huy MSSV: 13141112 
Tên đề tài: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG HI-END AUDIO KĨ THUẬT 
 SỐ 
 Xác nhận 
 Tuần/ngày Nội dung 
 GVHD 
 Tuần 1 Gặp giáo viên hướng dẫn, nhận đề tài đồ án tốt 
 (19/8 – 25/8) nghiệp. 
 Tuần 2 Tìm tài liệu phục vụ cho nghiên cứu và thực 
(26/8 – 1/9) hiện đề tài, viết đề cương đồ án tốt nghiệp. 
 Tuần 3 Thiết kế sơ đồ khối, tìm tài liệu, nghiên cứu đề 
(2/9 – 8/9) tài. 
 Tuần 4 Cài đặt các công cụ hỗ trợ lập trình điều khiển 
(9/9 – 15/9) để thực hiện đề tài. 
 Tuần 5 Cài đặt phần mềm, cấu hình volumio trên 
(16/9 – 22/9) raspi3, tìm nguồn nhạc số demo, làm mạch 
 demo module PT2315. 
 Tuần 6,7,8,9 Lập trình điều khiển Module PT2315, điều 
(23/9 – 20/10) chỉnh tăng giảm được volume, bass, treble bằng 
 Arduino Uno. 
 Tuần 10 Tiến hành vẽ mạch KIA6210, mạch nguồn 12v 
(21/10 – 27/10) cho KIA6210, mạch nút nhấn 3 phím cảm ứng, 
 mạch hoàn thiện module Arduino + PT2315 + 
 connector (audio processor) hoàn chỉnh. 
 Tuần 11 Tiến hành thi công các module nguồn, module 
(28/10 – 3/11) audio processor, module nút nhấn, đặt mạch in 2 
 lớp cho module KIA6210. 
 Tuần 12 Tiến hành kết nối các module vào hệ thống, test 
(4/11 – 10/11) chạy thử tất cả trên hệ thống. 
 Tuần 13,14 Có lỗi phát sinh trong hệ thống nên phải tiến 
(11/11 – 24/11) hành tìm lỗi và khắc phục lỗi kèm tinh chỉnh hệ 
 thống. 
 Tuần 15 Lấy kết quả thực nghiệm viết đề cương cho báo 
(25/11 – 1/12) cáo. 
 Tuần 16,17 Viết báo cáo tốt nghiệp. 
(2/12 – 15/12) 
 Tuần 18 Chỉnh sửa, kiểm tra lần cuối và nộp quyển báo 
(16/12 – 20/12) cáo. 
 iii 
 Tuần 19 Báo cáo đồ án tốt nghiệp. 
(21/12 – 26/12) 
 GV HƯỚNG DẪN 
 (Ký và ghi rõ họ và tên) 
 iv 
 LỜI CAM ĐOAN 
 Đề tài này là do nhóm đồ án tự thực hiện dựa vào một số tài liệu và công trình 
nghiên cứu, không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Nếu có sao chép 
nhóm đồ án hoàn toàn chịu trách nhiệm. 
 Tp. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 12 năm 2019 
 Người thực hiện đề tài 
 Đỗ Hồng Phúc Hoàng Gia Huy 
 iv 
 LỜI CẢM ƠN 
 “Uống nước nhớ nguồn, ăn quả nhớ kẻ trồng cây” là truyền thống mang giá trị 
nhân văn vô cùng quý báu mà từ xưa đến nay ông cha ta đã răng dạy và gìn giữ cho đến 
tận ngày hôm nay. Chính vì lẽ đó mà nhóm nghiên cứu luôn luôn vô cùng tỏ lòng biết ơn 
chân thành đến tất cả mọi người đã giúp đỡ nhóm tận tình trong thời gian qua để hoàn 
thành tốt đề tài đồ án tốt nghiệp “Thiết kế và thi công hệ thống Hi-end audio kĩ thuật 
số”. Và điều vô cùng đặc biệt hơn mà không thể không nhắc đến đó là sự hướng dẫn vô 
cùng tận tình của Thầy ThS.Nguyễn Trường Duy và các Thầy Cô trong bộ môn Điện Tử 
Công Nghiệp – Y Sinh đã giúp đỡ hết sức nhiệt tình nhóm trong suốt quá trình nghiên 
cứu và hoàn thành đề tài được giao. Quả đúng với câu “Không Thầy đố mày làm nên”. Vì 
thế, trong lời đầu tiên của cuốn báo cáo đồ án tốt nghiệp này, Nhóm muốn dành lời cảm 
ơn chân thành sâu sắc đến Thầy ThS.Nguyễn Trường Duy và các Thầy Cô trong bộ môn 
Điện Tử Công Nghiệp – Y Sinh của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ 
Chính Minh. Đồng thời nhóm nghiên cứu cũng thể hiện sự biết ơn đối với các bạn cùng 
lớp đã góp ý kiến xây dựng đề tài được hoàn thiện hơn. 
 Không thể quên được, nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn đến những đấng sinh 
thành dưỡng dục đã luôn hỗ trợ, động viên và cũng là niềm động lực lớn lao để nhóm có 
thể hoàn thành tốt đề tài. 
 Mặc dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng nhóm sẽ khó tránh khỏi những lúc làm các 
Thầy Cô, các bạn phiền lòng. Kính mong quý Thầy Cô, cùng các bạn lượng thứ bỏ qua. 
Với vốn kiến thức hạn hẹp cùng kinh nghiệm sống ít ỏi của mình thì chắc chắn trong bài 
báo cáo sẽ có những sai lầm thiếu sót. Nhóm nghiên cứu rất làm thứ lỗi và mong nhận 
được những chỉ dạy, đóng góp vô cùng quý báu của quý Thầy cô cùng các bạn để nhóm 
có thể hoàn thiện tốt đề tài hơn nữa. 
 Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! 
 Người thực hiện đề tài 
 Đỗ Hồng Phúc Hoàng Gia Huy 
 v 
 MỤC LỤC 
Trang bìa ........................................................................................................................ i 
Nhiệm vụ đồ án ............................................................................................................. ii 
Lịch trình ..................................................................................................................... iii 
Cam đoan .................................................................................................................... iv 
Lời cảm ơn .................................................................................................................... v 
Mục lục ........................................................................................................................ vi 
Liệt kê hình vẽ ............................................................................................................. ix 
Liệt kê bảng vẽ xi 
Tóm tắt ....................................................................................................................... xii 
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................ 1 
 1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 1 
 1.2. Mục tiêu ............................................................................................................. 2 
 1.3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................... 2 
 1.3.1. Kết nối thiết bị ........................................................................................... 2 
 1.3.2. Tiến hành xử lý ban đầu ............................................................................ 2 
 1.3.3. Tiến hành thiết kế ...................................................................................... 2 
 1.3.4. Thi công kết nối các thiết bị ...................................................................... 3 
 1.3.5. Hoàn thiện sản phẩm ................................................................................. 3 
 1.3.6. Viết báo cáo ............................................................................................... 3 
 1.4. Giới hạn .............................................................................................................. 3 
 1.5. Bố cục ................................................................................................................ 3 
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................ 5 
 2.1 Giới thiệu về hệ thống Hi-end Audio kĩ thuật số ............................................... 5 
 2.1.1. Giới thiệu chung ....................................................................................... 5 
 2.1.2. Các khái niệm cơ bản trong lĩnh vực Audio ............................................. 9 
 2.1.3. Các chuẩn âm thanh trong Audio ...................................................... 16 
 2.1.4. Các kiến thức về xử lý âm học trong phòng nghe .............................. 27 
 2.2 Hệ điều hành Volumio và khái niệm về Music Server .................................... 30 
 2.2.1 Hệ điều hành Volumio ............................................................................. 30 
 2.2.2 Ngôn ngữ Python ..................................................................................... 32 
 2.2.3. Music Server ........................................................................................... 34 
 2.2.4. Lý thuyết về thùng loa ............................................................................ 37 
 2.2.5. Âm thanh Hi-End .................................................................................... 44 
 2.3 Giới thiệu phần cứng ........................................................................................ 45 
 2.3.1. Raspberry Pi 3 Model B V1.2 ................................................................. 45 
 2.3.2. Module DAC Pifi V2.0 ........................................................................... 48 
 2.3.3. LCD 16x2................................................................................................ 49 
 2.3.4. Module I2C ............................................................................................. 51 
 2.3.5. Arduino Uno ........................................................................................... 53 
 2.3.6. IC Audio Processor PT2315 ................................................................... 55 
 2.3.7. Module cảm biến chạm TTP223 ............................................................. 58 
 2.3.8. IC khuếch đại âm tần KIA6210 .............................................................. 59 
 2.3.9. Loa toàn dải 12cm ................................................................................... 61 
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. ................................................ 62 
 3.1 Giới thiệu .......................................................................................................... 62 
 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống ........................................................................... 63 
 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .................................................................... 63 
 3.2.2 Tính toán và thiết kế hệ thống .................................................................. 65 
 3.2.2.a Khối nguồn phát và giải mã .......................................................... 66 
 3.2.2.b Khối tiền khuếch đại ..................................................................... 68 
 3.2.2.c Khối khuếch đại công suất ............................................................ 79 
 3.2.2.d Khối nguồn .................................................................................... 83 
 3.2.2.e CNC vỏ hoàn thiện ....................................................................... 85 
 3.6 Thiết kế thùng loa toàn dải 12cm ........................................................ 86 
CHƯƠNG 4. THI CÔNG HỆ THỐNG ...................................................... 89 
 4.1 Giới thiệu. .......................................................................................................... 89 
 4.2 Thi công hệ thống .............................................................................................. 89 
 4.2.1. Tiến hành vẽ PCB và thi công mạch nguồn 13VDC ............................... 89 
 4.2.2. Tiến hành vẽ PCB mạch tiền khuếch đại ................................................. 91 
 4.2.3. Tiến hành vẽ PCB mạch khuếch đại ........................................................ 92 
 4.2.4. Tiến hành kết nối các module trong hệ thống ......................................... 94 
 4.3 Đóng khung thành phẩm..................................................................................... 97 
 4.4 Lập trình hệ thống ............................................................................................... 98 
 ii