基于AT89C52数控调频发射机的设计 毕业设计.docx
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基于AT89C52数控调频发射机的设计毕业设计
目 录
基于AT89C52数控调频发射机的设计
摘要:
本文主要介绍了数控调频发射台的设计原理和方法。
本系统主要以单片机AT89C52和日本Rohm公司生产的调频发射专用集成电路BH1415F为核心设计一数控调频发射机。
调频发射机的硬件电路有三大组成模块:
单片机控制部分、调频调制发射部分、电源系统;该调频发射台软件采用C语言编写。
可用单片机AT89C52实现在80.0MHz—109.9MHz范围内任意设置发射频率的控制,而且发射频率稳定易于实现。
键盘可预设11个频道,发射频率最小调整值为0.1MHz,具有单声道/立体声控制功能,可广泛应用于学校无线广播、电视现场导播、汽车航行和无线演说等现场。
关键词:
BH1415F;发射频率;AT89C52;C语言
BasedonAT89C52numericalcontroldesignoftheFMtransmitter
Abstract:
ThispaperintroducesthedesignprinciplesandmethodsofthenumericalcontrolFMtransmitter.ThesystemismainlyatthecoredesignofAT89C52single-chipandJapan'sRohmcompany’sFMtransmitterASICBH1415FdesigntheFMtransmitter.FMtransmitter’scircuitofthehardwaremodulehasthreecomponents:
Partofsingle-chipcontrol,FMtransmittermodulationandthepowersystem;theFMtransmitterusingClanguagesoftware.ItcanuseAT89C52toachievethescopeof80.0MHz-109.9MHzfrequencyarbitrarilysetthefiringfrequencycontrol,andthefiringfrequencyisstableandeasytoachieve.Keyboardcanbepre-set11channels,thesmallestadjustmentvalueforthefiringfrequencyis0.1MHz,withMono/Stereocontrolfunction,anditcanbewidelyusedintheschoolradio,andtelevisiondirectoratthescene,automotivenavigationandwirelessspeechesatthescene.
KeyWords:
BH1415F;firingfrequency;AT89C52;Clanguage
引言
常用的对载波的调制方式,除了振幅调制外,还有频率调制,以及1937年里布斯发明的脉冲编码调制(PCM)等。
在调频发射历史上,阿姆斯特朗的英名为人们所熟悉,是原于1933年他发明的频率调制方法,开创了崭新的高质量通信方式棗调频广播,开始了高保真优质广播的新时代。
频率调制,简称调频。
进行这种调制时,载波的振幅保持不变,而根据要传送声音、图像信号的变化,来改变载波的频率。
与调幅方式相比,调频方式更适合于传送立体声、电视节目的伴音信号及微波中继站传送的长途电话等。
因此,调频至今仍是广泛使用的一种调制方式。
调幅广播的噪音大,易受外界条件的干扰,从而影响收听的效果。
为了提高广播的质量,早在20年代,阿姆斯特朗就开始研究如何消除调幅无线电波噪声的方法。
但经过长期观察,他发现,要完全消除调幅无线电波的噪声是不可能的。
因此,需要寻找新的调制信号的方法。
在调制时,用音频信号去控制高频无线电信号的频率,使频率随音频信号而改变,但让它的振幅保持不变,在接收端再利用解调器把调制信号取出。
为了使自己的这项新技术很快应用于无线电广播和通信,阿姆斯特朗在1933年建造起功率为50千瓦的私人调频发射台做过试验。
结果表明,调幅信号已被噪声掩盖,而调频信号却仍然十分清晰。
他建立的调频无线电发射系统,几乎完全消除了外界的干扰,因此能使用比调幅广播更宽的波段,进行高保真的广播。
他还研究出一种巧妙的方法,能在同一频率同时播出几套调频节目。
在第二次世界大战期间,交战的欧洲各国都把注意力集中于无线电在军事方面的应用。
但是,美国除了在军事上广泛应用无线电技术外,对调频技术的推广也给予足够的重视。
1941年元旦,美国25家调频电台同时开业,在世界上首先开始了调频广播。
1945年,第二次世界大战结束。
调频技术在得到进一步发展的同时,调频广播的优点更加明显。
50年代,许多国家,特别是很多欧洲国家陆续建立起调频广播电台,从此,广播进入了一个全新的高保真时代。
60年代,调频广播得到迅速的发展。
1961年6月1日,调频立体声广播正式开播,60年代中期得到飞速的发展。
从70年代后期开始,有些国家开始研究立体感更强的调频立体声广播,如四声道全景声广播和立体环绕声广播等。
目前,调频广播发展的趋势是向数字化方向发展。
如数字音频广播(DAB、DMB),数字音频广播(DAB、DMB)目前在国际上已经是一种比较成熟的技术,在我国现在正进行试验和推广。
本设计就是在这种潮流下,自制的一个通用与校园等小范围内的发射系统。
第一章
绪论
§1.1课题功能概述
本数控调频调频发射台可在80.0-109.9MHz范围内任意设置发射频率,用1602液晶显示器显示频率波段;可以预置11个频道,发射频率最小调整值为0.1MHz;具有立体声/单声道控制;带立体声发射指示功能。
§1.2方案设计
方案一:
利用BA1404和单片机设计数控调频发射台。
设计框图如下:
图1.1BA1404和单片机设计数控调频发射机台设计框图
方案二:
利用BH1415F和单片机设计数控调频发射台,其设计框图如下:
图1.2数控立体声调频发射机台设计原理框图
上述两个方案,在单片机控制发射频率部分我们都采用相同的电路;在调制频率控制发射部分,如果选择BA1404芯片,由于BA1404内部不含锁相环电路,使用时间一长很容易跑频,用在频率高的地方不合适。
解决这个问题必须在BA1404芯片外部再接一个锁相环电路,调试起来很麻烦,不易成功。
基于这一点,我选择BH1415F,它拥有良好的性能,一方面芯片的集成度进一步加强,它把音频输入端的预加重电路、稳幅电路、低通滤波电路集成在了一起,使得音色得到很大改善,更重要的是,它内含锁相环电路,不仅减少的多加的外部电路对系统的负面影响,而且使得系统频率稳定度非常好,这是调频发射台一个很重要的性能指标。
同时它还可以通过串行口与单片机直接进行通信。
基于以上几点原因,我选择方案二。
第二章
调频发射台系统硬件设计
§2.1立体声调频发射台系统工作原理
BH1415F控制的数控立体声调频发射台工作原理框图如图所示。
图2.1数控立体声调频发射台设计原理框图
本系统采用单片机控制发射频率方式工作。
发射频率范围为80.0—109.9MHz。
通过T0-T3分别控制发射频率的百位、十位、个位、小数位,百位只能是0或1。
当百位为0时,十位为8或9;当百位为1时,十位只能为0。
个位及小数位为0-9之中的任意数。
T1-T11设置为频率预置键,可以预置11个频道;T14设置为单声道/立体声预置键。
通过T0-T3输入发射频率或按预置键,单片机可以将发射频率用LCD液晶显示屏显示出来,同时将发送频率和控制字组合的控制码发送给调频发射专用集成电路BH1415F。
由于BH1415F的频率控制码为16位,所以单片机先将显示的十进制BCD码转化为高5位为0的频率控制数据,频率控制数据再和BH1415F的5位控制位组成控制码,然后发送出去。
在调频调制发射部分,调频发射专用集成电路BH1415F先用本身带的预加重电路对立体声音频信号进行非线性放大,然后送到高频振荡电路进行调制,最后发射出去。
与此同时,取出调制信号频率和单片机输入的基准发射频率比较,如果两者不同,那么,就会产生一个偏差信号,这个信号经过低通滤波电路,对原来的调制信号进行修正,正因为有这个PLL电路,使得发射台发射频率十分稳定。
由于BH1415F内置前置补偿电路、限制器电路和低通滤波电路,因此,系统具有良好的音色。
§2.2单片机控制发射频率模块设计
§2.2.1AT89C52单片机的结构和原理
所谓单片机,就是在一片硅片上集成了中央处理器、存储器、和各种输入输出接口(定时器/计数器、串行口、I/O、A/D转换器、D/A转换器)的单片微型计算机。
由于单片机主要用于实时控制,并通常作为其他系统的组成部分使用,所以又称为嵌入式控制器。
其主要包括下列硬件资源:
Ø面向控制的8位CPU;
Ø8K字节程序存储器ROM;
Ø128字节数据存储器RAM;
Ø片内振荡器及时钟电路;
Ø三个16位定时器/计数器;
Ø可寻址64K外部数据存储器和64K外部程序存储器空间的电路;
Ø32条可编程的线(四个8位并行I/O端口);
Ø一个可编程全双工串行口;
CPU是单片机内部的核心器件。
AT89C52单片机的CPU由运算器、控制器、位处理器(布尔处理机)组成。
AT89C52单片机的存储器配置:
51系列单片机存储器结构的主要特点是采用程序存储器和数据存储器寻址空间分开的哈佛结构。
除(8031和8051)外,51系列单片机有4个物理上相互独立的存储器空间,即内、外程序存储器和内、外数据存储器。
从用户编程使用的角度来看,存储器可分为3个逻辑地址空间:
片内外统一编址的64KB(0000H-0FFFFH)的程序存储器地址空间;256B(00H-0FF)的内部数据存储器空间;64KB(0000H-0FFFFH)的外部数据存储器地址空间。
为了区分不同的存储器地址空间,采用不同的指令来访问这3个不同的逻辑空间。
AT89C52单片机的并行I/O接口:
AT89C52单片机共有4个8位的并行接口P0,P1,P2,P3,共32根I/O线。
每个口主要由4部分构成:
端口锁存器,输入缓冲器,输出驱动器和引至芯片外的端口引脚。
他们都是双向通道,每一条I/O都能独立地用作输入或输出,作输入时数据可以锁存,作输入时数据可以缓冲。
但这4个通道的功能是不完全相同的。
复位电路:
复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的充电来实现的。
只要电源Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现上电自动复位,即接通电源就完成系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中按键电平复位是通过按键使复位端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
复位电路虽然简单,但他的作用非常重要,一个单片机能否正常运行,首先要检查是否能复位成功。
初步检查可以用示波器探头监视RST引脚,按下复位键,观察是否有足够的幅度的波形输出(瞬时的),还可以通过改变复位电路阻值容值进行实验。
§2.2.2键盘控制电路设计
在设计键盘过程中,用2个键来分别控制频率的增减,可以进行微调。
用一个键来控制立体声和单声道以及它们的显示。
为了使用方便需要设置几个频率预制键,到时候只需按一下某个键,显示器立即显示该频率并且单片机会同时将该频率处理、发送给调频发射专用芯片,基于这种情况我选择4*4矩阵式键盘,这种键盘含有16个键,可以用其中的2个键控制频率的增减,一个键作为立体声控制键,其余的11个键作为频率预置键,键盘采用程序扫描方式工作。
为了对这个键盘设计有个了解先看一下键盘的基本知识。
1.键盘的工作原理
键盘可以分为两类:
独立连接式和矩阵式。
独立连接式键盘:
(1)这是最简单的键盘电路,每个键独立地接入一根数据输入线。
这种键盘的优点是结构简单、使用方便,但随着键数的增多所占用的I/O口线也增加。
矩阵式键盘:
(2)组成一个矩阵式键盘输入电路,其必不可少的部分,有:
键盘开关矩阵;
输出(行线)锁存器;
输入(列线)缓冲器。
2.矩阵式键盘的工作过程
(1)CPU先使行线O0线为低,其余行线为高,即0行为“0”状态,其余行均为“1”状态。
(2)CPU读入输入缓冲器的状态,以确定哪条列线为“0”状态。
如此时,若I0为“0”状态,则为“0”键压下;若I1为“0”状态,则为“1”键压下;等等。
(3)若输入缓冲器的状态全部为“1”状态,则CPU继续使行线O1为低、其余行线为高。
再读入输入缓冲器的状态,以确定哪条列线为“0”状态,从而判断是哪个键压下。
(4)当判断出哪个键压下之后,程序转入相应的键处理程序。
我们将这样的工作过程,称为键扫描,键扫描的方式有:
a程控扫描方式:
CPU的控制一旦进入监控状态,将反复不断地扫描键盘,等待输入命令或数据。
b定时扫描方式:
在初始化程序中对定时器/计数器尽心编程,使之产生10ms的定时中断,CPU响应定时中断,执行中断服务程序,对键盘扫描一遍,检查键盘的状态,实现对键盘的定时扫描。
当两遍扫描到键位上都有键压下(延迟正好为8ms)时,CPU才作处理。
本设计采用的是4*4矩阵式键盘,以P0-P3为行输出线;以P4-P7为列输入线。
采用程序扫描方式工作。
通过P1口与单片机相接,其十六个键的功能分别是:
T0—T3分别为百位、十位、个位、小数位的频率操作键,百位只能是0或1。
当百位为0时,十位数为8或9;当百位数为1时,十位数只能为0;个位及小数位为0—9之中的任意数。
T4—T14为发射频率预置键,预置的频率可以自己设置。
T15为单声道/立体声控制键。
其框图如图所示。
图2.24*4矩阵式键盘设计原理图
§2.2.3LCD显示模块设计
本设计采用1602液晶显示屏,其主要技术参数:
Ø显示容量:
16×2个字符
Ø芯片工作电压:
4.5—5.5V
Ø工作电流:
2.0mA(5.0V)
Ø模块最佳工作电压:
5.0V
Ø字符尺寸:
2.95×4.35(W×H)mm
1602LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚接口说明如表所示:
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
8
D1
数据
16
BLK
背光源负极
表2.1:
引脚接口说明表
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚:
VL为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地时对比度最高,对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚:
R/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址,当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号,当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15脚:
背光源正极。
第16脚:
背光源负极。
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令,如表所示:
序号
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存贮器地址
0
0
0
1
字符发生存贮器地址
8
置数据存贮器地址
0
0
1
显示数据存贮器地址
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址
10
写数到CGRAM或DDRAM)
1
0
要写的数据内容
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据内容
表2.2:
控制命令表
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
(说明:
1为高电平、0为低电平)
指令1:
清显示,指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2:
光标复位,光标返回到地址00H。
指令3:
光标和显示模式设置I/D:
光标移动方向,高电平右移,低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效,低电平则无效。
指令4:
显示开关控制。
D:
控制整体显示的开与关,高电平表示开显示,低电平表示关显示C:
控制光标的开与关,高电平表示有光标,低电平表示无光标B:
控制光标是否闪烁,高电平闪烁,低电平不闪烁。
指令5:
光标或显示移位S/C:
高电平时移动显示的文字,低电平时移动光标。
指令6:
功能设置命令DL:
高电平时为4位总线,低电平时为8位总线N:
低电平时为单行显示,高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符,高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7:
字符发生器RAM地址设置。
指令8:
DDRAM地址设置。
指令9:
读忙信号和光标地址BF:
为忙标志位,高电平表示忙,此时模块不能接收命令或者数据,如果为低电平表示不忙。
指令10:
写数据。
指令11:
读数据。
1602液晶显示模块可以和单片机AT89C51直接接口,电路如图所示。
图2.3硬件原理图
§2.3频率调制发射模块设计
§2.3.1BH1415F调频发射芯片
BH1415F是Rohm公司最新生产的调频发射专用集成芯片,它对以往象BA1404调频发射芯片没有锁相环电路,容易跑频的特点,作了相当大的改进:
内含立体声信号调制、调频广播信号发射电路,BH1415F内有前置补偿电路、限制器电路、低通滤波电路等,因此具有良好的音色,内置锁相环系统调频发射电路,传输频率非常稳定。
调频发射频率可通过单片机通过串行口直接进行控制,BH1415F的频率控制码为16位,其中D0-D10为频率控制数据,其值乘0.1即为BH1415F的输出频率(单位为:
MHz);D11-D15为控制位。
D11(MONO)为单声道/立体声控制位,0时为单声道发射模式,1时为立体声发射模式。
其控制码字如下面所示。
BH1415F也是一种无线音频传输集成电路,它可以将计算机声卡、游戏机CD、DVD、MP3、调音台等立体声音频信号进行立体声调制发射、传输,配合着普通的调频立体声接收机就可实现无线调频立体声传输。
适合于生产立体声无线音箱、无线耳机、CDDVDMP3笔记本计算机等的无线音频适配器的开发生产。
这个集成电路由提高信躁比(S/N)的预加重电路、防止信号过调的限幅电路、控制输入信号频率的低通滤波电路(LPF)、产生立体声复合信号的立体声调制电路、调频发射的锁相环电路(PLL)组成。
其特点:
(1)加重电路、限幅电路、低通滤波电路(LPF)一体化,使音频信号的质量比分立元件的电路(如:
BA1404,NJM2035)有很大改进。
这种集成化的设计使得音频信号的抗干扰性显著加强,更重要的是立体声会进入一个均衡器,这时这个多路复合器会对输入的立体声信号进行平衡调制,因此音质也大为改进。
(2)导频方式的立体声调制电路。
在调频发射芯片中,我们用的的是7.6MHz晶振,先经过一个1/4总分频器,然后再经过1/50分频,即产生一个38KHz200分频的副载波信号送入多路复合器,38KHz的副载波再经过一个1/2分频器即产生19KHz的导频。
(3)用锁相环锁频并与调频发射电路一体化,发射的频率很稳定。
BH1415F芯片与BA1404芯片相比有很大改进,但最大的改进还是增加了一个锁相环电路,BA1404芯片由于没有锁相环电路,所以很容易产生频率偏移,用完之后又要进行频率调节,定位,很麻烦。
(4)用了MCU数据直接频率设定,可设定120MHz频率,直接设定的频率为基准频率,高频振荡器产生的频率如果和设定的频率产生了偏差,那么,BH1415F就会利用锁相环电路对频率进行调整,因此使用上非常方便。
BH1415F芯片的内部结构如图所示。
图2.4BH1415F芯片的内部结构
BH1415F芯片共有22个引脚,其功能如下:
1右声道输入端:
通过电容器与右声道音频信号相连1/2Vcc
22左声道输入端:
通过电容器与左声道音频信号相连1/2Vcc
2,21时间常数端:
它连接一个电容为时间常数t=22.7knc
3,20LPF时间常数端;这是15KHzLPF。
它连接150P电容1/2Vcc
4滤波器端:
它是声频部分滤波器参考电压1/2Vcc
5立体声复合信号输出端:
它连接到调频调制器1/2Vcc
6接地端:
GND
7锁相环相位检波输出端:
它连接到PLLLPF电路
8电源供给端:
Vcc
9射频振荡器端:
这是振荡器基端,它连接振荡时间常数4/7Vcc
10射频地端:
GND
11射频发送输出端:
Vcc-1.9
12PLL电源供给端:
Vcc
13,14X’tal振荡器端:
它连接一个7.6MHz晶振
15芯片授权端:
连续输入高电平数据
16时钟输入端:
带数据和同步的时钟在序列数据输入
17数据输入端:
18静音端:
0.8Vcc<=Pin18:
MuteON0.2Vcc>=Pin18:
MuteOFF
19控制信号调节端:
1/2Vcc
D
15
D
14
D
13
D
12
D
11
D
10
D
9
D
8
D
7
D
6
D
5
D
4
D
3
D
2
D
1
D
0
表2.3BH1415F的频率控制码字
BH1415F芯片的1和22脚输入端有两个预加重电路,他们对立体声输入端输入的音频信号进行非线性放大,内部工作点为1/2Vcc,因为它为非线性放大器,所以输入阻抗取决于R3=43K,预加重时间取决于内部R2=22.7K和外部电容C1=2200P,R1=1K是限流电阻,防止自激产生。
经过放大后的音频信号再经过限幅电路,它由二极管限幅的反向放大器组成,限幅电路是把输出电压的幅度限定在某一范围之内,也即参考电压超过某一参考值之后,输出电压将被限制在某一电平(即限幅电平)。
且不在随输入电压的变化而变化。
我们可以用二极管限幅,这样的限幅电路将输出
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