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1、数控校园调频发射机全国大学生电子设计竞赛设计报告数控校园调频发射机 (BH1415F数控锁相环全频段校园调频立体声发射机)题 目 数控校园调频发射机学 院 航空工程学院专 业 电子信息工程姓 名 商祥禄、庞晨光、董明指导教师 包 勇2019年4月目录绪 论. .3摘要和关键词. .3一、设计任务及要求.4 1.1设计任务.4 1.2设计要求.4 1.3系统应用扩展.5二、方案分析与论证.62.1单片机控制方案的选择.72.2调频调制发射方案的论证.92.3电源模块方案的选择.92.4天线的选择.92.5音频输入模块.9三、系统硬件设计与实现.93.1系统整体概述及功能框图.113.2系统各部分
2、电路设计.113.2.1单片机概述及控制模块设计. 113.2.2调频调制发射和功率放大电路设计.123.2.3 电源模块设计.173.2.4 天线模块设计. .193.2.5 音频输入模块设计. .20四、系统软件设计及编程.204.1系统主流程图.204.2子程序流程图.214.3输入信号调频调制发射流程图.22五、系统组装、调试与测试. .225.1调试所用的基本仪器清单. .225.2组装、调试. . .225.3数据分析及系统整体性能评估.23六、总结. .25七、感谢. . . . . .26八、参考文献. .26九、附录. . . . . .28绪论：数控校园调频发射机的用途很多
3、，该系统广泛应用于工厂、学校、小区、村镇组建的无线调频广播电台、无线通讯工程、无线报警、监听、数据传输、车载DVD、车载DVB-T、车载电视盒、车载液晶电视、车载广告机、车载GPS、车载数字电视、车载硬盘播放器、车载MP3、家用数字电视机顶盒、电话无线录音转发、专业远距离无线调频传声器、笔记本计算机等的无线音频适配器、调频广播发射器前级、FM发射机、推广代码：http:/ 只要将音频信号输入通过一根带插头Line_in线连接到发射机的音频输入插孔即可。摘要：数控校园调频发射机是由STC89C51单片机控制模块、BH1415F调频调制发射模块、驻极体麦克风音频输入模块、电源模块、一根馈线、一根专
4、用发射天线组成。调频调制发射模块，通过馈线向空中发射调频电磁信号，供耳机、收音机等带有调频接收功能的设备接收。 关键词：STC89C51单片机、BH1415F、调频调制、驻极体麦克风、50欧姆发射天线、高频元器件、变容二极管、滤波磁环、PLL频率合成、信噪比输入阻抗、噪声、增益自动控制、失真度、频偏、信噪比、极化方式、预加重时间【Abstract】Digital Controlled Campus Radio FM Transmitter is composed of a STC89C51 MCU control module, a BH1415F FM modulation transmit
5、 module, an electret microphone audio input module, a power module, a feeder, a special transmitting antenna. The FM modulation transmit module transmits FM electromagnetic signal into the air for the reception of headset, the radio receiver, which have FM receiving functions.【Keyword】STC89C51 MCU,
6、BH1415F, FM modulation, Electret microphone, 50-ohm transmit antenna, high-frequency components, varactor diodes, magnetic ring filter, PLL synthesizer, the input impedance to-noise ratio, noise, automatic gain, Distortion, frequency offset, signal to noise ratio, the polarization mode, time of pre-
7、emphasis.推广代码：http:/ 图1.1 系统总体框图1.2.1基本要求：1. 系统核心是一种无线音频传输集成芯片，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；2. 配合普通的调频立体声接收机可实现无线调频立体声传送；3. 集成电路是由提高信噪比（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导频调制电路、调频发射的锁相环电路（PLL）组成；4. 选择优质电源，电流 2A 以上为佳，并处理好滤波。在电源输入端的滤波去耦电路中串接一个1H（或10-20H）电感，以优化
8、电源质量；5. 音频模块远离内部电源，可推广代码：http:/ 6. 在音频输入端，串接10-20H电感，以减少干扰；7. 天线处加接50欧姆匹配电路；射频输出阻抗50，将发射板天线通过50欧电缆接至“RFOUT”位置，并且发射天线应至少远离发射机5 米以上；8本发射机电源使用DC12V3A，6.5mm电源输入插座；9通电后，进入正常工作状态，这时通过面板上的两个频率调整键来调整发射机的工作频率。10短按一下频率调整键，发射机将以0.1MHz的步进增加或降低工作频率。11长按频率调整键，发射机将快进入快速跳变状态，直至松开按键。 12外接麦克风通过推广代码：http:/ 确保散热可靠。14通电
9、后，锁相环电路开始工作，大约 1-5 秒，频率会锁死，此时可通过收音机接收。 15具有外接音源输入插座，频率输入指示。 16电源线：输入电压：220V50Hz1.2.2主要技术参数：1、发射频率：76Mhz-108Mhz (中心发射频率为100Mhz)，用户可在此范围内自行任意设定，无须任何调整；2、工作电压：DC 9V-15V，建议使用12V；3、工作电流：2.0A；4、发射功率：0.5W，100Mhz中心发射频率5Mhz内，使用12V电压可保证0.5W输出，超出中心发射频率范围外的发射功率会略有下降；5、预加重延时：50us；6、低通频率：15Khz;7、分离度：40dB；8、失真度：0.
10、1%；9、调制度：15%；10、输入电平：-13dBV； 11、调制方式：调频（FM）12、最大频偏：土75KHz13、发射功率：0.5W（中心频率）14、输出阻抗：50欧15、频率步进：0.1MHz 表一、系统关键性能指标项目指标项目指标输入电压715V（12V）音频输入电压（建议值）1.0V消耗电流20mA左右频率输出范围87.7 MHz 107.9 MHz调频发射功率0.5W左右发射距离1km左右音频频率输入范围2015KHz工作温度-1550（据BH1415确定）1.3系统应用扩展：1、电源开关：用于开关机，开机时开关LED亮。2、射频指示：用来指示输出功率的大小。3、频偏指示（音量指
11、示）：用来指示频率调制深度频偏，反映音量大小。4、线路音量控制扭：用来调节频偏大小，以实现音量的控制。5、话筒音量控制扭：用来调节讲话时的音量, 当信号太小可以进行放大。6、0.5W调频发射器可与调频无线耳机配套使用7、在国外，这类集成电路多用于多媒体音频无线传输，低速的数模同步传输等；在国内，暂时还没有大量进行开发应用。8、本设计应用电路的发射范围可以达到方圆800米，如果再想加大其发射距离，可以在射频输出端再加一射频放大器，可以用分立元件，也可以直接选用MAXIM公司的RF功率放大电路MAX2611或MAX2650，它们都适合与BH1415F匹配。9、本设计应用电路的发射范围可以达到方圆8
12、00米，如果想加大其发射距离，可以在射频输出端再加一射频放大器，可以用分立元件，也可以直接选用MAXIM公司的RF功率放大电路MAX2611或MAX2650，它们都适合与BH1415F匹配。10、模块的监听灵敏度决定于话筒的偏置电阻，模块上用3.3K(332)灵敏度最高，因为模块内部有声音限幅电路，所以可以避免一定程度的强音源下出现的声音阻塞、失真的现象。如果需要监听灵敏度低一点，如：老师用无线话筒，可以将模块的话筒偏置电阻微型贴片电阻332拆下，换上200K以内的电阻，偏置电阻的阻值可以在3.3K200K之间选择，阻值越大，话筒的灵敏度越低。11、采用红外线遥控调整频率。推广代码：http:
13、/ 兼容标准MCS-51指令系统的AT89C52高性能8位单片机是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产。片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将
14、通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。主要功能特性如表二： 表二、主要功能特性表 图2.1 AT89C52单片机 兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源推广代码：http:/ 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能采用AT89C52单片机进行控制。AT89C52价格低廉，结构简单，且资料丰富；但
15、是51单片机系统资源有限，RAM、ROM空间小，8位控制器，运算能力有限，需要外接大量外围电路，编程需要价格昂贵的编程器及仿真器，在线仿真和程序下载较为繁琐，不便于系统开发。方案三：采用STC89C51 RC系列单片机控制超低功耗1. 掉电模式：典型功耗 0.5uA， 可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序2. 空闲模式：典型功耗 2mA3.正常工作模式：典型功耗 4mA - 7mA超强抗干扰1. I/O 口输入/ 输出口经过特殊处理，很多干扰是从I/O 进去的，每个I/O 均有对VCC/ 对GND二级管箝位保护。2. 电源单片机内部的电源供电系统经过特殊处理，很多干扰是从电源进去的。3
16、. 时钟单片机内部的时钟电路经过特殊处理，很多干扰是从时钟部分进去的。 图2.2 STC89C51RC / RD+4. 看门狗 单片机内部的看门狗电路经过特殊处理，打开后无法关闭，可放心省去外部看门狗。5. 复位电路 单片机内部的复位电路经过特殊处理，很多干扰是从复位电路部分进去的，STC89C51RC/RD+系列单片机为高电平复位。推荐外置复位电路为MAX810/STC810，STC6344，STC6345，813L，706P；也可用R/C 复位，10uF 电容/10k 电阻，22uF/8.2k 等。6.宽电压，不怕电源抖动5V: 6v - 3.4v，3V: 4v - 1.9v。STC89C
17、51RC / RD+ 系列单片机出厂时一般都固化有ISP 引导码程序，如只烧录普通的用户程序，则只需将P3.0/P3.1经过RS-232转换器连到电脑的RS-232串口，通过STC-ISP下载软件打开用户程序下载就可以了。选用STC 单片机的理由：降低成本，提升性能，原有程序直接使用，硬件无需改动。用STC 提供的STC-ISP.exe 工具将您原有的代码下载进STC 相关的单片机即可，或用通用编程器编程。STC89C51 RC单片机，其性能跟AT89C52来说，毫不逊色，有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等封装形式，以适应不同产品的需求。又因STC89C51RC/RD+系列单片机为国产
18、(台湾宏晶)。因此本设计选用方案三的PDIP封装STC89C51作为控制器。2.2调频调制发射方案的论证方案一：采用BA1404立体声调频发射芯片BA1404是日本ROHM公司出品的一款很经典的立体声调频发射专用芯片，它弥补了过去用分立元件来设计调频电路的不足， 图2.3 BA1404内部电路图而且具有立体声调制的功能。仅用很少的外围元件就可得到优美的立体声调频信号。因此在FM立体声发射及无线微波方面具有重要的应用价值。BA1404采用低电压、低功耗设计，其工作电压范围1-3V，该电路是由FM立体声混合器、MPX（Multiplexer）多路转换器、38KHZ导频振荡器、FM调制器和高频放大器
19、组成的单片集成电路。单片立体声调制发射集成芯片BA1404和高频功放电路，可以将各种立体声音源加以处理并调制发射，由立体声FM收音机接收。BA1404的内部电路如图2.3。引脚功能如表三： 表三、引脚功能表引脚说明引脚说明1右声道输入18左声道输入2音频放大器偏置17声道平衡3音频放大器地GND16声道平衡438K晶振偏置15VCC538K晶振(1)14双声道复合信号输出端638K晶振(2)13导频信号输出端7射频放大器输出12调制信号输入端8射频放大器地GND11基准参考电压(用于改变变容管电容量)9射频振荡器网络10射频振荡器网络BA1404的引脚功能如表三所列，它主要由前置音频放大器(A
20、MP)，立体声调制器(MPX)，FM调制器及射频放大器组成。立体声前置级分别为两个声道的音频放大器。输入为0.5mV时，增益高达37dB，频带宽度为19kHz。如输入信号中存在频率高于19kHz的成分，则必须在输入端加一个低通滤波器，否则两个声道的分离度会下降。在立体声调制组，振荡器输出的38kHz信号于立体声调制。通常在16、17脚接一可调电阻，以获得最佳的通道分离度。立体声混合信号(MPX输出信号)与导频输出信号(PILOT OUT)合成后的调制信号通过12脚进入射频振荡器并对载波进行FM调制，经射频放大后输出射频信号，射频信号的典型值在600mV左右。BA1404内部还提供了一个参考电压
21、单元VREF。设计者可以利用这个电压信号改变外接变容二极管的电容值，继而改变载波的振荡频率。因此，只要控制一个电阻的分压值就可以达到改变发射频率的目的，这是比较独特的设计。推广代码：http:/ 发射电路，外围加上几个几件就组成了一台高频，定多频点的HI-FI调频立体声发射器；而且它设置了提高S/N信噪比的预加重电路、防止信号过调的限幅电路及控制输入信号频率的LPF低通滤波器，可明显地改善音质。 特点：BH1415F典型射频输出电压为3V左右。1）将预加重电路、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等）有很大改进。 2）导频方
22、式的立体声调制电路。 3）采用了锁相环锁频并与调频发射电路一体化，使发射的频率非常稳定。 4）采用了 MCU单片机数字直接频率设定，可设定 70-120MHz频率， 使用上非常方便。5）在外界温度大范围变化影响下，频率也相当稳定。虽然BH1415F的价格较贵（12元），但基于以上诸多优点，本设计采用方案二。2.3电源模块方案的选择电源模块中变压器的磁辐射不容忽视。小功率的变压器素质极差，磁辐射严重；空载温升过高，也是产生电器交流声的主要因素之一，并且处理起来也不方便。在此，我采用了性能较好的220/12V交直流适配器（AC/DC Adapter）。2.4天线的选择天线的选择对发射距离起了致关重
23、要的决定作用。若正确选择了天线，即使很弱的射频信号也能传送很远，所以制作一副性能良好的天线比单纯提高发射功率有效得多。制作一副水平极化、全向发射的天线比较麻烦，且一般的调频广播电台也采用水平极化方式。若制作的天线阻抗不匹配，会自激反射，烧坏高频管；若不能正常高效极化，辐射杂波带宽很大，会造成接收效果不好，杂波较多，甚至严重干扰正常广播电台信号。为了不对本地广播电台产生干扰，造成不必要的麻烦。本人采用了一种组装简易，效率较高的全向增益为3db，阻抗为50欧的1/4波长的FM调频广播发射专用GP天线。2.5音频输入模块话筒MIC可以采集外界的声音信号，这里我们选用驻极体小话筒，灵敏度较高，可以采集
24、声音信号。驻极体麦克风通过标准3.5mm立体声插座，将声电转换的音频输入调频发射模块。推广代码：http:/ 外接音频Line-in接线将电视机耳机插座或者随身听耳机插座等外部声音信号音源输入标准3.5mm立体声插座。立体声插座，可以将音源通过专用的连接线引入调频发射机。三、系统硬件设计与实现 3.1系统概述及功能框图系统硬件整体分为单片机控制模块、调频调制及高频放大发射模块、天线模块、音频输入模块、电源模块五部分，通过单片机实现频率的输入及输出控制。五部分的有机结合，将单调的调频发射变得更加自动化、合理化、人性化。系统硬件整体分为单片机控制模块、调频调制及高频放大发射模块、天线模块、音频输入
25、模块、电源模块五部分，通过单片机实现频率的输入及输出控制。五部分的有机结合，将单调的调频发射变得更加自动化、合理化、人性化。控制电路采用STC89C51RC/RD+系列单片机，加BH1415F调频调制及高频放大电路、音频输入电路、小键盘、数码管显示电路、立体声指示电路、GP天线、12V电源，组成一个完整调频调制系统。12V电源由220V 50Hz工频交流经220V/12V交直流适配器（AC/DC Adapter）整流、稳压、滤波得到，5V电源由12V直流经7805三端稳压IC稳压得到；麦克风音频输入电路，采用两个驻极体麦克风夹角180度对立安装，左右声道差分输入，消除干扰噪音；显示电路采用四个
26、共阴极数码管，显示工作频率；键盘为三按键式，上调整键、下调整键、立体声设置键；整个系统有三个插座，一个为12V 6.5mm电源电源输入插座，一个为标准3.5mm立体声插座，另一个为M型天线接口，需要经BNC转接母头进行转换，以使端口匹配。此外，若系统要长时间工作，最好加装散热装置。整个系统经过测试，单元电路能够很好的协调工作。功能框图如图3.3： 系统电路图如图 图 3.1 图 3.23.2系统各部分电路设计3.2.1单片机概述及控制模块设计控 制高频调制小信号天 线高频调制信号系统扩展单片机BH1415调频调制模块滤波处理高频功率放大电路输入信号麦克风计算机声卡、MP3 音频音频频率显示图3
27、.3系统功能框图功能框图STC89C51可以代替AT89C51，功能更强，速度更快，寿命更长，价格更低。外型有40个引脚，双列直插DIP-40。STC89C51可以完成ISP在线编程功能，而AT89C51则不能。将AT89C51中的程序直接烧录到STC89C51中后，STC89C51就可以代替AT89C51直接工作（一般都不需要做任何改动即可正常工作）。STC推出的系列51单片机芯片是全面兼容其它51单片机的。STC89C51RC / RD+ 系列单片机出厂时一般都固化有ISP 引导码程序，如只烧录普通的用户程序，则只需将P3.0/P3.1经过RS-232转换器连到电脑的RS-232串口，通过
28、STC-ISP下载软件打开用户程序下载就可以了。STC89C51RC/RD+ 系列单片机在系统可编程的使用，将用户代码下载进单片机内部，不用编程。STC89C51RC/RD+在系统编程流程如图3.4。STC89C51RC/RD+在系统编程示意图如图3.5。 图3.4 STC89C51RC/RD+在系统编程流程图 图3.5 STC89C51RC/RD+在系统编程示意图STC89 系列单片机大部分具有在系统可编程（ISP）特性，ISP 的好处是：省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/ 烧录用户程序，而无须将单片机从已生产好的产品上拆下，再用通用编程器将程序代码烧录进单片机内部。有些程序尚
29、未定型的产品可以一边生产，一边完善，加快了产品进入市场的速度，减小了新产品由于软件缺陷带来的风险。由于可以将程序直接下载进单片机看运行结果故也可以不用仿真器。大部分STC89 系列单片机在销售给用户之前已在单片机内部固化有ISP 系统引导程序，配合PC 端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，故无须编程器(速度比通用编程器快)。不要用通用编程器编程，否则有可能将单片机内部已固化的ISP 系统引导程序擦除，造成无法使用STC 提供的ISP软件下载用户的程序代码。 STC89C51RC/RD+在系统编程的使用方法和相关图示见附录3.2.2调频调制发射和功率放大电路设计F M 发射电路采用
30、稳定频率的锁相环系统。这一部分由高频振荡器、高频放大器及锁相环频率合成器组成。调频由变容二极管组成的高频振荡器实现，高频振荡器是锁相环的VCO，立体声复合信号通过它直接进行调频。高频振荡器由第9引脚外部的LC回路与内部电路组成，振荡信号经过高频放大器从11引脚输出，同时输送到锁相环 电路进行比较后，从第7引脚输出一个信号，对高频振荡器的值进行修正，确保频率稳定。一但超过锁相环设定的频率，第7引脚将输出的电平拉高；如果低于设定频率，它将输出的电平拉低；相同的时候，它的电平将不变。 1)将预加重电路、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、NJM2
31、035等)有很大改进 。 2)采用锁相环锁频，并与调频发射电路一体化，使得发射的频率非常稳定。3) 采用了单片机进行数字直接频率设定，可设定70-120MHz频率， 使用上非常方便。 图3.6、BH1415 内部结构 BH1415的内部结构如图3.6。它由5部分组成：音频预处理电路(加重 、限幅和低通滤波)；基频产生电路(晶振、分频)；锁相环电路(相位检测、锁频)；频率设定电路( 高低电平转换) ；调频发射电路。外围电路主要有单片机的数字频率控制和指示电路、压控振荡器组成的载波产生电路、定时器以及一些耦合电容 。BH1415F引脚功能说明：1、右声道输入端：通过电容器与右声道音频信号相连 1/
32、2VCC2、左音源输入端：通过电容器与左声道音频信号相连 2、21 时间常数端：它连接一个电容为时间常数=22.7kC 3、20 LPF 时间常数端：这是15KHz LPF.它连接150P 电容 1/2VCC4、滤波器端：它是声频部份滤波器叁考电压 1/2VCC5、立体声复合信号输出端：接一只滑动变阻器可调节立体声声音的大小，它连接到调频调制器 1/2VCC6、接地端 GND7、PLL相位检波器输出端：它连接到PLL LPF电路 8、电源供给端 Vcc9、射频振荡器端：这是振荡器基端，它连接振荡时间常数 4/7Vcc10、射频地端 GND11、射频发送输出端 Vcc-1.912、PLL电源供给
33、端 Vcc13、Xtal 振荡器端：它连接一个7.6MHz 晶振14、Xtal 振荡器端：它连接一个7.6MHz 晶振15、芯片允许端：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：串行数据输入 18、静音端：0.8Vcc Pin18 : Mute ON 0.2VCC Pin18 : Mute OFF 19、控制信号调节端1/2Vcc 压控振荡器压控振荡器参数设计结合BH1415F频点可知，压控振荡器产生的载频信号频率变化范围必须覆盖芯片的所有频点,，频点落在88-108MHZ内，并完成频率感量即可改变发射频率。考虑到通用元器件的精度和加工工艺水
34、平，这里适当放宽频段，以保证芯片能正常地锁住频点。压控振荡器的电路如图 3 所示。L采用普通的磁芯可调式电感，电感量标称值为(30nH-6OnH)；变容二极管的电容随偏置电压的变化而改变，其极限范围为(7p F- 35pF)。为了保证电路的稳定性，C2，与C3值不能相差太大，这里C2取51p F， C3范围取为7pF-35pF。下面确定C1值。由式(1)、式(2)可知电感L、电容C3均取最小值时，压控振荡器取得最大振荡频率，反之,取得最小频率。合并式(1)、 (2) ，得(3) ： 其中，C2，C3串接后电容范围为：6.16pF20.76pF，将L、C3的极限值带入式(3),整理后有：上式中C1的单位是pF。计算得：45.27C152.53。于是C1值可取47pF。立体声信号通过1、22引脚输入，配合2、3、20、21这几个引脚外部的阻容组合，完成立体声信号的低通滤波、预加重和调制，调制后的复合信号通过5脚输出。15.16、17、18引脚输入的频率代码经