【调频无线话筒设计7800字（论文）】

调频无线话筒设计目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 页摘要：随着经济的高速发展，我国的城市越来越现代化、智能化，更能满足人们对美好生活的追求，这都是改革开放40多年带来的成果。但是，城市化发展的同时，社会对于电子设备要求越来越高，其中调频无线话筒是其中最常见的，随时随地伴随着人们的生活，也影响着人们的生活。如何解决调频无线话筒，已经成为社会问题之一。而调频，则是解决这个调频问题的前提。本文的设计是由STC89C52单片机作为控制模块控制调频发射的频率、BH1415芯片和其相关的外围电路作为调频发射模块，芯片的特点有：高保真，体积小，易于制作电路，易于生成发射频率。使用LCD数码显示屏作为显示模块等设计一个无线话筒系统。电路总共分为信号输入部分、音频放大部分和高频放大器部分，选择直接调频方式。关键字：无线话筒；单片机；话筒1绪论1.1研究背景随着科学技术的高速发展和巨大进步，电子和数码产品已在生活和生产中占据的地位已经不同以往般微弱。在平常生活中使用的信息传播技术是高科技的类别之一，是电子技术发展的结晶。电子科学的发展也促进了通信的发展。可以说，今天的通信业务在生活和生产中起着举足轻重的作用。例如手机，无线电视和卫星通信等已成为人类生活中的主导。发射器和接收器是一个成熟的通信系统中的主要设备。可以说，接收机和话筒的发展历史就是整个通信行业的发展历史。由此可知若要使电信行业得到发展，则必须加大研发话筒和接收机的力度。从目前的调频话筒业的技术发展的角度来说,对这种高塔大功率覆盖的调频话筒模式来说，这种调频话筒模式的主要特点和技术的优势之一就在于它非常适合施工,并且由于它可以快速地提供施工成果。但是,这种调频话筒模式也有一些较为明显的缺点：由于高塔的fm调频系统的话筒在“米”为频率单位的的大功率波段内无法连续运行,由于高楼大厦和其他物体的光线反射,很容易对其形成多径向的干扰；由于无法覆盖高山和山谷等的地形,会对其产生各种因素,比如无法计划接收到反射信号的阴影覆盖区域；由于无法准确重用频率,难以准确计划反射信号覆盖较大的反射区域；频谱的使用率低；长中短距离话筒路线的连续覆盖问题无法得到解决。因世界范围内国家和区域众多的原因，频率资源是极其稀有的各国争相争抢的非实体化资源。各国都有对频率资源相关的法律来对频率的使用施加限制。话筒频率由政府管理部门发布，现在许多公司和媒体已准备好大力投资竞标使用频谱的权利。在无线传输中，单个载波频率用于传输单一的或一组立体声软件。由于现存的FM频率资源十分有限，且资源剩余量严重不足，话筒技术人员开辟了另一种话筒技术形式，这种新兴的话筒形式是小型同步调频话筒，具有多布点，低功率，同频，同相，同步传输，这是这种调频技术的优势和特点，也是这种调频技术被目前市场上普遍使用的原因。但是同样存在着许多问题，不过这些问题可以从技术上克服。可以通过微波，电缆甚至卫星进行信号传输，例如GPS定位功能。市场上大多数小功率的话筒调频设计都使用模拟振荡器，模拟振荡器在进行工作时总会存在发射频率单一，稳定性差的不足等问题，两台独立的模拟话筒在附近使用时，由于频率相似，通常会互相造成通信干扰或语音干扰，从而严重影响正常使用。以BH1415作为发射频率控制模块的小功率话筒调频话筒，其有许多特点，包括具有锁相环用以控制频率，电路集成度高。这些特点使其不仅可以具有良好的发射频率稳定性,而且话筒可以在87.5mhz至108.0mhz的范围内任意的设置其发射频率,可以有效的避免与调频话筒相邻的频率受到干扰。使用单芯片FM发射器，可以将发射频率调整为0.1MHz的分辨率，被广泛用于无线话筒系统当中。1.2研究意义调频话筒因为需要用一定频率的波段作为信道传输，所以规定各个国家有特定的频率，中国的频率为88-108MHz。近年来我国的调频技术高速发展，以至于调频话筒技术被融入了大部分人的生活，调频话筒因其保真程度高、范围广阔、信噪比高等优点被当成城市话筒的主要覆盖手段。随着城市范围的扩大，对FM话筒的发射功率也有了更高的要求。从在话筒刚开始起步时的100W-300W功率增加到1000W-3000W，而且对发射天线的要求也相应的从几十米到三四百米。在这种后就形成了高塔大功率覆盖模式。一个完整无线话筒系统设计的组成主要是由输入转换器、发射装置、信道、接收装置、输出转换器组成。输出换能器负责将待传送的非电能信号，比如声音或图片，转换成电信号。话筒则主要完成调制和放大两大任务，即本设计主要需要完成信号调制和放大。调制分为调频、调幅、调相，调相和调频有密切的关系，不论调频还是调相，都会导致相角的改变，所以调频与调相一起被称为调角。在模拟通信里很少采用调相制，它主要是用来作为得到调频的一种方法。调频的频谱宽度远大于调幅信号的频谱宽度，因此通常情况下调频比调幅音质好。调频比调幅抗干扰能力强，且调频功率利用率还大于调幅。1.3国内外研究现状随着调频话筒发展的越来越成熟，便携与经济成为一大研究方向。AbhishekShrivastava在2017年发表的“低频调频信号（FM）话筒的设计与开发”，用分立元件构建了最简单、最经济的FM话筒。J.Ryu和K.K.Kim于2016年发表的“带有内置天线和内置蓄电池的Mini-FM发射器”提出了一种可实现强大的短距离通信的内置天线的低功耗小型话筒。2020年DeborsiBasu和AbhishekBhowmik发表了智能和便携无线话筒的广泛通信设计与实现，也展现了智能和便携在日常生活中的需求。集成芯片也成为一大趋势，2019年Musa,A.andB.Paul在IEEE上发表的压电驱动的调频话筒的设计，将压电式能量采集器和FM发射器结合在一起，用麦克风和发射器设备和ATmega328P来在偏远地区进行远程监听。国内对数字调频话筒的研究较多，此外将无线调频话筒与单片机结合也是有很多尝试。比如冒晓莉，杨博等人在2013年探讨了基于MSP430单片机的数字调频话筒。吴家烜在2017年就设计了一种基于STC单片机和PLL的频率为60~90MHz的调频话筒。由于该技术采用了小功率布点的方法，在满足覆盖范围需求的情况下，将一台无线话筒的功率分别降低到10W，50W左右，最大不超过300W，这导致许多问题都得到了解决。对于多径干扰类问题，由于功率较低，大多数反射波场强度会降低到低干扰甚至无干扰水平，并且由于点数过多，一些多径干扰区域可能会相互覆盖；可以通过使这些点同步来消除阴影区域。低功率辐射易于规划和改善频谱使用；可以促进单频网络的形成，以满足对交通线的完整覆盖并确保驾驶员和乘客能连续不断地接收到信号；场强不均匀程度非常低，仅仅只有30dB，且使用低极化垂直天线大大降低了对空辐射和近场辐射，该措施不仅能有效的节省能源，而且符合电磁环境健康标准，并且可以避免飞机在飞行频率范围内造成干扰的情况。和国外一样，国内对调频话筒的小型化也仍有研究，并将其与车载、遥测、无人机等实际用途结合。2004年，郑贵强；周邦华提出了用锁相调频的方式实现高码速率的遥测话筒，总结了话筒各个典型的小型化的方案优缺点。2008年赵海浅谈了小型车载调频话筒的类，以及根据车载这一要求选择供电方式、发射功率、天线等，音频信号输入可用MP3等耳机输出孔。2011年樊立明、孙文友设计了一种基于DF7020-1单片机收发芯片的小型话筒，采用的间接调频的方案，用设计的话筒搭载无人机并传输参数。2系统设计方案论证2.1系统的组成本设计可分为以下模块：芯片主控模块、传声器模块、前置放大电路模块、A/C计权模块、系统供电稳压模块、OLED显示模块、按键模块等。芯片主控模块选用的是STM32F103C8T6芯片；传声器模块使用的是驻极体话筒6050；LED显示模块采用LED显示屏；前置放大电路模块使用的是LM386芯片；其次系统供电稳压模块选用芯片。2.2系统的功能介绍及操作说明本课程要求设计并制作一台可调解话筒，通过传声器接收声音信号并转化为电信号，经前置放大电路模块进行放大，再通过A/C计权电路进行电信号的滤波，最后由STM32系统进行数据处理，在OLED屏上显示分贝数。功能如下：1．调解的范围可达40~120dB；2．具有A计权模式和C计权模式。2.3系统方案论证采用STC89C52单片机作为主控芯片。STC89C52是一种功耗低、性能好的51内核的CMOS8位单片机，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适于常规编程器，与STC89C51的指令和管脚完全兼容，却不再要求启动像STC89C51那样的VPP编程高压。在STC89系列芯片上，拥有灵巧的8位CPU、512字节RAM和8K字节系统在线编程Flash，使得STC89C52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。方案一：采用LED数码管动态扫描，功耗低，寿命长，可显示文字及图案，颜色多变，而且采用动态扫描法时占用接口少、功耗更低。但是由于数码管动态扫描需要借助74LS164移位寄存器进行移位，这样的显示模块在电路焊接和调试时容易出现问题，会给整个电路的调试带来障碍；且内部LED、电路板是裸露的，当外罩接口处热熔胶出现问题时，进水导致损坏LED，不适合本设计中的户外要求。方案二：采用LCD液晶显示屏，液晶显示屏的显示功能强大，可显示文字图形，显示多样，背光可调，价格低廉，但是低廉的LCD屏分辨率不高，对比度不足，而且需要的接口较多，会给电路焊接和调试带来诸多不便。方案三：采用LED显示屏，由于LED屏由有机发光二极管组成，具备自发光特性，不需背光源，且对比度高、色彩鲜艳、视角广、反应速度快，因此LED的功耗低、更加适合小系统。综上所述：本系统需要一定数量的字符与数字，且注重显示效果，让使用者看得舒服，所以这里选择价格适中、显示效果好的LED显示屏。3系统硬件电路设计3.1主控模块和大脑之于身体的重要性一样，主控芯片在整个系统中起着统筹的作用，它是指挥和控制中心，需要检测按键、数据采集处理、维护系统运行等各种参数要求，同时要驱动液晶显示、外置内存芯片等外接设备，所以挑选合适的主控芯片是主控系统的首要任务。在这里我们选用了STM32芯片系列中的STM32F103C8T6作为本系统的主控芯片。STM32F103C8T6有48个引脚，工作频率为72MHz，内置64K字节Flash存储器和20K字节的SRAM存储器，包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口和SPI接口、3个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。3.2语音存储模块设计语音模块又名话筒，麦克风。本设计的传声器模块使用的是驻极体话筒6050，如图中的MIC。驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛应用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。传声器的作用就是将声信号转化为电信号。驻极体话筒6050就承担了这个任务，将外界的声音信号转化为可处理的电信号，经过简单的滤波后，将电信号送入电路进行后续处理进行留音。如图3-7传声器模块电路图图3-7留音模块电路图3.3LCD液晶显示器简介LED，即有机发光二极管（OrganicLight-EmittingDiode）。LED属于一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而致发光的现象，发光强度与注入的电流成正比。LED在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光。LCD是自发光的。这样同样的显示OLED效果要来得好一些，这也是我选择的原因，让声级计使用者看得更舒服。以目前的技术，LED的尺寸还难以实现大尺寸量产，主要都是手机尺寸大小量产，但是分辨率却能做到很高，比较受高端电子产品青睐。之前使用比较多的屏都是LCD的、需要背光、功耗较高，而LED的自发光、功耗低、更加适合小系统，鉴于两者发光模式的不同、在相同的环境中LED的显示效果更好。由于之前使用过，在此我们选择的是中景园电子的0.96寸LED显示屏，模块供电可以是3.3V也可以是5V、不需要修改模块电路，使用方便。LED显示屏模块实物图如图所示。图3-5OLED显示屏模块实物图3.4功率放大模块的设计高频功率放大器的基本原理图如图4-1所示。因为高频功率放大器的高频谐振回路被接入了一个来自作为高频功率放大管的三极管的集电极。所以高频谐振回路功率的放大器常常被用来指代高频功率的放大器。从电路结构看，功率放大管、输入电路回路和输出谐振回路、集电极电源和基级偏置电源组成了高频功率放大器。通过电路结构我们可以看出，其与高频小信号调谐放大器有相似之处，但其不同的地方也很多，具体为：高频功率放大器是基于高频大功率做的晶体管，制造工艺为平面工艺，且添加了散热片在集电极端并与集电极直接相连。一般情况下使用调谐回路作为输入回路，导致了高频功率放大器既能实现调谐选频的功能，又能让放大管与信号源两两相匹配。LC调谐回路作为输入回路的同时也作为输出端的负载回路所以其能实现放大器输出端与负载相匹配又能完成调谐选频两种功能。大部分时间电路工作在丙类（即C类）状态的原因是基级偏置电路提供的电压是副偏压（-UBB）。图4-1高频功率放大器的等效电路3.5电源稳压模块设计本系统的设计是采用5V的电压源供电的，但是STM32需要3.3V的电压供电、传声器需要5V电压供电、A/C计权需要1.6V偏置电压，因此这里需要做一个稳压电路把5V转换成3.3V和1.6V，这里选用的稳压芯片是AMS1117，该芯片的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。图3-9为该芯片的电路设计图。图3-9系统供电稳压电路图4系统软件设计4.1程序设计原理本次设计除了能够通过按键控制单片机来调整调频无线话筒的发射频率外还有多种功能，这些功能都通过按键实现。单片机电路通电后，屏幕上第一排显示的是给单片机预先设置的时间，第二排显示当前的发射频率，默认为100.0MHz。当单独按下按键1时，单片机将进入万年历功能，LCD1602显示屏上的第一排会显示年-月-日，第二排会显示时间，即时-分，当光标所处的位置开始闪烁时就能通过按键来改变该光标所处的数字；当单独按下按键2时，单片机将进入设置发射时间的模式，LCD显示屏上会显示时-分，当光标所处的位置开始闪烁时就表示当前编辑的是该位置的数字，也是通过按键实现编辑。当按键1和按键2都没有被按下时，按键3和按键4是控制单片机发射频率的按键，按键3为“加”，按键4为“减”。流程图如图5-2所示。图5-2总体功能流程图4.2系统软件流程图首先，系统开始工作前应先把整个程序进行初始化。将整个系统接入电源后，按下单片机控制板的电源开关开始通电，现在屏幕上显示“100.0”，“100.0”的意思是将预制的发射功率设为100MHz，送入调频发射电路中的BH1415芯片，然后进入循环以检查键并查看功能。当按下某个键时，程序将判断所按下的键，然后执行相应键的功能，并调用数字屏幕以显示所设置的传输频率；当未按下任何键时，它将返回键盘进行检查，然后判断是否按下了该键。本程序设计的一般流程图如图5-1所示。图5-1程序设计整体流程图5系统调试5.1硬件调试硬件调试时应首先对电路板进行检查，查看是否会有空焊的现象发生。在检查无误后可以对系统进行通电检查。实际制作中可结合示波器对电路板的重要点例如调频发射电路中BH1415芯片的某些引脚进行测量，并对功率放大器中流过各级放大电路的晶体管的信号波形进行显示。并利用万用表，示波器等仪器测量每个部分的电压和频率。检查完后再检查源程序是否有误。在对所有的电路板的焊接情况检查完毕后，就可以对调频发射电路进行调试。首先先对电路板输入+5V电压，用万用电表的正极依次测量BH1415芯片的1-5脚，正常情况下1-5引脚的输出电压都为1/2Vcc，即+2.5V。再测量8脚和12脚的电压，正常情况下这两个引脚的电压应为Vcc，即+5V。再测量9脚的电压，应为2.8V左右（即4/7Vcc）。最后测量芯片的晶振是否正常起振时应将一个音频信号以立体声输入的方式输入电路，然后用示波器测量13脚和14脚的波形，只要这两个引脚的任意一个引脚中测量出来的波形为正弦波，且频率在7.6MHz左右，就表明晶振能够正常工作。综上所述，若电路满足于各自正常工作的基本参数，那么调频电路板就是能够正常工作的。如果无法调节频率，或者无法由单片机控制频率，则出现这种类型的问题的原因主要是压控调试不对也就是没有锁相。在调试高频放大器的时候需要多次更换电容和空心线圈电感以达到要求，然后调整电路的其他元件使BH1415芯片可以顺利的产生振荡。如果调试中频率覆盖范围没有达到预期，可能会有以下的原因：一个原因是变容二极管变容范围不够大；另一个原因是LC振荡电路调整的不完善。调试过程中若某些电阻烧毁，其原因在于流过被烧毁电阻的电流过大，超过了电阻的额定功率从而导致电阻烧毁，应更换一个较大阻值的电阻或尝试调整接入电路的电压。需要特别注意的是，单片机控制板和调频电路板连接时必须要共电源和共地，即把单片机的电源电路部分和地线部分一起与调频发射板相连，其主要原因有两个，其一在于如果单片机控制板和调频发射板不共电源和共地会造成电位差从而导致电路会出现严重的干扰，使电路无法正常工作，其二在于时钟电路和芯片电路的端口的信号失真，在这种情况下电路一样无法正常工作。图5-2整体设计图调通各种程序及相关硬件电路的的情况下，在高频放大器的最末级放大端接上一段内阻为50Ω电线作为发射天线，在一定距离内若不出现天气等非人为因素干扰的情况下就能正常收到调频话筒。5.2软件调试本系统是一个比较复杂的数字系统，由多个模块组成，所以对于它的程序也较为复杂，容易在编写程序和调试时出现了一些问题。因为习惯了Keil系列软件，本次我是使用Keil5软件编写、修改和烧录代码。在软件调试的过程中遇到的问题如下：硬件调试初出现了波形后，LED屏上却显示“8Bd2”，怎么会出现乱码呢，还好我手机显示了29dB(我用了手机测分贝进行比对)，原来是显示位选出了问题。经查看代码和LED屏的资料后，修改了这部分的代码，解决了这个问题。6总结及心得本次毕设的主要任务是做一个以STC89C52为核心的声级计设计。通过调试修改，实验验证了系统的可行性，能满足设计要求，达到设计目标，实现对话筒调频信号的采集、处理功能，并通过LED屏显示出调频值，达到40-120的指标。通过本次毕业设计，能充分施展人的