单工无线呼叫系统经典.docx
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单工无线呼叫系统经典
本单工无线呼叫系统可以实现以下功能：
1无线发射、接收36.099MHz的调频信号，发射峰值功率不大于20mW，从站采用电池组供电。
2当传输信号为300Hz～3400Hz的正弦波时，去掉收、发天线，经过20dB的衰减器，耳机两端接收的信号无失真。
3当收、发天线采用拉杆天线且长度小于1米时，通讯距离可达20米以上。
4系统可以通过键盘切换，实现语音和文字两种传输方式。
5从站地址可变（模拟不同从站），主站可以拨号选呼、群呼，拨号发送信息、群发信息，构成一点对多点（8点）的单工无线呼叫系统。
6主站可以混合输入英文、汉字、数字和符号。
7液晶可以随时显示提示信息。
单工无线呼叫系统分为发送部分、接收部分。
发送部分主要由频率调制和晶振倍频电路组成。
接收部分主要包括：
由高频双栅效应管3SK122组成的一混频电路；由低功耗FM解调集成芯片MC3361组成的二混频解调电路和由小功率、低电压、音频功放芯片LM386组成的功放电路。
由DTMF发送器UM91210和DTMF接收器CM8870实现文字信息的发送和控制，可以无线发送文字、数字、字母，可靠性高；无线发送语音时，通信距离远（可达到20米以上），接收灵敏度高，抗干扰能力强。
借助于单片机和继电器开关实现一点对多点的单工无线呼叫和文字发送，发射机具有拨号选呼和群呼功能。
发射和接收到的信息都可以在5*10中文模块系列液晶显示器OCMJ上显示出来，并且液晶上可以随时显示提示信息。
1方案比较、设计与论证
1.1无线发送部分的设计
方案一：
使用单片调频发射集成芯片MC2833。
它由话筒放大器、可变电抗器、射频振荡器、输出缓冲器以及两个辅助晶体管构成。
能够实现放大、晶振倍频、频率调制。
这种电路比较简单，但由于时间上的限制无法及时拿到芯片。
方案二：
使用分立的放大、晶振倍频、频率调制电路。
这种电路技术比较成熟，各电感、电容外接可以随时改变其值的大小，性能可控，容易达到大赛的要求。
综合考虑各种因素，我们选择了方案二。
1.2无线接收部分的设计
方案一：
采用直放式接收方式。
直接将接收到的信号加到高频小信号检波（平方律检波）电路，这种接收方式的灵敏度较低。
方案二：
采用超再生接收方式。
实现这种接收方式的电路比较简单，但是可靠性差，而且噪声也比较大。
方案三：
采用超外差接收方式。
将接收信号变频到一固定中频，在中频上放大信号，放大增益可以做的很高而不自激，电路工作稳定，可靠性非常好，技术成熟，灵敏度高。
综合考虑各种因素，我们选择了方案三。
1.3传输方式的设计
方案一：
使用编码/解码芯片PT2262/PT2272。
发送方式为地址与数据的混合编码，将这个组合码通过无线电调制的方式发送出去。
在接收端通过专用设备的解调，还原为原来的数字组合信号，然后通过与发送器件相对应的解码芯片进行解码，分离出地址码和数据码。
这种传输方式传输的是单极性信号，不适应在无线传输的音频信道中传输。
方案二：
使用双音多频DTMF发射/接收芯片UM91210/CM8870。
它传输的是模拟信号，在进行传送的过程中不需要调制。
可以大大简化发送过程。
而且DTMF信号具有很强的抗干扰能力,波形畸变不会影响传送的效果。
更重要的是支持这种通信方式的芯片比较多，够买或者替换较方便。
这种电路虽然发送的速度受到限制，但是非常可靠。
综合考虑各种因素，我们选择了方案二。
1.4调频波产生方法的设计
方案一：
LC振荡器变容二极管调频电路：
这种电路的振荡频率主要由振荡回路电感L和变容二极管电容C的数值来决定，通过调制信号控制变容二极管的值，即可产生振荡频率随调整信号变化的调频波。
这种电路简单，频偏小，中心频率稳定度差。
方案二：
石英晶体振荡器变容二极管调频电路：
这种电路石英晶体与变容二极管Cd串联，
当调制信号控制Cd电容量变化时，振荡
频率发生变化，从而完成调频，如图1所
示。
这种电路中心频率稳定，但频偏很小，
可以利用三倍频增加频偏。
综合考虑各种因素，我们选择了方案二。
2理论分析与计算
2.1主站发射部分的系统框图
通过单片机最小系统89s52控制继电器开关，从而选择是传输语音还是传输文
字。
若是从话筒输入的音频信号，则经放大器放大后送入调制电路；若是从4*4键盘输入的汉字、字母、数字、符号，则经过DTMF发送器UM91210生成双音频信号后送入调制电路，4*4还用于输入控制信息如：
启动语音、设定从站号或设定群呼，这些控制信息同样可随时在液晶上显示。
完成频率调制和倍频后再经高频放大，生成36.099M的高频信号由天线发射出去。
如图2所示:
图2主站发射系统框图
2.2从站接收部分的系统框图
经天线接收到的信号先经带通滤波和选频高放送入一混频电路生成10.7MHz的第一中频信号，经放大送入由低功耗FM解调集成芯片MC3361组成的电路中完成二混频、中放、鉴频，第一中频先变成455KHz的第二中频信号最后解调出音频信号。
放大则由小功率、低电压、音频功放芯片LM386组成的功放电路完成。
如果收到的是语音启动信号单片机控制继电器接通耳机，开始接收语音信号，液晶上显示“语音传输中”；如果收到的是文字启动信号，则关闭耳机，并将接收到的双音频信号通过DTMF解码器CM8870还原成数字信号，文字传输中液晶上显示“接收文字目标机：
*”，文字传输完毕会显示“接收完毕”，并显示出发射的信息。
（这些功能只有在设定的从站号和发射机设定的目标机一致或发射机设定为群呼时才会实现）。
如图3所示:
2.3主站电路的分析
2.3.1主站发射部分电路
如果输入的是语音信号则先经过两极放大送入晶体调频倍频电路；如果输入的是DTMF信号或测试信号则不需放大直接送入晶体调频倍频电路。
晶体调频倍频电路就是将电容三点式正弦波振荡器的选频网络由LC选频网络变成了晶体选频网络，石英晶体在回路中等效为一个高Q值电感，晶体与变容二极管D1串联，改变变容二极管的反向电压VD控制其结电容量Co的变化，从而改变振荡器的中心谐振频率f0。
为了增加频偏采用了三倍频器。
产生的36.099MHz的高频信号经电容耦合送往甲类高频谐振放大电路进行电压放大。
从而完成了电路的振荡、调频倍频和放大的全过程。
如图4所示：
图4主站发射电路图
2.3.2主站键控显示电路的设计
89s52单片机最小系统的P1口用来扫描4*4键盘。
通过单片机控制键盘，可
以实现语音传输的启动和停止；可以切换输入英文、汉字、数字、符号，并能在液晶上同频显示；可以通过键盘选择要接收语音或要接收文字的从站号，以实现主站选呼的功能和一点对多点的通信，当从键盘输入群呼时，则无论从站设置为多少都可以接收到信息。
单片机最小系统的P0口用来控制液晶显示。
当输入不正确的区位码时，会显示“输入错误！
”；当传输信息时，液晶上会显示“正在发送目标机：
*”；信息发送完时，会显示“发送完毕”；传输语音时会显示“语音传输中目标机：
*”；当传输错误时，会显示“传输错误请重发”。
本系统中使用中文模块系列液晶显示器OCMJ显示所有信息，用户输入区位码或ASCII码即可实现文本显示。
OCMJ具有上/下/左/右移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令。
OCMJ中文模块所有的设置初始化工作都是在上电时自动完成的，实现了“即插即用”。
同时保留了一条专用的复位线供用户选择使用，可对工作中的模块进行软件或硬件强制复位。
继电器开关用于音频与双音频信号的切换如图5所示：
2.3.3UM91210电路的设计
为了传输文字、数字、字母、符号等数字量，并实现收发同步，采用了双音多频（DTMF）编码器UM91210。
同时接收和发送DTMF信号，发送和接收均伴随着编码和解码过程。
双音多频（DTMF）编码器是采用每位数字由一组低频和一组高频（FL／FH）按一定的组合叠加形成的一组双音多频率信号，实现快速数字拨号。
两个单音的频率不同，所代表的数字和功能也不同。
如表一所示：
表一：
键盘与双音频的对应表
UpperBand
1209Hz
1336Hz
1477Hz
1633Hz
Lower
Band
697Hz
1
2
3
770Hz
4
5
6
852Hz
7
8
9
ABC
941Hz
*
0
#
Dec
当按键按下就会因应的产生一个DTMF信号。
比如按下“1”键，就会触发两个信号。
在行线会发生一个697HZ的音频信号，在列线则会产生一个1209HZ的信号。
两个信号互调以后便得到了“1”键所对应的DTMF信号。
如图6所示：
我们采用的电子开关是CD4052。
CD4052是一个微分的四通道复用器。
它具有两个二进制的输入控制，A和B，并且还有一个抑制输入端。
这连个二进制输入端输入信号可以选择1或者4组通道连通。
并且还可以将未分的模拟输入与输出相连。
通过单片机的P0.4来控制4052的工作端。
P0.0,P0.1控制着行线，而P0.2,P0.3则控制着列线。
从TONE音频信号输出端输出的信号经过电解电容的滤波去耦以后，在R9进行分压，输出到发射机进行发大发送。
2.4从站电路的分析
2.4.1输入选频电路
本接收机输入选频电路的原理图如图8所示。
当外界的信号通过50Ω拉杆天线进入电路后，首先通过C1耦合。
送入由二极管D1、D2组成的电压限幅电路，消除在信号的传输过程中产生的寄生调幅，同时也为了防止天线上的高频电压（20Vpp值以上），击穿场效应管的T1的栅极。
图9高频选频放大
经过限幅的信号再送至由L1、C2组成的并联谐振回路，滤掉在非线性限幅过程中产生的新的频率成分，以得到恒定振幅的调频正弦波。
由于发射机发射的频率为36.099MHz，因此并联谐振回路的谐振点选择在接收信号中心频率
上，对
以外的信号进行衰减。
2.4.2高频选频放大器
如图9所示。
本系统采用的是共发射极单调谐放大器，为了提高放大器交流增益，采用了共源极放大方式，负载与回路的耦合采用自耦变压器耦合方式，以减弱负载对回路的影响，又可使前后级的直流供电电路分开，也可实现前后级之间的阻抗匹配。
为了提高放大器的稳定性，本系统采用双栅MOS场效应管3SK122作高频小信号放大器，3SK122是N沟道耗尽增强型场效应管，它不仅兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等优点。
由于该管具有双栅输入功能，可以将信号和直流偏置分别加至两个栅极。
相互之间互补影响，有效的减少了电源噪声对放大器的影响。
保证了高频放大电路的低噪声系数。
本级放大器能够产生约20db的电压增益，有效的提高了接收机的灵敏度。
2.4.3一混频、一中放与本振电路
本地振荡电路采用晶体三倍频振荡器，振荡管由T7承担，电容C31、C33和晶体JZ3组成谐振网络,调整分压电容C31、C33的比值，可以改变振荡器的电压反馈系数。
振荡器的基准频率f0由晶体决定。
在振荡管T7的集电极回路中，串有由C32、B2组成的并联谐振选频回路，完成对f0的三倍频输出。
如图10所示：
图10一混频、本振、放大电路
本接收机的一混频，采用的是高频双栅效应管3SK122。
高频信号送至混频管的栅极G1，本振信号注入栅极G2。
混频器输入回路调谐在高频信号频率上，输出回路调谐在中频频率上。
由于这两个频率相差比较远，不会因为反馈而造成混频器自激振荡等不稳定现象。
经混频后得到的10.7M中频信号由并联谐振回路选出，送至10.7M的陶瓷滤波器JZ4，这种滤波器体积小、工作稳定、滤波效果好。
2.4.4二混频、限幅中放、鉴频电路
如图11所示：
本部分电路中的二混频、二本振、限幅中放、鉴频、静噪等功能都是由低功耗FM解调集成芯片MC3361组成的电路完成的,MC3361芯片主要包括振荡器、混频器、限幅放大器、移相式鉴频器和音频放大器几个模块,具有电源电压低、功耗低、灵敏度高、工作电压宽、需要外部元件少等优点,工作频率可达60MHz。
二本振电路的基本频率为10.245MHz。
10.245MHz的信号与输入的10.7MHz的高频信号在芯片内第二次混频，相减得到10.7-10.245＝0.455MHz＝455kHz的中频信号。
鉴频后的信号由片内放大器放大后经外接的RC低通滤波器取出。
2.4.5音频功放电路
由于从鉴频器得到的信号，电压幅度小、信号微弱，必需对音频信号进行功率放大。
本电路采用的是小功率、低电压、音频功放电路LM386，LM386的交流电压增益是可以调整的，在1、8脚之间加一个10uf的电容和一个2.2k的电位器，就可以控制放大器的电压增益在26db——46db之间的变化。
如果将1、8脚旋空，这时放大器为最小放大值约26db。
功率输出端，使用时必需串接一个隔直电容再连接耳机，串连电容一般选择47uF—470uF，电容越大，低音效果越好。
2.4.6DTMF解码器电路
DTMF解码器一般包括DTMF分组滤波器和DTMF译码器。
DTMF接收信号先经高、低群带通滤波进行FL/FH区分，然后过零检测、比较，得到相应于DTMF的两路FL、FH信号输出。
该两路信号经译码、锁存、缓冲，恢复成对应于16种DTMF信号音对的4比特二进制码。
2.4.7从站显示、时钟、地址设定电路
电路如图12所示：
利用三个带锁开关的八种不同组合模拟八个从站。
当发射机选中某个从站时，只有接收机设定为相应的地址才能接收到发射的信息，以实现一点对多点的单工无线呼叫。
当从站发送文字时，液晶上显示“接收文字接收机：
*”；当接收完时，直接显示发送的信息；如果发现错误，将显示“传输错误请重发”；当传输语音时，将显示“语音接收中接收机：
*”。
2.5电源电路的设计
电路如图13所示：
电源模块采用了三端集成稳压电路模块，这种稳压电路模块，具有过流、过压、过热保护等优点，它在输入电压比输出电压高2~3V时，工作在最佳稳压状态，电路在输入输出端均连接了电容，其中，大电容起了滤波作用，而小电容，负责进行频率补偿、抑制稳压电路自激震荡。
可输出较稳定的
12V和+5V的电压。
2.6衰减器的设计
题目要求用一个功率衰减20dB的衰减器连接主从站天线端子。
我们用的衰减器为如图14所示的电阻匹配网络：
即从a-b端看进去,c-d端相当于接一个50
的电阻，c-d端之间的电阻为50
；从c-d端看进去,a-b端相当于接一个50
的电阻,c-d端之间的电阻为50
；要求衰减20dB由公式dB=20LgA，即20=20LgA得A＝10即a-b端的电压是c-d端电压的10倍。
列如下方程组：
实际电路中：
R2=62
R3=56
R1取大小为500
的可变变位器。
3软件系统
3.1无线发送部分流程图如图15所示
3.2无线接收部分流程图如图16所示
3.3软件部分实现的功能
软件完成了系统操作界面的设计，制作了友好的菜单，使得本系统操作方便。
通过操作界面控制输入汉字，字母，数字，标点符号等，并通过此操作界面来控制声音传输，汉字，字母，数字，标点符号及其组合传输。
还可实现声音的寻址传输和群呼，汉字，字母，数字，标点符号及其组合的寻址传输和群发。
4调试
根据方案的设计要求，调试过程分为两大部分：
硬件调试和软件调试和软硬件联调。
电路按模块调试，各模块逐个调试通过后再联调。
单片机软件在最小系统上调试，确定各存储器工作正常后，再与硬件系统联调。
4.1硬件调试
4.1.1系统抗干扰设计
为了减少混频干扰，采取的措施有：
选择合适的中频（455kHz）；提高混频电路之前选频网络的选择性,减少进入混频电路的外来干扰,以减小交调干扰和互调干扰；采用具有平方律特性的场效应管、模拟乘法器或利用平衡抵消原理组成的平衡混频电路或环形混频电路,减少无用组合频率分量的数目。
4.1.2主站发射部分的调试
（1）晶体调节倍频电路的调试调试时，接入12V的电压，从信号输入端输入300～3400HZ的音频信号，如图3主站发射电路图所示，用示波器观察电容C16的输出端输出的波形，调节可调电感L9的大小，直到输出波形的频率为36.09MHz,且波形稳定无失真。
（2）甲类高频谐振放大电路调试时，如图3所示：
错误！
链接无效。
形,调节可调电感L8的大小，直到输出波形的频率为36.09MHz，且波形稳定无失真。
4.1.3从站接收部分的调试
（1）本振电路的调试调试时,如图10所示：
调节可调B2值的大小，直到输出的正弦波的频率为15.6M*3=46.8MHz，且波形稳定无失真。
（2）输入选频电路和功放电路的调试调试时，保持无线发射机为正常工作状态，先用示波器观察图8中输出端的波形，调节L1值的大小，直至输出波形的频率为36.09MHz，且波形稳定无失真。
再观察图9中输出端的波形，调节L2值的大小，使输出波形稳定无失真且频率不变。
（3）一混频功放电路的调试调试时，用示波器观察图10中输出端的波形，调节B1的大小，使输出波形的频率为10.7MHz，且波形稳定无失真。
（4）二混频、变频、功放电路的调试调试时，用示波器观察图11中输出端的波形，调节L3的大小，使输出波形与输入波形的频率一样，且波形稳定无失真。
（5）输出峰值功率的调试题目要求发射峰值功率不大于20mW,并在50
的负载电阻上测试，由公式
测试时，用示波器观察发射机输出波形的频率和峰-峰值，同时调节可变电位器值的大小，直到输出的峰-峰值不大于2.83V，且波形稳定。
4.2软件调试
由于外界环境的干扰，容易使收到的信号产生乱码，无法正常接收。
为了减少干扰，编程中采用对接收的信号进行两次扫描的方法，只有两次接收的信号相同才接收，当两次接收的信号不同或接收过程中一定时间内没有收到信号，液晶上就显示“发送错误请从发”。
4.3软硬联调
本系统的软件和硬件之间的联系非常紧密，利用软件程序系统控制整个硬件系统工作，因此要整个系统正常工作，软件和硬件系统都必须调试无误后，才进行调试。
5指标测试
5.1测试仪器
信号发生器：
EGC-3233
示波器：
TDS1002
20dB的衰减器
5.2测试方法、测试数据及测试结果分析
5.2.1发射峰值功率的测试
将发射机的天线取下,安上50
的负载电阻，用示波器观察电阻输出波形的频率和峰-峰值，如表二所示：
表二：
发射机输出频率及峰-峰值
频率（Hz）
36.0951
36.0948
36.0960
峰-峰值（V）
2.82
2.78
2.83
由表可见，由于发射机的输出波形频率偏差较小，幅度变化不大，发射机的稳
定性很好，抗干扰能力较强。
5.2.2接收机输出波形的测试
测试时用图14所示的衰减器。
a-b端接主站输出端，c-d端接从站输出端，用信号发生器给发射机输入300Hz～3400Hz之间的信号，用示波器同时观察发射机输出端和耳机两端的波形，分别测量它们的频率和峰-峰值。
如表三所示：
表三：
经衰减后耳机端的波形
主站输出
耳机两端
波形有无失真
f（Hz）
1
291Hz
290.900Hz
无明显失真
2
1518Hz
1.51696KHz
无明显失真
3
3096Hz
3.091KHz
无明显失真
U-U（V）
1
4.40V
1.08V
无明显失真
2
4.40V
1.08V
无明显失真
3
4.40V
820mV
无明显失真
由表可见，由于我们设计衰减器时，考虑到了网络匹配问题，因此，主站输出波形经20dB衰减器后，从耳机两端观察到的波形稳定度非常好，无任何失真。
5.2.3数据传输性能的测试
测试时，从站先设定一个号，从主站4*4键盘中输入若干个英文、汉字、数字、符号等混合信息，设定目标机号后，按发送键发送信息，观察从站液晶显示屏显示的信息，看是否有提示信息，当显示“接收完毕”时。
校对是否与发送的信号一样。
只有主从站设定号一致，或发射机设为群发时，接收机才能显示接收的信息，主站具有拨号传输信息和群发信息的功能。
经多次测试，出错的几率为0，因为采用了很多软硬件抗干扰措施，即使发生传输错误，液晶会显示“传输错误请重发”。
5.2.4传输距离及拨号选呼群呼功能的测试
测试时，先保证发射峰值功率不大于20mW，当主从站设号一定时，尽量拉大主从站的距离，测试是否能够接收到话筒输入的声音，经多次测试，通信距离可达20米以上，且当主从站号设置的不一样时，即使距离很近，也接听不到声音。
测试结果表明，本系统的抗干扰性能非常强，接收灵敏度高，传输距离远。
5.3误差分析
误差来源：
电路内部噪声、环境电磁信号干扰等。
6结论
本单工无线呼叫系统可以实现以下功能：
8无线发射、接收36.099MHz的调频信号，发射峰值功率不大于20mW，从站采用电池组供电。
9当传输信号为300Hz～3400Hz的正弦波时，去掉收、发天线，经过20dB的衰减器，耳机两端接收的信号无失真。
10当收、发天线采用拉杆天线且长度小于1米时，通讯距离可达20米以上。
11系统可以通过键盘切换，实现语音和文字两种传输方式。
12从站地址可变（模拟不同从站），主站可以拨号选呼、群呼，拨号发送信息、群发信息，构成一点对多点（8点）的单工无线呼叫系统。
13主站可以混合输入英文、汉字、数字和符号。
14液晶可以随时显示提示信息。
Abstract:
Singleduplexwirelesssystemconsistsofasenderandareceiver.Thesendingpartmainlyincludesfrequencymodulationandcrystalmutiplingcircuit.Thereceiverhasafrequencymixingcircuitwhichincludea3sk122,afrequencyre-mixingdemodulationcircuitandalowpowerandvoltageaudioamplifierLM386.ThesystememploysaDTMFsenderUM91210andaDTMFreceiverCM8870tocontrolcharacterinformationsendingandreceiving,itcansendcharacterswirelessly.Oncesendingvoicewirelessly,thecommunictiondistanceissofaras20meters,sensivityhigh,anti-interferance.WiththeusageofMPUandswitchersingleduplexwirelesssystemcanbeimplemented,thesendercanselectdial-upingorgroupcalling.Theinfosendedorreceivedmaybe
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