基于AT89S52单片机的数字FM收音机设计资料.docx
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基于AT89S52单片机的数字FM收音机设计资料
XXXX大学
本科生毕业论文（设计）
题目：
基于单片机的收音机设计
学生姓名：
XXX
指导教师：
XXX
二级院系：
XXXXXXXXXX
专业班级：
XXXXXXXXX
完成时间：
2011年X月XX日
诚信声明
我声明，所呈交的论文（设计）是本人在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得＿＿＿＿＿＿或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
我承诺，论文（设计）中的所有内容均真实、可信。
论文（设计）作者签名：
签名日期：
年月日
授权声明
学校有权保留送论文（设计）交的原件，允许论文（设计）被查阅和借阅，学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容，可以影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计），学校必须严格按照授权对论文（设计）进行处理，不得超越授权对论文（设计）进行任意处置。
论文（设计）作者签名：
签名日期：
年月日
摘要
随着信息化的发展，收音机逐渐数字化，集成化，而且成本越来越低，这使得在各种设备中嵌入收音机的现象更加普遍。
TEA5767系列单片数字收音机就被广泛地应用在数字音响，便携式CD、VCD、DVD、MP3、MP4、手机、PDA等数字消费电子系统中。
但是该数字收音机芯片与传统的超外差式收音机的调谐原理不太相同，传统的超外差式收音机的固定频率为10.7MZ，而TEA5767系列数字收音机的固定中频为225KHz，由于固定中频不同，锁相环系统的软件控制就有很大的差别，这就给广大芯片应用设计者带来一定的难度。
本设计采用宏晶科技生产的8位微控制器STC89C52来控制数字收音机模块TEA5767，构成一个FM数字收音机系统。
该收音机的设计具有电路简单易懂、体积小，易调谐的特点，同时该收音机系统还具有抗干扰能力强，频带宽、音质好的优点。
关键字:
TEA5767;AT89S52;FM收音机
Abstract
Withthedevelopmentofinformationization,digitalradiogradually,integration,andthecostmoreandmorelow,thismakesallsortsofequipmentinembeddedintheradiophenomenonmoregenerally.TEA5767seriessinglepieceofdigitalradioiswidelyusedindigitalaudio,portableCD,VCD,DVD,MP3,MP4,mobilephone,PDA,etcdigitalconsumerelectronicsystem.Butthedigitalradiochipandthetraditionalthesuperheterodynetuningprinciplenotidentical,thetraditionalthesuperheterodynefixedfrequencyof10.7MZ,andTEA5767seriesdigitalradiofixedintermediatefrequencyfor225KHz,becauseofdifferentfixedfrequency,phaselockloopsystemsoftwarecontrolhaveverybigdifference,thiswillgivethechipdesignerbringscertaindifficulty.ThisdesignUSESthemacrocrystaltechnologyproduction8-bitmicrocontrollersAT89S52tocontroldigitalradiomoduleTEA5767,constituteaFMdigitalradiosystem.Theradiothedesignofthecircuitissimpletounderstand,volumeissmall,easytunedfeaturesandtheradiosystemalsohasstronganti-interference,widefrequencyband,soundqualitygoodpoints.
Keyword:
TEA5767;AT89S52;devicesFMradio
第一章绪论
虽然电视、手机、互联网等媒体和各种便携式娱乐设备已经普及到千家万户，但传统的收音机在丰富的娱乐媒介中任然占有重要地位。
随着信息化的发展，收音机逐渐数字化，集成化，而且成本越来越低，这使得在各种设备中嵌入收音机的现象更加普遍。
TEA5767系列单片数字收音机就被广泛地应用在数字音响，便携式CD、VCD、DVD、MP3、MP4、手机、PDA等数字消费电子系统中。
但是该数字收音机芯片与传统的超外差式收音机的调谐原理不太相同，传统的超外差式收音机的固定频率为10.7MZ，而TEA5767系列数字收音机的固定中频为225KHz，由于固定中频不同，锁相环系统的软件控制就有很大的差别，这就给广大芯片应用设计者带来一定的难度。
本设计采用宏晶科技生产的8位微控制器STC89
C52来控制数字收音机模块TEA5767，构成一个FM数字收音机系统。
该收音机的设计具有电路简单易懂、体积小，易调谐的特点，同时该收音机系统还具有抗干扰能力强，频带宽、音质好的优点。
第二章总体方案设计
2.1系统总体结构规划
本设计是一个数字调频收音机，调频就是频率调制，所谓频率调制就是原来等幅恒频的高频信号的频率，随着调制信号（音频信号）的幅度变化而变化，调频收音机（FMRadio）就是接收这些频率调制的无线电信号，经过解调还原成原信号的电子设备。
FMRadio电路一般主要由接收天线、振荡器、混频器、AGC（自动增益控制）、中频放大器、中频限幅器、中频滤波器、鉴频器、低频静噪电路、搜索调谐电路、信号检测电路及频率锁定环路、音频输出电路等组成。
本设计就是用单片机控制集成了上述所有FM功能的专用芯片，设计一个数字FM收音机系统。
本设计采用模块化设计，整个系统由控制模块、FM音频模块、电源模块和功放模块组成，系统的整体方案框图如下图2-1
图2-1系统方案设计框图
2.2单片机的选择
方案一:
采用MCS-52单片机，晶振频率为24HZ.AT89S52单片机是一种功耗、高性能CMOS8位微控制器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得at89s52单片机为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，[9]振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
且价格便宜。
方案二：
采用FPGA（可编辑逻辑阵列）作为系统控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。
FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系统。
价格较昂贵。
对比上述两种方案，FPGA各个方面都比较优越，单价格较昂贵，而且用在洗衣机模拟系统上FPGA的高速处理能力得不到充分的发挥，很浪费资源。
相比之下AT89S52单片机价格便宜，对本系统来说资源和速度已经足够，故选择此单片机。
2.3无线FM模块
无线模块选择是本设计的关键，有两种方案可以选择：
方案一:
采用无线芯片TEA5767，自己设计外围电路。
方案二：
采用相关厂家生产的TEA5767模块来实现。
很显然，第一种方案需要自己设计电路画PCB和焊接，而TEA5767采用的是FVQFN40（耐热的薄型四脚扁平封装）封装，在短时间内和有限的条件下实现硬件功能的难度相当大。
所以本设计采用第二种方案——使用现成的模块。
2.4显示模块的方案比较论证
方案一：
采用四只数码管显示模块来显示动态信息。
显示的公共端只需要一个8位I/O口，接口简单，功耗小，价格便宜，寿命长。
通过调整电流可以达到比较高的亮度，所以数码管能够清晰地显示数字，且亮度较高易于观察。
方案二：
采用LCD液晶显示，优点是能显示更多的字符，有着良好的人机界面，功耗低，占用系统资源少，使整个系统显得更加人性化。
缺点是成本过高，亮度不够，不易清晰地观察数据。
基于成本以及实际需求，我们选择方案一。
2.5显示模块的方案比较论证
TEA5767音频输出具有立体声方式，也可以采用单声道输出，具体方式可以通过编程设定，为简化设计，本设计采用单声道输出，功放芯片使用TDA2030，供电采用+5V供电，设计中不给出电源设计。
2.6电源的选择
方案一：
采用开关型稳压电源。
因为开关型稳压电源事实上是利用了晶体管在截止与饱和——即开关状态下功耗极小的优点。
由于晶体管在截止时流过的电流极小几乎为零，饱和导通时的管压降极小，两种情况下的晶体管功耗都极小，管子工作效率很高，可达到80%—90%。
难点是开关电源对器件要求较高且电路较复杂，比较难调试，成本不低。
方案二:
采用传统的线性稳压电源，优点是电路简单，实用，输出电压，纹波系数小，容易制作。
缺点是体积较大，效率低。
结合我们本身的能力和系统的实际应用我们选择方案二。
2.7本章小结
综上所述设计既要实现数字FM收音机的基本功能，又要尽量做到简单廉价，综合考虑各项因素，控制模块、无线FM模块、电源模块、功放模块等以上设计方案是可行的。
第3章中央控制器AT89S52及其外围电路的设计与分析
3.1芯片AT89S52的性能及其参数分析
图3-1AT89S52单片机引脚图
AT89S52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。
AT89S52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes[10]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，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89S51单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。
AT89S52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，AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器[5]可有效地降低开发成本。
AT89S52为40脚双列直插封装的8位通用微处理器如图3-3所示，采用工业标准的C52内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc51相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等[5]。
AT89S52时钟有两种方式产生，即内部方式和外部方式，如下图3-4a所示。
AT89S52中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英或陶瓷震荡器一起构成自激震荡器震荡电路。
外接石英晶体（或陶瓷震荡器）及电容C1、C2接在放大器的震荡回路中构成并联震荡电路。
对外接电容C1、C2虽然没有非常严格的要求，但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性，。
还可以采用外部时钟，采用外部时钟，如图3-4b所示。
在这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，既内部时钟发生器的输入端，XTAL2悬空。
由于外部时钟信号是通过一个2分频的触发器后作为内部时钟信号的所以外部时钟的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续的时间和最大低电平持续的时间应符合技术条件的要求[5]。
a内部震荡电路b外部震荡电路
图3-2时钟电路图
3.2单片机时钟电路设计
电路中的晶振即石英晶体震荡器。
由于石英晶体震荡器具有非常好的频率稳定性和抗外界干扰的能力，所以，石英晶体震荡器是用来产生基准频率的。
通过基准频率来控制电路中的频率的准确性。
同时，它还可以产生振荡电流，向单片机发出时钟信号。
图3-3是单片机的晶振电路。
电路中的电容C1和C2的典型值通常选择为30PF左右，该电容的大小会影响振荡电路频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。
晶体振荡频率的范围通常在1.2~12MHz。
晶体的频率越高，系统的时钟频率越快，单片机的运行速度越快。
AT89S51常选择振荡频率12MHz的石英晶体。
图3-3单片机晶振电路图
3.3单片机复位电路设计
复位是单片机的初始化操作，只需要给AT89S51的复位引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可以使AT89S51复位。
复位时，单片机初始化为0000H，从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行错误（如程序跑飞）或操作错误使系统处于锁死状态时，也需要复位键使RST脚为高电平，使AT89S52摆脱“跑飞”或“死锁”状态而重新启动。
图3-4是复位电路图。
图3-4复位电路图
3.4单片机复位后的状态分析
表3-1特殊功能寄存器与初始状态表
特殊功能寄存器
初始状态
特殊功能寄存器
初始状态
A
00H
TMOD
00H
B
00H
TCON
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL0
00H
DPL
00H
TH1
00H
DPH
00H
TL1
00H
P0～P3
FFH
SBUF
不定
IP
***00000B
SCON
00H
IE
0**00000B
PCON
0*******B
说明：
表中符号*为随机状态。
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。
单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片[7]内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见上表3-1所示。
系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。
51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序[5]。
51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值，内部RAM内部的数据则不变。
3.5电源电路
电源是提供电压的装置。
把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。
电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供计算机中所有部件所需要的电能。
电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。
有条件的可以使用电源模块来为系统供电。
由于该系统中的步进电机要求用12V电源供电，而单片机的需要5V供电，所以需要加个稳压芯片这里采用LM7805进行稳压处理。
把12V稳降至5V来供给单片机及各芯片的使用。
经测试12V完全满足各器件的运行要求。
图3-5三端集成稳压器7805内部结构
此设计的电源电路是由7805集成稳压器，桥式整流，滤波电容及电源指示灯组成的。
电源电路的核心元件是7805，其内部结构如图3-5所示。
（1）调整管
调整管接在输入端与输出端之间，当电网电压或负载电流波动时，调整自身的集-射压降使输出电压保持不变。
在7805三端集成稳压电路中，调整管由两个三极管组成的复合管充当，这种结构只要求放大电路用较小的电流即可驱动调整管发射极回路中较大的输出电流，而且提高了调整管的输入电阻。
（2）放大电路
放大电路将基准电压与从输出端得到的采样电压进行比较，然后再放大并送到调整管的基极。
放大倍数愈大，则稳定性能愈好。
在7805三端集成稳压器中，放大管也是复合管，电路组态为共射接法，并采用有源负载，可以获得较高的电压放大倍数。
（3）基准电源
基准电压的稳定性将直接影响稳压电路输出电压的稳定性。
在7805中，采用一种能带间隙式基准源，这种基准源具有低噪声，低温漂的特点，在单片式大电流集成稳压器中被广泛应用。
（4）采样电路
采样电路由两个分压电阻组成，它将输出电压变化量的一部分送到放大电路的输入端。
（5）启动电路
启动电路的作用是在刚接通直流输入电压时，使调整管,放大电路和基准电源等建立起各自的工作电流，而当稳压电路正常工作时启动电路被断开，以免影响稳压电路的性能。
（6）保护电路
在7805中，已将三种保护电路集成在芯片内部，它们是限流保护电路，过热保护电路和过压保护电路[6]。
图3-6电源电路
电源电路如图3-6所示，此电源电路能输出稳定的+5V电压，可以给整机电路上电，所以在电路中起到至关重要的作用。
其中7805三端集成稳压器的1脚为输入，3脚为输出，2脚为接地。
作用是将由桥式整流电路，整流滤波后得到的直流输入电压转变成稳定的直流+5V输出电压，为了改善纹波电压，常在输入端接入电容CJ3，我所选用的电容容量为100uF。
同时，在输出端接上电容CJ2，以改善负载的瞬态响应，CJ2的容量为100uF。
两个电容应直接接在稳压器的引脚处。
在稳压管的输入端还要接二极管，方向如图3-8所示，起到对7805集成稳压器的一种保护作用。
第四章无线FM收音机模块
4.1TEA5767芯片简介
FM模块的控核心芯片采用飞利浦公司的TEA5767数字立体声FM芯片，该芯片把所有的FM功能都集成到一个不足6*6平方米的用HVQFN40封装的小方块中。
芯片工作电压2.5V~5.0V，典型值是3V；RF接收频率范围是76~108MHz，（最强信号+噪声）/噪声的值在60dB左右，失真度在0.4%左右；双声道音频输出的电压在60~90mV左右，带宽为22.5KHz。
芯片的引脚分布及其引脚定义分别见图（4-1）和表（4-1），图（4-2）是芯片的应用结构框图。
图4-1TEA5767芯片引脚分布
管脚
定义
管脚
定义
1
空脚
21
空脚
2
锁相环输出
22
左声道输出
3
本振
23
右声道输出
4
本振
24
软静音时间常数
5
本振电源
25
检波输出
6
数字地
26
基准
7
数字电源
27
中频中心频率调整时间常数
8
数据线
28
中频限幅器退藕1
9
时钟线
29
中频限幅退藕2
10
空脚
30
空脚
11
三线读写控制
31
空脚
12
总线模式选择
32
增益控制
13
总线使能端
33
模拟地
14
软口1
34
模拟电源
15
软口2
35
射频输入1
16
晶振
36
高频地
17
晶振
37
射频输入2
18
相位滤波
38
高放AGC时间常数
19
导频低通滤波
39
锁相环开关输出
20
空脚
40
空脚
表4-1TEA5767管脚定义
图4-2TEA5767应用结构框图
参见内部结构框图，TEA5767主要具有以下特征：
（1）集成高灵敏度的低噪声放大器。
（2）FM到中频的混频器可以工作在87.5-108MHz的欧美频段或76-91MHz的日本频段，并且可预设接收日本108MHz的电视音频信号的能力。
（3）射频具有自动增益控制功能，并且LC调谐振荡器只需固定片装电感。
（4）内置的FM解调器可以省去外部鉴频器，并且FM的中频选择性可以在芯片内部完成。
（5）可以采用32.768KHz或13MHz的振荡器产生参考时钟或可以直接输入6.5MHz的时钟信号。
（6）集成锁相环调谐系统
（7）可以通过I2C或三线串行总线来获取中频计数器值或接收的高频信号电平，以便进行自动调谐功能，本设计采用第一种方式，详细的I2C通信介绍请见第5节。
（8）SNC（立体声噪音抑制）、HCC（高频衰减控制）、静音处理等可以通过串行数字接口进行控制。
（9）免费调谐立体声解码器。
（10）自动调节温度范围（在VCCA,VCC（VCO）和VCCD=5V）。
4.2TEA5767寄存器描述
吃透芯片的寄存器是编好程序的关键。
单片机和TEA5767进行通信有两种方式，一种是I2C模式，一种是三线模式，本设计采用I2C模式，I2C通信协议操作参见第5章。
TEA5767的寄存器一共有五位，数据通信的读写顺序为：
地址——数据字节1——数据字节2——数据字节3——数据字节4——数据字节5，下面就对芯片的寄存器进行详细说明。
（1）芯片寄存器地址的格式如下：
R/W=0为读模式；R/W=1为写模式
（2）写模式下5个数据字节的格式及各位的描述。
数据字节1
a）字节格式
位7（高位）
位6
位5
位4
位3
位2
位1
位0（低位）
MUTE
SM
PLL13
PLL12
PLL11
PLL10
PLL9
PLL8
表4-2数据字节1字节格式
b）位描述
位号
符号
描述
7
MUTE
如果MUTE=1，则左右声道被静音；MUTE=0，左右声道正常工作。
6
SM
如果SM=1，则处于搜索模式；SM=0，不处于搜索模式。
5到0
PLL[13：
8]
设定用于搜索和预设的可编程频率合成器。
表4-3数据字节1位描述
数据字节2
a）字节格式
位7（高位）
位6
位5
位4
位3
位2
位1
位0（低位）
PLL7
PLL6
PLL5
PLL4
PLL3
PLL2
PLL1
PLL0
表4-4数据字节2字节格式
b）位描述
位号
符号
描述
7到0
PLL[7：
0]
设定用于搜索和预设的可编程频率合成器。
表4-5数据字节2位描述
数据字节3
a）字节格式
位7（高位）
位6
位5
位4
位3
位2
位1
位0（低位）
SUD
SSL1
SSL0
HLSI
MS
ML
MR
SWP1
升级会员 