毕业设计 无线音频转发器.docx
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毕业设计无线音频转发器
毕业设计
中图分类号：
无线音频转发器
专业名称：
学生姓名：
导师姓名：
职称：
焦作大学机电工程系
2011年12月
中图分类号：
密级：
UDC：
单位代码：
无线音频转发器
Wirelessaudiotransponder
姓 名
学 制
专业
研究方向
导 师
职 称
论文提交日期
论文答辩日期
焦作大学机电工程系
摘要
进入21世纪,随着人们物质生活的提高，舒适性、方便性已经成为电子产品的重要考虑因素，基于此而设计的车载MP3转化发射器就是这样一个较为人性化的产品,它大大提高车内播放音乐的方便性和安全性。
车载MP3转化发射器其实就是一个新型的数字化调频发射器，它具有将音频信号转化成为调频信号发射出去的作用,具有方便携带,使用简单,频率稳定、发射频率在88.0MHZ至110.0MHZ范围内任意可设等特点。
而本文所介绍的调频发射电路的设计，采用的是无线音频传输集成芯片BH1415F，其发射频率采用AT89C52单片机控制，外围电路配以数字化液晶模块1602显示发射频率，操作更加直观方便,此电路发射频率较为稳定，抗干扰能力较强，适合于将各种音频信号转化为一定频率的调频信号进行无线发射。
关键词：
BH1415FAT89C52数字化控制LCD1602调频发射
Abstract
Enteringthe21century,asthepeople’smateriallifeimproving,thecomfortandconveniencehavebecometheimportantfactorsofelectronicproducts.ThecaryearchangeofMP3’semitterisjustthehumanizationproductdesignedbasingonthat,anditgreatlyraisestheconvenienceandsafetyofmusicbroadcastinginsidethecars.ThecaryearchangeofMP3’semitterisanewdigitizationfrequencymodulationemitter.Itcanchangethefrequencysignalintofrequencymodulationsignal,anditpossessesthecharacteristicssuchasconvenientlycarrying,simplyusing,steadilyfrequency,andthelaunchfrequencycansettorandomlyfromthescopeof88.0MHZto110.0MHZ.
Thispaperintroducesonekindofdesignoffrequencymodulationlaunchcircuit.ItusesthewirelessfrequencytransmissionchipBH1415F,itsemissiveiscontrolledbyAT89C52SCM（SingleChipMicyoco）,andtheperipheralcircuitintegratesthecrystalmodule1602showingthelaunchfrequency.Theoperationismoredirectlyandconvenient,andthefrequencylaunchedbythecircuitiscomparativelystableandhasstronganti-jammingability.Itisfitforchangingallkindsoffrequencysignalintoafixedfrequencymodulationsignaloffrequencyandlaunchingwirelessly.
Keywords:
BH1415AT89C52digitizationcontrolLCD1602
thefrequencymodulationlaunch
第一章引言………………………………………………………………………………………1
第1章引言
随着新时代电子技术的日新月异,各种电子产品层出不穷,人们在追求高科技现代化的同时,也越来越强调产品的方便携带性了，车载产品便是众多新型电子产品中很具有代表性的。
以前在车里的音乐播放设备一般就是磁带机、CD机之类，但他们都是播放的磁带或者碟片，容量不仅小，而且在狭小的车里要更换磁带或者碟片也不是一件轻而易举的事，更何况在行车过程中进行这样的换碟操作还有可能带来危险，而如果选用MP3来播放的话，那么不仅能够储存大容量的歌曲，而且切换歌曲也只需要轻轻地按一个键就搞定了。
我们这次的设计便是设计一种车载MP3的转化发射器，它是用来将MP3里面的音频文件转化成为调频信号发射出去，再利用几乎每辆车都有配备的收音机来达到接受MP3音乐的目的。
一般来说，BA1404对于一般的调频发射已经足够了，但它却有一个致命的缺点：
没有锁相环电路，既PLL，频率很不稳定，容易跑频！
对于要求高一点的地方就不合适了，为此广大调频发烧友纷纷出谋划策为它加锁相环电路。
但是象通用的数字集成电路4000系列+74系列的和一些专用的高频锁相环电路等如MC145152和MC1415170等这些电路，但它们都很复杂，电路的调试十分麻烦，不易成功。
而运用新型集成芯片BH1414-1417系列，相当于BA1404+PLL，则可以比较方便地设计各种调频电路。
用BH1415设计的电路，采用单片机控制发射频率，外围用键盘控制发射不同的频率，并且用液晶显示其发射频率的值，操作十分方便，且发射频率可以在一定范围内任意设置，频率稳定比较容易调试。
第2章硬件设计
2.1锁相环电路的介绍
2.1.1电路的组成
许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利用锁相环路就可以实现这个目的。
锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PLL）。
锁相环的特点是：
利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。
因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。
锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。
锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图1所示。
、
图1.1锁相环组成原理图
2.1.2锁相环各组成部分的介绍
（1）鉴相器
鉴相器是相位比较电路。
输入电压
=
=
鉴相器输出电压
是两个输入电压相位差
的函数。
不同形式的鉴相器，函数关系不同。
（2）低通滤波器
这里简要介绍两种环路低通滤波器的形式。
RC积分低通滤波器，它的传递函数:
，
（1.1）
无源比例积分滤波器，传递函数:
，
，
（1.2）
（3）压控振荡器
压控振荡器简写为VCO。
把它可以看成是电压-频率变换电路，简称V/F变换电路。
可以用图1.2所示的框图表示，输入电压为u，输出频率是f。
Uf
图1.2
2.1.3锁相环电路的应用
（1）锁相环在调频和解调电路中的应用
调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。
由8-4-6式可知，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。
当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持ω0不变。
若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外，还有调制信号ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。
由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图1.2所示。
根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图1.3所示。
图1.3调频电路
（2）锁相环在频率合成电路中的应用
在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。
但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。
输出信号频率比晶振信号频率大的称为锁相倍频器电路；输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。
锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图1.4所示。
解调信号
调制信号
鉴相器
低通滤波器
压控振荡器
图1.4解调电路
Ui
晶振电路
鉴相器
低通滤波器
f1
压控振荡器
f1=NFfo
Nfo
fo
Uo
图1.5倍频和分频电路组成
2.2无线音频传输集成芯片BH1415F
2.2.1与BH1417的比较（和BH1414、BH1416的比较略）
BH1415和BH1417都是rohm公司一起推出的一个系列，它们的外围电路以及PCB板完全相同，只是控制频率的方式不一样。
BH1415是采用的MCU控制，通过单片机向芯片以时序电路的送入控制字来达到控制频率的作用；而BH1417是采用对15、16、17、18四个脚的高低电平控制来改变发射频率，它有16种可设频率。
若采用BH1417则需要在外围加数字电路来达到通过按键控制发射不同频率的方法，但考虑到大学期间接触单片机的时间较多，以往也使用过单片机来设计过电路，对其使用和编程较为熟悉，所以此次设计选用BH1415的芯片。
2.2.2芯片简介
BH1415F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，配合普通的调频立体声接收机就可实现无线调频立体声传送。
适合用于生产立体声的无线音箱、无线耳机、CD、MP3、DVD、PAD、笔记本计算机等的无线音频适配器开发生产。
这个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调制电路、调频发射的锁相环电路（PLL）组成。
2.2.3特点
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，合发射的频率非常稳定。
4）采用了MCU数据直接频率设定，可设定70-120MHz频率，使用上非常方便。
2.2.4结构图
图1.6结构原理图
图1.7元器件的尺寸以及封装
2.2.5芯片各工作参数
表1.1允许的最大值
表1.2工作范围
表1.2工作范围
表1.3电性能特
2.2.6芯片各脚位的内部结构
表1.4BH1415个管脚内部结构图
脚位
属性
电路
电压
1
左声道信号输入端
1/2Vcc
22
右声道信号输入端
1/2Vcc
2、21
加重时间调整端
1/2Vcc
3、20
低通滤波器调整端
1/2Vcc
4
滤波器端
1/2Vcc
5
复合信号输出端
1/2Vcc
6
地
——
GND
7
锁相环输出端
——
8
电源正极
Vcc
9
高频振荡器输入端
4/7Vcc
10
高频地
——
GND
11
高频信号输出
Vcc-1.9
12
锁相环电源正极
——
Vcc
13、14
晶体振荡器输入端
——
15
传送使能CE
——
16
传送时钟CK
17
传送内容DA
18
音频静音MUTE
19
导频信号调整端
1/2Vcc
2.2.7电路应用说明
（1）预加重电路
预加重电路是一个非线性音频放大器，它的内部工作点为1/2Vcc，因为它是非线性放大器，所以输入阻抗取决为内部电阻R3=43KΩ，预加重时间取决于内部电阻R2=22.7K和外部电容C1=2200p。
图1.8预加重电路
时间常数τ=C1R2，R1=1K是一个限流电阻，防止自激的产生。
（2）限幅电路
图1.9限幅电路
限幅电路是由二极管限幅的反相放大器组成，它的内部工作点为1/2Vcc。
（3）低通滤波电路
低通滤波电路是由二阶低通反馈放大电路组成，它的分频点为15KHz。
图1.10低通滤波电路
公式如下:
Cf=1/ω0Rf
（1.3）
C1=3QCf
（1.4）
C2=Cf/3Q
（1.5）
运算过程如下：
Q=0.577、ω0=1.274、fc=15KHz
R1=R2=R3=Rf=100KΩ
Cf=1/ω0Rf=1/（2πX1.274X15KX100K）=83.28pF
C1=3QCf=3X0.577X83.28pF=144pF≈150pF
C2=Cf/3Q=83.28p/（3X0.577）=48≈50pF
（4）立体声调频
音频信号从第1脚和第22脚输入后通过预加重电路、限幅电路和低通滤波电路后送到混合器（MPX）中，另外由第13、14脚接入7.6MHz晶体的振荡电路通过200分频后产生的38KHz副载波信号，同时38KHz副载波通2分频产生的19KHz导频信号。
音频信号和38KHz的副载波信号被多路复合器进行了平衡调制，产生了一个主信号（L+R）和一个通过DSB调制的38KHz副载波信号（L-R），并与19KHz导频信号组成复合信号从第5脚输出。
图1.11导频方式的调频立体声广播频带结构图
（5）FM发射电路
FM发射电路采用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。
调频调制由变容二极管组成的高频振荡器实现，高频振荡器是一个锁相环的VCO，立体声复合信号通过它直接进行调频调制。
图1.12FM发射电路
高频振荡器是由第9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脚输出，同时输送到锁相环电路进行比较后从第7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。
一但频率超过锁相环设定的频率，第7脚将输出的电平变高；如果是低于设定频率，它将输出的电平变低；相同的时候，它的电平将不变。
2.2.8调频发射的基本原理
A、数据信号发送方：
图1.13数据传送方式
B、数据内容说明：
表1.5数据内容说明
顺序
数据
说明
1
PR-CTL
频率控制字D0-D10
D0为低位D10为高位，其值为实际发射频率除以100KHz的十六进制值。
比如99.7MHz，则为9700KHz÷100KHz=997转为16进制后则为3E5，字位如下：
2
OM-CTL
立体声控制MONO
设为1时开启立体声，设0时关闭立体声
3
PD-CTL
PD输出控制
PD0、PD1
设定
PLL输出状态
PD0
PD1
0
0
正常模式
0
1
输出低
1
0
输出高
1
1
高阻态
4
出厂测试
正常模式下，必须将T0设为1，T1设为0
2.3控制端（MCU）与BH1415的连接
2.3.1介绍控制BH1415频率的方法
BH1415的15、16、17脚分别为CE、CK、DA端，它们是控制芯片发射频率最主要的端口。
CE为芯片的授权端，只有在它为高电平时才允许向BH1415写入控制字，低电平则禁止向它写入；CK为时钟信号，用来锁存数据，在CK由低电平变为高电平的时候（并且高低电平的间隔时间大于1.5μsec时）锁存从DA端接受到的二进制字符；DA为控制字接受端，它所接受的字符将决定芯片的发射频率。
2.3.2硬件连接
此次实验所用的单片机是AT89C51（具体用法略），用单片机控制BH1415，即是用单片机的I/O口来控制BH1415的CE、CK、DA端，在此次实验中选用的是P3.0、P3.1、P3.2三个端口来进行电平传输，P3.0接DA，P3.1接CK，P3.2接CE，电路图如图1.4：
图1.14单片机与BH1415的连接原理图
2.4抗干扰能力
2.4.1干扰来源
（1）附近各个电台相互产生的有害干扰；
（2）相邻两个无线频率发射模块的相互干扰；
（3）非法无线电电台产生的干扰；
（4）信号微弱，产生失真，受外来辐射影响；
2.4.2抗干扰方案
A，增加可选频率，避免重复频率产生干扰；
B，增强发射功率，使信号加强（只在汽车车厢范围内有效）；
2.5简要介绍相关模块
2.5.1液晶显示模块1602
第1脚：
VSS为地电源
第2脚：
VDD接5V正电源
第3脚：
V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，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：
RW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RW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RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW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。
另外引脚"A"和"K"为背光引脚,"A"接正,"K"接负便会点亮背光灯。
2.5.24X4键盘控制
在此次实验中为了让发射的频率减少干扰，所以不能仅仅设置一个发射频率，而应该设置多个发射频率来避免别的电波的干扰。
为了达到可以简单方便的改变电路的发射频率，所以采用键盘式操作。
而考虑到多个可以发射的频率以及以后可能会有扩展功能，所以采用4X4的键盘控制，可以有16个按键可以进行设置，满足了多方面的要求。
用单片机控制键盘采用的I/0口是P1.0-P1.7，开关用的均是简易的4脚开关。
第3章BH1415频率控制程序
3.1BH1415的控制模块
对于BH1415的发射频率控制的方法在前面1.3节已经介绍过了,这里就不再重复。
DA、CE、CK分别接的P3.0、P3.1、P3.2，程序的基本流程图如图2.1：
图2.1BH1415的控制流程图
3.2利用键盘控制BH1415的发射频率值
键盘控制主要是用来控制BH1415的发射频率的选择以及在液晶上显示出其相对应的发射频率的值，这里主要介绍的是键盘控制发射频率的程序。
软件上也就是在按不同的键时用调用不同的已经设好的控制程序，这里采用的主要是用switch语句来达到这个目的。
控制BH1415发射频率的程序为“sendx（）”，程序的主要流程图如图2.2：
图2.2键盘程序流程图
第4章调试
4.1BH1415的调试
BH1415的调试是整个设计最重要的部分，在已经确保液晶显示和按键正确的情况下，应该对BH14115进行调试。
4.1.1硬件部分的调试
PCB板做出来，相应的引线也焊接完毕后，就可以进行BH1415硬件部分的调试。
首先测试芯片是否正常工作，接通电源正负极，用万用表黑表笔接地，红表笔依次测量1-5脚，20-22脚的电压，正常工作电压大概为2.45V左右（1/2Vcc）；用红表笔测量8、12脚的电压应该为电源电压5V左右；测量9脚应为2.83V左右（4/7Vcc）,之后再将黑表笔分别接到6、10脚再选择性地测量几组上面的脚,如果均为正常电压值则表明芯片内部是正常工作的。
再通过一个双端插口将MP3和电路板连接在一起，也就是从1、2脚输如音频信号后再检测。
检测晶振是否正常起振，用示波器的黑表笔接地，红表笔接到13脚、14脚，只要测试出其中任意一脚的波形均为正弦波，且频率大概在7.6MHZ左右,则表明晶振正常起振。
检测压控振荡电路时，用示波器测试R11和C11之间的输出，应该可以检测出来振荡信号的波形，也就是一个正弦波，如果检测出一个正弦波的信号，那表明压控振荡器正常起振。
但是在制作第一块PCB板时，由于当时把电感和变容二极管相隔的距离过远，所以测试压控端时信号很不好，在请教了老师后，了解到在布线时，象晶振，LC振荡电路之类的元器件之间有互相作用的电路，应该尽可能的使这些有互相作用的器件靠近，这样产生的效果才是最好的，隔的太远有时很难作用或者根本不作用。
所以在重新布好PCB板并安装上元器件后，振荡电路的波形明显好转。
用示波器检测5脚的输出，应该可以观察到一个复合信号，它是一个间歇性的信号。
4.1.2软件部分的调试
软件调试时，选择仅先单片机写一个简单的发射程序，发射频率为99.7MHZ观察能否正常发射所设置的调频信号，调试所用程序如下：
#include
sbitK0=P3^0;
sbitK1=P3^1;
sbitK2=P3^2;
unsignedinti;
voidCUN（void）
{
K1=1;
for（i=1;i<5;i++）;
K1=0;
for（i=1;i<4;i++）;
}
voidbh99.7（void）
{
K1=0;
K2=1;
K0=1;CUN（）;
K0=0;CUN（）;
K0=1;CUN（）;
K0=0;CUN（）;
K0=0;CUN（）;
K0=1;CUN（）;
K0=1;CUN（）;
K0=1;CUN（）;
K0=1;CUN（）;
K0=1;CUN（）;
K0=0;CUN（）;
K0=1;CUN（）;
K0=0;CUN（）;
K0=0;CUN（）;
K0=1;CUN（）;
K0=0;CUN（）;
K2=0;
}
将MP3接入电路，此时MP3所播放的是英文歌曲“Myheartwillgoon”用示波器观察11脚的输出波形时,由于示波器的最大显示频率达不到输出的99.7MHZ（一般只能达到20MHZ左右）,所以观察不到稳定的波形,所以选择最直观的用收音机接收,调到99.7MHZ左右,能够接收模糊得听到“Myheartwillgoon”歌曲的播放,表示软件调试正确。
4.2系统整体调试
将之前调试好的各个部分全部连接在一起，进行整体调试。
调试过程中发现在用连线连接两块电路板后
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