調頻無線話筒設計目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 頁摘要：隨著經濟的高速發展，我國的城市越來越現代化、智能化，更能滿足人們對美好生活的追求，這都是改革開放40多年帶來的成果。但是，城市化發展的同時，社會對于電子設備要求越來越高，其中調頻無線話筒是其中最常見的，隨時隨地伴隨著人們的生活，也影響著人們的生活。如何解決調頻無線話筒，已經成為社會問題之一。而調頻，則是解決這個調頻問題的前提。本文的設計是由STC89C52單片機作為控制模塊控制調頻發射的頻率、BH1415芯片和其相關的外圍電路作為調頻發射模塊，芯片的特點有：高保真，體積小，易于制作電路，易于生成發射頻率。使用LCD數碼顯示屏作為顯示模塊等設計一個無線話筒系統。電路總共分為信號輸入部分、音頻放大部分和高頻放大器部分，選擇直接調頻方式。關鍵字：無線話筒；單片機；話筒1緒論1.1研究背景隨著科學技術的高速發展和巨大進步，電子和數碼產品已在生活和生產中占據的地位已經不同以往般微弱。在平常生活中使用的信息傳播技術是高科技的類別之一，是電子技術發展的結晶。電子科學的發展也促進了通信的發展。可以說，今天的通信業務在生活和生產中起著舉足輕重的作用。例如手機，無線電視和衛星通信等已成為人類生活中的主導。發射器和接收器是一個成熟的通信系統中的主要設備。可以說，接收機和話筒的發展歷史就是整個通信行業的發展歷史。由此可知若要使電信行業得到發展，則必須加大研發話筒和接收機的力度。從目前的調頻話筒業的技術發展的角度來說,對這種高塔大功率覆蓋的調頻話筒模式來說，這種調頻話筒模式的主要特點和技術的優勢之一就在于它非常適合施工,并且由于它可以快速地提供施工成果。但是,這種調頻話筒模式也有一些較為明顯的缺點：由于高塔的fm調頻系統的話筒在“米”為頻率單位的的大功率波段內無法連續運行,由于高樓大廈和其他物體的光線反射,很容易對其形成多徑向的干擾；由于無法覆蓋高山和山谷等的地形,會對其產生各種因素,比如無法計劃接收到反射信號的陰影覆蓋區域；由于無法準確重用頻率,難以準確計劃反射信號覆蓋較大的反射區域；頻譜的使用率低；長中短距離話筒路線的連續覆蓋問題無法得到解決。因世界范圍內國家和區域眾多的原因，頻率資源是極其稀有的各國爭相爭搶的非實體化資源。各國都有對頻率資源相關的法律來對頻率的使用施加限制。話筒頻率由政府管理部門發布，現在許多公司和媒體已準備好大力投資競標使用頻譜的權利。在無線傳輸中，單個載波頻率用于傳輸單一的或一組立體聲軟件。由于現存的FM頻率資源十分有限，且資源剩余量嚴重不足，話筒技術人員開辟了另一種話筒技術形式，這種新興的話筒形式是小型同步調頻話筒，具有多布點，低功率，同頻，同相，同步傳輸，這是這種調頻技術的優勢和特點，也是這種調頻技術被目前市場上普遍使用的原因。但是同樣存在著許多問題，不過這些問題可以從技術上克服。可以通過微波，電纜甚至衛星進行信號傳輸，例如GPS定位功能。市場上大多數小功率的話筒調頻設計都使用模擬振蕩器，模擬振蕩器在進行工作時總會存在發射頻率單一，穩定性差的不足等問題，兩臺獨立的模擬話筒在附近使用時，由于頻率相似，通常會互相造成通信干擾或語音干擾，從而嚴重影響正常使用。以BH1415作為發射頻率控制模塊的小功率話筒調頻話筒，其有許多特點，包括具有鎖相環用以控制頻率，電路集成度高。這些特點使其不僅可以具有良好的發射頻率穩定性,而且話筒可以在87.5mhz至108.0mhz的范圍內任意的設置其發射頻率,可以有效的避免與調頻話筒相鄰的頻率受到干擾。使用單芯片FM發射器，可以將發射頻率調整為0.1MHz的分辨率，被廣泛用于無線話筒系統當中。1.2研究意義調頻話筒因為需要用一定頻率的波段作為信道傳輸，所以規定各個國家有特定的頻率，中國的頻率為88-108MHz。近年來我國的調頻技術高速發展，以至于調頻話筒技術被融入了大部分人的生活，調頻話筒因其保真程度高、范圍廣闊、信噪比高等優點被當成城市話筒的主要覆蓋手段。隨著城市范圍的擴大，對FM話筒的發射功率也有了更高的要求。從在話筒剛開始起步時的100W-300W功率增加到1000W-3000W，而且對發射天線的要求也相應的從幾十米到三四百米。在這種后就形成了高塔大功率覆蓋模式。一個完整無線話筒系統設計的組成主要是由輸入轉換器、發射裝置、信道、接收裝置、輸出轉換器組成。輸出換能器負責將待傳送的非電能信號，比如聲音或圖片，轉換成電信號。話筒則主要完成調制和放大兩大任務，即本設計主要需要完成信號調制和放大。調制分為調頻、調幅、調相，調相和調頻有密切的關系，不論調頻還是調相，都會導致相角的改變，所以調頻與調相一起被稱為調角。在模擬通信里很少采用調相制，它主要是用來作為得到調頻的一種方法。調頻的頻譜寬度遠大于調幅信號的頻譜寬度，因此通常情況下調頻比調幅音質好。調頻比調幅抗干擾能力強，且調頻功率利用率還大于調幅。1.3國內外研究現狀隨著調頻話筒發展的越來越成熟，便攜與經濟成為一大研究方向。AbhishekShrivastava在2017年發表的“低頻調頻信號（FM）話筒的設計與開發”，用分立元件構建了最簡單、最經濟的FM話筒。J.Ryu和K.K.Kim于2016年發表的“帶有內置天線和內置蓄電池的Mini-FM發射器”提出了一種可實現強大的短距離通信的內置天線的低功耗小型話筒。2020年DeborsiBasu和AbhishekBhowmik發表了智能和便攜無線話筒的廣泛通信設計與實現，也展現了智能和便攜在日常生活中的需求。集成芯片也成為一大趨勢，2019年Musa,A.andB.Paul在IEEE上發表的壓電驅動的調頻話筒的設計，將壓電式能量采集器和FM發射器結合在一起，用麥克風和發射器設備和ATmega328P來在偏遠地區進行遠程監聽。國內對數字調頻話筒的研究較多，此外將無線調頻話筒與單片機結合也是有很多嘗試。比如冒曉莉，楊博等人在2013年探討了基于MSP430單片機的數字調頻話筒。吳家烜在2017年就設計了一種基于STC單片機和PLL的頻率為60~90MHz的調頻話筒。由于該技術采用了小功率布點的方法，在滿足覆蓋范圍需求的情況下，將一臺無線話筒的功率分別降低到10W，50W左右，最大不超過300W，這導致許多問題都得到了解決。對于多徑干擾類問題，由于功率較低，大多數反射波場強度會降低到低干擾甚至無干擾水平，并且由于點數過多，一些多徑干擾區域可能會相互覆蓋；可以通過使這些點同步來消除陰影區域。低功率輻射易于規劃和改善頻譜使用；可以促進單頻網絡的形成，以滿足對交通線的完整覆蓋并確保駕駛員和乘客能連續不斷地接收到信號；場強不均勻程度非常低，僅僅只有30dB，且使用低極化垂直天線大大降低了對空輻射和近場輻射，該措施不僅能有效的節省能源，而且符合電磁環境健康標準，并且可以避免飛機在飛行頻率范圍內造成干擾的情況。和國外一樣，國內對調頻話筒的小型化也仍有研究，并將其與車載、遙測、無人機等實際用途結合。2004年，鄭貴強；周邦華提出了用鎖相調頻的方式實現高碼速率的遙測話筒，總結了話筒各個典型的小型化的方案優缺點。2008年趙海淺談了小型車載調頻話筒的類，以及根據車載這一要求選擇供電方式、發射功率、天線等，音頻信號輸入可用MP3等耳機輸出孔。2011年樊立明、孫文友設計了一種基于DF7020-1單片機收發芯片的小型話筒，采用的間接調頻的方案，用設計的話筒搭載無人機并傳輸參數。2系統設計方案論證2.1系統的組成本設計可分為以下模塊：芯片主控模塊、傳聲器模塊、前置放大電路模塊、A/C計權模塊、系統供電穩壓模塊、OLED顯示模塊、按鍵模塊等。芯片主控模塊選用的是STM32F103C8T6芯片；傳聲器模塊使用的是駐極體話筒6050；LED顯示模塊采用LED顯示屏；前置放大電路模塊使用的是LM386芯片；其次系統供電穩壓模塊選用芯片。2.2系統的功能介紹及操作說明本課程要求設計并制作一臺可調解話筒，通過傳聲器接收聲音信號并轉化為電信號，經前置放大電路模塊進行放大，再通過A/C計權電路進行電信號的濾波，最后由STM32系統進行數據處理，在OLED屏上顯示分貝數。功能如下：1．調解的范圍可達40~120dB；2．具有A計權模式和C計權模式。2.3系統方案論證采用STC89C52單片機作為主控芯片。STC89C52是一種功耗低、性能好的51內核的CMOS8位單片機，片上Flash允許程序存儲器在系統可編程，也適于常規編程器，與STC89C51的指令和管腳完全兼容，卻不再要求啟動像STC89C51那樣的VPP編程高壓。在STC89系列芯片上，擁有靈巧的8位CPU、512字節RAM和8K字節系統在線編程Flash，使得STC89C52在眾多嵌入式控制應用系統中得到廣泛應用。方案一：采用LED數碼管動態掃描，功耗低，壽命長，可顯示文字及圖案，顏色多變，而且采用動態掃描法時占用接口少、功耗更低。但是由于數碼管動態掃描需要借助74LS164移位寄存器進行移位，這樣的顯示模塊在電路焊接和調試時容易出現問題，會給整個電路的調試帶來障礙；且內部LED、電路板是裸露的，當外罩接口處熱熔膠出現問題時，進水導致損壞LED，不適合本設計中的戶外要求。方案二：采用LCD液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強大，可顯示文字圖形，顯示多樣，背光可調，價格低廉，但是低廉的LCD屏分辨率不高，對比度不足，而且需要的接口較多，會給電路焊接和調試帶來諸多不便。方案三：采用LED顯示屏，由于LED屏由有機發光二極管組成，具備自發光特性，不需背光源，且對比度高、色彩鮮艷、視角廣、反應速度快，因此LED的功耗低、更加適合小系統。綜上所述：本系統需要一定數量的字符與數字，且注重顯示效果，讓使用者看得舒服，所以這里選擇價格適中、顯示效果好的LED顯示屏。3系統硬件電路設計3.1主控模塊和大腦之于身體的重要性一樣，主控芯片在整個系統中起著統籌的作用，它是指揮和控制中心，需要檢測按鍵、數據采集處理、維護系統運行等各種參數要求，同時要驅動液晶顯示、外置內存芯片等外接設備，所以挑選合適的主控芯片是主控系統的首要任務。在這里我們選用了STM32芯片系列中的STM32F103C8T6作為本系統的主控芯片。STM32F103C8T6有48個引腳，工作頻率為72MHz，內置64K字節Flash存儲器和20K字節的SRAM存儲器，包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和1個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C接口和SPI接口、3個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。3.2語音存儲模塊設計語音模塊又名話筒，麥克風。本設計的傳聲器模塊使用的是駐極體話筒6050，如圖中的MIC。駐極體話筒具有體積小、結構簡單、電聲性能好、價格低的特點，廣泛應用于盒式錄音機、無線話筒及聲控等電路中。傳聲器的作用就是將聲信號轉化為電信號。駐極體話筒6050就承擔了這個任務，將外界的聲音信號轉化為可處理的電信號，經過簡單的濾波后，將電信號送入電路進行后續處理進行留音。如圖3-7傳聲器模塊電路圖圖3-7留音模塊電路圖3.3LCD液晶顯示器簡介LED，即有機發光二極管（OrganicLight-EmittingDiode）。LED屬于一種電流型的有機發光器件，是通過載流子的注入和復合而致發光的現象，發光強度與注入的電流成正比。LED在電場的作用下，陽極產生的空穴和陰極產生的電子就會發生移動，分別向空穴傳輸層和電子傳輸層注入，遷移到發光層。當二者在發光層相遇時，產生能量激子，從而激發發光分子最終產生可見光。LCD是自發光的。這樣同樣的顯示OLED效果要來得好一些，這也是我選擇的原因，讓聲級計使用者看得更舒服。以目前的技術，LED的尺寸還難以實現大尺寸量產，主要都是手機尺寸大小量產，但是分辨率卻能做到很高，比較受高端電子產品青睞。之前使用比較多的屏都是LCD的、需要背光、功耗較高，而LED的自發光、功耗低、更加適合小系統，鑒于兩者發光模式的不同、在相同的環境中LED的顯示效果更好。由于之前使用過，在此我們選擇的是中景園電子的0.96寸LED顯示屏，模塊供電可以是3.3V也可以是5V、不需要修改模塊電路，使用方便。LED顯示屏模塊實物圖如圖所示。圖3-5OLED顯示屏模塊實物圖3.4功率放大模塊的設計高頻功率放大器的基本原理圖如圖4-1所示。因為高頻功率放大器的高頻諧振回路被接入了一個來自作為高頻功率放大管的三極管的集電極。所以高頻諧振回路功率的放大器常常被用來指代高頻功率的放大器。從電路結構看，功率放大管、輸入電路回路和輸出諧振回路、集電極電源和基級偏置電源組成了高頻功率放大器。通過電路結構我們可以看出，其與高頻小信號調諧放大器有相似之處，但其不同的地方也很多，具體為：高頻功率放大器是基于高頻大功率做的晶體管，制造工藝為平面工藝，且添加了散熱片在集電極端并與集電極直接相連。一般情況下使用調諧回路作為輸入回路，導致了高頻功率放大器既能實現調諧選頻的功能，又能讓放大管與信號源兩兩相匹配。LC調諧回路作為輸入回路的同時也作為輸出端的負載回路所以其能實現放大器輸出端與負載相匹配又能完成調諧選頻兩種功能。大部分時間電路工作在丙類（即C類）狀態的原因是基級偏置電路提供的電壓是副偏壓（-UBB）。圖4-1高頻功率放大器的等效電路3.5電源穩壓模塊設計本系統的設計是采用5V的電壓源供電的，但是STM32需要3.3V的電壓供電、傳聲器需要5V電壓供電、A/C計權需要1.6V偏置電壓，因此這里需要做一個穩壓電路把5V轉換成3.3V和1.6V，這里選用的穩壓芯片是AMS1117，該芯片的片上微調把基準電壓調整到1.5%的誤差以內，而且電流限制也得到了調整，以盡量減少因穩壓器和電源電路超載而造成的壓力。圖3-9為該芯片的電路設計圖。圖3-9系統供電穩壓電路圖4系統軟件設計4.1程序設計原理本次設計除了能夠通過按鍵控制單片機來調整調頻無線話筒的發射頻率外還有多種功能，這些功能都通過按鍵實現。單片機電路通電后，屏幕上第一排顯示的是給單片機預先設置的時間，第二排顯示當前的發射頻率，默認為100.0MHz。當單獨按下按鍵1時，單片機將進入萬年歷功能，LCD1602顯示屏上的第一排會顯示年-月-日，第二排會顯示時間，即時-分，當光標所處的位置開始閃爍時就能通過按鍵來改變該光標所處的數字；當單獨按下按鍵2時，單片機將進入設置發射時間的模式，LCD顯示屏上會顯示時-分，當光標所處的位置開始閃爍時就表示當前編輯的是該位置的數字，也是通過按鍵實現編輯。當按鍵1和按鍵2都沒有被按下時，按鍵3和按鍵4是控制單片機發射頻率的按鍵，按鍵3為“加”，按鍵4為“減”。流程圖如圖5-2所示。圖5-2總體功能流程圖4.2系統軟件流程圖首先，系統開始工作前應先把整個程序進行初始化。將整個系統接入電源后，按下單片機控制板的電源開關開始通電，現在屏幕上顯示“100.0”，“100.0”的意思是將預制的發射功率設為100MHz，送入調頻發射電路中的BH1415芯片，然后進入循環以檢查鍵并查看功能。當按下某個鍵時，程序將判斷所按下的鍵，然后執行相應鍵的功能，并調用數字屏幕以顯示所設置的傳輸頻率；當未按下任何鍵時，它將返回鍵盤進行檢查，然后判斷是否按下了該鍵。本程序設計的一般流程圖如圖5-1所示。圖5-1程序設計整體流程圖5系統調試5.1硬件調試硬件調試時應首先對電路板進行檢查，查看是否會有空焊的現象發生。在檢查無誤后可以對系統進行通電檢查。實際制作中可結合示波器對電路板的重要點例如調頻發射電路中BH1415芯片的某些引腳進行測量，并對功率放大器中流過各級放大電路的晶體管的信號波形進行顯示。并利用萬用表，示波器等儀器測量每個部分的電壓和頻率。檢查完后再檢查源程序是否有誤。在對所有的電路板的焊接情況檢查完畢后，就可以對調頻發射電路進行調試。首先先對電路板輸入+5V電壓，用萬用電表的正極依次測量BH1415芯片的1-5腳，正常情況下1-5引腳的輸出電壓都為1/2Vcc，即+2.5V。再測量8腳和12腳的電壓，正常情況下這兩個引腳的電壓應為Vcc，即+5V。再測量9腳的電壓，應為2.8V左右（即4/7Vcc）。最后測量芯片的晶振是否正常起振時應將一個音頻信號以立體聲輸入的方式輸入電路，然后用示波器測量13腳和14腳的波形，只要這兩個引腳的任意一個引腳中測量出來的波形為正弦波，且頻率在7.6MHz左右，就表明晶振能夠正常工作。綜上所述，若電路滿足于各自正常工作的基本參數，那么調頻電路板就是能夠正常工作的。如果無法調節頻率，或者無法由單片機控制頻率，則出現這種類型的問題的原因主要是壓控調試不對也就是沒有鎖相。在調試高頻放大器的時候需要多次更換電容和空心線圈電感以達到要求，然后調整電路的其他元件使BH1415芯片可以順利的產生振蕩。如果調試中頻率覆蓋范圍沒有達到預期，可能會有以下的原因：一個原因是變容二極管變容范圍不夠大；另一個原因是LC振蕩電路調整的不完善。調試過程中若某些電阻燒毀，其原因在于流過被燒毀電阻的電流過大，超過了電阻的額定功率從而導致電阻燒毀，應更換一個較大阻值的電阻或嘗試調整接入電路的電壓。需要特別注意的是，單片機控制板和調頻電路板連接時必須要共電源和共地，即把單片機的電源電路部分和地線部分一起與調頻發射板相連，其主要原因有兩個，其一在于如果單片機控制板和調頻發射板不共電源和共地會造成電位差從而導致電路會出現嚴重的干擾，使電路無法正常工作，其二在于時鐘電路和芯片電路的端口的信號失真，在這種情況下電路一樣無法正常工作。圖5-2整體設計圖調通各種程序及相關硬件電路的的情況下，在高頻放大器的最末級放大端接上一段內阻為50Ω電線作為發射天線，在一定距離內若不出現天氣等非人為因素干擾的情況下就能正常收到調頻話筒。5.2軟件調試本系統是一個比較復雜的數字系統，由多個模塊組成，所以對于它的程序也較為復雜，容易在編寫程序和調試時出現了一些問題。因為習慣了Keil系列軟件，本次我是使用Keil5軟件編寫、修改和燒錄代碼。在軟件調試的過程中遇到的問題如下：硬件調試初出現了波形后，LED屏上卻顯示“8Bd2”，怎么會出現亂碼呢，還好我手機顯示了29dB(我用了手機測分貝進行比對)，原來是顯示位選出了問題。經查看代碼和LED屏的資料后，修改了這部分的代碼，解決了這個問題。6總結及心得本次畢設的主要任務是做一個以STC89C52為核心的聲級計設計。通過調試修改，實驗驗證了系統的可行性，能滿足設計要求，達到設計目標，實現對話筒調頻信號的采集、處理功能，并通過LED屏顯示出調頻值，達到40-120的指標。通過本次畢業設計，能充分施展人的