基于51单片机的数字FM收音机设计与实现.docx
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基于51单片机的数字FM收音机设计与实现
基于51单片机的数字FM收音机
设计与实现
摘要
现在人们常使用的收音机为手动调频收台，使用较为麻烦，而且由于接收灵敏度不高，所接收的频段较窄。
TEA5767具有高性能的RFAGC电路，其接收灵敏度高、参考频率选择灵活、可实现自动搜台。
本课题采用STC89C52单片机和TEA5767为核心器件，用I2C通信方式联接单片机与TEA5767，实现数字FM收音机系统。
通过编写软件利用单片机控制TEA5767实现手动活自动调频，收到的信号通过TAD2822功放器件放大后，再用扬声器输出信号。
在调频的过程中可以通过LCD1602液晶显示屏来随时查看信号的频率。
关键词：
数字调频；STC89C52；TEA5767；TDA2030
ABSTRACT
NowadayspeopleusuallyusetheradioformanualFMaccept,itismuchtrouble,andbecausetherxsensitivityisnothigh,thefrequencybandreceivedisverynarrow。
TEA5767hashigh-performanceRFAGCcircuit,highsensitivityreceiving,referencefrequencyselectionflexibleanditcanbetherealizationofautomaticsearchplatform。
SointhisdesigningIwillusetheSTC89C52single-chipmicrocomputerandTEA5767asthecorecomponentsofdigitalFMradiosystemandUsetheI2CcommunicationtoconnectbetweenSTC89C52andTEA5767chip。
ThroughthesoftwarewrittenandusingsinglechipcomputercontrolTEA5767achievemanuallylivetobeautomaticFM,receivedsignalthroughtheTAD2030amplifieramplificationdevice,thenusethespeakeroutputthesignal。
IntheprocessofFMthefrequencyofthesignalcanbecheckedbyLCD1602。
Keywords：
DigitalFM；STC89C52；TEA5767；TAD2030
绪论
虽然手机、计算机、电视等各种电子娱乐设施已经越来越普遍，但是收音机在丰富的娱乐媒介中仍然占有重要地位。
随着消费类电子的兴起和繁荣以及数字电子技术的发展，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。
广大从事消费类电子设计的厂商都不忘在诸如MP3、智慧手机、便携式Video播放器等产品中嵌入FM部分。
TEA5767系列单片数字元收音机就被广泛地应用在各类电子产品中。
利用TEA5767设计数字FM收音机与传统的超外差式收音机的调谐方式不太一样，传统的超外差式收音机的固定频率为10.7MZ，而TEA5767系列数字元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。
本设计将采用宏晶STC89C52芯片来控制Philips公司的TEA5767收音模块，从而做成一个数位收音机。
该收音机，具有抗干扰能力强、体积小、方便携带、调频范围宽等优点。
1基于单片机的FM收音机工作原理
1.1FM收音机的基本工作原理
FM收音机由输入回路、高放回路、本振回路、混频回路、中放回路、鉴频回路和音频功率放大器组成。
如图1-1所示。
调频的接收天线以耳机的地线替代，也可直接插上配给的天线ANT，二者工作原理相同。
调频广播的高频信号输入回路直接经电容C、L组成的LC振荡回路，实际上构成一带通滤波器，其通频带为88MHz—108MHz。
在集成块内部接受的调频信号经过高频放大，谐振放大。
被放大的信号与本地振荡器产生的本振信号在内部进行FM混频，混频后输出。
图1-1 FM收音机原理框图
FM混频信号由FM中频回路进行选择，提取以中频10.7MHz为载波的调频波。
该中频选择回路由10.7MHz滤波器构成。
中频调制波经中放电路进行中频放大，然后进行鉴频得到音频信号，经功率放大输出，耦合到扬声器，还原为声音。
此外，因在调频波段未收到电台信号时，内部增益处于失控而产生的噪声很大。
为此，通过检出无信号时的控制电平，控制静噪电路工作，使音频放大器处于微放大状态，从而达到静噪功能。
1.2数字调节FM收音机的工作原理
此设计的基本原理与上述传统收音机的原理相似，在此不再累述。
主要组成部分有单片机、存储器、功放、收音芯片。
此处介绍不同之处。
此方案通过单片机根据键盘输入，通过I2C对TEA5767模块的控制寄存器进行读写操作，以实现TEA5767模块的自动手动搜索功能，音频信号经过由TDA2822构成的功放电路放大处理由扬声器输出。
并将从TEA5767模块中读取的频率字换算后显示在LCD上。
按存储键时，单片机将频率字写入24c02实现存台功能，按读取键即可收听所存电台。
1.3用单片机完成数字调节的FM收音机的功能设计
该设计分为两部分：
硬件电路和程序。
硬件电路包括控制模块、FM调频模块、电源供电模块和接收模块四部分。
主控制器采用的是单片机STC89C52，调频模块采用的是TEA5767芯片，电源供电模块可采用电池直接供电或通过变压设备得到要求的电源。
本设计采用模块化设计，整个系统由、控制模块、TEA576模块、音量控制模块和功放模块显示模块组成，系统的整体方案框图如图1-2
图1-2系统框图
从图1-2中可以看出，控制模块仅仅通过I2C总线与收音模块连接并控制收音机工作。
本设计使用单片机P3口的两个I／O脚来模拟I2C总线的SDA和SCL时序并与TEA5767通信；TEA5767输出的左右声道音频信号可通过音量控制模块进行前级放大及音量控制，然后输入到TDA7057进行后级功率放大，最后输出到扬声器。
单片机可通过I2C总线进行音量调节；ROM存储模块主要用于存储电台数据、音量数据和时钟数据，为存储和读取数据带来方便。
系统可通过按键进行操作，通过MCU检测按键信号并经单片机实现手动搜台、自动搜台、音量控制、时钟调整等功能，各项操作提示和操作结果均可通过LCD显示出来。
稳压电源模块产生的5V和3．3V电压可分别为各个模块器件供电。
2硬件电路设计
2.1硬件组成
基于单片机的数字FM收音机需要用到的主要硬件设施有STC89C52单片机、TDA2030功放芯片、PT2257音量模块、TEA5767FM收音模块，各个硬件之间互相连接后，组成整个收音机的硬件系统。
2.1.1数字FM收音机系统控制中心单片机
在本设计中，需要选用单片机作为整个系统的控制中心，由于对单片机的要求不高，可以选用普通的51系列单片机。
考虑到引脚数量和经济实惠等诸多因素，此设计将采用STC89C52芯片，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，具有以下标准功能：
8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，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。
另外STC89X52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。
外形图和引脚图如图2-1所示
图2-1STC89C52单片机外形图及引脚图
STC89C52在本设计中发挥着至关重要的作用，它是这个系统的控制核心。
STC89C52与外围的硬件相连，向FM收音模块发出指令，决定自动搜索或手动搜索模式。
再通过读按键的方式判断外围电路的指令，该指令经过单片机分析后直接向收音模块发出信号，收音模块在收到信号后，响应外围电路的指令，调整收音的频道。
收音的频道经过单片机的处理之后，将所搜索到的频率显示在LCD1602液晶显示屏上。
2.1.2收音功放芯片TDA2030
收音机系统直接接收到的信号一般都比较微弱，因此需要用通过功率放大器把信放大之后在用扬声器输出。
这个环节需要选用一个体积小、输出功率大、失真小的音频功放芯片。
德律风根生产的TDA2030采用V型5脚单列直插式塑料封装结构。
按引脚的形状引可分为H型和V型。
该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有内部保护电路。
具体外形如图2-2，引脚功能如表2-1，具体参数如表2-2
图2-2TDA2030外形图
表2-1TDA2030功能引脚
引脚
功能
1
正向输入端
2
反向输入端
3
负电源输入端
4
功率输出端
5
正电源输入端
表2-2TDA2030主要参数表
A2030极限参数
参数名称
极限值
单位
电源电压（Vs）
±18
V
输入电压（Vin）
Vs
V
差分输入电压（Vdi）
±15
V
峰值输出电流（Io）
3.5
A
耗散功率（Ptot）（Vdi）
20
V
工作结温（Tj）
-40±150
℃
存储结温（Tstg）
-40±150
℃
2.1.3PT2257音量模块
在收音系统中还需要一个芯片来控制收音机输出的音量，PT22257是由CMOS技术制造而成的2声道音量控制IC，只有8个脚位，采用I2C控制界面，具备0~-79dB的衰减范围，低噪声，高立体分离度及使用极少的周边原件。
内部连接图2-3和外观图分别如图2-4
图2-3PT2257内部电路图
图2-4PT2257外观图
表2-3PT2257引脚
引脚名称
I/O
叙述
引脚编号
LIN
I
左声道输入，需加一交连电容后连接至讯源
1
LOUT
O
左声道输出，需加一交连电容后连接至输出端
2
Vss
-
地线
3
SDA
I
I2C介面DATA输入脚位
4
SCL
I
I2C介面CLOCK输入腳位
5
VDD
-
正电源输入端
6
ROUT
O
右声道输出，需加一交连电容后连接至输出端
7
RIN
I
右声道输入，需加一交连电容后连接至讯源
8
2.1.4FM收音模块
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2-3和表2-3。
图2-3TEA5767芯片引脚分布
表2-3引脚定义
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
该芯片具有以下优点：
（1）集成高灵敏度的低噪声放大器；
（2）内置的FM解调器可以省去外部鉴频器，并且FM的中频选择性可在芯片内部完成；（3）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；（4）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（5）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。
其基本工作原理分析：
（1）天线输入电路：
RFANT天线经过C1耦合送入LI、C2、C4组成的RF带通滤波器（87.6MHz~108MHz和76MHz~87.5MHz）送入TEA5767的35、37脚，通过TEA5767内部高通放大。
模拟电源由FM3V3经过R1限流C5滤波后送入TEA5767的34脚。
（2）可调式LC谐振回路：
2、3、4脚接内部VCO，外接变容二极管D1、D2。
2脚为调谐电压输出，自动搜索时电压在1V内变化。
VCO供电由FM3V3经过R4限流C13滤波送如TEA5767的第5脚。
（3）I2C控制总线：
内置I2C接口，通过TEA5767的8、9脚控制，CPU通过I2C对其进行搜台、选台操作。
数字电源由FM3V3经过R7限流C19滤波送如TEA5767的第7脚。
（4）CO震荡电路：
CO震荡电路主要由XT1（32.768）、C14送入TEA5767的17脚输入，再从18脚输出到C15，产生32.768的基本时钟。
（5）音频输出电路：
经过TEA5767处理后的模拟音频信号从23（右声道）、22（左声道）输出到后级功放电路放大。
原理框图如图2-4
图2-4原理框图
2.2FM电路及其设计
FM接收电路是系统硬件电路中的核心部分之一，本硬件系统采用单芯片TEA5767HN模块作为FM接收电路的核心元器件。
Philips公司提供的TEA5767HN模块芯片为低电压、低功耗和低价位的全集成单芯片立体声无线电产品，它只需要极少的外围元件，并且基本上不需要外部对高频信号的手动调准。
另外，其频带范围较宽，可以完全免费调到欧洲、美国和日本的调频波段。
其模块应用接线图如图2-5所示。
图2-5FM模块应用接线图
图2-5中VCC接3.3V的电源，并通过磁珠及电容器件进行干扰抑制，注意磁珠FB应选用特征频率为100MHz，直流电阻的贴片元件，这样有利于对高频噪声进行抑制但同时又不是系统产生过多的直流损耗22uF的电容最好选用钽电容，2个0.1uF的电容可选用介电常数高、高频性能好的陶瓷电容，这样就保证了整个FMModule的电源系统的稳定。
BUS-MODE是用来选择CPU与FMModule，串口通信的方式，为I2C的通信方式DATA和CLK即为I2C通信的数据线和时钟线，系统的CPU通过I2C接口即可对FMModule进行控制。
W/READ在该系统没有使用，此时FMModule通过W/READ，CLK，DATA与系统的CPU实现三线方式串行通信。
BUS-ENABLE为总线使能信号，当BUS-ENABLE为逻辑低时使FMModule进入省电模式，该系统中把其直接拉高，是因为FMModule可以通过I2C接口控制其进入省电模式。
FM_ANT为FMModule的天线接口即射频信号输入脚，目前在此类消费电子产品中，天线大多采用耳机线代替，该产品也不例外，上图中的J3即为立体声耳机接口。
耳机左右声道信号线上感应到的毫伏级的FM信号即可通过J3脚的脚③进入到FMNodule中。
当然这么小的信号不会对耳机上的音质有什么影响，而且由于有上图中的3个0.22uH空心电感的隔离作用，FM的信号可以损耗很小的地被FMModule接收。
值得注意的是3个空心电感应该在电路板上紧靠耳机接口放置以增加接收的灵敏度，并且电感的直流阻抗应尽量小，这样可以减少音频的功率损耗。
3个电感的选用考虑到空心结构的、可能外形尺寸比较大，不太合适于便携式产品的应用，可以选用陶瓷支架的电感。
尽量不要选用非线性比较大的铁氧支架电感，因为这有可能影响耳机的音质。
2.3单片机控制与显示电路
微控制器部分以STC89C52为核心，包括复位电路，晶振电路和按键控制电路，特别注意的是电源输入要加上去藕电容，电路原理图见图2-6
图2-6单片机控制电路
显示电路采用LCD1602为主器件，具体电路如图2-7
图2-7LCD1602显示电路
2.4供电电路与放大电路
供电电路直接输入DC9V，经过ASM1117-5V进行5V稳压输出。
模块3.3V电源由ASM1117-3.3直接提供。
如图2-8
图2-8供电电路
放大电路如图2-9该电路工功能是放大收音机收到的信号
图2-9放大电路
3软件设计
基于STC89C52的单片机控制平台的TEA5767数字收音机的软件设计主要包括六个部分：
I2C总线通信协议、TEA5767HN收音模块控制、PT2257音量控制、AT24C02存储模块控制、键盘扫描及状态显示。
本文的软件系统设计应当着重分析TEA5767HN收音模块控制、PT2257音量模块这两部分的工作原理以及编程思路。
本系统程序使用C语言编写，主程序由启动、初始化、键盘扫描、按键处理、液晶显示等5大模块组成。
其中系统初始化包括STC89C52的初始化、TEA5767HN的初始化和LCD的初始化；按键处理通过调用函数的方法实现按键复用功能，可实现手动搜台、自动搜台、音量控制、时间调整、闹钟调整等操作；显示模块可显示系统的各个工作状态。
3.1键盘与显示函数设计
3.1.1LCD液晶显示函数
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志位低电平，表示不忙，否则指令失效。
要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块哪里显示字符，图3-1是1602的内部显示地址
图3-1LCD1602内部地址
LCD1602初始化指令：
延时15mS
写指令38H（不检测忙信号）延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）
延时5mS
写指令38H（不检测忙信号）
以后每次写指令和读/写数据操作均需要检测忙信号
写指令38H：
显示模式设置
写指令08H：
显示关闭
写指令01H：
显示清零
写指令06H：
显示光标移动设置
写指令0CH：
显示开及光标设置
3.1.2键盘读键子程序：
图3-2流程图
charreadkey（void）
{
chartemp,temp1,charkey;
temp=p3;
delay（100）;
if（（temp1=p3）==temp）
{
temp=temp&0x0f;
switch（temp）
{
case0x0e:
key=1;break;
case0x0d:
key=2;break;
case0x0b:
key=3;break;
case0x07:
key=4;break;
default;key=0;
}
}
returnkey;
}
3.2数字调节与收音控制程序设计
3.2.1EA5767HN读写寄存器
吃透芯片的寄存器是编好程序的关键TEA5767HN有5个写寄存器和5个读寄存器，每个寄存器可存储8位数据。
写寄存器可以存储控制信息，包括软件静音、模式选择、PLL可编程计数器的设置、向上向下搜索模式选择、静左／右音频、可编程端口的设置、待机节能模式、欧洲／日本频段选择、晶振频率选择、ADC门限设置、去加重设置等。
读寄存器可检测接收电路状态，反馈控制信息，包括搜索到有效电台标志位、搜索到有效电台后PLL可编程计数器的状态、4bADC的输出、以及7bIF中频输出。
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：
表3-1芯片寄存器地址格式
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
表3-2数据字节1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
b）位描述
表3-3数据字节1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。
数据字节2
a）字节格式
表3-4数据字节2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
b）位描述
表3-5数据字节2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。
数据字节3
a）字节格式
表3-6数据字节3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
b）位描述
表3-7数据字节3位描述
位号
符号
描述
7
SUD
SUD=1，增加频率搜索；SUD=0，减小频率搜索。
6和5
SLL[1：
0]
搜索停止标准：
见下表1。
4
HLSI
高/低充电电流切换：
HLSI=1，高充电电流；HLSI=0，低充电电流。
3
MS
立体声/单声道：
MS=1，单声道；MS=0，立体声。
2
ML
左声道静音：
ML=1，左声道静音并置立体声，ML=0，左声道正常。
1
MR
右声道静音：
MR=1，右声道静音并置立体声，MR=0，右声道正常。
0
SWP1
软件可编程端口1：
SWP1=1，端口1高电平；SWP1=0，端口1低电平。
注：
搜索停止标准设定
表3-8搜索停止标准
SSL1
SSL2
搜索停止标准
0
0
在搜索模式下禁止
0
1
低：
ADC输出大小为5
1
0
中：
ADC输出大小为7
1
1
高：
ADC输出大小为10
数据字节4
a）字节格式
表3-9数据字节4字节格式
位7（高位）
位6
位5
位4
位3
位2
升级会员 