数字调频收音机

摘要

现如今随着时代的发展，收音机已经遍布于家家户户，然而人们所使用的大多模拟调谐制式的，在收音效果上面还有许多的不足，为了使得收音效果更加，因而出现了数字调谐收音机。而本次设计的数控调频收音机的收音电路主要是通过STC89C52单片机来控制频率的选择、声音的大小；收音电路内部所使用的芯片为RDA5807M，使得单片机与收音电路之间通过IIC通信协议进行通信的，故使得该数控收音机比一般模拟收音机在频率的选择和声音的控制上更为准确。由于该收音机大部分都是由集成化电路所组成，因而减少了由于手工布线造成元器件间的相互干扰，使其具有噪音消除、低音增强、灵敏度高、噪声小、抗干扰能力强等优点；其收音范围为（76-108MHz），体积小巧，非常适合于随身携带。

关键词：数控收音机，调频，IIC通信协议

Abstract

Nowadays, with the development of the timesthe radio has been spread all over each and every family. These people use most are analog tuning system and have many shortcomings. In order to make the sound sounds more good, a digital radio appears. Through the STC89C52 single-chip microcomputer he radio circuit NC FM radio is mainly controlled control the selection of frequency, the size of the sound. The radio circuit inside is the chip RDA5807M which can make the MCU and radio circuit through the IIC communication protocol, so that the NC radio is more accuratethan general analog radio in controlling the selection and the sound frequency. As the radio is mostly composed of integrated circuit, it can reduce the manual wiring causing mutual interference between the components which has the advantages of eliminating noise, bass boost, high sensitivity, low noise, strong anti-jamming ability and so on.The radio range is very wide(76-108MHz). It has small size so it is very suitable for carry on.

Key words：Digital radio, FM,IIC

目录

第1章绪论 (1)

1.1 数控收音机背景 (1)

1.2 数控收音机的国内外发展状况 (2)

1.3 主要设计内容和要求 (3)

第2章设计方案对比与理论分析 (4)

2.1 设计方案对比 (4)

2.2 收音机系统原理 (5)

2.3 系统架构 (6)

2.4 系统各部分的理论分析 (7)

2.4.1 单片机最小系统分析 (7)

2.4.2 显示模块 (8)

2.4.3 收音电路 (9)

第3章收音电路设计 (10)

3.1 收音电路 (10)

3.1.1 收音电路原理 (10)

3.1.2 收音电路模块化引脚分析 (10)

3.2 收音模块应用电路设计 (11)

第4章控制电路设计 (13)

4.1 电路控制模块设计 (13)

4.2 显示模块设计 (14)

4.3 电源模块设计 (15)

第5章软件设计 (16)

5.1 IIC通信协议分析 (16)

5.2 程序流程图 (18)

5.2.1 主程序流程图 (18)

5.2.2 收音电路流程图设计 (19)

5.3 系统主程序 (20)

第6章系统调试 (24)

6.1 硬件调试 (24)

6.2 软件调试 (25)

6.3 结果分析 (26)

结论 (27)

参考文献 (28)

致谢 (30)

附录 (31)

第1章绪论

1.1 数控收音机背景

1888年德国科学家赫兹，发现了无线电波的存在。1895年俄罗斯物理学家波波夫相距在600码的两地，成功地接收无线电讯号。1901年马可尼发射无线电横越大西洋，1906年加拿大发明家费森登开始无线电广播。同年，美国人发明了真空电子管，是真空收音机的始祖。收音机从电路里只有一个半导体元件的矿石收音机，发展到电子管收音机，从一种小型的基于晶体管的无线电接收机发展到集成电路收音机[3]。

现如今随着时代的发展，收音机遍布家家户户，随处都能见到收音机的身影，它为许多山村留守老人带去了欢乐，也时刻给他们传递着万千世界不断变迁的时代信息。然而之前所使用的收音机大多为模拟调谐收音机，这种收音机由于其调谐都是可变电阻或者可变电感等硬件来进行调谐的，且对于广播信号的放大和声音的还原也都是依靠于硬件，故其具有频率不够精准和漂频等缺点，使得用户在使用的时候具有极大的不舒适感[1]。鉴于此缺点和科学技术不断发展，出现了新一代的高科技收音机——数字调频收音机，数字调谐收音机采用PLL锁相技术来搜索和锁定频率，其最大的优点就是弥补了模拟调谐所产生的频率不准确和漂频等缺点，使得人们在使用的时候具有极大的舒适感[8]。数字调谐收音机的出现促进传统收音机更新换代，因而其具有极大的市场潜力。

1.2 数控收音机的国内外发展状况

随着人类社会的进步与科学技术的发展，各种家用电器设备已经变得数字化，智能化，集成化，主要是因为进入21世纪之后单片机的快速发展与应用。它是一种由集成电路芯片构成，采用超大规模集成电路技术，把具有数据处理能力的中央处理器、存储器、只读存储器、多种输入输出口和中断系统等构成的一个微型化计算机系统[10]。目前有很多国外公司都有提供该类处理芯片，比较著名的是Philips公司的TEA5767及TEA5768数字FM处理芯片，该芯片为低电压、低功耗和低价位的全集成单芯片立体声无线电产品，只需要极少的外部元器件，且不需要外部对高频信号的手动调准和频带范围广等特点，使得国外的收音机发展速度快于国内，且现在基本发展到了网络收音机，通过与网络的结合提升频率搜索范围和声音的清晰度[17]。

而在国内收音机是一款家喻户晓的无线通信接收设备，使得外界的信息能够被人们所获知。然而最为原始的收音机是由各种元器件、磁铁和一些机械固件所组成的模拟收音机，其工作原理是用电能将无线电波信号转换成发射音频信号，使人们能够听到万里之外电台主播的声音[18]。根据检波模式的不同，可以将数字收音机分为直接检波式收音机和超外差式收音机，两者的主要区别是超外差式收音机将所选择的高频信号载波频率变为比较低的且固定不变的中频信号，在用放大器将其放大，之后进行检波。由于其频率比高频已调信号低，使得中频调频放大增益可以做的较大，工作也相对稳定，使得检波器获得足够大的信号，从而使输出的音频信号获得较好的音质效果。现在所使用的超外差式收音机主要有调频收音机、调频立体声收音机等[2]。因此研制一个数控调频收音机以提高现有收音机的科技含量和智能化非常的迫在眉睫，使得频率的选择和声音的大小都是由单片机进行控制，且单片机与收音模块之间是通过IIC通信协议进行通信的，提高了通信的质量。

1.3 主要设计内容和要求

对于本次设计最重要的是利用RDA5807M芯片收音电路来制作一个数控式调频收音机，期望能够通过制作收音机来把自己这四年所学的知识，完全的利用起来，以达到理论知识与实际应用的完美结合，提升自己的技术水平，让自己具有对电子产品的分析、制作、调试和维修的能力。

根据本次设计的的要求，要求该款收音机具有一定的实用性、高性能、工作稳定、体积小巧、接收灵敏度高、易调谐、可实现自动搜台的能力、能够与全球所有民用频段相兼容（76-108MHz）、噪声小等，使用者感觉非常舒适，且具备频率和声音的显示功能和频段的存储功能[13]。故选择了上面所提到的收音芯片——RDA5807M，因为这款芯片的性能在同类芯片中相对来说是最稳定且接收灵敏度是最高的，还有非常好的音质，使使用者在听的时候感觉非常舒适。

在确认好所需的收音芯片之后，我查阅了很多资料，经过慎重的考察与分析最终确定了本次设计的设计方案。对于本次设计方案其数控原理主要是利用单片机来实现对收音模块的控制，在单片机做出相应的的指令之后，收音模块根据指令变换到相应的参数，之后单片机给液晶显示器发送数据，以显示收音模块现在所处的频率和声音大小。在该系统中最为主要的是收音模块电路的应用，因为在硬件电路板的设计中如不是很好的摆放元器件，则容易造成之间的相互干扰，引发收音质量的下降。在完成所有的理论分析和硬件电路板的焊接后，软件的编写成了重中之重，由于单片机和收音模块之间使用的是IIC通信协议，该协议对于时序的要求特别严格，因而也增加了本次软件编写的难度。

第2章设计方案对比与理论分析

2.1 设计方案对比

在如今这个信息化时代，接收和传送信息变得越发重要，而收音机作为一个传统的接收设备，已经深入到人们的日常生活当中，尤其是能够为那些孤寡老人带去最新的讯息。对于电子领域，制作数控调频收音机分为两种方式：一是使用集成电路来制作收音，二是使用分立元件设计制作收音机。

方案一：使用分立元件来搭建电路，实现模块的功能，收发信号，实现收听功能。但由于其制作难度大，频率的搜索不佳，噪音的难以消除，而且制作成本也较为昂贵。

方案二：使用TDA7088芯片集成电路来制作，其具有分离度高、噪声小等优点，而且其具有两个调频波段：A段（76~88NHz）和B段（88~108MHz），其中A段主要是用于接收学校发射的节目，B段则能够正常接收节目。而在技术特点上更是采用了中频变压器、陶瓷滤波器等，是一款性能相当优越的收音芯片,但其应用电路较为复杂因而没有一定技术实力的很少使用该芯片。

方案三：使用RDA5807M芯片集成电路来制作收音机，弥补了使用分立元件所造成的频率不稳，噪声大的缺点，其还具有外围应用电路较为设计应用较为简单，且芯片价格也相对便宜，符合现阶段的自身技术能力。

集成化电路制作的收音机还具有以下特点：

1.小巧节能。由于一片集成电路上具有几十个晶体管、电阻、电容等且实现所组成电路的功能，但其体积和功耗仅相当于一个小功率晶体管；

2.稳定还原度高。由于集成电路外部连线，焊点极少，降低了出现故障的概率，且晶体管的配对和静态电流都处于最佳状态，所以失真度一般都小于1%，故其具有高可靠性和高保真度；

3.接收灵敏度高。这是因为集成电路可以在其内部多加入一些晶体管，竟而使得整机的灵敏度得到了大幅的提高；

4.音效较好。由于用集成电路和大功率晶体管组装的收音机能够达到几十瓦以上不失真功率输出，功率较大，因此声音音质比较优美。

5.价格便宜。在所有性能都相同的情况下，制作成本比分立元件收音机便宜很多。

根据以上所述的方案特点和集成电路的特点，经过比较，方案二和方案三比较符合本次设计的要求，但由于方案二的设计较为复杂，对于本阶段的我来说还没有这个技术能力去实施，而且其价格也相对昂贵，故经过权衡选择了方案三为本次的设计方案。

2.2 收音机系统原理

收音机的工作原理是将从天线接收到的高频信号经解调还原成音频信号，之后送到耳机或者外接音响变成音波[14]。由于现在天空中有很多不同频率的无线电波，所以如果想选取某一频率则必须在接收天线后，加载一个选择性电路，它所输出的是接收到的载频信号，无法用它来直接推动耳机，必须把它恢复成原来的音频信号，之后转换成人耳能够识别的音波。这种选择电路分为直接检波式和超外差式两种[9]。但由于直接检波式在从天线得到的高频信号非常的微弱所以基本上已经不使用，而是大多使用超外差式，超外差式的特点是被选择的高频信号的载波频率变为较低的且固定不变的的中频，再利用中频放大器放大，在满足检波要求后进行检波。还需要加入一个正弦信号，也叫本地振荡，使得被接收的信号频率和本地振荡频率只相差一个中频。由于中频固定，且其频率比高频已调信号低，中频调频波的放大的增益较大，使得检波获得足够大的信号，从而使人们能够听到质量较好的声音[7]。而且本次设计的收音机为数控显示型的，故通过加入了单片机系统对收音电路进

行控制，并将收音电路所锁定的频率和音量大小传送给液晶显示器，使使用者能够非常直观的看到所听到的电台的频率[11]。

2.3 系统架构

本次的数控调频收音机，在电子领域有许多相关的方案和设计思路，在第一节中我详细对比了现有的各种方案，最后我选择第三个方案，并且使用STC89C52单片机作为控制系统来驱动RDA5807收音电路，使得本次设计设计的收音机在控制信令的传输、频率的接收与解调都是数字化，使得收音机的相对性能较好。但RDA5807M的工作电压只要3.3V，而单片机STC89C52的工作电压是5V，所以我选用了AS1117降压芯片来将5V电压降到3.3V来给收音电路供电；再者担心收音电路内存不够，我又外加了一块24C02存储芯片，与RDA5807M一起通过IIC串口通信与单片机相连。并且选择使用四个按钮来给单片机输送控制电信号，当按下按钮时该引脚为低电平，从而控制音量的大小和频道的搜索，并用1602液晶显示器来显示当前频道频率和音量大小。由于此次的元器件大多都是模块化的器件，相对来说制作出来的作品体积较小，适合于随身携带，有实用价值。

简单来说该收音机系统主要是由单片机最小系统、液晶显示部分、按键功能和收音电路与存储芯片组成，由此构成了一个性能相对优越的数控收音机系统，其系统框架图如下所示：

图2-1 系统框架

2.4 系统各部分的理论分析

2.4.1 单片机最小系统分析

单片机最小系统它是一块内建8KB Flash内存的8052兼容单片机，STC89C52共有20个引脚，只要在其RST脚上接一个电容，并且在XTAL1与XTAL2振荡脚加上石英晶体，最后把+5V的电源接入，这样就是一个最简化的8052单片机系统[16]。并且在选择元器件时要求起振电容一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，计数频率为晶振频率的1/12）。计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。设置

为计数器模式时，外部时间计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平[17]。当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2 ms。

2.4.2 显示模块

1602液晶是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）[16]。

1.引脚功能：其中第1脚为GND接地，第二脚为VCC电源正极，第三脚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1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，电平(0)时进行写操作。第6脚E(或EN)端为使能(enable)端,高电平1时读取信息，负跳变时执行指令。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极[16]。

2.1602特性：

3.3V或5V工作电压，对比度可调；内含复位电路；提供各种控制命令,如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有80字节显示数据存储器DDRAM；内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM；8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM[16]。如下所示

为显示器的实物图：

图2-2 液晶显示器

2.4.3 收音电路

由于收音电路在本次毕业设计中是最为最要的部位，所以单独列出一章来详细分析其工作原理和特性。详情见第三章。

第3章收音电路设计

3.1 收音电路

3.1.1 收音电路原理

本次毕业设计的收音模块电路，其具有高灵敏度、低功耗、超小体积等特点，也是一款在所有设计方案中较为优越的一款设计。采用RDA Microelectronics的RDA5807M芯片，其工作方式是采用超外差式，通过天线引脚接收广播频率，之后将所接收到的信号送到高频放大器进行放大，因为超外差式的工作频率为88-108MHz[12]。放大之后经过一个混频器，使其与来自本机振荡器高于输入载频10.7MHz的等幅本机振荡电压在混频器混频后取差频，得到了不同频道的载频均为10.7MHz的中频调频波。然后在较低的中频频率上经过三级中放的放大和选择，使接收机具有较高的灵敏度和较好的选择性。最后在中频调频波放大后面加一个鉴频器以消除由干扰和噪声造成的寄生调幅，从而消除了由寄生调幅引起的鉴频器噪声，后经功放输出音频，使人们在收听的过程中不受噪声的干扰[6]。

3.1.2 收音电路模块化引脚分析

本次设计的模块的十个引脚可根据其功能分为：

1.时钟和电源引脚。如：GND、VDD、RCK、CLOCK

2.音频和数据引脚。如：R-out、L-out、DATA

3.天线接入端引脚。如：FM

VDD(10脚)、GND(1脚)—是模块电源引脚。由于该收音模块内的

RDA5807M芯片的正常工作电压为3V，故在设计时要引起注意，以避免芯片无法正常工作。

RCK(4脚)---模块内芯片外部时钟输入端引脚。

CLOCK(7脚)---串行数据总线参考时钟引脚。该脚用于串行数据传输时的时间同步，提升了信息传输的质量。

R-out(2脚)、L-out(3脚)---模块音频信号输出引脚。该引脚在串接电容之后可直接驱动32ohm耳机，且声音具有立体感。

DATA(6脚)--总线串行数据输入输出引脚。用于和单片机之间的数据传输。

FM(5脚)---模块天线接入端。该引脚是所有无线电信号的输入端，并且可以采用一根独立的长导线当作天线，也可接在音频连接器的GND端。

3-1 收音电路模块化引脚图

3.2 收音模块应用电路设计

对于本次的电路设计中最为主要的设计部份是收音模块电路设计，因为

该部分电路本次设计中最为重要的部分，电磁信号的接收与处理，语音信号的输出；因而再设计或者焊接的时候必须选择好器件和焊接的位置，以避免元器件间的相互干扰而对所搜到的信号产生影响，提升音质质量。由于收音模块RDA5807M的工作电压为+3V，而单片机等其他元器件的工作电压都为+5V，故通过1117线性稳压芯片来将+5V电压降为+3V来给RDA5807M供电。对于收音模块最重要的部分——天线，则直接用一根长导线连接到模块天线引脚上即可。如下图为该部分的电路设计图：

图3-2应用电路图

第4章控制电路设计

4.1 电路控制模块设计

本次电路的控制电路主要是由最小系统组成。其中最小系统主要是包括STC89C52单片机、扩展电路、时钟电路、电源电路、复位电路等组成。最小系统中的单片机电源是直接使用+5V的直流电供给；而其中的晶振电路便是时钟电路，且在单片机系统中晶振具有的作用是非常大，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，使得系统能够正常运行；由于单片机晶振提供的时钟频率越高，单片机运算的速度就会越快，因此我们在STC89C52单片机上使用11.0592MHz的晶振作为振荡源，但单片机内部自身带有时钟电路，所以在其外部只需要连接一个11.0592MHz晶振和两个电容即可，而电容的容量一般在15pF至50pF之间，故在本次的设计中我使用了容量为30pF的电容。单片机的复位电路，是为了把电路初始化到一个确定的状态，复位通常包括上电复位和按键复位。所谓的上电复位即是在复位引脚RST上连接一个电解电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电时回路保证单片机在上电时RST脚上留有足够时间的高电平对系统进行复位，随后RST脚回归到低电平进入正常工作状态，一般这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。而按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST引脚升到到高电平，而且由于电容的充电，会使得RST保持一段时间的高电平来使单片机复位。扩展电路使用P2.1至P2.4各连接一个按键再与地线连接，按下按键时单片机接收低电平。电路如图4-1所示。

图4-1单片机最小系统

4.2 显示模块设计

本次电路的显示部分所用的是1602液晶显示器，在电路设计时在引脚的2脚跟3脚之间安装一个滑动变阻器，来控制液晶显示器的亮度。将4液晶显示器的始能控制端(4-6脚)连接到单片机的P0.0-P0.2口，使单片机能够对它进行控制。显示器模块引脚的7-14脚为数据的输入输出引脚，连接到单片机的I/O口P1，实现双方的数据传输。如下图所示是液晶的电路连接图：

图4-2 液晶显示电路

4.3 电源模块设计

由于本次设计电路的工作电压基本上都是+5V，由于电池的电压一般都是1.5V，无法满足电路的工作电压，故选择了比较便捷的USB供电，因为USB不仅能转化出+5V电压，还能够进行对芯片的程序下载。因此我认为USB是一个比较不错的选择。

第5章软件设计

5.1 IIC通信协议分析

对于本次设计其硬件设计比较简单，但由于收音模块RDA5807采用的是IIC通信协议，这种通信模式对时序的要求比较严格，使得程序的编写比较难[15]。

所谓IIC总线支持任何IC生产过程（NMOS、CMOS、双极性）。两线—串行数据（SDA）和串行时钟（SCL）线在连接到总线的器件间传递信息。每个器件都有一个唯一的地址识别无论是微控制器LCD驱动器存储器或键盘接口而且都可以作为一个发送器或接收器由器件的功能决定很明显LCD 驱动器只是一个接收器而存储器则既可以接收又可以发送数据除了发送器和接收器外器件在执行数据传输时也可以被看作是主机或从机初始化总线的数据传输并产生允许传输的时钟信号的器件此时任何被寻址的器件都被认为是从机[8]。

总线信号时序分析：

1.数据的有效性

SDA线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定数据线的高或低电平状态只有在SCL线的时钟信号是低电平时才能改变。

2.起始和停止条件

当SCL线是高电平时，SDA线从高电平向低电平切换，这个情况表示起始条件。当SCL线是高电平时，SDA线由低电平向高电平切换表示停止条件。

3. 总线空闲状态