基于单片机的多功能收音机的设计与实现讲诉

学号09700113
毕业设计说明书
基于单片机的多功能收音机的设计与实现
学生姓名李炯
专业名称电子与信息工程系
指导教师
电子与信息工程系
2013年6 月16 日
基于单片机的多功能收音机的设计与实现
Microcontroller-based multi-function design and implementation of radio
摘要
单片机自从20世纪70年代问世以来，以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，因此应用很广泛，发展很快。

单片机的特点是体积非常小、集成度很高、重量轻、抗干扰的能力强，对环境的要求不高，价格还算低廉，可靠性比较高，灵活性好，开发较容易。

正是因为单片机有如此多的优点，因此其应用领域很广泛，几乎到了无孔不入的地步。

在我国，单片机已经被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪表、智能化家用电器、航空航天系统和和国防军事、尖端武器等各个方面。

我们可以开发利用单片机系统以获得很高的经济效益。

更重要的意义是对单片机的应用可以改变控制系统传统的设计思想和方法。

在以前采用的硬件电路实现的大部分控制功能，正在利用单片机通过软件方法来实现。

这种以软件结合硬件或者取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控制技术。

例如，本文所要论述的通过单片机来控制TEA5767芯片及驱动LED数码管实现FM收音并显示频率。

现在人们通常使用的收音机为手动调频收台，使用较为麻烦，且由于接收灵敏度不高，所接收的频段范围较小。

本设计采用的是TEA5767芯片，它是由PHILIPS公司推出的针对低电压应用的单芯片数字调谐FM立体声收音机芯片。

TEA5767芯片内集成了完整的IF频率选择和鉴频系统，只需很少的低成本外围元件，就可实现FM收音机的全部功能。

另外，它具有高性能的RF AGC电路，其接收灵敏度高、参考频率选择灵活、可实现自动搜台。

关键字：单片机；TEA5767；LED八段数码管
目录
第一章述 (1)
1.1收音机的简介及发展史 (1)
1.2收音机的分类 (3)
1.3收音机的基本原理 (3)
第二章多功能收音机的总体设计 (5)
2.1 设计收音机的功能介绍 (5)
2.2 总体设计思路 (5)
2.3芯片的选择 (6)
第三章收音机的硬件设计原理 (8)
3.1 收音机的单片机模块功能设计 (8)
3.2 收音机的FM收音模块设计 (11)
3.2.1 TEA5767芯片介绍 (11)
3.2.2 I2C总线协议介绍 (13)
3.3收音机的显示模块设计 (15)
3.4收音机的功放模块设计 (17)
3.5 串口转USB功能设计 (18)
3.5.1 PL2302原理简介 (18)
3.5.2 MAX323原理简介 (20)
3.6 电源模块设计 (22)
第四章软件设计 (24)
4.1编程语言选择 (24)
4.2 软件总体设计结构 (24)
4.3 收音机频率调节模块软件设计 (26)
4.3.1 频率计算软件设计 (26)
4.3.2 自动搜台软件设计 (27)
4.3.3 手动搜台软件设计 (29)
4.4 I2C总线控制模块软件设计 (31)
4.5 LED显示模块软件设计 (32)
4.6 成果展示 (34)
第五章总结 (36)
致谢 (37)
参考文献 (38)
附录 (40)
附录1. 电路设计总原理图 (40)
附录2. TEA5767芯片管脚定义及内部结构原理 (41)
附录3. 软件设计总程序 (45)
第一章概述
收音机一直在人们的娱乐生活中占有非常重要的位置，从原来的老式晶体管收音机到今天的网络收音机，说明通过广播可以享受生活，这一直是人们喜欢的生活方式。

现在，随着消费型电子的兴起并且繁荣和数字电子技术的发展，广大从事消费型电子设计的厂商都不忘记在诸如MP3、便携式Video、智能手机、播放器等产品中嵌入FM部分。

本设计从实际出发设计一款收音效果好，简单便捷的多功能收音机。

1.1收音机的简介及发展史
收音机，由磁铁、电子、机械等构造而成，利用电能将电波信号转换为声音，是用来收听广播电台发射的电波信号的机器，又名无线电、广播等。

在1844年的时候，发明出来了电报，可以实现远地互相通讯，但还是必须依赖导线来连接。

而收音机讯号的收、发就是无线电通讯。

整个无线电通讯的发明史，是很多位科学家先后研究和发明的结果。

在1888年，德国科学家赫兹，发现了无线电波的存在。

在1895年，俄罗斯物理学家波波夫宣称在相距600码的两地，可以成功地收发无线电讯号。

之后，年仅21岁的马可尼，他是一个富裕的意大利地主的儿子，在他父亲的庄园土地内，用无线电波成功地进行了第一次发射。

1897年波波夫用他制做的无线通讯设备，在海军巡洋舰上成功的与陆地上的站台进行通讯。

1901年马可尼发射无线电波横越大西洋。

1906年加拿大发明家富森登第一次发射出电波声音，无线电广播就此开始。

在同一年，美国人德．弗雷斯特发明了真空电子管，这是真空管收音机的始祖。

现在出现了改良的半导体收音机（原子粒收音机）、电晶体收音机。

1923年1月23日，有美国人在上海创办中国无线电公司，播放广播节目，同时还出售收音机，以美国出品最多，种类有两个，一是矿石收音机，二是电子管收音机。

1953年，中国自主研制出第一台全国产化收音机（“红星牌”电子管收音机），并投放于市场。

1956年，又研制出中国第一只锗合金晶体管。

1958年，我国第一部国产半导体收音机研制成功。

1965年，半导体收音机的产量超过了电子管收音机的产量。

收音机市场发展的高峰时期是1980年左右。

1982年，出现了集成电路收音机和硅锗管混合线路和音频输出OTL电路的收音机。

1985年至1989年，随着电视机和收音机的飞速发展，晶体管收音机销量则逐年下降，电子管收音机也趋于淘汰。

收音机款式从大台式逐渐转向袖珍式。

1904年，世界上第一只电子管在英国物理学家弗莱明的手下诞生。

这是人类
第一只电子管的诞生，它标志着世界从此进入了电子时代。

电子管是一种在气密性封闭容器（一般为玻璃管）中产生电流传导，利用电场对真空中的电子流的作用以获得信号放大或振荡的电子器件。

电子管是电子时代的鼻祖，电子管发明以后，使收音机的电路和接收性能发生了革命性的进步和完善。

晶体管是一种固体半导体器件，可以用于检波、放大、整流、开关、稳压、信号调制和许多其它功能（金银铜铁等金属，它们导电性能好，叫做导体。

木材、玻璃、陶瓷、云母等不易导电，叫做绝缘体。

导电性能介于导体和绝缘体之间的物质，就叫半导体。

晶体管就是用半导体材料制成的，这类材料最常见的便是锗和硅两种）。

1947年12月23日，美国贝尔实验室诞生了世界第一块晶体管，这是20世纪的一项重大发明，是微电子革命的先声,从此人类步入了飞速发展的电子时代。

晶体管收音机是一种小型的基于晶体管的无线电接收机。

1954年10月18日，世界上第一台晶体管收音机投入市场，只包含4只锗晶体管。

在晶体管出现以后，收音机才开始真正普及。

我国在上世纪50年代末也开始研制晶体管收音机，并在70年代形成生产高潮。

德国根德，日本索尼，荷兰菲利普和国产的红灯、牡丹、熊猫等著名品牌的老收音机，就是这段历史的佐证。

1958年，我国第一部国产半导体收音机研制成功。

晶体管收音机以其耗电少，不需交流电源，小巧玲珑，使用方便等特点而赢得人民的喜爱，并且逐渐在市场上占据了主导地位，成为最普及和廉价的电子产品。

我国在1982年，出现了集成电路收音机。

集成电路就是在一块几平方毫米的极其微小的半导体晶片上，将成千上万的晶体管、电阻、电容、包括连接线做在一起，作为一个具有一定电路功能的器件来使用的电子元件。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。

本质上，集成电路是最先进的晶体管，集成电路使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。

用集成电路来装配电子设备，它的装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，可大大提高设备的稳定工作时间。

DSP技术收音机，就是无线电模拟信号由天线感应接收后，在同一块芯片里放大，然后转化为数字信号，再对数字信号进行处理，然后还原成模拟音频信号输出的新型收音机。

DSP技术的本质就是用“软件无线电”代替“硬件无线电”，它大大降低了收音机制造业的门槛。

美国芯科实验室在2006年首次研发出DSP技术收音机芯片，同一年，全球规模最大的收音机制造商深圳凯隆电子有限公司与美国芯科实验室合作，开发出
世界上第一台DSP收音机：KK-D48L。

2007年，深圳凯隆电子有限公司在深圳与上海组建DSP技术研发实验室。

2009年，完全具有自主知识产权的中、低端性能DSP收音机芯片诞生，从此，DSP技术收音机开始普及。

深圳凯隆电子有限公司也因此获得了国家级高新技术企业殊荣。

DSP技术收音机的问世，标志着传统模拟收音机将逐渐退出历史舞台，数字收音机的时代已经到来。

1.2收音机的分类
从体积大小上可以分为分为袖珍型、台式、便携式收音机等。

从波段上可以基本分为短波与调频二波段收音机、调频与中波二波段收音机、短波与中波二波段收音机、3-4多波段收音机、5- 14多波段收音机、全波段。

目前市场上的收音机单波段、二波段收音机较少，融调频、中波与短波为一体的多波段收音机较多。

从功能上基本可以分为传统机械指针式收音机、非存储模拟调谐数显收音机、能存储电台频率的PLL合成、DSP电子数调机。

从生产基地上可以分为进口机与国产机。

从发烧程度上基本可以分为普及机与发烧机。

如BCL收音机。

从价格和性能可分为：低档类收音机、中档类收音机、高档类收音机。

1.3收音机的基本原理
收音机的基本原理就是把从天线接收到的高频信号经检波（解调）还原成音频信号，送到喇叭或耳机变成音波。

由于科技进步，天空出现了很多不同频率的无线电波。

如果把这许多电波全部接收下来，音频信号就会像处于闹市之中一样，许多的声音会混杂在一起，结果什么也听不清了。

为了能选择所需要的节目，在接收天线后，有一个选择性电路，它的作用是把所需的信号挑选出来，并且能把不要的信号“滤掉”，避免产生干扰，这就是我们收听广播时，所使用的“选台”按钮。

选择性电路的输出是选出某个电台的高频调幅信号，利用它直接推动耳机是不行的，还必须要把它恢复成原来的音频信号，这种还原电路被称为解调，把解调的音频信号送到耳机，就可以实现收音功能，听到广播节目。

我们把最简单收音机称之为直接检波机，但是从接收天线得到的高频无线电信号一般非常微弱，直接把它送到检波器不合适，最好的方法就是在选择电路和检波器之间插入一个高频放大器，音频信号将被放大。

即使已经增加了高频放大器，通常检波输出的功率也只有几毫瓦，用耳机听还行，但要用扬声器听还是太
小，因此在检波输出后增加音频放大器来推动扬声器。

高放式收音机要比直接检波式收音机的功率大、灵敏度高，但是选择性还是较差，调谐也很复杂。

把从天线接收到的高频信号放大几百甚至几万倍，一般需要有几级的高频放大，每一级电路都有一个谐振回路，当被接收的频率改变时，谐振电路就要重新调整，而且每次调整后的选择性和通带很难保证完全一样，为现在了克服这些缺点，采用的收音机几乎都采用超外差式电路。

这种超外差的特点是：把选择的高频信号的载波频率，变为固定不变的较低的中频，然后再利用中频放大器进行放大，满足检波的要求后，才能进行检波。

在超外差式收音机中，为了使其产生变频的作用，还需要有一个外加的正弦信号，这个信号通常称为外差信号，产生外差信号的电路，叫做本地振荡。

收音机的本振频率和被接收信号的频率相差一个中频，因此在混频器之前的选择电路，和本振采用统一调谐线，例如可以用同轴的双联电容器 (PVC)进行调谐，使之差保持为固定的一个中频数值。

由于中频固定，且频率比高频已调信号要低，中放的增益可以做得较大，工作比较稳定，通频带特性同样可做得理想，这样可以使检波器获得足够大的信号，从而使整机输出音质较好的音频信号。

第二章多功能收音机的总体设计
本章介绍本次设计的总体设计结构以及各个芯片选择。

通过对本章的了解，可以大致了解到该设计所要实现的总体功能。

同时在侧面反映了收音机的发展状况。

2.1 设计收音机的功能介绍
1、FM接收频率范围：87.5MHz～108MHz。

2、STC89C52单片机控制程序，用TEA5767实现FM收音模块的操作。

3、有电台手动搜索功能，自动搜索功能，能够控制电台搜索方向，搜索到电台信号后即可收听电台播音。

4、有电台频率显示功能，电台存储功能。

2.2 总体设计思路
单片机根据按键输入，通过I2C对TEA5767模块的控制寄存器进行读写操作，以实现TEA5767模块的自动搜索功能，音频信号经过由TDA1308构成的耳机功放电路输出。

并将从TEA5767模块中读取的频率字换算后显示在LED八段数码管上。

利用24C02对芯片存储进行掉电保护。

系统框图如2-1所示。

图2-1 系统框图
2.3芯片的选择
一、单片机部分
整个设计单片机是核心部分，因此要熟练掌握各种单片机的优缺点和特点。

本次设计选用的单片机为STC89C52，52系列单片机具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、可重复编程和方便功能扩展等优点，在市场上得到广泛的应用。

为了方便实验和调试选用STC系列单片机，它可以支持U口下载和数据的传输。

二、FM收音部分
本次设计的FM收音部分核心芯片是TEA5767，它是飞利浦公司生产的一款收音机芯片，很多手机，MP3、MP4里的收音机功能都是于他实现的。

它是一块性能良好的FM收音芯片，内置了主频高达75MHZ的数字信号处理器，实现384KBPS/48KHZ的MD级高品质MP3音乐文件回放，同时拥有一般MP3播放器难以实现的的高保真回放线路（信噪比高达95DB，THD总谐波失真率〈0。

05%〉而且非常省电。

PHILIPS的TEA5767高灵敏度收音模块芯片属于低电压和低功耗的全集成单芯片FM收音产品，可完全免费调到美国、欧洲和日本的调频波段，FM频率可以支持76MHz～108MHz，收音效果非常的出色，可存储50个电台频道同时可实现数码录音和高清晰度CD直录功能（LINE-IN），可以直接通过转录线把传统音响上的音乐以MP3格式录制到内置的闪存里，还可以将收音内容直接录制下来，同时它支持80MHZ以下的校园网FM广播，还有实用的高清晰度CD直录功能（LINE-IN）现场录音功能等等！由于TEA5767集聚众多优点，所以成为收音机设计的首选。

三、显示部分
本次设计的显示部分采用LED八段数码显示管，数码管是一类显示屏可以通过对其不同的管脚输入相对的电流，会使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。

由于它的价格便宜，使用简单，在电器特别是家电领域应用非常广泛，空调、热水器、冰箱等等。

绝大多数热水器用的都是数码管，其他家电也用液晶屏与荧光屏。

本次设计正是利用数码管的优点，简单方便快捷的为收音机提供频率显示功能。

四、功放部分
收音机的功放部分采用的是TDA1308，它是飞利普公司推出的甲乙类CD专用耳机功放集成电路,其优异的性能使得以往的TDA2822、TDA7050、LM386等“经典”功放望尘莫及。

常见资料介绍的基本上采用单电源(3~7V)供电,实际上TDA1308也是一只双运放,引脚功能与NE5532等运放完全相同。

但用它来直接替代常见的NE5532等
运放却有一定的困难,因其工作电压很低(最高仅为±3．5V),尺寸也只有5．8mm ×4．8mm×1．75mm,而它的这些优点和其极低的功耗(静态电流约3mA,工作时约5mA)与工作电压(可低至±1．2V,此时音质仍听不出有变化)这无疑是制作微型低压电路(如立体声单放机和收音机)的首要选择。

TDA1308的另一个优点是信噪比极高(达100dB),实际试听表明其信噪比较NE5532、LF353等运放要明显好得多。

需要指出的是,TDA1308采用的是MOSFET作输入级和输出级,输入偏置电流几乎可以不计,防止了偏置电流过大使磁头磁化的可能,这点也是NE5532等采用晶体管作输入级的运放所不及的。

该电路采用双电源供电,电压可在±1．5V到±3V之间选择。

由于省去了耦合电容,加上TDA1308的高信噪比使背景噪声几乎听不到,故音质非常通透清晰。

也许是因为TDA1308工作电压低、电流小的原因,总觉得其力度稍小,略显单薄,在推动功率略大的耳机时不能完全支撑。

但其清爽的音色仍然值得一“烧”。

基于以上优点选用TDA1308作为收听设备的音频输出功放部分。

第三章收音机的硬件设计原理
由于单片机具运算、控制、存储、输入输出等功能，可通过STC89C52来控制其他芯片实现所需功能。

本章所涉及的模块大致包括单片机模块、FM收音模块、显示模块和功放模块，单片机通过I2C总线实现控制功能。

（电路总原理图见附录1）
3.1收音机的单片机模块功能设计
本次设计采用的单片机是STC89C52，它是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CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上，构成的一个小而完善的计算机系统。

AT89C52功能和AT89C52相同，因此在系统电路图中可以用AT89C52来诠释整个电路的原理。

本部分原理如图3-1所示。

图3-1 单片机模块原理图
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

本设计中P0口的1到7管脚分别与7个按键相连实现手动搜台、自动搜台、储存电台、自动保存、手动保存、选台和频率加
减等功能。

如图3-2所示。

图3-2 按键原理图
P1口是一个内部的提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

P1口的1到3管脚与LED的6、8、9管脚相连。

P1.5、P1.6、P1.7分别与CON4的ISP编程座相连。

P2口是内部一个上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可以接收，输出为4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

设计中将P2口连接到LED数码显示屏，用于显示频率。

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并被用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL），这是由于上拉的缘故。

P3.4和P3.5连接到24C02的数据时钟管脚，24C02是用I2C总线驱动的外部2K容量储存芯片E2PROM，掉电后可以保存数据，像你电脑的硬盘一样。

同时P3.4和P3.5与TEA5767的数据和时钟管脚相连，实现对其控制功能。

RST为复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

单片机的复位键设计的好坏，会直接影响到整个系统工作的可靠性。

所以复位键需要连接一个电容，通过电容可以加给RST端一个短暂的高电平信号，此时高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。

为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。

XTAL1是反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2是来自
反向振荡器的输出。

为了稳定振荡频率，需要在X1和X2之间加一个晶振，负载电容与内部电路共同组成一定频率的振荡，这个电容是硬连接，固定频率能力很强，其他频率的干扰就很难进来了。

3.2 收音机的FM收音模块设计
通过第二章介绍知道本次设计的收音模块的主要芯片是飞利浦公司TEA5767，TEA5767主要的优势是把调频收音等所有功能都集成一个不足6×6平方毫米的小芯片中，方便携带和使用。

此模块的原理如图3-3所示。

图3-3 TEA5767模块原理图
TEA5767的数字和时钟端口与单片机相连，L和R分别为左声道输出和右声道输出，用于连接到功放电路实现音频放大功能。

3.2.1 TEA5767芯片介绍
由第二章已经知道TEA5767具有非常多的优点，成为了收音机设计的首选。

TEA5767中的UESR模式给人的印象最为深刻，有点像艾丽和中的3D效果，能很好并且能充分表现出各个音色的质地，让人听起来非常的舒服，音质个人主观意想占比较大的份额，有的人喜欢低音偏重些，有的人喜欢高音明朗些，因此对于
音质的探讨还要是自己亲身体验一下是最好的选择，不过话说回来，TEA5767给人的印象十分出色，很对的起他自身的价值！高清晰度FM广播：支持移动存储，多种音乐格式MP3，WMA；录音功能很好，可以直接对输入音频信号进行MP3编码，这也就是说即便你没有PC机也可以从CD机/卡带机等音频设备上听到动听的音乐，还支持FM转录功能：A—B复读；更具个性化设计，还可以自定义设计开机画面。

当给收音机上电后频率跳到初始设定值（91.8MHz），按手动搜索（上、下），可实现0.1MHz步进；按自动搜索键（上、下），可搜出最近的符合设定信号清晰度的频道；按存台键，可以将即时频率存入24c02中；按读取键即可调出该频率所对应的电台。

手动搜索时，从低端频率88MHz(PLL控制字是2A11H)，每按一次手动搜索按钮，频率增加100kHz，读搜到电台标志位RF（读模式字节1的B7）为1时搜到电台，否则未搜到。

当搜索到波段尽头时，BLF（读模式字节1的B6）为1，如果再按手动搜索按钮，则从低端频率重新开始搜索。

自动搜索时，可以用静音搜索模式，搜索开始前静音位（写模式字节1的B7）置1，若从波段的低端频率88MHz开始搜索，采用向上搜索方式（写模式字节3的B7=1），反复读取控制字的RF标志位，若RF=1，则表明搜到电台。

接着检测STEREO位（读字节3的B7）为1，说明是立体声信号。

再检测BLF标志位，若BLF=1,说明已经搜到波段尽头，这时需将搜索的起始频率设为高端频率108MHz(PLL控制字是339BH)，搜索方向设为向下搜索。

若BLF=0，说明未搜索到波段尽头，这时注意再按下自动搜索按钮时，应将当前停止位置的频率增加100kHz，然后继续搜索，否则程序可能停留在第一个搜到的电台频率上。

反向搜索时也是如此。

读取电台频率控制字，换算成十进制后显示电台频率
TEA5767芯片结构如图3-4所示。

（TEA5767芯片管脚定义及内部结构原理图见附录2）。