畢業(yè)論文——單工無線呼叫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單工無線呼叫系統(tǒng)【摘要】：本文主要介紹以AT89S51單片機(jī)為核心的一個(gè)具有單工語音和英文數(shù)據(jù)傳輸功能無線呼叫系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主站主要由單片機(jī)與雙音頻（DTMF）信號(hào)編碼器以及鎖相頻率發(fā)射機(jī)組成；從站主要由由單片機(jī)與高保真調(diào)頻接收機(jī)以及雙音頻信號(hào)解碼器組成。主站與從站通過鎖相頻率發(fā)射機(jī)與高保真調(diào)頻接收機(jī)進(jìn)行通訊。雙音頻（DTMF）信號(hào)編碼器與雙音頻信號(hào)解碼器能對(duì)調(diào)頻信號(hào)中的雙音頻（DTMF）信號(hào)進(jìn)行調(diào)制與解調(diào)。雙音頻（DTMF）信號(hào)編碼器與雙音頻信號(hào)解碼器使得本系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸能力。在傳輸語音信號(hào)的同時(shí)也能傳輸一定的數(shù)據(jù)信息，對(duì)于小型的通訊系統(tǒng)具有一定的適用性?！娟P(guān)鍵詞】：單片機(jī) 雙音頻（DTMF） 鎖相環(huán) 數(shù)據(jù)傳輸 【Abstract】： This article describes a radio calling system with the functions of single direction voice and data transmission which is based on the AT89S51 single chip microcomputer. The systems master station mainly consists of the single chip, DTMF signal encoder and PLL frequency transmitter. The slave stations mainly consist of single chip, Hi-Fi FM receiver and DTMF signal decoder. The master and slave stations communicate with each other through the PLL frequency transmitter and Hi-Fi FM receiver . Both of them make the system capable of transmitting the data. The system is suitable for using in small communications systems due to the ability of its transmitting voice as well as the data in the same time.【Key Words】：Single chip microcomputer, DTMF PLL Data transmission 一、方案比較與論證1、編碼方案的選擇與論證 方案一：采用雙音頻（DTMF）信號(hào)發(fā)生器HT9200B將從單片機(jī)要發(fā)送的代碼轉(zhuǎn)換成雙音頻信號(hào)，該方案的優(yōu)點(diǎn)是編碼方式簡單，可以選擇串行和并行兩種模式，編程者可以根據(jù)自己的編程思想進(jìn)行選擇工作模式。方案二：采用雙音頻（DTMF）信號(hào)發(fā)生器HT9200A，該芯片只能是串行的工作模式。經(jīng)過比較，選擇了方案一。2、發(fā)射方案的選擇與論證方案一：采用鎖相頻率合成器芯片MB1501和壓控振蕩器（VCO）MC1648構(gòu)成鎖相環(huán)進(jìn)行頻率合成后再進(jìn)行發(fā)射。優(yōu)點(diǎn)：頻率合成靈活，方便。 方案二：采用變?nèi)荻O管和晶體管構(gòu)成頻率在30MHZ40MHZ三點(diǎn)式振蕩器進(jìn)行頻率發(fā)射。方案三：采用晶振和晶體管構(gòu)成的石英晶體振蕩器，把頻率調(diào)整在30MHZ40MHZ再進(jìn)行發(fā)射。方案四：采用MC145152進(jìn)行頻率合成，MC145152是采用外接撥碼開關(guān)的方法進(jìn)行預(yù)置頻率。優(yōu)點(diǎn)：不懂單片機(jī)的也能可以制作。缺點(diǎn)：頻率合成不夠靈活。經(jīng)過比較和選擇，再加上要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最終選擇了方案一。3、接收方案的選擇與論證 方案一：采用窄帶接收芯片MC3363構(gòu)成射頻窄帶接收機(jī)，接收來自主站的發(fā)射信號(hào)。方案二：采用調(diào)頻接收機(jī)接收，將調(diào)頻接收機(jī)的接收頻率范圍調(diào)整在30MHZ40MHZ之間，調(diào)節(jié)頻率即可接收到來自主站的信息。方案三：采用SONY公司的收音機(jī)專用芯片CXA1691作接收機(jī)，用該方案做接收機(jī)，其接收頻帶寬，是高保真的接收機(jī)。考慮到從接收機(jī)下來的DTMF信號(hào)需要進(jìn)行解碼，而解碼器MT8870對(duì)DTMF信號(hào)的電壓幅值有一定的要求，再比較這三個(gè)方案，最后決定采用方案三。4、譯碼方案的選擇與論證 方案一：采用多音頻接收芯片MT8870來完成DTMF信號(hào)的接收、分離和譯碼，輸出由相應(yīng)16種DTMF頻率組合的4位并行二進(jìn)制碼。解碼過程簡單、方便，且可靠性好。方案二：采用CD22204芯片對(duì)接收來的DTMF信號(hào)進(jìn)行解碼，起抗干擾能力比較強(qiáng)，內(nèi)部有前置放大?？紤]到與HT9200B配合使用方便，我們選擇了方案一。5、鍵盤方案的選擇與論證 方案一 ：采用矩陣式鍵盤，此類鍵盤采用矩陣式行列掃描方式，優(yōu)點(diǎn)是可減少占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目，使CPU有足夠的資源去處理其他的工作（多機(jī)通訊）。 方案二 ：采用獨(dú)立式按鍵電路，每個(gè)按鍵單獨(dú)占有一根I/O接口線,每個(gè)I/O口的工作狀態(tài)互不影響，此類鍵盤采用端口直接掃描方式。缺點(diǎn)為當(dāng)按鍵較多時(shí)占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目較多。 方案三：采用由8255驅(qū)動(dòng)的PC機(jī)鍵盤。優(yōu)點(diǎn)：占用單片機(jī)的I/O口少。缺點(diǎn)：鍵盤太大且驅(qū)動(dòng)程序復(fù)雜，影響美觀。綜合考慮以上的方案及題目要求，由于系統(tǒng)需要用到的I/O端口比較多，所以采用了方案一。6、顯示方案的選擇與論證方案一：采用傳統(tǒng)的8位數(shù)碼管（LED）動(dòng)態(tài)掃描顯示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。方案二：采用16位字符型液晶（LCD）顯示各種相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，充分利用4行液晶顯示的大容量特性。 以上兩種方案中，方案一軟件驅(qū)動(dòng)簡單，硬件電路調(diào)試方便，但顯示信息量少，功耗較大；而方案二采用的16位字符型液晶（LCD）顯示屬于低功耗器件，使得系統(tǒng)更具智能化、人性化。經(jīng)過比較選用方案二。 二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1、 系統(tǒng)的總體方案本系統(tǒng)主機(jī)硬件以AT89S51為主控制模塊，以雙音頻編碼器、鎖相調(diào)頻發(fā)射機(jī)、LCD顯示器為受控模塊。從機(jī)也以AT89S51為主控模塊，以高保真接收機(jī)、雙音頻解碼器、LCD顯示器為受控模塊。主機(jī)通過鍵盤輸入要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，單片機(jī)對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描和識(shí)別，對(duì)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行雙音頻編碼處理后，由鎖相調(diào)頻發(fā)射機(jī)將其發(fā)射出去；從機(jī)將接收到的地址信號(hào)與本機(jī)信號(hào)進(jìn)行核對(duì)確認(rèn)準(zhǔn)確后，接收主機(jī)發(fā)送過來的信號(hào)，并將接收的信號(hào)進(jìn)行雙音頻解碼，再單片機(jī)將控制LCD顯示模塊顯示主機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)，否則將進(jìn)行出錯(cuò)顯示。本系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠，能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)題目要求的各種功能，采用雙音多頻編碼和解碼，使系統(tǒng)的語音和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)非常準(zhǔn)確；且系統(tǒng)傳送和接收數(shù)據(jù)都無須設(shè)置糾錯(cuò)位，使得系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也變得簡單可靠。系統(tǒng)的主站框圖如圖（1）示，系統(tǒng)從站的框圖如下圖（2）示。圖 1圖 22、 單元電路（功能模塊）的設(shè)計(jì)（1）HT9200雙音頻（DTMF）編碼模塊的電路設(shè)計(jì)圖3HT9200B的DTMF信號(hào)編碼電路如圖（3）所示，是HT9200B的典型應(yīng)用，只需要在X1和X2兩腳接上3.579545MHZ的晶體或陶瓷振蕩器即可。HT9200B是一種高品質(zhì)的DTMF信號(hào)發(fā)生器，可產(chǎn)生高質(zhì)量、高穩(wěn)定、高精度的DTMF信號(hào)，低功耗、總諧波失真低，在單片機(jī)的控制下可從DTMF引腳發(fā)出16個(gè)雙音及8個(gè)單音。HT9200B提供了可選擇的串行及并行模式以供用戶與各種應(yīng)用設(shè)備連接。本設(shè)計(jì)中選用了并行模式。在并行模式下，HT9200B提供四位數(shù)據(jù)輸入D0-D3以產(chǎn)生相應(yīng)的DTMF信號(hào)，S/P引腳接至高電平時(shí)選擇并行工作模式，之后輸入數(shù)據(jù)，最后將CE下拉為低電平以傳送DTMF信號(hào)。從CE下降至有DTMF信號(hào)輸出的間隔時(shí)間約6ms，其并行數(shù)據(jù)代碼與輸出音頻的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖（4）所示。 圖（4）（2）鎖相調(diào)頻發(fā)射模塊的電路設(shè)計(jì)如圖3.24示，利用“吞除脈沖”式串行數(shù)字鎖相頻率合成器MB1501和壓控振蕩器E1648，外接環(huán)路濾波器即可構(gòu)成一個(gè)完調(diào)頻發(fā)射器。調(diào)節(jié)可變電感的值，使從壓控振蕩器的輸出頻率變化范圍包含30 40 。由于從機(jī)的接收部分的接收部分的接受頻率為39.3 ，所以要用軟件控制發(fā)射頻率鎖定在39.3 。圖（5）MB1501系列為日本富士通公司的大規(guī)模集成數(shù)字鎖相頻率合成器，采用CMOS工藝，是一種具有吞除脈沖功能的單片串行集成鎖相頻率合成器芯片。“ 吞除脈沖”式鎖相頻率合成器組成框圖如圖（6）所示。 圖（6）由于MB1501芯片內(nèi)設(shè)置了移位寄存器，所以該芯片必須采用串行輸入方式實(shí)現(xiàn)分頻比的設(shè)置。為了使載波頻率的變化有較高的精度，若取參考頻率fr為5kHz，在外接12 晶體使內(nèi)部振蕩器頻率為12MHz的情況下，參考分頻比為12 / 5kHZ =2400。因此僅需改變MB1501可編程分頻器的吞除脈沖計(jì)數(shù)器分頻比A和可編程計(jì)數(shù)器分頻比即可控制鎖相環(huán)的輸出頻率，使其工作在相應(yīng)的工作頻率上。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，振蕩器的輸出頻率為：其中為參考頻率； ，A為分頻比系數(shù)；工作時(shí)，前置分頻器先按除“P + 1”方式工作，當(dāng)吞除計(jì)數(shù)器計(jì)到預(yù)置狀態(tài)后，轉(zhuǎn)換成除“P”方式工作。（3） 調(diào)頻接收模塊的電路設(shè)計(jì)圖（7） 如圖（7）所示，采用索尼公司的收音機(jī)專用芯片CXA1691作高保真寬頻接收機(jī)，振蕩器采用50 的晶體，其接收性能非常優(yōu)越。芯片的4腳為直流音量控制端，改變該腳電位高低就可改變輸出音量的大小。通過調(diào)節(jié)該變位器改變其雙音頻信號(hào)輸出電壓的幅值，使解碼器MT8870能很準(zhǔn)確地解碼。它完全杜絕了采用傳統(tǒng)音量控制電路因電位器不良而引起喇叭中嚓嚓聲的通病，使的其輸出的音頻信號(hào)的電壓很穩(wěn)定。 （4） MT8870音頻信號(hào)譯碼模塊的電路設(shè)計(jì) 圖（8） 如圖（8）示，將從高保真調(diào)頻接收機(jī)接收下來的DTMF信號(hào)進(jìn)行解碼。由于MT8870的編碼方式和HT9200B的編碼方式完全一致，所以用MT8870配合編碼部分使得系統(tǒng)的整和性很強(qiáng)，軟件編程變得更加簡單。當(dāng)音頻信號(hào)來到，被MT8870解碼后，MT8870的15腳STD會(huì)由低電平向高電平跳變。將轉(zhuǎn)換輸出腳10硬件置高，打開輸出鎖存器，等待著解碼后的信號(hào)輸出。解碼輸出的二進(jìn)制碼由Q1Q4輸出后進(jìn)入單片機(jī)，從而很好的完成解碼的功能。（5）鍵盤模塊的電路設(shè)計(jì) 考慮到要增加英文短信的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，若每個(gè)字母用一個(gè)鍵，就要用到很多單片機(jī)的I/O口，而單片機(jī)AT89S51的I/O口資源是有限的，就算采用矩陣式鍵盤也要用到很多的I/O口。根據(jù)手機(jī)鍵盤，想到復(fù)用式鍵盤，即一個(gè)鍵代表多個(gè)數(shù)字或字母。用矩陣鍵盤（圖（9）模擬手機(jī)復(fù)用式鍵盤（圖（10），節(jié)省單片機(jī)的I/O端，使單片機(jī)有足夠的資源去處理其他的事情。圖（9） 圖（10）（6）顯示部分模塊設(shè)計(jì)以及工作原理的分析 采用的字符型液晶顯示模塊DCM162，配合復(fù)用式鍵盤使系統(tǒng)人機(jī)交互更加人性化。4、 發(fā)揮部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（1）從站數(shù)量擴(kuò)展到8個(gè)模塊 采用4個(gè)撥碼開關(guān)與單片機(jī)的4個(gè)I/O口相連進(jìn)行設(shè)置從機(jī)的地址，只需要撥動(dòng)撥碼開關(guān)就可以改變叢機(jī)的地址。實(shí)現(xiàn)了實(shí)際只制作1個(gè)從站，就構(gòu)成了一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的單工無線呼叫。 單片機(jī)只需要查詢各個(gè)I撥碼開關(guān)的狀態(tài)邊知道自己是幾號(hào)機(jī)。（2）英文短信傳輸采用復(fù)用式鍵盤（如上圖（10）模擬手機(jī)鍵盤便可以實(shí)現(xiàn)英文數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。（3）增大主、從機(jī)間的通信距離 在發(fā)射峰值功率不大于20 時(shí)，將輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行放大后再發(fā)射，這樣就可以增大主、從機(jī)之間的通信距離。三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 程序總體的流程圖單片機(jī)主站和從站的總流程圖主站：向所有的從機(jī)發(fā)送某個(gè)從機(jī)號(hào)碼，要求該從機(jī)接收信號(hào)。主機(jī)的總流程圖見圖（11）。 從站：接收來自主站的校驗(yàn)碼和數(shù)據(jù)。從機(jī)總流程圖見圖（12）。圖（11）圖（12）四、系統(tǒng)的組裝1、整機(jī)結(jié)構(gòu)圖及工藝說明作為完整的電子設(shè)計(jì)除了需要好的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)外，還需要良好的裝配工藝和美觀的外殼,即有好的人機(jī)界面。這些問題我們也做了相應(yīng)的考慮。系統(tǒng)包括主站和從站兩部分，主、從站之間的區(qū)別在于：主站比從站多出鍵盤輸入模塊，主站是DTMF編碼器，從站是DTMF解碼器。主站：AT89S51單片機(jī)控制模塊、雙音多頻編碼模塊、鎖相調(diào)頻發(fā)射模塊、液晶顯示模塊、復(fù)用式鍵盤輸入模塊；用排線將各模塊連接起來，并將調(diào)好鎖相調(diào)頻發(fā)射機(jī)用屏蔽盒封裝起來以防止電壓的變壓器和其他外界頻率干擾其發(fā)射。采用雙電源供電，發(fā)射部分用12V供電以提高發(fā)射功率；單片機(jī)和其他模塊采用5V供電。從站：AT89S51單片機(jī)控制模塊、雙音頻解碼碼模塊、調(diào)頻接收射模塊、液晶顯示模塊；用排線將各模塊連接起來，并用屏蔽盒把調(diào)好的寬頻調(diào)頻接收模塊封裝起來，防止外界的其他頻率干擾其接收。接收部分4節(jié)電池（6V）供電。2、面板圖及可調(diào)部件說明 主站的面板設(shè)置如圖（13）示；從站的面板設(shè)置如圖（14）示。圖（13）圖（14）五、系統(tǒng)調(diào)試1、電路的測試方案（1）分級(jí)調(diào)試鎖相調(diào)頻發(fā)射部分和調(diào)頻接收部分的調(diào)試：電路圖見圖（15），用信號(hào)源給鎖相調(diào)頻發(fā)射電路以一定頻率的信號(hào)，然后用調(diào)頻接收裝置來接收，用示波器來檢測調(diào)頻接收輸出的信號(hào)和信號(hào)源基本相同，這說明發(fā)射接收部分工作正常。圖（15）DTMF編碼和解碼的調(diào)試：采用有線調(diào)試，給DTMF編碼器一組數(shù)據(jù)讓其編碼產(chǎn)生DTMF信號(hào)，用解碼器解調(diào)，一樣解碼出來的數(shù)據(jù)與編碼的數(shù)據(jù)，說明這兩部分工作正常。（2）級(jí)聯(lián)調(diào)試在分級(jí)調(diào)試成功的基礎(chǔ)上，借助與簡