基于MSP430单片机的节能型数字调频发射机*

冒晓莉 ，杨 博 ，杨静秋 ，马 超 ，朱伟娜

（1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044;2.南京信息工程大学 江苏省气象探测与信息处理重点实验室，江苏 南京 210044）

随着高校数字设备的更新，数字调频发射机在高校中得到广泛应用。但传统的调频发射机以模拟电路为主，发射频率固定、稳定性差；而数字式发射机功耗很大，且几乎所有设备都没有静音关闭的功能，容易造成电能浪费。本文提出的节能型数字调频发射机的设计，可使发射频率在88 MHz～108 MHz范围内任意设置，精度达0.1 MHz，可有效避免干扰，提高稳定性。选用的低功耗系统实现了静音关闭功能，大大减少电能损耗，起到节能、环保的作用。该设计可作为学校数字化教学的无线话筒使用，也可用于组建小型的广播系统，具有很强的实用价值。

1 系统设计和工作原理

本系统以低功耗单片机MSP430F149为主控制器、BH1415F模块为核心，加以声强检测模块、继电器控制模块以及液晶显示、矩阵键盘等模块组成。该系统的工作原理如下：首先触发工作按钮，继电器开关闭合，系统工作。利用驻极体麦克风采集声音，放大、滤波后，其中一路传输给BH1415F调频后发射，液晶屏实时显示发射频率和状态；另一路经声强检测模块，将得到的电压值传给单片机内部A/D转换器。当有声音发出时，采样得到的电压值较大，控制继电器开关一直闭合，系统处于工作状态；一旦声音停止，电压值将变得很小，若在一定时间内，检测的电压值持续低于设置的无声阈值，则控制继电器开关断开，切断系统所有供电，系统停止工作，达到静音关闭的功能。系统框图如图1所示。

图1 系统框图

2 硬件设计

2.1 MSP430简介

MSP430是TI公司推出的16位系列单片机，在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压在1.8 V～3.6 V范围之间，正常工作时功耗可控制在200 μA左右。可实现 2μA甚至 0.1μA的低功耗[1]，且自带有ADC12模块，该模块能够实现12位精度的数模转换，具有高速和通用的特点[2]。多用于智能仪表、智能家电、电池供电便携式设备中。

本系统采用MSP430F149单片机为主控芯片,不仅可以直接应用于内部集成的12位A/D，满足设计的要求，还可使单片机进入低功耗模式，有效地减少系统功耗，进一步节约电能。

2.2 声音采集模块

目前市面上较多的是动圈式麦克风和驻极体麦克风。驻极体麦克风具有体积小、频率范围宽、高保真和成本低的特点[3]，本设计采用驻极体麦克风初步采集声音。麦克风通过3.5 mm立体声插座接入电路，信号经滤波后，由三极管9014放大，得到适合的电压值，实现声音的简单采样。

2.3 数字调频发射机模块

数字调频发射系统采用BH1415F为核心，组成数字调频发射模块。BH1415F是专用的调频发射集成电路，内含立体声信号调制、调频广播信号发射电路、前置补偿电路、限制器电路、低通滤波电路等，具有良好的音色，且内置PPL系统调频发射电路，传输频率非常稳定[4]。

将BH1415F的传输使能端CE、传输时钟端CK、传送内容端DA、音频静音端MUTE与单片机I/O端口相连。单片机通过CE、CK、DA 3个管脚，用串行通信的方法向BH1415F写入16位控制字，对其发射频率、立体声及PLL输出状态进行控制；通过对MUTE管脚送入高低电平，控制音频静音功能的开/关。

2.4 声强检测模块

经声音采集模块得到交流信号，为了提高检测精度和效率，选用整流芯片AD736[5]，采用如图 2所示的声强给测电路，将交流电压转换为直流电压。由于得到的直流信号较小，AD736输出的电压需经 LM324放大，再将得到的理想电压值送至A/D转换器。

2.5 静音关闭控制模块

电源通过继电器常开一端接入系统。不使用时，电源断开，系统不工作。当触发系统工作按钮后，触发瞬间电路接通，电源给系统供电，单片机立刻为继电器送入高电平使继电器跳转，常开一端闭合，电源接入电路中。此时，即使松开工作按钮，系统也可正常工作，继电器控制电路如图3所示。

当单片机检测的A/D电压值持续小于闸值5 min后，单片机给继电器送入低电平，继电器跳转，常开一端断开，电源断开连接，停止供电，系统停止工作。

3 软件设计

3.1 软件流程

系统工作按钮被触发后，继电器常开端闭合，进行初始化设置。定时1 s，读出A/D采样值，并与设定的闸值进行比较，判断系统是否在使用中。若正在使用，则使计数清0；若未使用，则计数值加1。计数达300(5 min)时，控制继电器跳转，切断电源。定时中断流程图如图4所示。

图4 定时中断流程图

3.2 低功耗设计

本文设计的发射系统静音关闭功能不仅节约电能，同时MSP430单片机还可以发挥其低功耗优势，除了必要的设备初始化以外，其余程序（键盘触发、定时器、A/D转换）均在中断中完成。单片机大部分时间处于LPM1低功耗模式中，只有中断被触发才被唤醒，这一设计方案大大降低了系统功耗[6]。当不设置发射频率和发射状态时，单片机可控制液晶、关闭背光，从而进一步降低功耗节约电能。

表1 实验结果对比

4 实验结果

经过软硬件调试之后，系统成功实现了本文所提出的静音关闭功能。该发射系统的关键性指标与常见的几种无线调频发射系统的技术指标比较结果如表1所示。可以看出，本设计除了具有静音自动关闭功能优势之外，其他的性能指标与所列几种发射系统基本相当。

针对传统调频发射机稳定性差、易受干扰、功耗大、浪费电能的问题，设计了基于MSP430低功耗单片机和BH1415F的节能型数字调频发射机，正常情况下工作功率约1.2 W。该发射机的发射频率在88 MHz～108 MHz范围内可调，最小步进为0.1 MHz,发射功率为0.5 W～0.7 W。本设计增加了静音关闭的功能，停止使用一段时间后,系统可自动切断电源,可有效减少不必要的电能浪费,实用性极强,尤其在节能、环保方面具有很大的推广价值。

[1]郝妍娜,洪志良.基于MCU和nRF905的低功耗远距离无线传输系统[J].电子技术应用,2007,33(8):44-47.

[2]姜印平,刘江江,李杰.基于MSP430单片机的智能电池检测[J].仪器仪表学报,2008,29(5):1040-1043.

[3]秦丽,潘峰,孟令军.面向声定位的低功耗音频信号采集系统的设计[J].仪表技术与传感器,2009(2):56-57.

[4]谢三毛.基于单片机的数控调频发生器设计[J].煤矿机械,2010(3):246-248.

[5]于德会,孙文林,王海军.基于AD736的交流伏安特性测试[J].仪表技术,2006(2):53-54.

[6]苏维嘉,张金纲.低功耗便携式心电仪的设计[J].电子技术应用,2011,37(12):37-39.