基于51單片機的數字化無載波報警系統

國家新聞出版廣電總局723臺 李金彤

1.引言

對于無線局發射臺站而言，安全播出是生命線，優質零秒播出一直是我們追求的目標。為此我臺先后進行多種技術改造，研發創新，力保播音成績實現“不間斷，高質量，講效益，重安全”。其中，模擬式無載波報警系統是一項實用性強，可靠性高，快速準確的報警系統，一直沿用至今。

無載波報警系統的取樣信號來自平衡/不平衡轉換器的輸出饋管，也就是說和調幅度測試儀接受同一個輸入信號。在發射機運行過程中，只要載波信號低于某一值，該系統就會發出警告聲提醒值班者檢查處理，采取應急措施。經過多年的維護經驗，載波信號消失的故障有：射頻放大電路斷激勵，自動增益控制器擊穿，高前管碰極，各種原因引起的調制器封鎖，末前陰流過荷，掉高壓，電子管推動力不足，高末管碰極等等，可以說，發射機絕大部分故障都可以被該系統檢測到，因此他在我臺機房的廣播發射播音中，承擔著非常重要的監視角色。但是其電路冗雜，需要大量電阻，電容，二極管，三極管等分立元件，數字元器件只是簡單的與或非器件，硬件調試維護困難。電路圖如下1所示。而基于單片機的數字式無載波報警，可以省去繁多的電阻電容二極管，以及中等集成芯片，只需數字采樣電路，串口通訊等電路即可。

圖1 模擬式無載波報警電路圖

2.硬件電路設計

2.1 51單片機介紹

本方案使用51型單片機ST89C52RC。51單片機是對所有兼容Intel 8031指令系統的單片機的統稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flash rom技術的發展，8031單片機取得了長足的進展，成為應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應用于工業測控系統之中。很多公司都有51系列的兼容機型推出，今后很長的一段時間內將占有大量市場。其功能如下：8位CPU·4kbytes程序存儲器(ROM)(52為8K)；128bytes的數據存儲器(RAM)(52有256bytes的RAM)；32條I/O口線·111條指令，大部分為單字節指令；21個專用寄存器；2個可編程定時/計數器·5個中斷源，2個優先級(52有6個)；一個全雙工串行通信口；外部數據存儲器尋址空間為64kB；外部程序存儲器尋址空間為64kB；邏輯操作位尋址功能·雙列直插40PinDIP封裝；單一+5V電源供電；CPU：由運算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以讀寫的數據，如運算的中間結果、最終結果以及欲顯示的數據；ROM：用以存放程序、一些原始數據和表格；I/O口：四個8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出；T/C：兩個定時/記數器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數模式；五個中斷源的中斷控制系統；一個全雙工UART(通用異步接收發送器)的串行I/O口，用于實現單片機之間或單片機與微機之間的串行通信；片內振蕩器和時鐘產生電路，石英晶體和微調電容需要外接。最高振蕩頻率為12M。

這里要詳細介紹2個概念：第一，總線：我們知道，一個電路總是由元器件通過電線連接而成的，在模擬電路中，連線并不成為一個問題，因為各器件間一般是串行關系，各器件之間的連線并不很多，但計算機電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協調，所以就需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨連線，則線的數量將多得驚人，所以在微處理機中引入了總線的概念，各個器件共同享用連線，所有器件的8根數據線全部接到8根公用的線上，即相當于各個器件并聯起來，但僅這樣還不行，如果有兩個器件同時送出數據，一個為0，一個為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過控制線進行控制，使器件分時工作，任何時候只能有一個器件發送數據(能有多個器件同時接收)。器件的數據線也就被稱為數據總線，器件所有的控制線被稱為控制總線。在單片機內部或者外部存儲器及其它器件中有存儲單元，這些存儲單元要被分配地址，才能使用，分配地址當然也是以電信號的形式給出的，由于存儲單元比較多，所以，用于地址分配的線也較多，這些線被稱為地址總線。

第二數據、地址、指令：之所以將這三者放在一起，是因為這三者的本質都是一樣的──數字，或者說都是一串‘0’和‘1’組成的序列。換言之，地址、指令也都是數據。指令：由單片機芯片的設計者規定的一種數字，它與我們常用的指令助記符有著嚴格的一一對應關系，不能由單片機的開發者更改。地址：是尋找單片機內部、外部的存儲單元、輸入輸出口的依據，內部單元的地址值已由芯片設計者規定好，不可更改，外部的單元能由單片機開發者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的(詳見程序的執行過程)。數據：這是由微處理機處理的對象，在各種不一樣的應用電路中各不相同。

2.2 電路硬件原理及設計

數字式無載波報警系統，需要數字取樣電路，省去電阻，電容，二極管，三極管等分立元件，只需要幾個集成芯片就可以實現功能。具體電路如圖2所示：

圖2 系統硬件電路

在圖2-1中，74LS245是三態緩沖驅動器，接受左邊來的載波取樣信號，將其變成標準的TTL信號輸出，送給單片機。其中DIR是方向選擇端，即控制信號從A流向B，還是從B流向A；EN為使能端，置低電平時芯片工作；AB為信號端。本系統中，DIR為高電平，信號從A流向B，而不能從B流向A，這樣能夠防止瞬間高電壓通過緩沖器進入采樣傳感器，保護傳感器。載波信號經過74LS245處理后，送到單片機的IO口，我們選擇P1口接受載波信號。單片機對信號進行處理，識別哪部機器出問題。P2口連接指示燈，將故障機器對應的燈點亮。P32口外接揚聲器電路，首先接繼電器，使得控制信號與驅動信號有效隔離。當單片機檢測到無載波報警時，P32口輸出低電平，繼電器線包吸合，揚聲器被供電發出報警。電容X1和X2以及晶振Y1組成晶振電路，為單片機提供12MHz的基準頻率。開關S1和電阻R2以及電解電容C9組成單片機的復位電路，當程序鎖死或單片機死機的時候，按下開關S1，系統可以重啟。

最后，還要設計一個指示燈電路，即電路圖中發光二極管D7和電阻R7。以此觀察軟件調試時程序的入去運行情況，當調試結束開始正式使用后，這個指示燈繼續顯示程序的運算狀態，當它的顯示狀態不正常，值班員可以手動將單片機復位，以減少不必要的失誤。

3.系統軟件設計

下面給出本系統的軟件部分內容，包括流程圖和具體代碼。

3.1 流程圖

圖3-1 軟件流程圖

3.2 代碼編寫

下文對軟件代碼進行編寫，主要有幾個部分：宏定義，載波信號讀取，數據處理，指示燈和揚聲器控制。我們機房有6部發射機，即需要采集6路數字信號，而單片機的IO口是8位，所以還涉及到位提取和位運算。

4.總結

實踐證明，此次數字化改造完全達到所需目的，減少了復雜的分立式元器件數量，簡化電路減輕調試工作量。方便維護查找問題，而且在該系統中，單片機多個引腳和資源處于保留狀態，如串口通信，P0口，中斷資源，計時器定時器等等，為以后擴展功能打下基礎。