基于51单片机的数字化无载波报警系统
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【摘要】本文以51单片机和为核心，设计数据采集系统和串口通讯系统，对发射机的播音状态进行实施检测，一旦出现故障第一时间发出警告，提醒当班者，及时对故障机进行处理，以防止或减少停播。
【关键词】单片机；无载波报警；数字电路
1.引言
对于无线局发射台站而言，安全播出是生命线，优质零秒播出一直是我们追求的目标。为此我台先后进行多种技术改造，研发创新，力保播音成绩实现“不间断，高质量，讲效益，重安全”。其中，模拟式无载波报警系统是一项实用性强，可靠性高，快速准确的报警系统，一直沿用至今。
无载波报警系统的取样信号来自平衡/不平衡转换器的输出馈管，也就是说和调幅度测试仪接受同一个输入信号。在发射机运行过程中，只要载波信号低于某一值，该系统就会发出警告声提醒值班者检查处理，采取应急措施。经过多年的维护经验，载波信号消失的故障有：射频放大电路断激励，自动增益控制器击穿，高前管碰极，各种原因引起的调制器封锁，末前阴流过荷，掉高压，电子管推动力不足，高末管碰极等等，可以说，发射机绝大部分故障都可以被该系统检测到，因此他在我台机房的广播发射播音中，承担着非常重要的监视角色。但是其电路冗杂，需要大量电阻，电容，二极管，三极管等分立元件，数字元器件只是简单的与或非器件，硬件调试维护困难。电路图如下1所示。而基于单片机的数字式无载波报警，可以省去繁多的电阻电容二极管，以及中等集成芯片，只需数字采样电路，串口通讯等电路即可。
图1 模拟式无载波报警电路图
2.硬件电路设计
本方案使用51型单片机ST89C52RC。51单片机是对所有兼容Intel 8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flash rom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出，今后很长的一段时间内将占有大量市场。其功能如下：8位CPU・4kbytes程序存储器（ROM）（52为8K）；128bytes的数据存储器（RAM）（52有256bytes的RAM）；32条I/O口线・111条指令，大部分为单字节指令；21个专用寄存器；2个可编程定时/计数器・5个中断源，2个优先级（52有6个）；一个全双工串行通信口；外部数据存储器寻址空间为64kB；外部程序存储器寻址空间为64kB；逻辑操作位寻址功能・双列直插40PinDIP封装；单一+5V电源供电；CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。
这里要详细介绍2个概念：第一，总线：我们知道，一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以就需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（能有多个器件同时接收）。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。
第二数据、地址、指令：之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一样的──数字，或者说都是一串‘0’和‘1’组成的序列。换言之，地址、指令也都是数据。指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，不能由单片机的开发者更改。地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元能由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的（详见程序的执行过程）。数据：这是由微处理机处理的对象，在各种不一样的应用电路中各不相同。
2.2 电路硬件原理及设计
数字式无载波报警系统，需要数字取样电路，省去电阻，电容，二极管，三极管等分立元件，只需要几个集成芯片就可以实现功能。具体电路如图2所示：
图2 系统硬件电路
在图2-1中，74LS245是三态缓冲驱动器，接受左边来的载波取样信号，将其变成标准的TTL信号输出，送给单片机。其中DIR是方向选择端，即控制信号从A流向B，还是从B流向A；EN为使能端，置低电平时芯片工作；AB为信号端。本系统中，DIR为高电平，信号从A流向B，而不能从B流向A，这样能够防止瞬间高电压通过缓冲器进入采样传感器，保护传感器。载波信号经过74LS245处理后，送到单片机的IO口，我们选择P1口接受载波信号。单片机对信号进行处理，识别哪部机器出问题。P2口连接指示灯，将故障机器对应的灯点亮。P32口外接扬声器电路，首先接继电器，使得控制信号与驱动信号有效隔离。当单片机检测到无载波报警时，P32口输出低电平，继电器线包吸合，扬声器被供电发出报警。电容X1和X2以及晶振Y1组成晶振电路，为单片机提供12MHz的基准频率。开关S1和电阻R2以及电解电容C9组成单片机的复位电路，当程序锁死或单片机死机的时候，按下开关S1，系统可以重启。
最后，还要设计一个指示灯电路，即电路图中发光二极管D7和电阻R7。以此观察软件调试时程序的入去运行情况，当调试结束开始正式使用后，这个指示灯继续显示程序的运算状态，当它的显示状态不正常，值班员可以手动将单片机复位，以减少不必要的失误。
3.系统软件设计
下面给出本系统的软件部分内容，包括流程图和具体代码。
3.1 流程图
图3-1 软件流程图
3.2 代码编写
下文对软件代码进行编写，主要有几个部分：宏定义，载波信号读取，数据处理，指示灯和扬声器控制。我们机房有6部发射机，即需要采集6路数字信号，而单片机的IO口是8位，所以还涉及到位提取和位运算。
#include
#include
sbit AUD=P3^2；//设P32脚为扬声器控制信号
sbit CTL=P3^3；//设P32脚为程序指示灯控制信
define DataIn P1//将P1口赋予宏定义DataIn
define DataOut P2//将P1口赋予宏定义DataOut
void main（ ）
{
char a，b，c[6]，i； //初始化字符型变量
ADU=1； //初始化扬声器保持静音状态
while（1） //进入循环
{
for（intj=0；j
CTL=～CTL； //程序指示灯控制信号取反，指示灯闪烁表示程序正常
a=DataIn； //将载波信号通过P1口传给变量a
dataOut=a； //将载波信号通过变量a传给P2口
for（i=0；i
{
c[i]=a%2； //数组c读取a的位数据，得到每台发射机的载波状态
a=a>>1； //变量a右移一位，下次将另一台发射机状态传给数组c
if（c[i]==0） //数组c中某个值为0，表示对应的发射机载波消失
AUD=0； //扬声器报警
Else
AUD=1； //当6部发射机载波都正常时，扬声器静音
}
}
}
4.总结
实践证明，此次数字化改造完全达到所需目的，减少了复杂的分立式元器件数量，简化电路减轻调试工作量。方便维护查找问题，而且在该系统中，单片机多个引脚和资源处于保留状态，如串口通信，P0口，中断资源，计时器定时器等等，为以后扩展功能打下基础。