简易无线电遥控系统

简易无线电遥控系统 毕业论文 题 目:简易无线电遥控系统 系 别: 专 业: 班 级: 学生姓名: 指导教师: 完成日期: 2010.12.20 摘 要 随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使得遥控技术有了日新月异的发展。遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。近年来，遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。无线电遥控技术的诞生，起源于无线电通信技术，最初的构想是无线电电报技术的建立，真空电子管(见注释二)的发明使得无线电技术的应用和普及很快应用在民用和军用等各个领域。自从爱迪生发明电灯以来，人类对照明电器的开启和关断控制主要使用手动机械开关。随着无线电的发展，从上个世纪60年代开始，相继出现了无线电遥控的灯开关。 关键词 遥控 WE9187 调制 解调 1 目 录 1引言 ................................................................................................................................................ 1 2.论证于比较 ........................................................................................................................... 2 2.1方案一 ................................................................................................................................ 3 2.2方案二 ................................................................................................................................ 3 2(3方案三 .............................................................................................................................. 3 3.硬件 ....................................................................................................................................... 5 3.1原理框图 ............................................................................................................................ 5 3.2 无线信号的传输部分 ....................................................................................................... 5 3.2.1调制方式的选择 .................................................................................................... 5 3.2.2发射机主振电路型式的选择 ................................................................................ 5 3.2.3发射机功放电路的选择 ........................................................................................ 6 3.2.4接收机解调器 ........................................................................................................ 6 3.3控制部分 ............................................................................................................................ 6 3.4 发射部分 ........................................................................................................................... 6 3.4.1调频发射机 ............................................................................................................ 6 3.5接收部分 ............................................................................................................................ 9 3.5.1编码部分 .............................................................................................................. 11 3.5.2解码部分 .............................................................................................................. 11 3.5.3主要芯片选用 ...................................................................................................... 11 总 结 ............................................................................................................................. 16 参考文献 ......................................................................................................................................... 17 1引言 无线遥控，即是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的信号，通过无线传输，在受控端经解码等处理形成相应的控制操作。无线控制方式多种多样，可以根据不同的应用需要采用适宜的方式。各种遥控方式的不同，主要在于信息的编码处理方式和信息的传输方式。所传信息的形式以及信息量的大小决定采用何种信息编码和处理方式，而信息传送的距离决定采用何种传输方式对于无线遥控技术，当前基本上通过以下几种方式实现:红外线遥控方式，无线电遥控方式，超声波遥控方式和声音遥控方式。红外技术出现比较早，成本低，价格也具有优势。红外遥控具有以下优点:控制内容多，抗干扰能力比较强，不会发生任何误动作;响应速度快，不会对其他电器产生干扰从而影响用户使用;体积小，成本低，功耗小，与其他方式比可以降低功耗90%。但是他的缺点也很明显，在使用中需要保证遥控发射器和遥控接收设备处与一定的角度范围，中间不能有任何物品，否则就会阻挡红外线的传输，因为红外线不能穿越砖瓦水泥砌筑的墙体，这在日常使用中经常会造成不便，毕竟用户不希望只能在一定的角度范围内才能对对象进行操作，之外红外线方式也容易受到外界干扰。超声波遥控方式中的超声传感器频带窄，能携带的信息量少，易于受干扰而引起误动作，同时该种方式作用距离短，通用性强可以互换因而不适合在灯具遥控中运用。声音遥控方式通用性强，作用距离短，声音携带的信息量少，易受干扰而引起误动，它适合于像声控电灯开关的场合。无线电作为新一代的信息传送方式，具有绕射和穿透特性，只要在有效工作范围之内，无线设备就可以不受角度，方向和障碍物的限制而自由使用。并且采用特定的编码解码技术可以防止无线电波的互相干扰，抗干扰能力强。 本设计采用工作频率:fo=8MHz; FM调制方式;遥控对象:8个被控设备用LED分别代替，LED发光表示工作;输出功率:不大于20mW(在标准75Ω假负载上)。接收机距离发射机不小于10m。是一款真正实用而又便宜简单的无线遥控系统。 1 2.方案论证于比较 2.1方案一 发射部分利用四位拨码开关控制并/串转换电路74LS166的四个输入端,在定时脉冲的作用下,输出相应串行数字信号,次信号经NE564进行FSK调制,再放大后经天线发射输出. ,信号从天线馈如经放大,送入NE564进行解调.解调后的数字信号经 接收部分 74LS166进行串/并转换,输出四位二进制数,次二进制数通过4-16线译码器译码后,分别控制八路设备的开关和某一路八级.其如图2-1所示 震荡 四位拔74LS1放NE564 码开关 大 66 八路 放74L 大 NE564 4514 S166 八级 震荡 图2-1方案一框图 此方案直接采用四位拨码开关产生四位二进制数字信号，没有复杂的编码系统，电路比较简单，但由于并/串、串/并转换集成电路都需要时钟信号，且收发要求严格同步，否则系统无法接收的正确的信号，对接收电路要求就很高，而且脉冲信号在传输中易受干扰，所以误码率较高。 2 2.2方案二 发射部分采用四位拔码开关,控制YYH26编码集成电路的数据端,用 NE564对YYH26的输出进行FSK调制,再放大后经天线发送出去。 接收部分将天线接收的信号放大后通过NE564进行FSK解码,输出的四 位数据经4514译码来控制八路设备的开关和某一路的八级.如图2-2所示 四位拔码开关 YYH26 NE564 放大 八路 放大 NE564 YYH27 4514 图2-2方案二框图 八级 此方案采用YYH26/27编译码器，编码种类较多，便于加密，功能扩展较容易，抗干扰能力也较强，但由于YYH26/27是以改变脉冲占空比来进行编码且收发误差要求在5%以内，所以对解调电路精度要求很严格。YYH26的编码操作是先在数据端进行编码，再在使能端加一底脉冲才发送的，操作复杂。 2(3方案三 此方案采用双音多频电话机专用拨号集成电路WE9187配接4×4键码，编码输出的双音多频信号通过FM调制，中心频率选择在6~10MHz。FM信号放大后经天线发射出去。接收机使用调频接收专用集成电路TDA7021对FM信号进行解调，输出的双音多频信号经双音多频解码专用集成电路G8870进行解码， 3 输出四位二进制信号通过4514译码后，分别控制八路设备和八个级别。其框图2-3所示 键盘 双音编码 放大 FM调制 八路 调频解调 双音译码 4514 八级 图2-3方案三框图 此方案采用双音多频编码及FM调试方式，并且接收部分的解码电路G8870只识别双音多频信号，从而大大提高了信道抗干扰能力。FM接收采用TDA7021单片调频接收集成电路，灵敏度高(可达到5uV)在输出功率一定的条件下有利于提高通信距离。由于关键部分均采用单片专用集成电路，所以电路简单，可靠性高，易于实现，调试也简单，采用4×4键盘增加受控范围，可以扩展八哥级别。发射部分用WE9187是发送开关XTS端来控制调制和功放的电源，在无键盘操作时这两级不工作，只要WE9187本身耗电，此时整机电流很小，WE9187的静态电流典型值只有0.25uA大大降低了电源功耗，延长了电池的使用寿命。 4 3.硬件设计 3.1原理框图 调制 功放 控制键 编码 电池 3.1.1框图一无线电遥控发射机 被 控 放大 解调 解码 设 备 外供直流稳压电源 3.1.2框图二无线电接收机 3.2 无线信号的传输部分 3.2.1调制方式的选择 根据要求，对象是八盏灯，用LED显示亮灭，被控状态采用二进制编码。由于数字信号具有丰富的低频成分，不宜进行无线传输，因而需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制。基本的数字调制有三种:即振幅键控(ASK)，频率键控(FSK)和相位键控方式(PSK)。目前用的最多的数字调制方式是相干2DPSK和非相干FSK。相干2DPSK主要用于高速数据传输，而非相干FSK则用于中低速数据传输中。为了提高抗干扰的能力，同时实现方法比较简单，载波传输采用FSK调制方式。 3.2.2发射机主振电路型式的选择 主振可以采用晶体振荡或LC振荡。若采用普通晶体倍频方式，假设为三倍 5 频，则晶体频率要低于3.33MHz，在这种情况下难以获得足够的频偏。若采用专用的调频晶体，价格又太高。因此本设计选择了变容二极管直接调频的西勒电路，既可以获得比较大的频偏，又可以保证一定的频率稳定度。 3.2.3发射机功放电路的选择 功率放大器一般由推动级，中间级和输出级组成，具体级数应由所要求的总功率增益而定。假设天线特性阻抗75Ω，则在匹配良好条件下天线上的电压峰—峰值要小于3.5ν。一般西勒振荡器输出电压峰—峰值为1V是可以实现的，所以用一级功率放大器应该能满足要求。考虑到前后级影响的问题，在振荡器与功率放大器之间加入一级射随器，起隔离和激励的作用。鉴于输出功率低，兼顾效益，功放管工作状态选为甲乙类。 3.2.4接收机解调器 通过查阅资料，选择了摩托罗拉的集成窄带FM解调芯片MC3361构成解调电路。MC3361的特点为低功耗，低电压和高灵敏度。 3.3控制部分 控制对象是四盏灯，它们只有两种开关状态:亮或灭。因此将其用数字信号来表示是合理的。四个按键开关对应四种控制状态。文中采用四位二进制码表示各种控制状态。为了方便码元的传输，需要对码元进行在编码(一是进行并串转换，二是加入一定冗余信息提高可靠性)然后再接收端进行解码。经过查阅资料，MC145026和MC145027是专门设计用于遥控电路中的编码解码器。MC145026可以接收四位并行数据，在编码后串行输出，在每一个编码周期中，发送两次数据，以提高可靠性。MC145027解码器接收串行数据，前五位二元码是地址码，剩下的为四比特的二元数据码，当接收到的地址码与本地地址码相等时，并行输出数据码。用MC145026和MC145027可以满足控制信号的编码与解码。 3.4 发射部分 3.4.1调频发射机 发射系统主要由按键编址电路、编码电路、无线电发射电路组成。发射系统 6 的电路原理图见图3.4.1.1。 VCC L4 14uFR1R3R6L210K1K56KR9L3L22.5uF33K7/25uF C4C7BG2C10805020PF7/25PF303PFBG1C8BG39018C50050R5 C2150PF1K200PF3PF R2R7C6L15.1KC1510KR820uHCj0.22uFR45.1KCAP510KC3300PF 45026U1116A1VDDR12R13R14R15215A2DOUTR1050K1k31k1k1kA3413A4RTC5100PF512C1A5CTC11RSR1150Kk16A6/D6714A7/D7TE*k298A8/D8VSS10A9/D9k3 k4 图3.4.1.1 遥控发射机电路图 主振级由晶体管BG1与电容C2，C3，C4，C5，变容二级管和电感L1组成西勒振荡器。振荡信号由C7弱耦合至射随器，然后送至功率放大器。功放的工作状态为甲乙类，R8，R9给BG3提供偏压，输出匹配网络采用简单的Γ型网络，其中L4与C10和天线等效电容谐振于载频，L3与L2起阻抗变换作用，以使得输出功率最大。 调频采用变容二极管电路。在本设计中，调制信号为二元单极性码，即只有高低两个电平，所以对调制线性度要求不高。因此本设计采用变容二极管部分接入以及对变容二极管不外加偏压的电路结构，电路如图3.4.1.2所示。 7 图3.4.1.2 变容二极管的结电容 Cj为变容二极管的结电容，可以求得Cj对主振电路的接入系数为 P=C5/(C5+Cj) 若调制信号引起的结电容变化为?C，则引入主振回路的电容变化量为P?P??C，可以求得由于此引起的振荡频率的变化为 ? Fg?-P?P??C?Fg/2CΣ 式子中CΣ?C5?Cj/(C5+Cj)+C4为主振回路的总电容。负号表示?C与?Fg的变化相反。 本设计中，C5=3pF，Cj=21pF，可得p1，即变容二极管参量的变化 对振荡频率影响比较小，频率稳定度大大提高。 由此引入的问题是如何才能得到足够的频偏，也就是如何使变容二极管的结电容变化比较大。解决的办法是对变容二极管不加反向偏压。变容二极管是根据普通二极管内部 "PN结” 的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。二极管的PN结具有结电容，当加反向电压时，阻挡层加厚，结电容减小，所以改变反向电压的大小可以改变PN结的结电容大小，这样二极管就可以作为可变电容器用。 如图3.4.1.3所示: 8 图3.4.1.3变容二极管结电容变化 在不外加反偏压时可以获得最大电容变化量。由于无外加偏压，避免了 由偏压变化引起的频率漂移，同时简化了电路。 3.5接收部分 如图所示，接收机的模拟部分可以分为三大模块: ? 高频放大电路采用典型电路。影响接收机灵敏度的主要因素是噪声，表现为信噪比。信噪比越大，表明接收电路的噪声越小，对灵敏度影响越小。为了提高接收机的灵敏度，使用了低噪声的三极管2SC763。 ? 鉴频电路采用MC3361。本振为8MHz，。与高放送来的信号进行混频，产 )送回MC3361进行鉴频。生500KHz的中频信号。此信号通过窄带陶瓷滤波器(FL MC3361的外围元件值的确定参考了MOTOROLA LECOMMUNICATIONS DEVICE DATA 一书中所给出的MC3361的典型电路，省略了静噪部分。 ? 比较电路。码型在传输过程中可能出现畸变，所以应该通过比较电路使得信号恢复成只有高低电平的数字信号。这样，提高了接收机的抗干扰能力，并且与后级数字电路匹配。比较器门限电压由鉴频器输出经过RC低通滤波获得，其电压相当于信号中的直流分量电压。此方法有一定的自适应功能，在实际应用中表现出比较强的抗干扰能力。 9 图3.5.1 接收机模拟部分电路图 10 VCC500R3 L1U4116A1VDD215L2A2D6314A3D7413A4D8512L350KA5D9R1611R1VT710C1R2/C289L4VSSDINC20.02uF45027 C1R20.1uF IN240k 图3.5.2接收机编码部分电路图 3.5.1编码部分 控制开关为四个。四个按键开关对应四种控制状态。利用MC145026和MC145027对控制信号进行编码和解码，以利于码元在无线信道中传输。MC145026产生占空比随传0，传1改变的单极性码，一组编码包括5位地址码和4位数据码。在本设计中MC145026有九位输入端，其中五位是地址码并且是设定的，即接高电平。另四位为数据输入端。假如MC145026的地址码是变化的，则可以用一片MC145026控制多片MC145027。 3.5.2解码部分 在接收端用一片MC145027对解调后的信号进行解码。而作为被控对象的LED直接连接在MC145027的数据输出管脚。相应的MC145027也有5位地址码，只有与MC145026地址码相同的MC145027才会有解码输出。这样，就可以用一片MC145026对应得控制一片MC145027。 3.5.3主要芯片选用 编解码模块由三态编码解码芯片MC145026和MC145027组成，此组芯片是摩 11 托罗拉公司生产的用于通信配对使用的最新芯片。编码芯片MC145026可对9位输入信息(地址位A1,A5，数据位D6,D9)进行编码，编码后每个数据位用两个脉冲表示: “1”编码为两个宽脉冲;“0”编码为两个窄脉冲;“开路”编码为一宽脉冲和一窄脉冲交叉。当TE端输入脉冲上升沿时，编码后的数据流开始由D0串行输出。对于每9位数据信息，可以看作是一个数据字，为了提高通信的安全性，编解码芯片对每个数据字发送两次，接收两次。 MC145027解码器用于接收MC145026输出的编码数据流。当解码器地址与编码器地址状态相同并连续收到两组相同编码信号时，VT端由低电平跳变为高电 地址设置不同，或是两平以指示接收有效。而当接收到的数据流地址位与本系统 次接收的数据不同，或是在四个数据周期内无信号时，VT端变为低电平，此时可认为无信号或认为信号不是发送给本系统的。由于对接收到的信息进行地址识别是由MC145027芯片来完成的，因此，对不是发送给本系统的信息通常不传送到并行接口，所以对本系统的工作也就不会造成影响。集成编码器MC145026的引脚功能和外部电路如图3.5.3.1所示 图3.5.3.1 MC145026的引脚 编码数据流从MC145036的第15管脚串行输出，顺序为A1~A5、D6~D9。 R，C，R:振荡器选择管脚。 STCTC TE:传输使能管脚，低电平有效。 D:译码器输出管脚。 out 12 V:负电源供给管脚。 SS V:正电源供给管脚。 DD A1—A9是地址或数据输入端，当做地址使用时有三个状态(高电平，开路，低电平)，当作数据使用时候有两种状态(高电平，低电平)。Rtc，Ctc的数值决定MC145026内部时钟振荡器的工作频率f(f=1/2.3RtcCtc)。TE是时钟振荡器的工作控制端，当TE为低电平时候，振荡器工作。Do的输出编码信号如图3.5.3.2所示。两个连续的宽脉冲(占空比7:1)表示“1”，两个连续的窄脉冲(占空比1:7)表示“0”，一宽一窄两个脉冲表示“开路”。发送时，先发送17.5 个时钟周期的低电平, 接着依次发送A1,A2 的状态编码，如果A1,A9 的状态编码发送完毕后TE 依然是低电平,经过24 个时钟周期后再依次发送A1,A9 的状态编码。其编码的发送工作不管TE 在何时由低电平变为高电平，均必须等到当前发送周期结束以后才能停止。 图3.5.3.2 MC145026 Do的编码波形 MC145027 是与MC145026 配套使用的解码器(MC145027/145028)的一种， WRN具有4 位数据输出和5位地址编码，根据其地址的不同组合可以产生种不 5同的地址编码。根据其地址的不同组合可以产生=243种不同的地址编码。3 MC145027 的引脚功能和外部电路如图3.5.3.3 所示，其功能框图如图3.5.3.4所示。 13 图3.5.3.3MC145027的引脚功能 A-A:地址输入管脚。 15 D-D:数据输出管脚。 69 D:数据输入管脚。 IN VT:有效传输输出管脚。 V:负电源供给管脚。 SS V:正电源供给管脚。 DD 图3.5.3.4 MC145027译码器功能框图 MC145027 通过RC积分电路来完成宽窄脉冲的识别，图中，定时元件R1、C1 决定对宽窄脉冲的识别。R2、C2 是整个发送周期的辨别定时元件，用以确定各个有效单字。当编码信号从数据输入端(9 脚)输入时，6 脚将出现与9脚相同的信号，该信号经R1、C1 积分电路积分后由7 脚送至数据提取电路，数据提取电路在输入信号的每一个上升沿通过检测7脚的状态来判断输入的是宽脉冲还是窄脉冲。 14 图3.5.3.5 MC145027 6脚和7脚的信号波形 图给出了6 脚和7 脚信号的波形，假定数据输入端输入的是“开路”编码(即一个宽脉冲和一个窄脉冲)，宽脉冲开始于t0 时刻，结束于t1 时刻，窄脉冲开始于t2时刻，结束于t3 时刻，整个编码于t4 时刻结束。 在此时刻，数据提取电路检测到的7 脚电平为高电平，说明上一个脉冲为宽脉冲;此后窄脉冲通过R1给C1 充电，在窄脉冲结束时的t3 时刻，7 脚的电压为0.74Vcc，在此后的一段时间里C1 通过R1 放电，在编码结束的t4 时刻，7 脚的电压为0.1Vcc。此时数据提取电路检测到7 脚的电平为低电平，说明上一个脉冲为窄脉冲。由此可见MC145027 并不是对接收到的脉冲信号直接进行解码，而是将输入信号积分后进行解码，由于积分电路能滤除瞬间的尖脉冲干扰，因此MC145027 接收的编码信号即使受到某种程序的干扰，依然能够进行正确的解码，这一点对于环境复杂的工业现场特别重要。 15 总 结、 无线电遥控器(RF Remote Control)是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其它各种相应的机械或者电子设备，去完成各种操作，如闭合电路、移动手柄、开动电机，之后再由这些机械进行需要的操作。一个多键的无线电遥控器可集中控制全家的只能遥控开关，具有人性化夜光功能，方便夜间找到开关位置，具有安装方便，使用简单，安全可靠等优点。但因为无线电波有穿墙越壁能力，所以会误开关邻居的灯。为了解决这个难题，后来的一种无线电遥控器采用了编码技术，像一把钥匙开一把锁一样，一个遥控器只对应控制一盏灯。 此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工作重要的一步。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。通过这次实践，我了解了无线电的用途及工作原理，熟悉了无线电系统的设计步骤，锻炼了设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身 毕业设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，数据，提高了自己的设计能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。 16 参考文献 [1]肖景和.无线电遥控组件及其应用电路.人民邮电出版社.2004. 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