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实验设备电源无线控制系统
本科学生毕业设计
实验设备电源无线控制系统
院系名称:
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
职称:
黑龙江工程学院
二○一二年六月
TheGraduationDesignforBachelor'sDegree
LaboratoryEquipmentPowerWirelessControlSystem
Candidate:
Specialty:
Class:
Supervisor:
HeilongjiangInstituteofTechnology
2012-06·Harbin
摘要
电源是人们在日常生活中必不可少的,无论是家居,办公,还是商场等需要用电的场所都离不开它。
但目前市场上大多数电源都是有线连接的,平常用还可以,要是在多用户集中控制场合,采用有线开关集中控制每个用户的电源开关(例如学生宿舍、智能小区、学校计算机房和实验室),在原材料和工程施工方面,将是一大笔开支。
再说,从工程的整体美观程度来讲,它也不美观,若采用电源无线控制的方式,则可以节省一大笔开支和减少一些不必要的麻烦。
本设计是基于单片机实现对实验设备的无线控制系统。
本次设计采用的是315MHz稳频无线电遥控组件及其它的外围元件,组装的遥控开关。
通过单片机可以对各种实验设备进行控制。
本设计分为无线模块PT2262/PT2272编码电路、电源开关及单片机控制部分。
单片机发出相应的控制信号,送到PT2262的数据输入端。
由PT2262编码并调制在315MHZ载波上,经过一级高频放大后由天线发射出去。
再由接收板接收信号,经过LM358两级高增益放大后送入PT2272进行解码,输出端送给单片机,单片机根据动作信号分别去控制相应用电器的控制继电器,完成对用电器的控制。
本设计通过无线电实现控制信号的传递,单片机作为控制部件协调处理整个系统的工作。
关键词:
单片机;无线收发系统;电源开关;PT2262/PT2272;LM358
ABSTRACT
Thepowersupplyisessentialineverydaylife,whetherhome,office,orshoppingmallsandotherplacesneedelectricityareinseparablefromit.Currentlyonthemarket,mostofthepowersupplyarewired,usuallyyoucanalso,inamulti-usercentralizedcontrolapplications,theuseofwiredswitchesfocustocontroleachuser'spowerswitch(suchasstudentdormitories,intelligentcommunity,schoolcomputerroomandexperimentalroom),rawmaterialsandconstruction,itwillbealotofmoney.Moreover,fromtheoverallaestheticappearanceoftheprojectisconcerned,itisnotbeautiful,ifthepowerofwirelesscontrol,youcansavealotofexpensesandreducesomeunnecessarytrouble.
Thedesignisbasedonsinglechipwirelesscontrolsystemforlaboratoryequipment.Thedesignusesaremotecontrolswitchtothe315MHzfrequencystabilizationofradio-controlledcomponentsandotherperipheralcomponentsassembled.Microcontrollercancontrolavarietyoflaboratoryequipment.ThedesignisdividedintothewirelessmodulePT2262/PT2272codingcircuits,powerswitchandmicrocontrollercontrolsection.TheMCUsendsthecorrespondingcontrolsignalsenttothedatainputofPT2262.BythePT2262encodingandmodulationin315MHZcarrier,antennaoutafterahigh-frequencyamplification.Thenthesignalreceivedbythereceiverboard,aftertwoLM358high-gainamplificationintothePT2272todecodetheoutputsenttothemicrocontroller,themicrocontrolleraccordingtotheoperationsignaltocontrolthecorrespondingelectricalcontrolrelay,thecompletionoftheelectricalcontrol.Thisdesigntoachievethetransferofthecontrolsignalbyradio,microcontrollerascontrolunittocoordinatethehandlingofthewholesystem.
Keywords:
Microcontroller;wirelesstransceiversystem;powerswitch;PT2262/PT2272;LM358
目录
摘要I
AbstractII
第1章引言1
1.1概述1
1.2电源无线控制系统的发展现状2
1.3主要内容2
1.4本设计的结构安排3
第2章总体设计方案4
2.1总体设计方案4
2.2器件的选择6
2.2.1单片机的选择6
2.2.2无线模块的选择6
2.3本章小结7
第3章系统硬件设计8
3.1主控制器芯片STC89C52简介8
3.1.1概述8
3.1.2引脚功能9
3.2无线网关电路设计10
3.2.1MAX232芯片简介10
3.2.2无线发射电路11
3.2.3单片机最小系统12
3.3节点控制器设计13
3.3.1继电器电路13
3.3.2无线接收电路的设计14
3.4电源模块15
3.5本章小结16
第4章系统软件设计17
4.1无线网关程序流程图17
4.1.1发送子程序18
4.1.2读取数据子程序18
4.2节点控制器程序流程图19
4.3串口通讯子程序设计20
4.4本章小结20
结束语21
参考文献22
致谢24
附录25
第1章引言
1.1概述
在电子技术日益发展的今天,电源的控制从以前单一的有线开关控制方式,逐步转变到有线和无线等多种控制结合的方式。
尤其在多用户集中控制场合,如学生宿舍、智能小区、学校计算机房和实验室。
在这些场合,若采用有线开关集中控制每个用户的电源开关,在原材料和工程施工方面,将节约一大笔开支。
从工程的整体美观程度来讲,后者也优于前者。
无线遥控采用无线电波或激光束传输主要用于活动的受控对象。
可以在远离设备操作盘的地方对设备进行操作控制,相当于把设备操作盘上的按钮(开关)移到操作人员手中的操作器上,而且无须使用导线连接。
操作人员活动范围大:
可以近距离观测目标,也可以远离危险场所。
与传统有线相比主要有以下特点:
1、非接触;2、远距离操控;3、控制及时;4、专人专控。
此外,它还有很多优点。
操控精准,一个人既可以近距离观测目标,又可以远距离控制设备,无操作盲点。
提高生产效率,无须两个人之间的联系,安全,可靠。
系统在运行中,发射器与接收器之间始终保持联系,一旦信号中断,接收器立即自动停机,保证生产安全,无线电信号没有方向性,能够跨越障碍物。
无线遥控技术,市场前景广阔,广泛应用于家用照明开关控制,老人、小孩使用安全,并可遥控家用电器,对此类产品,消费者反映较好,很受欢迎,市场潜力很大。
21世纪是网络信息飞速发展普及的时候,信息高速公路等一系列信息化工程已经在许多国家和各个领域被广泛应用,对科技经济以及人们的工作、生活产生了广泛而深刻的影响高校实验室是实验教学的承担者,是整个教学体系的重要组成部分,在高校教育中占据极其重要的地位。
随着国内高校管理改革的逐步推进,高校实验室建设进一步系统化、规范化,高校实验室管理工作也变得更加复杂和繁重。
而高校实验室是培养具有实践能力的高素质人才、开展创新的重要基地,对提升人才培养质量、促进学科和科技水平发展具有重要意义。
所以,实验室管理工作的展开以及提高其工作效率,是现代教育理论中,最重要的一个方面。
合理的利用现代信息化技术,为探索有效的实验室教学开放管理模式,规范实验教学管理信息,优化资源共享配置,提高实验室教学质量有着重要意义。
目前,我校实验室的实验设备的电源可以被学生任意操作,对设备的管理工作非常不利,因此,实验设备电源管理的规范化十分必要。
1.2电源无线控制系统的发展现状
电源无线控制系统是以非接触的方式对电器的开启和关闭进行控制,其控制按键和被控制电器之间不需要连线,控制信号以无线电波为载体进行传输,据现代信息社会的发展和人们日益广泛应用的要求,电源无线控制系统扮演着越来越重要的角色,并满足人们舒适、快节奏的生活需要。
他的出现不仅大大提高了劳动生产率,降低了成本,而且减轻人们的劳动强度,改善了劳动条件。
电源的控制从以前单一的有线开关控制力一式,逐步转变到有线和无线等多种控制结合的力一式。
尤其在多用户集中控制场合,如学生宿舍、智能小区、学校计算机房和实验室。
在这些场合,若采用有线开关集中控制在多用户集中控制电源开关,无疑将要消耗大量的电缆,提高了施工的成本。
换用无线方式控制其电源开关,在原材料和工程施工方面,将大大节约开支,提高工程的美观程度,简化控制过程。
电源无线控制采用无线电波或激光束传输主要用于活动的受控对象可以在远离设备操作盘的地方对设备进行操作控制,相当于把设备操作盘上的按钮(开关)移到操作人员手中的操作器上,而且无须使用导线连接。
操作人员活动范围大,可以近距离观测目标,也可以远离危险场所。
如南京崇茂科技有限公司生产的M2000无线电源开关,它是GPRS/CDMA1X平台,内嵌GPRS/CDMA1X通讯模块,工业级标准设计,具有GPRS/CDMA1X数据传输、DC12V输入输出,等功能,提供RS232、485等接口,可连接各种电源接入终端或直接与用户设备连接,实现GPRS/CDMA1X通讯功能。
电源无线控制系统在电子行业中,应用在通讯、计算机、自动化、军事、工业、农业等各个领域。
如今高精度数字开关电源得到了越来越多的关注,同时取得了长足的发展,在电子技术日益发展的今天,电源控制从有线开关控制方式,发展到今天有线与无线结合的控制方式,提高了我们的生活素质。
1.3主要内容
1、基本内容
实验室设备电源控制系统由上位PC机和设备控制节点组成,设备控制节点可以按照指令断开和接通实验设备的电源,节点通过无线方式与主机进行通信;PC机接受管理人员的指令,可向控制节点发送命令,控制实验室内设备的电源开关。
本设计可采用PT2262/PT2272编码解码芯片进行编解码,使用315MHZ的发射、接收头实现无线传输信号。
2、预期达到的目标
(1)无线通信距离达到50米;
(2)主机具有实验设备单独控制功能;
(3)主机可以存储各个实验设备的使用情况。
1.4本设计的结构安排
本设计为实验设备电源无线控制系统,主要分为四章进行全面阐述。
第一章主要介绍了本设计的课题现状以及课题的研究意义和本设计的主要内容。
第二章主要介绍了本设计的总体设计方案。
第三章详细介绍了本设计的硬件电路设计。
其硬件电路的设计包括PT2262/PT2272编解码电路、单片机主控模块设计、系统发射电路、系统接收电路等。
第四章介绍了本设计的软件程序设计。
第2章总体设计方案
2.1总体设计方案
为了实现遥控电路能够对控制信号进行较远距离的有效传送,接收到的控制信号能够被主控制系统识别并产生控制信号。
本系统将采用PT2262/PT2272编码解码芯片进行编解码;使用315MHz的发射、接收头实现无线传输信号;采用Atmel公司的ST89C52作为MCU控制处理整个系统。
发射接收部分的关键问题是:
如何根据接收到的控制信号产生对应的输出信号。
无线发射与接收方案:
无线收发方案的关键问题有两个:
一是信号的编码和解码;二是信号的发射与接收。
系统的原理框图如图2.1所示。
控制信
控制信
号输入号输出
图2.1系统的原理框图
控制信号由设定的按键输入,然后对其编码,再将编码信号调制成适合发射的信号后发射出去;接收端接收到信号后解调产生原编码信号,最后由解码电路解码就恢复出了原控制信号,也就实现了控制信号的无线传输。
(1)编码和解码
编码的目的就是让各个控制信号有所区别,以便收到编码信号后通过解码又可以独立的恢复出原控制信号来,各控制信号不会出现混乱。
具体实现是:
由编解码芯片实现。
此类编码与解码电路一般都是由两片配套的芯片组成。
比如本次设计所用的PT2262/PT2272,PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路,PT2262/PT2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出,可用于无线遥控发射电路。
编码芯片PT2262发出的编码信号由:
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字,解码芯片PT2272接收到信号后,其地址码经过两次比较核对后,VT脚才输出高电平,与此同时相应的数据脚也输出高电平,如果发送端一直按住按键,编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时,PT2262不接通电源,其17脚为低电平,所以315MHz的高频发射电路不工作,当有按键按下时,PT2262得电工作,其第17脚输出经调制的串行数据信号,当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号,当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡,所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号,从而对高频电路完成幅度键控(ASK调制)相当于调制度为100%的调幅。
(2)发射与接收
发射和接收电路是本遥控系统能够实现无线收发的关键所在,实现无线收发传输控制信号,使用高频无线电通过天线发射出去,然后再由天线接收无线电信号,再对接收到的信号进行放大、解调等处理后,最后解码得到发送端传出的控制信号。
天线发射功率大,覆盖范围广,很适合远距离传输。
根据前期的试探性实践和研究,提出本设计的整体方案,系统的组成框图如图2.2所示。
其中节点控制器及无线网关的结构图如图2.3和图2.4。
图2.2实验设备电源无线控制系统结构示意图
图2.3节点控制器结构图
图2.4无线网关结构图
节点通过无线方式与PC上位机进行通信,但PC上位机并不具有无线通信能力,通过一个无线网关将无线协议转换成PC上位机可接收的RS232协议。
PC上位机接受管理人员的指令,可向控制节点发送命令,命令由无线发射模块发出,再由无线接收模块接受命令,继而继电器来控制实验室内设备的电源。
2.2器件的选择
2.2.1单片机的选择
STC89C52和AT89C52的对比:
1.STC89C52单片机:
(1)8K字节程序存储空间;
(2)512字节数据存储空间;
(3)内带4K字节EEPROM存储空间;
(4)可直接使用串口下载。
2.AT89S52单片机:
(1)8K字节程序存储空间;
(2)256字节数据存储空间;
(3)没有内带EEPROM存储空间。
综上所述:
本设计选择STC89C52作为主控制系统的核心。
2.2.2无线模块的选择
方案一:
采用nRF905无线模块。
nRF905可以自动完成处理字头和CRC(循环冗余码校验)的工作,可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码,使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便,其功耗非常低,以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA,在接收模式时电流为12.5mA。
nRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器,一个带解调器的接收器,一个功率放大器,一个晶体震荡器和一个调节器组成。
ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC,可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
方案二:
采用PT2262/PT2272编解码电路作为无线模块。
其特点:
(1)CMOS工艺制造,低功耗;
(2)外部元器件少;
(3)RC振荡电阻;
(4)工作电压范围宽:
2.6-15v;
(5)数据最多可达6位;
(6)地址码最多可达531441种。
以上两种模块都很好,但本着操作简单,价格便宜的原则,所以本设计选择方案二。
2.3本章小结
本章主要讲述了系统的总体设计方案,其中包括系统的总体设计思路和系统的方案框图。
我确定使用PT2262/PT2272编码解码芯片进行编解码;使用315MHz的发射、接收头实现无线传输信号;采用Atmel公司的ST89C52作为MCU控制处理整个系统。
第3章系统硬件设计
3.1主控制器芯片STC89C52简介
3.1.1概述
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,指令代码完全兼容传统8051单片机,具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
它的主要特性如下:
(1)增强型8051单片机,6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择,指令代码完全兼容传统8051;
(2)工作电压:
5.5V~3.3V(5V单片机)/3.8V~2.0V(3V单片机);
(3)工作频率范围:
0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率可达48MHz;
(4)用户应用程序空间为8K字节;
(5)片上集成512字节RAM;
(6)通用I/O口(32个),复位后为:
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉,P0口是漏极开路输出,作为总线扩展用时,不用加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻;
(7)ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程),无需专用编程器,无需专用仿真器,可通过串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片;
(8)具有EEPROM功能;
(9)具有看门狗功能;
(10)共3个16位定时器/计数器。
即定时器T0、T1、T2;
(11)外部中断4路,下降沿中断或低电平触发电路,PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒;
(12)通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个UART;
(13)工作温度范围:
-40~+85℃(工业级)/0~75℃(商业级)。
3.1.2引脚功能
单片机引脚图如下图3.1所示:
图3.1STC89C52单片机
引脚功能见表3-1:
表3-1引脚功能
管脚名称
管脚号
管脚功能
VCC
40
接+5V电源
VSS
20
接地
P0.0~P0.7
39~32
I/O
P1.0
1
I/O;T2(定时器/计数器外部计数输入),时钟输出
P1.1
2
I/O;T2EX(定时器/计数器捕获/重装触发和方向控制)
P1.2~P1.7
3~8
I/O
P2.0~P2.7
21~28
I/O
P3.0
10
I/O;RXD(串行输入口)
P3.1
11
I/O;TXD(串行输出口)
P3.2
12
I/O;外部中断0
P3.3
13
I/O;外部中断1
P3.4
14
I/O;T0(定时器0的外部输入)
P3.5
15
I/O;T1(定时器1的外部输入)
P3.6
16
I/O;外部数存储器写选通
P3.7
17
I/O;外部数据存储器读选通
RST
9
复位
ALE
30
锁存/输入脉冲
PSEN
29
外部程序存储器选通信号
VPP
31
访问外部程序存储器控制信号
XTAL1
19
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端
XTAK2
18
振荡器反相放大器的输入端
3.2无线网关电路设计
本设计的无线网关是由MAX232芯片、无线发射电路和单片机最小系统组成的。
3.2.1MAX232芯片简介
MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
其主要特点如下:
1、符合所有的RS-232C技术标准;
2、只需要单一+5V电源供电;
3、片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力,能够产生+10V和-10V电压V+、V-;
4、功耗低,典型供电电流5mA;
5、内部集成2个RS-232C驱动器;
6、高集成度,片外最低只需4个电容即可工作。
MAX232的引脚图如图3.2所示:
图3.2MAX232引脚图
MAX232引脚介绍:
第一部分是电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源,提供给RS-232串口电平的需要。
第二部分是数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚(R1IN)、12脚(R1OUT)、11脚(T1IN)、14脚(T1OUT)为第
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- 实验 设备 电源 无线 控制系统