无线遥控系统毕业设计.docx
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无线遥控系统毕业设计.docx
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无线遥控系统毕业设计
摘要
无线电遥控技术在现代工农业生产、科研、国防等领域有超级普遍的应用,随着现代科技的发展,要求遥控技术愈来愈精细,需要设计者整体考虑,优化设计整个遥控系统。
论文主要包括两大部份,发射电路的设计和接收电路的设计,又以发射电路的设计为重点。
首先,从整体着手,论述了整体设计思路,然后对整体方案分块设计。
以求设计出最佳单元电路,然后整合在一路,使其整体电路加倍精巧。
其次,咱们开始了对各个单元电路的设计。
从开关电路,到编码电路,功率放大电路,调制电路,再到发射天线,咱们都一一加以介绍。
最后,咱们选用FM解调芯片MC3361组成解调电路,LC作发射模块,设计出一套简单、利用方便的遥控发射装置。
关键词:
发射电路,接收电路,主振电路,高频功率放大器,调制电路
Abstract:
Thefieldofradiofrequency(RF)circuitdesigniscurrentlyenjoyingarenaissance,driveninparticularbytherecent,andlargelyunanticipaated,explosivegrowthinwirelesstelecommunications,BecausethisresurgenceofinterestinRFenigneers,However,intryingtosynthesizethetwotraditionsof“conventional”RFandlower-frequencyMCdesigersoftenfindcommunicationwitheachotherdifficultbacauseoftheirdiverseback-groundsandthedifferencesinthemediainwhichtheyrealizetheircircuits.Radio-frequencyMCdesign,particularlyinLC,isadifferentactivityaltogetherfromdiscreteRFdesign.
Keywords:
wirelessremotecontrolanoscillatingcircuitahigh-frequencypoweramplifiermodualationcodeprojectile
Notableofcontentsentriesfound.
无线电遥控系统
1论文设计要求
大体要求
(1)工作频率:
fo=6~10MHz中任选一种频率。
(2)调制方式:
AM、FM或FSK……任选一种。
(3)输出功率:
不大于20mW(在标准75Ω假负载上)。
(4)遥控对象:
8个,被控设备用LED分别代替,LED发光表示工作。
(5)接收机距离发射机不小于10m。
发挥部份
(1)8路设备中的一路为电灯,用指令遥控电灯亮度,亮度分为8级并用
数码管显示级数。
(2)在一定发射功率下(不大于20mW),尽量增大接收距离。
(3)增加信道抗干扰措施。
(4)尽量降低电源功耗。
2整体设计方案
方案一
整个系统由发射系统和接收控制系统两部份组成。
发射系统和接收控制系统组成结构框图如图1-1和1-2所示。
系统的工作原理是首先通过按键编址电路输入所需控制电路的位号,同时启动编码电路产生带有地址编码信息和开关状态信息的编码脉冲信号,再通过无线电发射电路将该信号发射出去。
而无线电接收电路将接收到的编码脉冲信号通过解码电路进行编码地址确认,确认是不是为本遥控开关系统地址,然后通过驱动电路来驱动遥控对象8个,且其中一个是电灯,用指令遥控电灯亮度,亮度分为8级并用数码管显示级数。
.
图2-1无线电遥控发射方框图
图2-2无线电接收机方框图
方案二
整个可编程无线电遥控多通道开关系统由发射系统和接收控制系统两部份组成。
系统组成结构框图如图1-3和1-4所示。
开关系统的工作原理是首先通过按键编址电路输入所需控制电路的位号,同时启动编码电路产生带有地址编码信息和开关状态信息的编码脉冲信号,再通过无线电发射电路将该信号发射出去。
而无线电接收电路将接收到的编码脉冲信号通过解码电路进行编码地址确认,确认是不是为本遥控开关系统地址。
若是是,则单片机电路产生相应的控制信号控制开关电路动作;若是不是,则解码电路不解码,单片机电路不响应,开关电路无任何动作。
系统软件的设计主如果通过编程实现单片机对开关电路的状态进行控制。
充分利用其软硬件资源,可以实现对受控电路的多种状态进行控制,还可以实现单键控制多路电路(例如,可按下一个遥控按键关掉所有的受控电器)。
利用单片机对开关电路进行控制还使得控制电路扩展方便,控制灵活。
3方案比较
在方案一中咱们采用了在发射系统中电源开关的设计,使得只有在按下指令键时发射系统才上电,指令键松开时发射系统掉电,大大降低了发射系统的功耗,延长了电池的利用寿命。
采用专用编码、解码集成电路,电路内部的重复辨识确认提高了系统的靠得住性,避免了多个同一结构的无线电遥控开关系统在有效距离内彼此干扰问题。
被控制设备能简单明了地表现遥控状态,而且便于扩展及实利用。
方案二中发射模块与方案一中大致相同,可是在接收电路中采用了单片机控制的电路使电路组成简化,可实现多路多功能控制。
采用射频发射、接收模块,安装调试方便,电路简练,靠得住性好,稳定性高。
从咱们设计的难易程度和经济角度咱们同组成员选择了第一个方案,第二个方案若是用于商业用途肯定会有很大的潜力,可是作为咱们简单的制作设计来讲过于大费周章了,所以第一方案作为咱们的首选目标。
4择方案的具体论证
按照任务要求,系统从结构上考虑,有无线电遥控发射机和无线电接收机两大模块,从功能上讲有无线信号传输部份和控制部份。
下面别离从这两个方面论述方案的设计思想。
无线信号传输部份
(1)调制方式的选择
按照要求,控制对象是8盏灯,其中一盏亮度可调,亮度分为8级,用数码管显示级数,被控状态采用二进制编码。
因课题对频带宽度没有限制,为了提高抗干扰能力,实现方式简单,载波传输采用FSK调制方式。
(2)发射机主振电路型式的选择
主振可采用晶体振荡或LC振荡。
课题要求载频为6~10MHz。
若采用普通晶体倍频方式,假设为三倍频,则晶体频率要低于,在这种情况下难于取得足够的频偏。
例如,用摩托罗拉公司的单片集成FM调制芯片MC2833实现电抗管晶体三倍频调频时,实测三倍频后的最大频偏为420MHz。
若采用专用调频晶体,价钱又太高。
因此本设计选择了变容二极管直接调频的西勒电路,即可取得较大的频偏,又可保证必然的频率稳定度。
(3)发射机功放电路的选择
功率放大器一般可由推动级、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。
试题要求输出功率不大于20mW,假设天线特性阻抗为75Ω,则在匹配良好条件下天线上电压峰——峰值要小于。
一般西勒振荡器输出电压峰——峰值为1v是可实现的,故用一级功率放大应能知足要求。
考虑到前后级影响的问题,在振荡器与功放间加入了一级射随器,起隔离和鼓励的作用。
鉴于输出功率低,兼顾效率,功放管工作状态选为甲乙类。
(4)接收机高频放大器
为保证接收机具有较高的灵敏度,选用低噪声高频晶体管2SC763。
为取得必然的电压增益,采用共射极谐振放大电路。
(5)接收机解调器
通过查阅资料,选择了摩托罗拉的单片集成窄带FM解调芯片MC3361组成解调电路。
MC3361的特点为低功耗、低电压和高灵敏度,在窄带语音和数据通信中有良好的镜频抑制能力。
控制部份
控制的对象是8路设备,8路当中有一路设备是电灯,该路电灯亮度可调,共分为八个亮度品级,其余7路只有开关两种状态,因此共计为15种状态,用数字信号来表示是合理的。
这15种状态不允许同时出现。
现将15种状态进行编码。
如表所示,采用四位二进制码表示各控制状态。
表15种状态编码表
编号
A
B
C
D
功能说明
1
0
0
0
1
一路工作,其余不工作
2
0
0
1
0
二路工作,其余不工作
3
0
0
1
1
三路工作,其余不工作
4
0
1
0
0
四路工作,其余不工作
5
0
1
0
1
五路工作,其余不工作
6
0
1
1
0
六路工作,其余不工作
7
0
1
1
1
七路工作,其余不工作
8
1
0
0
0
八路工作,其余不工作
亮度0级
9
1
0
0
1
八路工作,其余不工作
亮度1级
10
1
0
1
0
八路工作,其余不工作
亮度2级
11
1
0
1
1
八路工作,其余不工作
亮度3级
12
1
1
0
0
八路工作,其余不工作
亮度4级
13
1
1
0
1
八路工作,其余不工作
亮度5级
14
1
1
1
0
八路工作,其余不工作
亮度6级
15
1
1
1
1
八路工作,其余不工作
亮度7级
其中一名码A表示控制对象是其中一盏灯亮仍是其余七盏灯的开关,另三位码对应表示八级亮度或被点亮的灯号。
ABCD=0000表示全数不工作。
为了便于码元的传输,需要对码元件进行再编码(一是进行并/串转换,二是加入必然冗余信息提高靠得住性)。
经查阅资料,MC145026和MC145027是专门设计用于遥控电路中的编/解码器。
MC145026可以接收四位并行数据,再编码后串行输出,在每一个编码周期中,发送两次数据,以提高靠得住性。
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可以知足控制信号的再编码与解码。
类似MC145027/MC145026专门用于设计遥控电路中的编码/解码集成芯片有许多种,例如PT2262/PT227二、YYH26/YYH27等都可胜任。
关于传输距离的分析
传输距离是简易无线电遥控系统的综合性技术指标,也是本设计的重点与难点内容。
单工无线通信最大作用距离公式为
式中,Pt为发射机天线端辐射的有效功率;Smin为接收机的最小检测功率;Gt、Gr别离为发射机天线和接收机天线的增益;K值在发射机频率为定值,实验环境肯定的情况下大体上为常量。
要增大作用距离应从如下几个方面考虑:
(1)尽可能提多发射与接收天线的增益
因题目对天线的形状、尺寸未作规定,故天线的设计可以大做文章,下大功夫。
由式()可知,传输距离是与Gt、Gr形成正比。
若Gt、Gr别离增大两倍,则作用距离也增加两倍。
这是超级可观的。
(2)尽可能提多发射机天线端有效辐射功率Pt
按照题目要求,在发射机输出端接上75Ω的假负载,其输出功率不该大于20mW。
在去除假负载,接上发射天线,则被天线辐射出去的有效功率Pt比20mW要小。
以单振子天线为例,如图所示。
当l=
时,A、B两头所呈现的阻抗为300Ω左右,必需接一个4:
1的阻抗变换器才能与发射机阻抗匹配。
自然这样是效果最佳。
但是按照题目要求,工作频率fo在6~10MHz之间任选一个频点,假设选取fo=6~10MHz,光速为c,则波长
为
=
=3*108/10*106=30(m),l=
/2=15(m)
要架设这么长的天线是不实际的。
图单振子天线
一般情况下,发射机采用拉杆天线,其总长度约1.5m左右。
通过MATLAB仿真计算可得,拉杆天线的等效阻抗Zr为
Zr=RL-jXL
RL不到10Ω,XL超过100Ω。
它与发射机严重失匹,而且天线呈容性阻抗。
因此在发射机输出端和拉杆天线之间必需加装阻抗变换器,且要抵消天线容性的影响,其示用意如图所示。
1.3天线匹配示用意
固然还可以采用天线增益更高的天线。
例如双拉杆天线、环行天线等。
无论采用任何形式的天线,均存在发射机与天线匹配问题。
接收机同时也存在接收天线与高频放大器之间的阻抗匹配问题,这里再也不重复。
(3)提高接收机的灵敏度
由式()可知,提高接收机的灵敏度(即降低接收机的Smin)与提多发射机天线的辐射功率Pt对增加传输距离是同样重要的。
故接收机采用超外差体制,切加装一级低噪声、高增益高频放大器,同时接收机要调准,使接收机灵敏度达到最高。
(4)按照电波传输理论,如图1-4所示。
在距离为(2n-1)λ/4时,会出现波谷,收听效果最差;在距离为nλ/2时,会出现波峰,收听效果最好。
其中n为自然数。
如图所示。
在进行传输距离测试时,要转动天线方向,使接生效果达到最佳为止。
图1-4电波传输理论示用意
(5)关于尽可能减小系统输出信号失真度的分析
输出信号失真度也是单工无线呼唤系统的重要指标。
该指标的好坏取决于接收和发射两个分机。
对可能产生波形失真的原因要分析清楚,从而采取有效办法,才能保证系统输出波形无明显失真。
(6)从系统方面考虑:
收发系统要调整正常,二者的频率要对准,直流稳压电源纹波要小,还要避免外部干扰(特别是市电干扰)串入系统。
故发射机音频放大级最好能屏蔽。
最后,还要使收发天线极化一致,方向对准。
5无线信号传输部份
发射机
调频发射机的模拟部份分为二大模块
(1)发射部份电路图如图所示。
图发射部份电路图
主振器由晶体管VT1与电容C2、C3、C4、C5、变容二极管C3和电感L1组成西勒振荡器。
该电路较易起振,输出振荡频率和振幅也较为稳定,波形好,调谐范围也比较宽。
振荡信号由C7弱耦合至射随器,然后送至功放。
射随器的功能有1)输入阻抗高、输出阻抗低;2)输入输出同相;3)输入集电极电压等于发射集电压;4)有电流和电压放大作用。
功放的工作状态为甲乙类,R8、R9给VT3提供偏压,输出匹配网络采用简单的T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,调制信号为二单元单极性码,即只有高低两个电平,故对调制线性度要求不高。
因次设计采用了变容二极管部份接入及对变容二极管不外加发偏压的电路结构,电路如图所示。
Cj为变容二极管的结电容,可求得Cj对主振回路的接入系数P为
P=C5/(C5+Cj)
若调制信号引发的结电容转变为△C,则引入主振回路的电容转变量为P2•△C,可求得由此引发的振荡频率的转变为
△fg≈-(P2•△C/2C∑)fg
式中C∑=C5•Cj/(C5+Cj)+C4为主振回路总电容。
负号表示△C与△fg的转变相反。
本设计中C5=3pF,Cj=21pF,可得P<<1,即变容二极管参量的转变对振荡频率影响较小,频率稳定度大大提高。
由此引入的问题是如何能取得足够的频偏,也就是如何使变容二极管的结电容转变较大。
解决的办法是对变容二极管不加反偏压。
如图所示,在不加反偏压时可取得最大电容转变量。
由于无外加偏压,避免了由偏压转变引发的频率漂移,同时简化了电路。
图变容二极管偏压电路
图变容二极管压容特性
(2)编码部份电路图如图所示。
采用CD4014710-4线优先编码器和编码集成电路MC145026组成。
图编码部份电路图
控制键包括8个常闭按键和一个单刀双掷拨键K1,拨键用来选择被控对象,8个常闭按键用来表示被选中对象的8种状态。
采用核心元件CD4014710-4线优先编码器,只对按键进行编码。
目前只用其中的8-3线部份,其余的可以留给以后扩展用。
利用MC145026和MC145027对控制信号进行再编码和解码,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的地址码四位是设定的,另一名由拨键控制,来选择控制对象是要调亮度的灯仍是其余的七盏灯。
相应的MC145027才会有解码输出。
这样,可以利用一片MC145026控制两片MC145027。
集成编码器MC145026的波形如图所示。
图MC145026的波形图
图MC145026的引脚功能和外部电路图
集成编码器MC145026的引脚功能和外部电路如图所示。
A1~A9是地址或数据输入端,看成地址使历时有三个状态(高电平、开路、低电平),看成数据使历时有两种状态(高电平、低电平);
、
的数值决定MC145026内部时钟振荡器的工作频率
;TE是内部时钟振荡器的工作控制端,当TE为低电平时,振荡器工作;
的输出编码信号如图3所示,两个持续的宽脉冲(占空比7:
1)表示“1”,两个持续的窄脉冲(占空比1:
7)表示“0”,一宽一窄两个脉冲表示“开路”。
发送时,先发送个时钟周期的低电平,接着依次发送A1~A2的状态编码,若是A1~A9的状态编码发送完毕后TE仍然是低电平,通过24个时钟周期后再依次发送A1~A9的状态编码。
其编码的发送工作无论TE在何时由低电平变成高电平,均必需等到当前发送周期结束以后才能停止。
接收机
接收机的模拟部份可分为三大模块:
(1)高频放大电路如图2-7所示:
采用了典型电路,为一级共发射级谐振高放。
为提高接收机灵敏度利用了低噪声的三极管2SC763。
图2-7高频放大电路
(2)鉴频电路如图2-8所示:
采用MC3361,本振为8MHz,与高放送来的信号进行混频,产生500kHz的中频信号。
此信号通过窄带陶瓷滤波器(FL)送回MC3361进行鉴频。
图2-8鉴频电路
MC3361是美国MOTOROLA公司生产的单片窄带调频接收电路,主要应用于语音通信的无线接收机。
片内包括振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。
主要应用在二次变频的通信接收设备。
其主要特性如下:
· 低功耗(在Vcc=,耗电典型值仅为)
· 极限灵敏度:
(-3bB)(典型值)
· 少量的外接元件
· 工作电压:
—
· DIP16和SO-16两种封装形式
· 工作频率:
60MHz(max)
图2-9MC3361内部电路图
图2-10MC3361典型应用电路图
MC3361单片窄带调频接收电路工作原理:
MC3361的内部振荡电路与Pin1和Pin2的外接元件组成第二本振级,第一中频IF输入信号从MC3361的Pin16输入,在内部第二混频级进行混频,其差频为:
,也即455kHz第二中频信号。
第二中频信号由Pin3输出,由455kHz陶瓷滤波器选频,再经Pin5送入MC3361的限幅放大器进行高增益放大,限幅放大级是整个电路的主要增益级。
Pin8的外接元件组成455kHz鉴频谐振回路,经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调,并经一级音频电压放大后由Pin9输出音频信号。
Pin12——Pin15为载频检测和电子开关电路,通过外接少量的元件即可构成载频检测电路,用于调频接收机的静噪控制。
MC3361内部还置有一级滤波信号放大级,加上少量的外接元件可组成有源选频电路,为载频检测电路提供信号,该滤波器Pin10为输入端,Pin11为输出端。
Pin6和Pin7为第二中放级的退耦电容。
表2-1MC3361的特性参数
名称
引脚位置
标识符
极限值
单位
电源电压
4
Vcc(max)
10
V(DC)
工作电压范围
4
Vcc
4—8
V(DC)
检波输入电压
8
-
Vp-p
输入电压
16
V16
VRMS
静噪功能
14
V14
—
Vpk
焊接温度
-
Tj
150
℃
工作周围温度范围
-
TA
-30—+70
℃
储藏温度
-
Tstg
-65—+150
℃
(3)比较电路如图2-11所示:
码型在传输进程中可能出现畸变,所以应通过比较电路使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,并与后级数字电路匹配。
比较器门限电压由鉴频器输出经RC低通滤波器取得,其电压相当于信号中的直流分量电压。
此方式有必然的自适应功能,在实际应用中表现出较强的抗干扰能力。
图2-11比较电路
6数字系统部份
因为本遥控系统的重点在于无线信号传输部份,所以本着以下的原则来设计数字系统:
(1)在无线发射机内的控制部份尽可能简单,接收机部份的受控设备也可以简单明了地表现遥控功能的目的。
(2)能够实现规定的控制能力。
编码部份
如图2-4所示,控制键包括8个常闭按键和一个单刀双掷拨键K1,拨键用来选择被控对象,8个常闭按键用来表示被选中对象的8种状态。
采用CD4014710-4线优先编码器,只对按键进行编码。
目前只用其中的8-3线部份,其余的可以留给以后扩展用。
利用MC145026和MC145027对控制信号进行再编码和解码,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的地址码四位是设定的,另一名由拨键控制,来选择控制对象是要调亮度的灯仍是其余的七盏灯。
相应的MC145027才会有解码输出。
这样,可以利用一片MC145026控制两片MC145027。
解码部份
在接收端用两片MC145027对解调后的信号进行解码。
一片MC145027对应一个控制对象。
这在实际应用中是有利处的,被遥控设备可用独立的接收机来控制。
MC145027的解码方式:
MC145027是与MC145026配套利用的解码器的一种,具有4位数据输出和5位地址编码,按照其地址的不同组合可以产生
种不同的地址编码。
按照其地址的不同组合可以产生
种不同的地址编码。
MC145027的引脚功能和外部电路如图2-12所示,其功能框图如图2-13所示。
MC145027通过RC积分电路来完成宽窄脉冲的识别,图2-13中,按时元件R1、C1决定对宽窄脉冲的识别。
。
R2、C2是整个发送周期的辨别按时元件,用以肯定各个有效单字,
。
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仍是窄脉冲。
图2-14中给出了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。
那么,在t1时刻,7脚的电压为:
在t2时刻7脚电压为:
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;尔后窄脉冲通过R1给C1充电,在窄脉冲结束时的t3时刻,7脚的电压为,在尔后的一段时间里C1通过R1放电,在编码结束的t4时刻,7脚的电压为。
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并非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刹时的尖脉冲干扰,因此MC145027接收的编码信号即便受到某种程序的干扰,MC145027仍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。
图2-12MC145027的引脚
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