電子制作簡易無線電遙控系統(tǒng)

1、題號： E 武漢理工大學(xué)第四屆電工電子創(chuàng)新設(shè)計大賽設(shè)計報告題目： 簡易無線電遙控系統(tǒng)參賽者： 張思成學(xué)院班級： 機自0906聯(lián)系方式：分標(biāo)準(zhǔn)：項目滿分得分基本要求論文結(jié)構(gòu)完整性10理論分析與計算20硬件電路設(shè)計與器件選擇45分析及結(jié)論20創(chuàng)新特色5總分目 錄摘 要31方案比較設(shè)計與論證31.1 調(diào)制體制的方案論證與選擇31.2 發(fā)射接收模塊的設(shè)計方案論證與選擇3 1.3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計方案論證與選擇31.4 系統(tǒng)組成42單元硬件電路設(shè)計52.1 發(fā)射部分電路的設(shè)計52.2 鎖相環(huán)電路設(shè)計52.3 PT2262/2272編碼/解碼電路設(shè)計72.4 抗干擾措施73 軟件設(shè)

2、計73.2 發(fā)射部分程序設(shè)計73.3 接收部分程序設(shè)計84性能測試94.1 發(fā)射部分的指標(biāo)測試和測試結(jié)果94.2 接收部分的指標(biāo)測試和測試結(jié)果104.4 結(jié)果分析125總結(jié)及創(chuàng)新12參考文獻12附錄1 圖1發(fā)射部分電路圖13附錄1 圖2接收部分電路圖14附錄1 圖3鎖相環(huán)電路圖15簡易無線電遙控系統(tǒng)( E題)摘要：本文介紹了無線電遙控發(fā)射機和接收機的設(shè)計方法，發(fā)射部分采用鎖相環(huán)式頻率合成器技術(shù)， MC145152和MC12022芯片組成鎖相環(huán)，將載波頻率精確鎖定在10MHz， MC2831實現(xiàn)對載波的調(diào)頻調(diào)制，輸出功率達到設(shè)計要求。接收部分以大規(guī)模FM集成芯片MC3372為主體，靈敏度、鏡像抑

3、制、信噪比等各項性能指標(biāo)均達到設(shè)計要求。采用PT2262/2272編碼/解碼電路實現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽?AT89S52作為整個系統(tǒng)的控制部分；顯示采用12864點陣型液晶顯示。經(jīng)測試，整機功能齊全，各項性能指標(biāo)符合系統(tǒng)要求，接收波形穩(wěn)定，無明顯失真。關(guān)鍵詞 鎖相環(huán)，靈敏度，編碼/解碼1方案比較設(shè)計與論證1.1調(diào)制體制的方案論證與選擇方案一：采用調(diào)幅體制。其工作原理是：載波振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的載波信號，一路是輸入信號經(jīng)語音放大后在AM調(diào)制器中進行幅度調(diào)制；另一路是信號進入基帶信號放大與整形電路后與載波信號進行幅度調(diào)制；調(diào)制后，功放級將調(diào)制后的信號的功率放大到所需發(fā)射的功率，再經(jīng)天線發(fā)射出去。 方案二

4、：采用調(diào)頻體制。它由三部分組成，即頻率合成器和FM波的緩沖放大器。頻率合成器的作用是產(chǎn)生一個振蕩頻率穩(wěn)定度極高的FM信號，它是調(diào)制器的核心部件。本系統(tǒng)可以采取調(diào)幅體制或調(diào)頻體制。調(diào)頻系統(tǒng)與調(diào)幅系統(tǒng)相比，具有較強的抗干擾能力。1.2發(fā)射接收模塊的設(shè)計方案論證與選擇FM專業(yè)接收電路常采用大規(guī)模集成IC大規(guī)模集成芯片來實現(xiàn)。方案一：采用CXA1019作為接收機電路的核心IC。CXA1019是日本索尼公司研制的單片大規(guī)模接收機電路，它包含了AM/FM收音機從天線輸入、高頻放大、混頻、本振到中頻放大、檢波直至低頻（音頻）功率放大的所有功能。除此之外，還具有調(diào)諧指示，電子音量控制等一些輔助功能。方案二：采

5、用MC2831，MC3372作為發(fā)射接收機電路的核心IC。MC2831無線電發(fā)射專用集成電路是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的無線電調(diào)頻（FM）發(fā)射專用器件。此器件與MC3372系列無線電接收集成電路配合使用，可制成小型化、高性能、大功率的對講機、電話機以及無線電遙控等設(shè)備。上述兩種方案實現(xiàn)的功能基本相同，但MC2831與MC3372調(diào)整簡單等優(yōu)點；且它的寬電壓適應(yīng)范圍和靜噪功能也是CXA1019所力所不能及的。故選用方案二。1.3數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計方案論證與選擇方案一：采用二進制振幅鍵控（ASK）調(diào)制與解調(diào)法。ASK有乘法器實現(xiàn)法和鍵控法兩種實現(xiàn)方法，其數(shù)字信號與載頻為fc的余弦信號進行混頻得到調(diào)制信號；

6、振幅鍵控信號解調(diào)有兩種方法，即同步解調(diào)法和包絡(luò)解調(diào)法，信號經(jīng)過帶通濾波器抑制來自信道的帶外干擾，相乘器進行頻譜反相搬移，以恢復(fù)基帶信號。低通濾波器用來抑制相乘器產(chǎn)生的高次諧波干擾。方案二：采用微控制器和PT2262/2272組成的編碼/解碼電路。PT2262/2272發(fā)射接收電路原理框圖分別如圖1-1和圖1-2所示。在發(fā)射端，微控制器對PT2262的地址位進行預(yù)置，同時輸入信號，通過微控制器進行短信編碼后產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)去預(yù)置PT2262的數(shù)據(jù)位后，再調(diào)制發(fā)射出去；接收端，把接收到的信號進行解調(diào)放大后，送至PT2272，解碼后在數(shù)據(jù)位產(chǎn)生對應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過微控制器進行控制。預(yù)置地址PT2262調(diào)制

7、顯示置數(shù)數(shù)據(jù)輸入信號信號編碼圖1-1 采用PT2262編碼電路的發(fā)射原理框圖解調(diào)PT2272輸出信號信號解碼輸出信號控制預(yù)置地址圖1-2 采用2272解碼電路的接收原理框圖上述兩種方案都可以發(fā)送并且接收數(shù)字信號，但它們的原理不同，方案一是采用數(shù)字調(diào)制，而本設(shè)計發(fā)射部分的主體是頻率合成技術(shù)，數(shù)字調(diào)制則無法把數(shù)字信號調(diào)制發(fā)射出去；方案二采用常用的PT2262/2272編碼/解碼電路，可靠性高，且與系統(tǒng)兼容；綜上所述，本設(shè)計采用方案二。1.4 系統(tǒng)組成系統(tǒng)主要分為發(fā)射和接收兩大模塊，經(jīng)過方案比較與論證，發(fā)射和接收部分的組成框圖分別如圖1-3和圖1-4所示。其中發(fā)射部分的集成電路MC2831、MC14

8、5152、MC12022、低通濾波器和晶振構(gòu)成鎖相環(huán)頻率合成器、數(shù)據(jù)編碼器、單片機進行數(shù)據(jù)處理、按鍵處理、LCD驅(qū)動。接收部分由接收模塊、數(shù)據(jù)接收模塊以及控制模塊四大部分組成，單片機起控制作用。由于電路中既有數(shù)字電路又有高頻電路，需將高頻地和數(shù)字地分開以及高頻電路用金屬屏蔽隔離，以減小交叉調(diào)制等干擾。單片機LCD驅(qū)動按鍵控制數(shù)據(jù)控制信號編碼鍵盤PT2262顯示晶振參考分頻器鑒相器可編程分頻器MC145152環(huán)路濾波器發(fā)射芯片（MC2831）功率放大阻抗匹配高速分頻器（MC12022）10MHz圖1-3 發(fā)射部分組成框圖 天 線 匹 配 網(wǎng) 路接收芯片（MC3372）高放電路本振電路10.7M陶

9、瓷濾波器PT2272單片機數(shù)據(jù)處理信號解碼控制遙控對象（8個LED）數(shù)碼管顯示10MHz圖1-4 接收部分組成框圖2單元硬件電路設(shè)計2.1 發(fā)射接收部分電路的設(shè)計MC2831與MC3372構(gòu)成的10MHz無線電發(fā)射接收典型應(yīng)用 圖2-1發(fā)射模塊 圖2-2接收模塊2.2鎖相環(huán)電路設(shè)計加入自動相位控制環(huán)節(jié)，即鎖相環(huán)，來穩(wěn)定發(fā)射頻率。發(fā)射頻率經(jīng)反饋，與晶振產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)信號做比較，在鎖相環(huán)的跟蹤下，發(fā)射頻率始終向標(biāo)準(zhǔn)信號逼近，最終被鎖定在標(biāo)準(zhǔn)頻率上，達到與參考晶振同樣的穩(wěn)定度。鎖相環(huán)電路MC145152是大規(guī)模集成鎖相環(huán)，集鑒相器、可編程分頻器、參考分頻器于一體，分頻器的分頻系數(shù)可由并行輸入的數(shù)據(jù)控制，

10、其內(nèi)部框圖如圖2-3所示。圖2-3 MC145152內(nèi)部框圖2.2.1參考分頻參考晶振從OSCin、OSCout接入，芯片內(nèi)部的R參考分頻器提供8種不同的分頻系數(shù)，對參考信號進行分頻。R值由RA0，RA1，RA2設(shè)定。本設(shè)計中，參考晶振為10.24MHz，所以取RA0RA1RA2101時，即R1024，對晶振頻率進行1024分頻。2.2.2可編程分頻由于發(fā)射部分的頻率高達10MHz，MC145152的電路無法對其直接分頻，必須先用ECL電路的高速分頻器進行預(yù)分頻，把頻率降低，然后由MC145152繼續(xù)分頻，得到一個參考頻率相等的頻率，并進行鑒相。為使分頻系數(shù)連續(xù)可調(diào)，可編程分頻電路采用的是吞咽

11、脈沖計數(shù)法，它由ECL（非飽和型邏輯電路）的高速分頻器MC12022及MC145152內(nèi)部的A減法計數(shù)器，N減法計數(shù)器構(gòu)成。如圖2-4所示。圖2-4 吞咽脈沖計數(shù)器原理圖參考頻率fr10kHz，則輸出頻率fo（PNA）fr（64NA）10kHz (1)本設(shè)計中，要使發(fā)射頻率為10MHz。先令A(yù)0， 則N(fo/ frA）/P=（10106/10103）/64=15.63 (2)取N 1500001111B，進而A(fo/ fr)PN=（10106/10103）64154000101000B (3)由此可得，即給MC145152的N9N0和A5A0口預(yù)置相應(yīng)的數(shù)值，這就實現(xiàn)了對發(fā)射頻率的控制。2

12、.2.3鑒相模擬鑒相器對輸入其中的兩個信號進行相位比較，一個是由穩(wěn)定度很高的標(biāo)準(zhǔn)晶振經(jīng)過分頻得到的，另一個是由壓控振輸出頻率經(jīng)分頻反饋回來的，這兩個信號通過鑒相器，也就是經(jīng)過一個模擬乘法器后得到一個相位誤差信號。設(shè)兩個輸入信號分別為： （4）其中 （5）將兩信號相乘得到 （6）誤差信號 （7）再經(jīng)過一個低通濾波器，取出其中的誤差信號，濾去其高頻成分，將其直流成分用來調(diào)整壓控振的輸出頻率。本設(shè)計采用的鑒相器集成在MC145152中，它是一種新型數(shù)字式鑒頻/鑒相集成電路，具有鑒頻和鑒相功能，不需要輔助捕捉電路就能實現(xiàn)寬帶捕捉和保持。2.3 PT2262/2272編碼/解碼電路設(shè)計PT2262發(fā)射芯

13、片地址編碼輸入由各地址、數(shù)據(jù)的不同接腳狀態(tài)決定，編碼從輸出端Dout輸出。Dout輸出的編碼信號是調(diào)制在載波上的，通過改變15腳（OSC1）和16腳（OSC2）之間所接的電阻阻值的大小，即可改變17腳輸出時鐘的頻率；6個數(shù)據(jù)位（D0D5）由單片機預(yù)置，同時6個地址碼也由單片機預(yù)置；17腳輸出的信號通過左聲道加入至發(fā)射模塊（MC2831）進行調(diào)制發(fā)射出去。PT2262和PT2272的電路原理圖分別如圖2-5和2-6所示。圖2-5 PT2262編碼電路 圖2-6 PT2272解碼電路2.4抗干擾措施本系統(tǒng)既有低頻信號，又有中頻和高頻信號；既有模擬信號，又有低頻基帶的數(shù)字（脈沖）信號和鎖相環(huán)生成的各

14、種頻率的數(shù)字（脈沖）信號。它們互相交調(diào)會形成頻譜很寬的內(nèi)部干擾信號，加上外部各類干擾信號，特別是50Hz的市電干擾信號，是無時不有，無孔不入?？垢蓴_措施必須做得很好才能保證信號高質(zhì)量傳送。地線隔離，地線一般要粗，甚至大面積接地，除了元器件引線、電源走線、信號線之外，其余部分均作為地線；同時模擬地要與數(shù)字地分開：模數(shù)隔離，模擬部分會受數(shù)字部分的脈沖干擾影響，必須將數(shù)字部分和模擬部分分開排版，并拉開一定的距離；加裝屏蔽線，接收機鑒頻/鑒相器之間的引線，均要加裝屏蔽線。3軟件設(shè)計3.1 發(fā)射部分程序設(shè)計發(fā)射部分的程序主要可分為按鍵處理模塊、液晶顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊以及信號轉(zhuǎn)換模塊四大部分。主要程序

15、流程圖如圖3-1所示。開始初始化是否有鍵按？選擇第n號LED選擇電燈電燈亮度等級工作信號顯示是否確認(rèn)?發(fā)送YNYN圖3-1發(fā)射部分程序流程圖3.2接收部分程序設(shè)計接收部分的程序主要是完成液晶顯示、按鍵處理以及臺號的轉(zhuǎn)換等功能。主要程序流程圖如圖3-2所示。開始初始化是否有中斷？地址是否正確？接收信號是否為燈？判斷亮度等級判斷是第n個LED是否工作控制YYNNYN圖3-2 接收部分程序流程圖4性能測試4.1發(fā)射部分的指標(biāo)測試和測試結(jié)果采用Multisim進行仿真。4.1.1輸出頻率準(zhǔn)確度的測試本設(shè)計的發(fā)射頻率穩(wěn)定在10MHz，測試方法是控制發(fā)射部分的電源開關(guān)來控制頻率的發(fā)射，每開一次就記錄發(fā)射的

16、頻率值，總共記錄六次不同時候發(fā)射的頻率值。表4-1為記錄表格。式(1)為頻率準(zhǔn)確度的計算公式。 （1）式中A為頻率準(zhǔn)確度，f1為實測頻率，f0為標(biāo)稱頻率（10MHz）。表4-1 輸出頻率準(zhǔn)確度記錄表標(biāo)稱值（MHz）實測頻率（MHz）平均值（MHz）準(zhǔn)確度第一次第二次第三次第四次第五次第六次10.0000010.0013210.0015710.0008610.0016810.0009210.0010810.001243.5根據(jù)表中數(shù)據(jù)并計算可知，輸出的頻率準(zhǔn)確度為3.510-5。4.1.2輸出頻率穩(wěn)定度的測試 采用精度頻率計數(shù)器來測量頻率穩(wěn)定度。本設(shè)計的發(fā)射頻率穩(wěn)定在10MHz，測試方法為以30

17、s為單位測量不同時間的頻率值并記錄。表4-2為記錄表格。式(2)為頻率穩(wěn)定度的計算公式。 （2）式中B為頻率準(zhǔn)確度，fmax為變化最大頻率，f0為標(biāo)稱頻率（10MHz）。表4-2 輸出頻率穩(wěn)定度記錄表標(biāo)稱值（MHz）實測頻率（MHz）fmax（MHz）準(zhǔn)確度（10-5）00s30s60s90s120s150s10.0000010.0011210.0005710.0008610.0006810.0010210.0015810.001584.5根據(jù)表中數(shù)據(jù)并計算可知，輸出的頻率穩(wěn)定度為4.510-5。4.1.3輸出功率的測試首先輸出10MHz的正弦標(biāo)稱信號，使用+5V的單直流電源為系統(tǒng)供電，接一個

18、75的純電阻作為負載，用100MHz的數(shù)字存儲示波器測出該電阻兩端電壓值Uopp（詳細測量數(shù)據(jù)見表4-3），按照式(3)便可計算出輸出功率。 （3）表4-3 功率測量數(shù)據(jù)表測量次數(shù)123456平均值電壓Uopp（V）1.781.811.831.801.771.821.80功率（mW）7.928.198.378.107.838.288.104.2接收部分的指標(biāo)測試和測試結(jié)果接收部分主要指標(biāo)是接收的靈敏度、信噪比以及其鏡像抑制。4.2.1 接收機靈敏度（1）定義接收機的靈敏度是指在給定的音頻輸出信雜比下，產(chǎn)生標(biāo)稱輸出功率所需要的最小信號電平。 （4） （2） 測試方法調(diào)頻信號發(fā)生器的載波頻率為10

19、MHz，調(diào)制頻率1KHz，頻偏75KHz，接收機的信號平位，按失真最小調(diào)諧調(diào)節(jié)，使其輸出為標(biāo)準(zhǔn)輸出功率。改變輸入信號電平，使輸出保持標(biāo)準(zhǔn)輸出功率，而用濾基波法測得的信噪比達到30dB（相當(dāng)于失真3），此時的輸入信號電平為使用靈敏度。4.2.2信噪比（1） 定義信噪比：指在一定的輸入信號電平下，接收機的輸出端的信號電壓和噪聲電壓之比。 （5）式中 S為有用信號，D為諧波失真，N為噪聲。（2）測試方法用去調(diào)制法進行指標(biāo)測試。開關(guān)K先在1的位置，調(diào)頻信號發(fā)生器的載波頻率為10MHz。調(diào)制頻率1KHz，頻偏75KHz，輸入電平為70dBf,按失真最小調(diào)諧，使輸出為標(biāo)稱有用功率相應(yīng)的電壓U1。去調(diào)制，并

20、將開關(guān)放到2位置。記下噪聲輸出電壓U2，U1 和U2之比，用分貝表示，即為信噪比。（3） 提高信噪比的方法根據(jù)信噪比的定義和式(6) （6）在Pi為定值的情況下，輸出端信雜比取決于整機噪聲系數(shù)NF和輸入端噪聲。但有些噪音是由低頻放大器部分引入的，特別是50Hz的交流電的干擾是無孔不入的?？捎檬静ㄆ饔^測噪聲的基波成分。如果基波成分為100Hz，一般來自電源部整流濾波性能欠佳，可采取加大濾波電容、加大地和電源線的面積及合理布線等措施。如果基波成分主要是50Hz，則說明50Hz交流電通過空間耦合而來，此時要采取電磁隔離的辦法方能解決。表4-4 接收部分參數(shù)測量基本參數(shù)測量條件測試數(shù)據(jù)單位靈敏度測量頻率：10MHz頻偏：75kHz信噪比：30dB （濾基波法）調(diào)諧方法：失真最小輸出功率：標(biāo)準(zhǔn)輸出功率音調(diào)：平直位置10V信噪比測量頻率：10MHz頻偏：75kHz（去調(diào)制法）調(diào)諧方式：失真最小輸出功率：標(biāo)稱有用功率音調(diào)：平直位置60dB鏡像抑制測