電子制作簡(jiǎn)易無(wú)線電遙控系統(tǒng)

1、題號(hào)： E 武漢理工大學(xué)第四屆電工電子創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽設(shè)計(jì)報(bào)告題目： 簡(jiǎn)易無(wú)線電遙控系統(tǒng)參賽者： 張思成學(xué)院班級(jí)： 機(jī)自0906聯(lián)系方式：分標(biāo)準(zhǔn)：項(xiàng)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(jì)算20硬件電路設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)方案論證與選擇3 1.3 數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)方案論證與選擇31.4 系統(tǒng)組成42單元硬件電路設(shè)計(jì)52.1 發(fā)射部分電路的設(shè)計(jì)52.2 鎖相環(huán)電路設(shè)計(jì)52.3 PT2262/2272編碼/解碼電路設(shè)計(jì)72.4 抗干擾措施73 軟件設(shè)

2、計(jì)73.2 發(fā)射部分程序設(shè)計(jì)73.3 接收部分程序設(shè)計(jì)84性能測(cè)試94.1 發(fā)射部分的指標(biāo)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果94.2 接收部分的指標(biāo)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果104.4 結(jié)果分析125總結(jié)及創(chuàng)新12參考文獻(xiàn)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(jiǎn)易無(wú)線電遙控系統(tǒng)( E題)摘要：本文介紹了無(wú)線電遙控發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)載波的調(diào)頻調(diào)制，輸出功率達(dá)到設(shè)計(jì)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(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用PT2262/2272編碼/解碼電路實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽?AT89S52作為整個(gè)系統(tǒng)的控制部分；顯示采用12864點(diǎn)陣型液晶顯示。經(jīng)測(cè)試，整機(jī)功能齊全，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合系統(tǒng)要求，接收波形穩(wěn)定，無(wú)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(jì)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(hào)，一路是輸入信號(hào)經(jīng)語(yǔ)音放大后在AM調(diào)制器中進(jìn)行幅度調(diào)制；另一路是信號(hào)進(jìn)入基帶信號(hào)放大與整形電路后與載波信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制；調(diào)制后，功放級(jí)將調(diào)制后的信號(hào)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(gè)振蕩頻率穩(wěn)定度極高的FM信號(hào)，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(qiáng)的抗干擾能力。1.2發(fā)射接收模塊的設(shè)計(jì)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(lái)實(shí)現(xiàn)。方案一：采用CXA1019作為接收機(jī)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(jī)電路，它包含了AM/FM收音機(jī)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(jī)電路的核心IC。MC2831無(wú)線電發(fā)射專用集成電路是美國(guó)摩托羅拉公司生產(chǎn)的無(wú)線電調(diào)頻（FM）發(fā)射專用器件。此器件與MC3372系列無(wú)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(duì)講機(jī)、電話機(jī)以及無(wú)線電遙控等設(shè)備。上述兩種方案實(shí)現(xiàn)的功能基本相同，但MC2831與MC3372調(diào)整簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)；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(jì)方案論證與選擇方案一：采用二進(jìn)制振幅鍵控（ASK）調(diào)制與解調(diào)法。ASK有乘法器實(shí)現(xiàn)法和鍵控法兩種實(shí)現(xiàn)方法，其數(shù)字信號(hào)與載頻為fc的余弦信號(hào)進(jìn)行混頻得到調(diào)制信號(hào)；

6、振幅鍵控信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)帶通濾波器抑制來(lái)自信道的帶外干擾，相乘器進(jìn)行頻譜反相搬移，以恢復(fù)基帶信號(hào)。低通濾波器用來(lái)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(duì)PT2262的地址位進(jìn)行預(yù)置，同時(shí)輸入信號(hào)，通過(guò)微控制器進(jìn)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(hào)進(jìn)行解調(diào)放大后，送至PT2272，解碼后在數(shù)據(jù)位產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，通過(guò)微控制器進(jìn)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(hào)信號(hào)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(hào)信號(hào)解碼輸出信號(hào)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(hào)，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(jì)發(fā)射部分的主體是頻率合成技術(shù)，數(shù)字調(diào)制則無(wú)法把數(shù)字信號(hào)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(jì)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(guò)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、按鍵處理、LCD驅(qū)動(dòng)。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(jī)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(kāi)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(jī)LCD驅(qū)動(dòng)按鍵控制數(shù)據(jù)控制信號(hào)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(jī)數(shù)據(jù)處理信號(hào)解碼控制遙控對(duì)象（8個(gè)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(jì)2.1 發(fā)射接收部分電路的設(shè)計(jì)MC2831與MC3372構(gòu)成的10MHz無(wú)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(jì)加入自動(dòng)相位控制環(huán)節(jié)，即鎖相環(huán)，來(lái)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(hào)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(hào)逼近，最終被鎖定在標(biāo)準(zhǔn)頻率上，達(dá)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(duì)參考信號(hào)進(jìn)行分頻。R值由RA0，RA1，RA2設(shè)定。本設(shè)計(jì)中，參考晶振為10.24MHz，所以取RA0RA1RA2101時(shí)，即R1024，對(duì)晶振頻率進(jìn)行1024分頻。2.2.2可編程分頻由于發(fā)射部分的頻率高達(dá)10MHz，MC145152的電路無(wú)法對(duì)其直接分頻，必須先用ECL電路的高速分頻器進(jìn)行預(yù)分頻，把頻率降低，然后由MC145152繼續(xù)分頻，得到一個(gè)參考頻率相等的頻率，并進(jìn)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(jì)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(jì)數(shù)器，N減法計(jì)數(shù)器構(gòu)成。如圖2-4所示。圖2-4 吞咽脈沖計(jì)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(jì)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(jìn)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(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)射頻率的控制。2

12、.2.3鑒相模擬鑒相器對(duì)輸入其中的兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位比較，一個(gè)是由穩(wěn)定度很高的標(biāo)準(zhǔn)晶振經(jīng)過(guò)分頻得到的，另一個(gè)是由壓控振輸出頻率經(jīng)分頻反饋回來(lái)的，這兩個(gè)信號(hào)通過(guò)鑒相器，也就是經(jīng)過(guò)一個(gè)模擬乘法器后得到一個(gè)相位誤差信號(hào)。設(shè)兩個(gè)輸入信號(hào)分別為： （4）其中 （5）將兩信號(hào)相乘得到 （6）誤差信號(hào) （7）再經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，取出其中的誤差信號(hào)，濾去其高頻成分，將其直流成分用來(lái)調(diào)整壓控振的輸出頻率。本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)寬帶捕捉和保持。2.3 PT2262/2272編碼/解碼電路設(shè)計(jì)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(hào)是調(diào)制在載波上的，通過(guò)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(shí)鐘的頻率；6個(gè)數(shù)據(jù)位（D0D5）由單片機(jī)預(yù)置，同時(shí)6個(gè)地址碼也由單片機(jī)預(yù)置；17腳輸出的信號(hào)通過(guò)左聲道加入至發(fā)射模塊（MC2831）進(jìn)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(hào)，又有中頻和高頻信號(hào)；既有模擬信號(hào)，又有低頻基帶的數(shù)字（脈沖）信號(hào)和鎖相環(huán)生成的各

14、種頻率的數(shù)字（脈沖）信號(hào)。它們互相交調(diào)會(huì)形成頻譜很寬的內(nèi)部干擾信號(hào)，加上外部各類干擾信號(hào)，特別是50Hz的市電干擾信號(hào)，是無(wú)時(shí)不有，無(wú)孔不入。抗干擾措施必須做得很好才能保證信號(hào)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(hào)線之外，其余部分均作為地線；同時(shí)模擬地要與數(shù)字地分開(kāi)：模數(shù)隔離，模擬部分會(huì)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(kāi)排版，并拉開(kāi)一定的距離；加裝屏蔽線，接收機(jī)鑒頻/鑒相器之間的引線，均要加裝屏蔽線。3軟件設(shè)計(jì)3.1 發(fā)射部分程序設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換模塊四大部分。主要程序

15、流程圖如圖3-1所示。開(kāi)始初始化是否有鍵按？選擇第n號(hào)LED選擇電燈電燈亮度等級(jí)工作信號(hào)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(jì)接收部分的程序主要是完成液晶顯示、按鍵處理以及臺(tái)號(hào)的轉(zhuǎn)換等功能。主要程序流程圖如圖3-2所示。開(kāi)始初始化是否有中斷？地址是否正確？接收信號(hào)是否為燈？判斷亮度等級(jí)判斷是第n個(gè)LED是否工作控制YYNNYN圖3-2 接收部分程序流程圖4性能測(cè)試4.1發(fā)射部分的指標(biāo)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果采用Multisim進(jìn)行仿真。4.1.1輸出頻率準(zhǔn)確度的測(cè)試本設(shè)計(jì)的發(fā)射頻率穩(wěn)定在10MHz，測(cè)試方法是控制發(fā)射部分的電源開(kāi)關(guān)來(lái)控制頻率的發(fā)射，每開(kāi)一次就記錄發(fā)射的

16、頻率值，總共記錄六次不同時(shí)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(jì)算公式。 （1）式中A為頻率準(zhǔn)確度，f1為實(shí)測(cè)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(shí)測(cè)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(jì)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(cè)試 采用精度頻率計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量頻率穩(wěn)定度。本設(shè)計(jì)的發(fā)射頻率穩(wěn)定在10MHz，測(cè)試方法為以30

17、s為單位測(cè)量不同時(shí)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(jì)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(shí)測(cè)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(jì)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(cè)試首先輸出10MHz的正弦標(biāo)稱信號(hào)，使用+5V的單直流電源為系統(tǒng)供電，接一個(gè)

18、75的純電阻作為負(fù)載，用100MHz的數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)出該電阻兩端電壓值Uopp（詳細(xì)測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4-3），按照式(3)便可計(jì)算出輸出功率。 （3）表4-3 功率測(cè)量數(shù)據(jù)表測(cè)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(cè)試和測(cè)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(jī)靈敏度（1）定義接收機(jī)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(hào)電平。 （4） （2） 測(cè)試方法調(diào)頻信號(hào)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(jī)的信號(hào)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(hào)電平，使輸出保持標(biāo)準(zhǔn)輸出功率，而用濾基波法測(cè)得的信噪比達(dá)到30dB（相當(dāng)于失真3），此時(shí)的輸入信號(hào)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(hào)電平下，接收機(jī)的輸出端的信號(hào)電壓和噪聲電壓之比。 （5）式中 S為有用信號(hào)，D為諧波失真，N為噪聲。（2）測(cè)試方法用去調(diào)制法進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試。開(kāi)關(guān)K先在1的位置，調(diào)頻信號(hào)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(kāi)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(jī)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(wú)孔不入的?？捎檬静ㄆ饔^測(cè)噪聲的基波成分。如果基波成分為100Hz，一般來(lái)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(shuō)明50Hz交流電通過(guò)空間耦合而來(lái)，此時(shí)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(cè)量基本參數(shù)測(cè)量條件測(cè)試數(shù)據(jù)單位靈敏度測(cè)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(cè)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(cè)