莫爾斯密碼鎖設計報告

1、紅外莫爾斯密碼鎖摘要：本設計給出了以MSP430為核心的紅外莫爾斯密碼鎖的實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)由兩部分組成：紅外發(fā)射部分、接收部分；由MSP430控制實現(xiàn)控制與顯示功能。將ASK調制后的信號送至紅外發(fā)送管，接收后的信號經(jīng)放大、比較后若與預先設定的密碼相對比，若一致，則綠燈亮，開鎖；否則紅燈亮，密碼鎖處于鎖定狀態(tài)。關鍵字：MSP430G2553、莫爾斯碼、ASK調制所在單位：浙江工商大學信電學院組長：組員：指導老師：日期：2012/6/18目 錄一、方案論證2第一部分：發(fā)射2題目要求分析：21、ASK載波產(chǎn)生方案論證32、ASK調制方案論證33、信號放大方案論證3第二部分：接收4題目要求分析：4二、

2、理論分析與計算41、ASK載波產(chǎn)生分析42、ASK基波產(chǎn)生分析43、ASK調制分析53、通信協(xié)議5三、電路與程序設計6（一）電路設計61、系統(tǒng)組成與原理框圖62、各功能電路設計6（1）自制電源電路6（2）調制電路7（3）紅外發(fā)射電路7（4）鎖狀態(tài)電路8（二）程序設計81、相關算法82、程序設計流程圖：9四、系統(tǒng)測試與結果分析111、測試使用的儀器設備112、測試方法及測試數(shù)據(jù)113、測試結果分析12參考文獻12附錄13一、方案論證第一部分：發(fā)射題目要求分析：發(fā)射端通過莫爾斯碼輸入兩位十進制數(shù)字密碼，調制輸出。根據(jù)題目要求需要自制ASK調制的載波信號，即載波頻率為40khz的正弦波。所以，發(fā)射部

3、分的重點除了編碼外，就是ASK調制。同時為了使得發(fā)射距離更大，可以通過放大電路來提供更高的發(fā)射功率。1、ASK載波產(chǎn)生方案論證方案一：以運放HA17741為核心，采用RC橋式正弦波振蕩器，通過反饋網(wǎng)絡與選頻網(wǎng)絡的結合來產(chǎn)生40KHZ的正弦波。方案二：采用電容三點式LC振蕩電路，通過電容與電感組成的選頻網(wǎng)絡來產(chǎn)生40KHZ的正弦波。方案三：利用MPS430G2553的PWM功能模塊，進行脈寬調制，脈沖寬度調制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這樣能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，將產(chǎn)生40khz的方

4、波通過低通濾波器的濾波，產(chǎn)生ASK載波。2、ASK調制方案論證方案一：采用乘法器實現(xiàn)ASK調制，讓載波與莫爾斯碼產(chǎn)生的方波做乘法方案二：采用雙向模擬開關CD4066. CD4066具有比較低的導通阻抗,且導通阻抗在整個輸入信號范圍內(nèi)基本不變。它能消除開關晶體管閾值電壓隨輸入信號的變化，因此在整個工作信號范圍內(nèi)導通阻抗比較低。與單通道開關相比，具有輸入信號峰值電壓范圍等于電源電壓以及在輸入信號范圍內(nèi)導通阻抗比較穩(wěn)定等優(yōu)點。綜合考慮，基于模擬開關的實用性，以及調制產(chǎn)生結果的可靠性，選擇方案二。3、信號放大方案論證方案一：通過三極管對信號進行放大。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假

5、設電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關系。如果集電極電流Ic是流過一個電阻R的，那么這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。但是，實際上三極管對信號的放大作用很不明顯，甚至還使波形發(fā)生畸變。方案二：通過運放HA17741與電容、電阻的組合成的反饋電路來實現(xiàn)對信號的放大。此電路較簡單，能很好的實現(xiàn)對信號的放大，且放大后得到的波形也比較漂亮。只是在設計時，應當非常注意運放的型號的選擇，必須清楚其參數(shù)（壓擺率、電源等問題），不然可能會導致增益提不上去，無法達到放大的作用。同時，過高的電壓增益不但會使放大電路的通帶下降，也容易感應高

6、頻噪聲或產(chǎn)生自激振蕩。綜合考慮，基于對目標更好地實現(xiàn)，選擇方案二。第二部分：接收題目要求分析：接收端接收紅外信號后解調，若與所設密碼一致，則綠色指示燈亮表示處于解鎖狀態(tài)，否則，紅色指示燈亮表示處于鎖鎖定狀態(tài)。根據(jù)題目要求，接收部分的重點在于解調。另外，接收端的狀態(tài)表示也是需實現(xiàn)的一部分。二、理論分析與計算1、ASK載波產(chǎn)生分析產(chǎn)生ASK載波的核心之一是脈沖寬度調制（PWM），它是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。由于PWM信號仍然是數(shù)字的，因此電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復脈沖序列被加到模

7、擬負載上。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。由于PWM是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換。因此其讓信號保持為數(shù)字形式，同時可提高對噪聲的抵抗能力，將噪聲影響降到最小。由于作ASK調制的載波為40khz的正弦波，而MSP430G2553的PSW功能模塊輸出的是40khz的方波，因此還需要一個濾波電路，來產(chǎn)生ASK載波。這里是采用截止頻率為40khz的低通濾波器。2、ASK基波產(chǎn)生分析ASK的基波即所謂的控制信號，也就是密碼所對應的波。本方案主要是通過MSP430G2553來實現(xiàn)編碼。但是，由于模擬開關的電源電壓采用雙電源5V/5V（均對地

8、0V而言），則輸入電壓對稱于0V的正、負信號電壓（5V5V）均能傳輸。這時要求控制信號C=“1”為+5V，C=“0”為-5V，否則只能傳輸正極性的信號電壓。因此，由MSP430G2553的PWM模塊產(chǎn)生的方波需在其后連接求差電路，使其輸出轉換成5V/5V，使模擬開關產(chǎn)生雙極性的信號。3、ASK調制分析ASK信號是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去調制一個連續(xù)的載波，有載波輸出時表示發(fā)送“1”，無載波輸出時表示發(fā)送“0”，ASK的時域表達式可以表示成單極性矩形脈沖序列與正弦型載波的相乘。本案利用模擬開關CD4066進行ASK調制。CD4066 的每個封裝內(nèi)部有4 個獨立的模擬開關，每

9、個模擬開關有輸入、輸出、控制三個端子，其中輸入端和輸出端可互換。當控制端加高電平時，開關導通；當控制端加低電平時開關截止。模擬開關導通時，導通電阻為幾十歐姆；模擬開關截止時，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開路。為了增長接收距離，在CD4066進行ASK調制后，將信號通過放大電路，提高其輸出的功率。3、通信協(xié)議我們采用串口異步通信的方法來進行數(shù)據(jù)的發(fā)收。我們采用的通訊協(xié)議為起止式異步通信，起止式異步通信的特點是：一個字符一個字符地傳輸，每個字符一位一位地傳輸，并且傳輸一個字符時，總是以“起始位”開始，以“停止位”結束,字符之間沒有固定的時間間隔要求。 而接收端以“接收時鐘”和“波特率因子”決定一位的

10、時間長度。這種方式的優(yōu)點：起始位、校驗位、停止位、空閑位的信號，由“發(fā)送移位寄存器”自動插入。在接收方，“接收移位寄存器”接收到一幀完整信息（起始、數(shù)據(jù)、校驗、停止）后，僅把數(shù)據(jù)的各位送至“數(shù)據(jù)輸入寄存器”，即CPU從“數(shù)據(jù)輸入寄存器”中讀得的信息，只是有效數(shù)字，不包含起始位、校驗位、停止位信息。這樣一來，我們在編程時就不需要書寫通信協(xié)議，這樣可以減小工作量，同時也可以減少接收時對數(shù)據(jù)采樣時帶來的誤差。三、電路與程序設計（一）電路設計1、系統(tǒng)組成與原理框圖2、各功能電路設計（1）自制電源電路工頻經(jīng)過變壓器后輸出有效值為12V的交流，通過二極管整流后再經(jīng)電容濾波，然后分別送入固定三端集成穩(wěn)壓器L

11、7812和L7912中使得輸出分別為+12V和12V的直流，以供給其他模塊電路使用。（2）調制電路考慮到各電路模塊間的相互影響，采用常用的隔離電路，即以運放為核心，設計的一個簡單的電壓跟隨器。（3）紅外發(fā)射電路在信號放大電路之后加了個電壓跟隨的電路，為了前后電路的隔離，提高電路的帶負載能力，然后在輸出端連接發(fā)光二級管，電阻的作用是分壓，使通過二極管的電流不至于很大。（4）鎖狀態(tài)電路若判定結果為真，則PD3為低電平，綠燈亮，指示開鎖成功；若判定結果為假，則PD4為低電平，紅燈亮，表示開鎖失敗。（二）程序設計1、相關算法編碼：用16個按鍵來輸入密碼，其中一個鍵作為密碼設定端的密碼設定開始，一個鍵作

12、為密碼設定結束，另十個是作為密碼輸入，分別表示從0-9。通過鍵盤掃描的方式（分別通過2.0、2.1、2.2進行掃描），從而確定密碼。為了方便顯示按鍵情況，再在原電路的基礎上接入一個LCD顯示電路，通過程序實現(xiàn)，按鍵輸入與LCD顯示同步。譯碼：將單片機1.4口作為進入中斷的判定口，1.5作為接收發(fā)射端所發(fā)的信號的接收口，每100us采樣一次，將數(shù)據(jù)存入數(shù)組中，當4個數(shù)據(jù)都接收并保存好了之后，進行密碼的比較，發(fā)光二極管同步顯示密碼鎖的狀態(tài)，完成整個接收部分。2、程序設計流程圖：編碼：按鍵有鍵按下計算鍵值讀取鍵值發(fā)送鍵是否按下生成密碼輸出密碼對應的方波開始鍵是否按下重新輸入密碼YNNY每25ms，掃

13、描一次鍵盤譯碼：開始下降沿是否到來采樣密碼輸入比較初始密碼YNNY每100us，采樣一次LCD密碼顯示鎖定狀態(tài)，紅燈亮開鎖狀態(tài)，綠燈亮四、系統(tǒng)測試與結果分析1、測試使用的儀器設備測試使用的儀器設備如表所示： 序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1數(shù)字示波器12函數(shù)信號發(fā)生器13萬用表14直流穩(wěn)壓電源15Mps430單片機最小系統(tǒng)22、測試方法及測試數(shù)據(jù)（1）12V直流電源測試方案：通過示波器觀測輸出電壓是否為直流，通過調節(jié)可調電阻使用萬用表測量輸出電壓值是否滿足要求。測試結果：可觀測到示波器上測得波形為一條穩(wěn)定直線，并通過調節(jié)可調電阻由數(shù)字萬用表測得可輸出穩(wěn)定的正負12V電壓。（2）40Khz正弦波發(fā)

14、生器測試方案：通過直流穩(wěn)壓電源為電路提供正負12V電壓，通過示波器觀測波形。測試結果：示波器上顯示出基本不失真的正弦波，并且調節(jié)可調電阻可由數(shù)字示波器上觀測到正弦波頻率在40k左右。（3）ASK調制測試方案：通過函數(shù)發(fā)生器將40khz的正弦波載波輸入到CD4051的14腳，將5Khz的TTL方波輸入到CD4051的11腳， 其16腳接Vcc,3腳接輸出，其余接地。測試結果：可以在示波器上觀測到調制后的波形，當基極輸入高電平時，示波器上無正弦波。當方波為高電平時，開關打開，載波通過。（4）發(fā)射功率發(fā)射電壓Vout/V發(fā)射電流Iout/mA發(fā)射功率Pout=Vout*Iout/mW2.52768（5）接收功率接收電壓Vin/mV發(fā)射電流Iin/mA發(fā)射功率Pin=Vin*Iin/mW 68 5 0.34（6）莫爾斯密碼接收發(fā)射的密碼03115598設置的密碼03035555接收的密碼03115598綠燈亮滅1-亮；0-滅1010紅燈亮滅1-亮；0-滅01013、測試結果分析由于系統(tǒng)架構設計合理，功能電路實現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，因此本系統(tǒng)能夠滿足題目基本部分和大部