简易无线电遥控系统设计.docx
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简易无线电遥控系统设计
学科分类号
本科学生电子课程设计论文
题目：
简易无线电遥控系统设计
姓名黄德科
学号2006180810
院（系）工学院
专业、年级2006级应用电子技术教育
指导教师兰浩、杨小钨、陈素纯
2008年10月1日
指导教师评定成绩
评审基元
评审要素
评审内涵
满分
指导教师
实评分
选题质量15%
目的明确
符合要求
选题符合专业培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到课程设计论文综合训练的目的。
5
理论意义或
实际价值
符合本学科的理论发展，有一定的学术意义；对经济建设和社会发展的应用性研究中的某个理论或方法问题进行研究，具有一定的实际价值。
5
选题恰当
题目规模适当，难易度适中；有一定的科学性。
5
能力水平50%
查阅文献
资料能力
能独立查阅相关文献资料，归纳总结本论文所涉及的有关研究状况及成果。
10
综合运用
知识能力
能运用所学专业知识阐述问题；能对查阅的资料进行整理和运用；能对其科学论点进行论证。
10
研究方案的
设计能力
整体思路清晰；研究方案合理可行。
5
研究方法和手段的运用能力
能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、总结信息。
20
外文应用
能力
能阅读、翻译一定量的本专业外文资料、外文摘要和外文参考书目（特殊专业除外）体现一定的外语水平。
5
设计论文35%
写作水平
论点鲜明；论据充分；条理清晰；语言流畅。
15
写作规范
符合学术论文的基本要求。
用语、格式、图表、数据、量和单位、各种资料引用规范化、符合标准。
10
论文篇幅
5000字左右。
10
实评总分成绩等级
指导教师评审意见：
指导教师签名：
说明：
评定成绩分为优秀、良好、中等、及格、不及格五个等级，实评总分90—100分记为优秀，80—89分记为良好，70—79分记为中等，60—69分记为及格，60分以下记为不及格。
06级电子、电信（含树达）班电子课程设计------（10）
简易无线电遥控系统设计
一、设计目的
1、巩固模拟电子技术基本知识，综合运用所学知识；
2、掌握模拟电子线路的调试方法，增强工程实践能力和综合分析问题的能力；
3、掌握数字电子系统控制的方法。
二、设计要求
1、任务
采用专用遥控编解码芯片设计并制作一四路无线遥控系统，通过发射和接收装置控制四路电灯的开关（电灯可用发光二极管代替）。
2、要求
工作频率：
f0＝27MHz。
调制方式：
AM、FM、FSK方式任选一种。
控制距离：
接收机距离发射机不少于10M。
3、参考方框图
控制键
调制
编码
控制键
电源
发射机方框图
被控制电灯
解码
解调
放大
电源
接收机方框图
三、设计时间
设计准备阶段时间：
2008年1月——2008年上学期16周
设计准备阶段任务：
完成电路的设计和仿真调试（用EDA或Multisim8或Protel或Pspice完成仿真调试；若无仿真调试结果不能进入实际调试阶段）
实际调试阶段时间：
2008年暑假
（1）2008年上学期16周开始自行采购元器件。
（2）焊接电路及调试时间：
二周
（3）演示时间：
一天
设计报告撰写时间：
设计调试结束——2008年9月30日前
四、设计报告要求及注意事项
1、写出设计过程计算电路参数、画原理图、列出元件的明细表；
2、拟定调试步骤和选定仪器名称；
3、记录测量数据，整理实验结果，并与设计值进行比较；
4、课程设计报告见附件。
第一章绪论…………………………………………………………6
1.1简易无线电遥控系统的发展现状…………………………6
1.2无线电遥控技术的现状……………………………………7
1.3选题意义……………………………………………………10
1.4本设计的工作………………………………………………10
第二章硬件部分简介………………………………………………11
2.1具体方案论证与设计………………………………………11
2.2主控芯片的简介……………………………………………15
第三章简易无线电遥控系统的原理………………………………18
3.1无线电遥控发射部分………………………………………18
3.2编码部分……………………………………………………19
3.3无线电遥控接收部分………………………………………20
3.4解码电路和驱动电路部分…………………………………21
3.5发射机省电装置……………………………………………21
第四章结论…………………………………………………………22
参考文献………………………………………………………………24
致谢……………………………………………………………………25
整体电路实物图………………………………………………………26
第1章绪论
1.1简易无线电遥控系统的发展现状
现在大家使用遥控器可以对一些家用电器进行遥控如电视、空调、冰箱等的遥控，无线技术可能更复杂它是对整个家居的控制系统。
现在还没有一个大家都认可的无线技术标准，但通过看一些有关无线技术介绍的文章，感觉它的技术比较复杂，一时很难在中国推广使用。
通过网络搜索知道一种无线技术应用的代表产品，是高频电力载波类家居控制系统。
这种技术是利用发射器发出的信号传到接收器来实现智能控制的，信号传送技术是将编码信号加载到特定的电线，由发射设备将信号送给接收器，每个接收设备都需要预先设定地址码，地址码即使房间码和单元码，可以有200多种组合。
采用这套系统不需要额外布线，一切都用遥控器控制，但造价很贵。
很多无线发射技术应用比较普遍，大家通过电视天线接收到的电视信号就是由发射台发射的信号，过去的无线发报技术也是这种原理。
大家比较关心的是无线上网技术的使用和发展情况，笔记本电脑使用的无线网络技术我们都了解，最关心的是在家里的台式电脑这么能够摆脱那些线路的影响，如果使用无线上网，把主机和显示屏往屋里一摆就能上网了，一切都使用遥控设备，会感到特别方便。
这一定是未来的发展方向。
无线电遥控技术在现代工农业生产、科研、国防等领域有非常广泛的应用，随着现代科技的发展，要求遥控技术越来越精细，需要设计者整体考虑，优化设计整个遥控系统。
自动控制技术、无线电技术的发展与各种设备的紧密结合，逐步促使设备向着自动化、智能化、信息化方向发展。
1.2简易无线电遥控技术的现状
当前无线遥控组件的应用已渗透到了车用防盗报警器、家用防盗报警器、车库门控器、遥控航模、遥控玩具、遥控家电及工业、农业、交通等众多的领域，极大地方便了用户的操作和使用，但随着各种具有无线遥控功能的电子产品和无线通信产品的大量普及和使用，也
逐步暴露出来了一些急待解决的问题：
一、同频干扰日趋严重
据粗略的统计，目前国内带有无线遥控功能的产品（包括车用及家用防盗报警器、车库门控器、遥控开关、遥控玩具、航模等产品）正以每月数百万套（件）的速度渗透到社会的各个领域，而在这些产品中，无线遥控部分几乎都是采用标称频率为315.000或433.920MHz的载波频率,如此众多的遥控产品都工作在这两个频率上，而接收机又往往是宽带调幅（或ASK）制的，抗干扰能力极差，极易形成同频干扰，因受同频干扰而误控、失控或系统暂时失效的事件时有发生，特别是对可靠性和稳定性要求较高的各种防盗报警系统和工业遥控产品的安全性及可靠性构成了严重的威胁：
1、系统失效
2、系统失控
3、系统误控
4、抗干扰能力差：
（1）发生同频干扰的概率极高遥控操作时灵时不能灵，遥控距离时远时近，有时根本就不能遥控。
这是因为社会上有大量的同频率的同类遥控器在使用，接收机只要在同一时间收到两个以上的发射机发出的信号时就会因数据冲突而不能解码，而一旦干扰信号消失了，就又可正常工作了。
（2）抗干扰能力差：
这里所说的干扰是指由工作环境产生的电磁干扰；实际的应用系统中遥控接收机总是与一定的电气组件相连的，电机、节能灯、可控硅调压器、开关电源、单片机、电脑等电工电子产品均会产生一定的电磁干扰，而ASK制式的接收机对幅度变化的信号很敏感，其接收带宽又很宽，只要这种干扰信号进入接收带宽内就会对接收机形成干扰，在实际中的具体表现是：
接收模块单独工作时遥控距离很远，而一旦与用户系统相连后即变得很近，甚至完全不能遥控，其受影响的程度与接收机的接收带宽大小及有无AGC（自动增益控制）电路有关。
二、环境适应性差：
在ASK制接收机中，目前以超再生式接收机为主流产品，因为这种接收机成本最低（目前一个不带解码的超再生式接收模块的批量价仅RMB3元左右），接收灵敏度也较高，市场占有率也最高，但由于超再生式接收机的工作频率取决于LC回路的谐振频率，无稳频措施，当其天线或谐振回路靠近其它物体时会引起分布电容或分布电感的变化，从而导致工作频率发生漂移，遥控距离变近；另一方面，环境温度、湿度、电源电压的变化也会导致频率漂移、距离变近。
严格地说，超再生式接收机应属于玩具级的产品，一般用于低档无线遥控玩具中，但是在市场竟争日趋激烈的今天，一些厂家为了降低产品成本，把这种玩具级的组件也用到了民用、甚至是工业产品中的，从而对产品的稳定性和可靠性埋下了隐患；我们认为在民用产品和工业产品中使用超再生式接收机是不适合的。
普通遥控产品采用三态或四态地址编/解码器也是导至环境适应性和抗干扰能力差的原因：
在三态或四态地址码中有一个状态是悬空态，即高阻态，这个状态在遇到空气潮湿或受到强电磁干扰时就会在短时间内变成低电平或高电平，从而引起系统的错误判断，造成失控或误控。
三、在微功率条件下无线遥控距离达不到用户要求：
现代无线通信设备正朝着超小、超轻、低电压和超省电的方向发展，其主要原因有两个方面：
1、低电压、微功率条件下可大幅度减小设备的体积、重量和功耗，环保节能：
随着超大规模集成电路和各种新型电子器件的广泛应用，无线通信产品中机芯部分的体积和重量都越来越小了，相比之下，电源（电池）部份的变化却不太大，特别是对移动（或便携式）无线通信产品，电池（组）所占据的空间及重量比例也更加突出，如果继续沿用过去的高电压供电，较大的功率发射，则对设备的体积、重量、连续待机时间的改善都极为不利，最为有效的改进措施就是采用低电压供电，并尽可能提高在微功率条件下的无线通信距离，只有这样才把产品做到超小、超轻、超省电；
2、FCC、EN等技术标准对发射功率有严格的限制：
大家知道，在接收机一定的前题下，发射功率越大，无线通信距离就越远。
做出口产品的厂商就常遇到这样的问题：
一方面是产品的发射功率已经超出了FCC或EN等标准的限制了，必须减小，另一方面是在发射功率超标的情况下无线通信距离还不能满足用户的要求，如果再减小发射功率就更不能满足用户对通信距离的求要了；如果要妥善地解决好这一矛盾就必须做到产品在微功率发射的前题下就有足够的通信距离。
1.3选题意义
1、巩固模电、数电、高频电子线路基本知识，综合运用所学知识进行电路的设计。
2、掌握模拟电子线路、高频电子线路的调试方法，增强工程实践能力和综合分析问题的能力。
3、掌握简易无线电遥控系统的传输方法和原理。
4、了解现代无线电遥控系统的现状及发展趋势，运用一些先进的技术设计电路。
1.4本设计的工作
1.设计电路框图，画出原理图并确定元器件类型和参数。
2.进行仿真实验，购买元器件及所需的工具。
3.焊接电路板，确定好调试方案，选择测试仪器，记录测量数据，整理实验结果，与设计值进行比较并撰写设计报告。
第2章硬件部分简介
2.1具体方案论证与设计
根据试题要求，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分和控制部分。
下面分别从这两个方面阐述方案的设计思想。
1．无线信号传输部分
1）调制方式的选择
根据要求，控制对象是7盏灯，因试题对频率宽度没有限制，为了提高抗干扰能力，实现方法简单，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。
试题要求载频为27MHz。
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3。
33MHz，在这种情况下难于获得足够的频偏。
例如，用摩托罗拉公司的单片集成FM调制芯片MC2833实现2.5MHz电抗管晶体三倍频调频时，实测三倍频后的最大频偏为420Hz。
若采用专用调频晶体，价格又太高。
因此本设计选择了变容二极管直接调频的西勒电路，既可获得较大的频偏，又可保证一定的频率稳定度。
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。
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，起隔离和激励作用。
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。
为获得一定的电压增益，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构成解调电路。
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。
2．控制部分
控制的对象是7路设备，7路只有开关两种状态。
如下表所示，采用三位二进制码表示各控制状态。
编号
A
B
C
功能说明
1
2
3
4
5
6
7
0
0
0
1
1
1
1
0
1
1
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
一路工作，其余不工作
二路工作，其余不工作
三路工作，其余不工作
四路工作，其余不工作
五路工作，其余不工作
六路工作，其余不工作
七路工作，其余不工作
经查阅资料，MC5026和MC5027是专门设计用于遥控电路中的编/解码器。
MC5026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，以提高可靠性。
MC5027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MC5026和MC5027可以满足控制信号的再编码与解码。
类似MC5026/MC5027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/PT2272、YYH26/YYH27等均可胜任。
3．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
（14.1.1）
式中，Pt为发射机天线端辐射的有效功率；
为接收机的最小检测功率；
、
分别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，实验环境确定的情况下基本上为常量。
要增大作用距离应从如下几个方面考虑：
1）尽量提高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，下大工夫。
由式（14.1.1）可知,传输距离是与
、
形成正比。
、
分别增大两倍,则作用距离也增加两倍。
这是非常可观的。
2）尽量提高发射机天线端有效辐射功率Pt
根据题目要求，在发射机输出端接上75
的假负载，其输出功率不应大于20mW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14.1.2所示。
当
时，A、B两端所呈现的阻抗为300
左右，必须接一个4：
1的阻抗变换器才能与发射机阻抗匹配。
自然这样的效果最佳。
然而根据题目的要求，工作频率
在27MHz左右，则波长为
要架这么长的天线是不实际的。
一般情况下，发射机采用拉杆天线，
其总长度约为1.5m左右。
经过MATLAB
仿真计算可得，拉杆天线的等效阻抗
为：
不到10
，
超过100
。
它与发射图14.1.2单振子天线
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须加装阻抗变换器，且要抵消天线容性的影响。
其示意图如图14.1.3所示。
当然还可以采用天线增益更高的天线。
例如双拉杆天线、环形天线等。
不管采用任何形式的天线，均存在发射机与天线匹配的问题。
图14.1.3天线匹配示意图
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，这里不再重复。
3）提高接收机的灵敏度
由式（14.1.1）可知,提高接收机的灵敏度（即降低接收机的Smin）与提高发射机天线的辐射功率Pt对增加传输距离是同等重要的.故接收机采用超外差体制,且加装一级低噪声、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。
最后，还要使收发天线极化一致，方向对准。
2.2主控芯片的简介
一、编/解码芯片VD5026/VD5027：
VD5026编码器是一种8位编码发射器。
它的第1~8脚是编码的输入端，每个输入端可以有3种状态，即“0”、“1”或“开路”，其中“0”表示为低电平，“1”表示为高电平，因此8个脚可以组成38=6561个不同的编码。
如果需要更多的编码，可将输入端改为4态连接方式，这时第1脚是第4种状态的公共连接脚，第2脚~第8脚与第1脚连接时为第4种状态。
所以第2脚~第8脚都可以有4种状态，即“0”、“1”、“开路”、“接1脚”。
在这种情况下可以组成47=16384个编码。
第10脚~第13脚也可作为编码地址线，与第1~第8脚联合起来组成12位编码地址线，这时编码数可高达411=4194304个。
本文要介绍的是VD5026与VD5027配合应用，VD5026的第10~第13脚用作数据输入线，根据需要这几个脚可以置“0”或置“1”。
第14脚是发射指令端，当此脚接地时，VD5026输出端则发出一组编码脉冲。
第15脚、第16脚是一个内置振荡器，外接几十到几百千欧的电阻即可产生振荡，振荡频率为fosc=1600/R（KHz），式中R为外接电阻，单位为千欧。
第17脚是编码输出端，第18脚、第9脚分别是电源的正、负极。
VD5027接收解码器有相应于VD5026的12位信息。
第1脚~第8脚是地址线。
当VD5026发出的地址编码与VD5027预置的编码相同时，则在VD5027的第10脚13脚有数据输出，该输出信息与VD5026的第10第13脚所置的数据相同。
第14脚为输入端，第15脚、第16脚是振荡器，外接电阻值应与VD5026完全相同。
第17脚是输出端。
编码器VD5026发射时，如果密码相同，VD5027就会输出高电平。
二、单片窄带调频接收电路MC3361：
（1）MC3361简介：
MC3361是美国MOTOROLA公司生产的单片窄带调频接收电路，主要应用于语音通讯的无线接收机。
片内包含振荡电路、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讯接收设备。
其主要特性如下：
①低功耗（在Vcc=4.0V，耗电典型值仅为3.9mA）
②极限灵敏度：
2.6uV（-3bB）（典型值）
③少量的外接元件
④工作电压：
2.0—8.0V
⑤DIP16和SO-16两种封装形式
⑥工作频率：
60MHz（max）
（2）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10.7MHz从MC3361的Pin16输入，在内部第二混频级进行混频，其差频为：
10.700-10.245=0.455MHz，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。
第3章简易无线电遥控系统的原理
3.1无线电遥控发射部分
电路如图1.1.1（上半部分）所示。
主振级由晶体管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。
振荡信号由C7弱耦合到射随器，然后送至功放。
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。
图1.1.1无线遥控发射机
在本设计中，调制信号为二元单极性码，即只有高低两个电平，故对调制线性度要求不高。
因此本设计采用了变容二极管部分接入及对变容二极管不外加反偏压的电路结构，电路如图1.1.2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
若调制信号引起的结电容变化为
，则引入主振回路的电容变化量为
，可求得由此引起的振荡频率的变化为
式中
为主振回路总电容。
负号表示
与
的变化相反。
本设计中
=3Pf,
=21Pf,可得
，即变容二极管参量的变化对振荡频率的影响较小，频率稳定度大大提高。
、
由此引入的问题是如何能得到足够的频偏，也就是如何使变容二极管的结电容变化较大。
解决的办法是对变容二极管不加反偏压。
如图14.1.5所示,在不加反偏压时可获得最大电容变化量.由于无外加偏压,避免了由偏压变化引起频率漂移,同时简化了电路。
3.2编码部分
如图1.1.1下半部分所示，控制键包括七个常闭按键和一个单刀双掷拨键K，拨键用来选择被控对象，7个常闭按键用来表示被选中对象的7种状态。
采用CD4014710—4线优先编码器，只对按键进行编码。
目前只有其中的8—3线部分，其余的可以留给以后扩展用。
利用VD5026和VD5027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，VD5026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MC5026的地址码四位是设定的，另一位由拨键控制，用来选择控制对象是七盏灯。
相应的MC5027也有5位地址码，只有与MC5026地址码相同的MC5027才会有解码输出。
3.3无线电遥控接收部分
如图14.1.6所示，
图14.1.6无线遥控接收电路
接收机的模拟部分可分为三大模块：
1高频放大电路采用了典型电路，为一级共发射极谐振高放。
为提高接收灵敏度使用了低噪声的三极管2SC763。
2鉴频电路采用MC3361。
本振为27MHz，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。
MC3361的外围元件值的确定参考了《MotorlaTelecommunicationsDevi
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