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电子设计大赛论文
一等奖
作品1：
基于计算机技术的无线控制系统
作者：
王家富王希斌林森
学院：
物理学院电子科学与工程学院
引言
无线遥控技术的出现，不仅大大提高了劳动生产率，降低了成本，而且减轻了人们的劳动强度，改善了劳动条件。
而微机技术的出现，则使现代科学研究得到了质的飞跃，给现代工业测控领域带来了一次新的革命，给人类生活带来了根本的改变。
而两者的有机结合，将给人们的日常生活带来很大的方便。
目前的遥控开关都是基于遥控器的，而基于计算机技术的无线遥控开关实现电脑程序控制，较传统的遥控器增添了灵活性，多面性和智能性。
本设计共七路开关量，可以单独控制，可以为不同的功能编写不同的应用程序，以实现以不同的功能。
工作电压12V，工作频段300MHz，可以控制高电压、大电流的设备的开关，可以自动检测电压和电流，以防过压和短路。
可以实现以下几种功能：
电器控制系统、窗帘控制系统、无线遥控系统、集中控制系统、场景控制系统、定时控制系统。
当前许多家用电器都有其专用的遥控器，来控制其各项功能，这曾经给我们带来了许多方便。
但是当家里有许多这样的电器时，各式各样的遥控器会使也会带来麻烦。
这是因为，每种遥控器只针对一种产品，无法与别的进行扩展，而且没有一个公有的平台来实现对这些对所有的电器进行控制。
我们的这个作品就是要制作这样的一个平台：
远程集中地实现对多路电器开关的独立控制，由于是针对强电电路，作品还需要具有过压保护和各路的过流保护。
第一章方案选择
第一节：
待选方案
方案一：
这是目前比较常用的方法，其功能框图如下：
利用红外或无线遥控器发送控制信息，通过单片机处理接收到的信息，发出控制信号来实现对多路电器开关的控制。
通过保险丝来实现过压过流的保护，保险丝熔断，电路实现被动断开。
这种方案，应用起来比较简单，一个遥控器就可以控制多个用电器的开关，并且使用熔丝对电路进行过压过流保护的方法方便而常用。
方案二：
电脑通过串口与上位机通信，上位机对控制信息进行编码，然后通过无线模块实现通信，下位机解析编码，发出对开关的控制信息。
通过电压电流检测电路来实现信息反馈，当出现过压过流现象时，由单片机通过继电器断开电路。
其功能框图如下：
这种方法的特点在于：
利用计算机可以灵活地制作交互界面，依据具体情况设计解决方案。
通过检测电路监视用电线路的电压，电流情况，当过压或过流时，主动地用单片机来控制继电器断开电路。
第二节：
方案确定
在实现多路控制方面，两个方案都可以实现，但是第一种遥控器方案编码已经固定，当增减用电器时电路就需要更改，不利于扩展。
使用电脑控制，有更大的灵活性，随着电脑的普及，这种方法也变得非常方便，其灵活性也不比遥控器差。
对于过压，过流保护，方案一是一种被动的方法，烧断保险丝才使电路断开，每次需要恢复电路时，都需要更换保险丝。
而方案二是主动地监测电流，电压信息，当发现超过一定限度时，主动地关闭继电器，电路上不会有任何损伤，当需要再次打开该路时，只需重新通过电脑发送信息就行。
通过比较可以看出：
在实现我们对作品的要求基础上，方案二更灵活，更方便。
因而在作品中选择了第二种方案。
第三节：
方案论证
方案二中无线发送接收模块实现了远程控制功能。
电脑与上位机串口通信传递控制信息。
上位机通过编码对多路独立地发送控制信息。
单片机接受无线信号，解码，依据收到的信息产生电平信号，控制对应的继电器开关。
在电流检测方面，使用互感器采集各路的电流信息，通过放大器将电流信号转化为电压信号，测量电压值就可以得到电流信息，从而知道是否过流，下位机决定是否断开电路。
电脑控制系统功能框图，上位机和下位机流程图分别如下：
图1.4上位机工作流程图：
完成与电脑和下位机的通信
N
Y
图1.5下位机工作流程图：
完成与上位机的通信，控制高压大电流电路工作，实现电压、电流过载保护
第二章：
总体设计
在电脑上制作一个人机交互界面，集中控制各路的开关，及定时。
交互界面要有对各路的开关和定时操作的按钮，和其他一些方便实际应用的功能。
电脑通过串口实现与上位机的通信，把用户输入的信息传送到电脑旁边的下位机。
上位机接受到控制信息之后，需要对信息进行编码。
这是由于无线模块发送的信息量有限，要实现对多路的独立控制，必须按一定的规则进行编码。
无线发送模块将编码后的信息发送出去。
被控制部分接收到信息之后，传到下位机，下位机进行解码，知道要将那个继电器打开或关闭，然后使相应的引脚电平发生改变，通过驱动三极管来实现对各继电器开关的控制，从而实现了对电路通断的控制。
对各路电流的检测使用如下的方法：
使用电流互感器采集电流信息，通过运放负反馈电路将电流量转化为电压量。
然后使用AD转换将电压信息量化，判断是否超过规定的正常范围。
如果某一路电流过大，则会通过上述过程检测到，这时下位机将会控制相应的继电器关闭该路。
检测输入的220V电压是否超过规定范围的方法如下：
由于在电路中使用了220V到±12V变压器，可以通过检测副线圈的电压，来判断输入的220V是否超过规定范围。
一旦过压，下位机则会将所有的继电器关闭。
由于上位机仅实现与电脑的串口通信，和对发送信息的控制，需要的引脚数比较少，所以上位机使用28引脚的ATMEGA8，工作频率为4MHz，串口波特率为2400。
下位机所要控制的量比较多，需要接收无线信号，发出对继电器的控制信号，还需要完成各路的电流检测，所以使用了ATMEGA16。
这款单片机还有八路的AD转换功能恰好可以实现电压量的量化，不需要增加别的外围AD转换元件。
整个控制过程，所需要的模块，以及各个模块之间的关系，如下面的框图所示：
第三章：
单元电路设计
第一节：
人机交互及串口通信
电脑上的人机交互部分需要反映每个用电器的使用情况，还有对每个用电器的操作按钮。
基本操作有“打开”，“关闭”，“定时”，我们增加的操作有“群开机”，“群关机”，可以对所有的开关按给定顺序依次打开和关闭。
按钮和串口程序相连接，按下开关，相应的信息就被用串口发送出去。
串口使用的波特率为2400。
并没有使用过高的波特率是由于：
发送的信息量比较小，对实时性要求并不高，较低的波特率可以使通信更稳定，制约整个系统的瓶颈在于无线模块的传输速率，使用太高的波特率也不会明显地提高系统的实时性。
人机交互界面如下：
图3.1人机交互界面
实现串口通信的电路图如下：
图3.2串口通信电路
MAX232实现电平的转化，TTL电平与RS—232电平相互转换。
是一个常用的串口通信元件。
这样，电脑界面上用户输入的信息就被传输到上位机上了。
第二节：
无线信号收发模块
此模块硬件上使用了一个工业上通用的技术比较成熟的无线遥控器。
由于模块发送部分工作电压为12V，上位机引脚的输出的5V电平无法直接驱动，使其工作，因而在上位机与无线发送模块之间加了一个多路模拟开关（CD4051），实现用单片机电平控制12V电路的开关。
其电路图如下：
发送模块本身可以传送12路信息。
由于使用了CD4051，限制了最大发送信息量。
另外作品要实现7路的开关，每个开关有两种状态信息，所以要传输的信息总量有7×2=14种，于是需要对要传输的信息进行编码。
另外，使用的模块本身没有定义通信协议，所以我们需要定义通信协议和在上位机种完成编码，下位机按照协议解码和校验。
我们定义的通信协议如下：
通过以上步骤，下位机ATMEGA16就可以接收到并理解所发送的信息。
利用通信协议可以使无线模块工作更稳定，具有更好的容错能力。
第三节：
开关控制模块
下位机的一个重要的作用是要控制7路220V目标电路的打开和关闭。
通过弱电来控制强电，有以下几中可选方案：
方案一、使用固态继电器。
固态继电器具有响应速度快、无触点，但是固态继电器有漏电流、容量小和价格昂贵等缺点。
方案二、使用可控硅。
可控硅具有易于控制、无触点的优点，但价格昂贵、不易于购买，且局限性比较大。
方案三、电磁继电器。
它通过线圈产生磁场，吸引触点弹片，实现开关动作。
当没有电流流过线圈时触点自动放开，电路被关闭。
这种继电器价格低廉、易于购买，容量大、且易于控制。
我们在作品中使用方案三中的电磁继电器作为开关控制模块的核心元件。
要实现下位机对它的控制，首先要解决的问题就是驱动和隔离。
我们不能直接用单片机的某个引脚去连接继电器控制端，一是单片机引脚驱动能力有限，二是当电路断开的时候，继电器线圈会把单片机引脚电压拉高到+12V，超出引脚所能承受的电压范围，会烧坏单片机。
在实现该单元电路时，我们在引脚接了个三级管（9013）来实现驱动和隔离。
另外由于电磁继电器是感性器件，在断开瞬间，会产生很大的反向电压，这一尖峰电压会损坏其他电路，尤其是脆弱的单片机；所以我们在继电器线圈两端接了一个二极管，来吸收反向尖峰电压，保护了电路，降低了噪声。
设计的单元电路图如下：
图3.5下位机控制继电器开关单元电路
图中控制端接的是下位机某个输出引脚。
继电器的+12V电压由220V—±12V的变压器提供。
图中显示了所使用的继电器内部为双刀开关，这样可以把零线，火线都断开，不会产生用电危险。
第四节：
过压过流保护模块
过压过流保护是一个非常重要的模块，通过它确保用电器工作在正常的电压电流范围内，不致出现烧毁用电器的危险。
如何来检测电路的电流信息，我们有两种被选方案：
方案一、电阻分压。
探测端直接与高电压大电流端相接触，如果可以精确地知道分压电阻的阻值，依据欧姆定律可以很精确地知道流过的电流大小，但是这样容易产生漏电，并且电阻消耗功率较大，噪声难于控制。
方案二、电流互感器。
它通过互感线圈的电流关系，把高电压大电流转化成电压参考点悬浮的电流量。
这种方法测量范围宽，测量端与探测端完全隔离，不会引入噪声；所以在作品中我们采取此种方案。
电流互感器的原理在下图中描绘的很清楚：
图中标出了原线圈与副线圈的匝数比为1：
100，则采集到的电流I1与目标电路电流I2比例关系为
（公式3.1）
用电电路中的电流在10A以内，于是可得采集到的电流范围在0.1A以内。
电流——电压转换过程也在图3.5中画出来了：
使用运算放大器LM358组成一个负反馈回路，这样可以保证放大器2，3两脚的电压相等，3脚的电压是由一个基准电压源给出，准确而稳定，可以作为参照电压。
另外使用2.5的参考电压还有一个目的：
由于电流I2是交流电，有负电流部分，会使输出有负电压，会烧坏单片机，将I2拉高2.5V以后就不会出现这个问题。
由于放大器工作在线性区，电流I2全部电阻R，从而各个参量有如下关系：
（公式3.2）
就可以直接由下位机ATMEGA16内置的AD转换器来测量。
当
的峰值达到4.9V时，就说明I1已经达到10A的峰值电流，这是单片机将控制该路的继电器断开电路。
以上便是过流保护过程。
电路中使用的两个三级管是为了解决LM358输出电流小的缺点，通过电流放大作用保证I2可以达到正常探测电流范围。
电压的探测过程相对要简单一些：
直接在变压器输出的12V与地之间接分压电阻，用下位机的AD转换器检测其变化，确定其是否超过规定，其原理与前面的类似，不再累述。
第五节：
电源模块
由于在下位机部分需要的电源有LM358所需要的±12V电压，继电器的+12V电压，单片机+5V电压，以及作为电流检测使用到的2.5V参考电压。
所以将电源模块单独拿出来描述。
总的电源由变压器提供，经过整流桥，滤波电容，使用78，79系列三端稳压器得到稳定的±12V电压和+5V电压。
电路图如下：
2.5V基准电压源电路所使用的核心元件
是TL431精密可调稳压器。
使用的三
极管8050扩大输出电流，9012扩大吸收
电流其电路图如图3.8
第四章：
单元电路测试
人机交互，串口通信，无线信号收发模块，开关控制模块可以一起进行检测：
在电脑上，试验各个路的“打开”，“关闭”，“定时”，“群打开”，“群关闭”操作，在接收电路板上的继电器会做出相应的动作，实现了对电路的控制。
电流检测模块的测试：
测试时使用THDM-1型数电模电实验箱提供4V，6V，10V的交流电源，测量交流电流使用的是DT-9208型3又1/2位万用表，使用GOS-620型示波器监视输出电压得到的三组试验数据如下：
表4.1电流检测模块测试数据
从表中可以看出：
实际测得电压数据于通过公式3.2计算得到的结果相差很小，再加上万用表和电阻的误差，标中所出现的误差在允许范围内，可以接受。
基准电压测量：
使用DT-9208型3又1/2位万用表测得如下数据。
输出电压：
2.49V
电压测试模块数据：
使用DT-9208型3又1/2位万用表测得如下数据。
输入电压：
219V输出电压：
1.60V
说明输出电压值在单片机可探测的范围内，并且可以根据此电压值做出相应的响应，电压测量模块工作正常，可以实现过压保护。
第五章：
整体测试
将下位机所在电路板加上220V电压，测试无线遥控开关的功能，所有路的开关，定时功能都能正常工作。
经过多次试验发现仍然有小概率的出错事件。
这是由于空间电磁噪声，导致接收不到正确的数据。
已经基本满足了设计要求.
第六章：
结论
针对无线控制过程中出现的误码现象，我们认为，在电路方面还可以作如下改进：
使用协议更完善的数字传输模块。
主要是为了能够给发送方提供反馈，让其能够判断接受到的数据是否正确。
现在的作品还只能通过电脑控制对象电路的开关，无法从下位机那里获取各用电电路的状态信息，如果可以做到双向通信，就可以解决上述问题，实现在电脑上对各用电电路的监视。
参考文献
[1]陈冬云.单片机原理与开发指导.北京：
机械工业出版社，2006.
[2]双龙电子.ICCAVRC编译器的使用.广州：
双龙电子，2005.
[3]赵文博.新型常用集成电路速查手册.北京：
人民邮电出版社，2006
[4]ATMEL.具有16KB系统内可编程Flash的8位
微控制器ATmega16/ATmega16L
[5]ATMEL.具有8KB系统内可编程Flash的8位
微控制器ATmega8/ATmega8L
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