毕业设计水泵遥控电路设计与研制.docx
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毕业设计水泵遥控电路设计与研制
水泵遥控电路设计与研制
摘要
介绍了以手机模块、双音多频解码集成电路HY9170为核心，通过现有的电信网络终端来进行远程遥控的远程控制系统的设计思路，并给出了其系统原理和电路图。
远程控制系统遥控技术是通过一定的手段对被控物体实施一定距离控制的一种技术。
同时，由于电信线路各地联网，因此，可以充分利用现有的网络资源跨省市，甚至跨越国家无限长度地进行遥控。
该方法采用手机铃声控制，并利用不同的多音双频铃声来达到对开关的控制，最终实现远程遥控。
DTMF（DualToneMulti-frequency）即双音多频，最先应用于拨号系统。
双音多频的拨号键盘是4×4的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。
每按一个键就发送一个高频和低频的正弦信号组合。
本次课程设计是基于专用解码芯片HT9170的DTMF遥控器的设计和制作。
关键词：
手机遥控，DTMF，HT9170,4028
PumpremotecontrolcircuitDesignandDevelopment
Abstract
Introducedthemobilephonemodule,DTMFdecoderICHT9170asthecore,throughexistingtelecommunicationsnetworkstocarryoutremotecontrolterminalremotecontrolsystemdesignideas,andgivesitssystemsforbasiccircuit.RemoteControlRemotecontrolsystemtechnologybymeansofthechargedobjectmustimplementacertaindistancefromthecontrolofatechnology.Also,becausepartsofthetelecommunicationsnetworklines,soyoucanmakefulluseofexistingnetworkresources,provincesandcities,andevenacrossthecountrycarriedoutaninfinitelengthoftheremotecontrol.Themethodusescellphoneringtonescontrolandtheuseofdifferentpolyphonicringtonestoachievedualcontroloftheswitch.
UltimatelyremotecontrolDTMF（DualToneMulti-frequency）firstwasappliedtodial-upsystem.Dualtonemulti-frequencydial-upkeyboardis4×4matrix.Eachrowrepresentsalow-frequency,whileeachcolumnrepresentsahighfrequency.Whenanybuttonispressed,itsendsasignalconstituteofahigh-frequencysignalandlowfrequencysignal.ThisarticleisbasedonthespecificdecoderchipHT9170todesignandproduceadedicatedDTMFremotecontrolsystem.
Keywords:
mobilephonecontrol,DTMF,HT9170,4028
目录
1绪论1
2总体设计方案2
2.1设计思路2
2.2系统框图2
3射频信号接收系统2
3.1接收信号流程2
3.2射频接收电路3
3.3射频接收放大电路4
3.4接收第一混频电路4
3.513MHZ基准频率电路5
3.6锁相环电路5
3.7射频接收端性能指标6
3.7.1接收灵敏度6
3.7.2接收信号指示电平6
3.7.3接收信号指示质量7
4双音多频（DTMF）解码控制7
4.1DTMF定义7
4.2双音多频（DTMF）铃声8
4.3DTMF解码器8
4.3.1解码器介绍8
4.3.2HT9017管脚功能及特点9
4.3.3CC4028管脚功能及特点11
4.4接收端电路图12
4.4.1电磁式继电器驱动电路12
4.4.2+5V稳压电源13
4.4.3控制电路总图14
5结论15
结束语15
致谢15
参考文献16
附录射频接收放大电路16
1绪论
本文设计的是一个通过手机网络信号对水泵开关的远程遥控。
随着工业自动化水平的进一步提高，在许多无人看守的工业现场，希望能够对设备进行远程的控制和监测。
手机的逐渐普及使得在工业现场安装手机成为可能。
根据这种情况，我们设计并制作了一种基于DTMF（DualToneMultipleFrequency）的手机远程遥控控制器，只要将手机控制器并接在工业现场上，就可以通过它随时随地用手机对设备进行开关控制。
另外，社会经济水平的不断提高已经开始促使家庭自动化，人们希望能够随时随地对家庭安全实行远程监控以及对家电实行远程控制。
手机遥控距离可以跨省市。
随着科技的日益发展，人们对远距离的遥控以及无线通信的技术指标要求越来越高，尤其是在网络信息技术快速发展，模拟锁相环集成电路和传感器技术的巨大进步下，大大加速了这个过程。
目前无线产品在各个领域中已经相当普遍的被使用，但大多都存在着很大的局限性。
例如：
遥控距离太近，满足不了大部分人和很多场景下的要求；电路复杂，抗干扰能力差，准确度低等缺陷，也加剧了电路的调试和维护难度。
本文介绍了一种通过已经构架的手机信号网，通过现有手机模块的功能，实现远距离对开关信号模块的控制。
而且在开关器件中采用双音多频技术（DTMF）使远距离的免费遥控成为现实。
而且，通过使用手机接收装置和双音多频（DTMF）技术，使这种遥控控制具有成本低、收费低、信息传输可靠、抗干扰能力强、功耗低、易实现等显著的优点，具有未来遥控趋势的特点。
随着手机大众化的发展趋势和手机信号网络的全面覆盖，大部分地区几乎都达到了人手一个手机的情况，而且由于手机信号的大范围覆盖使得这种用手机进行遥控的器件成为可能。
通过手机GSM遥控控制水泵开关，使随时随地的控制成为现实。
GSM（globalsystemformobilecommunication）的中文是全球移动通讯系统，又称“全球通”，模拟移动通信系统成为第一代（1G）移动通信系统，把GSM成为第二代数字蜂窝移动通信系统，简称2G。
GSM采用的事数字调制技术，其关键技术之一是时分多址（TMDA每个用户在某一载频上选用某一时隙，且只能在特定时隙收发信息），因此保密性好，能提供较多种类的数据传输服务。
我国陆地公用蜂窝数字移动通信网GSM通信系统采用900MHz频段。
本设计通过手机信号来传递控制信息，具有准确度高、速度快、距离远、方便实用等特点。
在信号就收端通过双音多频（DTMF）技术生成的双音频声音进行控制。
通过4×4的矩阵，每一行代表一个低频，每一强。
比如'1'相当于697和1209赫兹（Hz）。
交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键。
DTMF编码器在编码时将击键或数字信息转换成双音信号并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。
一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。
这两个音频信号的频率来自两组预分配的频率组：
行频组或列频组。
每一对这样的音频信号唯一表示一个数字或符号。
电话机中通常有16个按键，其中有10个数字键0～9和6个功能键*、#、A、B、C、D。
由于按照组合原理，一般应有8种不同的单音频信号。
因此可采用的频率也有8种，故称之为多频，又因它采用分别从高低频中任意抽出1种进行组合来进行编码，所以又称之为“8中取2”的编码技术。
根据CCITT的建议，国际上采用的多种频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz等8种。
用这8种频率可形成16种不同的组合，从而代表16种不同的数字或功能键。
2总体设计方案
2.1设计思路
本设计是基于手机遥控的水泵开关的电路分析。
通过现有的移动信号网络，用手机信号来控制，在开关器件中有手机的射频接收模块。
同时在手机中存有自制的双音多频的铃声。
手机接通后，铃声响起，然后通过多音双频解码译码芯片和铃声的长短控制水泵开关的通断。
2.2系统框图
系统总体设计框图如图1所示。
图1系统总体设计框图
3射频信号接收系统
3.1接收信号流程（从天线到听筒）
本设计所用的无线信号是借助已有的手机信号，不需进行专门的布线,不占用无线电频率资源,从而可避免电磁污染。
接收信号流程如图2所示，信号从天线经天线开关选择后，再由射频模块处理，然后经输入逻辑/音频模块产生模拟信号推动话筒。
图2接收信号流图
3.2射频接收电路
射频接收电路如图3所示。
射频接收电路主要是由天线开关，高频滤波器，高频放大器，中频放大器，声表面（SAW）滤波器及中频模块等元件组成，主要作用是完成接收信号进行下变频、解调产生接收基带信号送至逻辑、音频电路处理，以进一步处理接收数据信息。
天线接收电路时由天线开关ASW，开关离合器J23和天线切换控制模块U104，及外围电容电感等器件组成。
他们共同组成了对接受信号和发射信号的选通，使手机的接受和发射互不干扰。
天线开关相当于合路器的作用，由U104控制模块来控制信号BANK/TXPA的电平变化（高低）来控制天线开关ASW，使ASW处于正确的接受或发射状态。
天线开关ASW内部有两组切换开关，分别是接受/发射的切换，频段的切换，其中BAND为频段选择开关信号，TXPA为收发选择开关信号。
3.3射频接收放大电路
从天线接收下来的高频信号送到选频滤波器F22中，滤除带外信号，然后输出，再送至放大管Q5（DCS）、Q6（GSM）进行放大，放大后的GSM或DCS信号经过声表面滤波器进行进一步的滤波，以得到幅度值及纯净度均达到要求的RX接收
图3射频接收电路
信号，其中VCCBRIGHT是放大器集电极的偏置电压，其电压的高低直接影响接收信号的强弱。
VCCBRIGHT由供电模块提供。
射频接收放大电路图见附录
3.4接收第一混频电路
图4接收第一混频电路
接收第一混频电路如图4所示，来自前段的经过低噪声放大和滤波的接受信号MIX1IN2、MIX1INB2、MTX1IN1、MTX1INB1与接收第一本振U52送来的GSM第一本振信号RF_LO（1150-1185MHZ），DCS第一本振信号RF_LO（1150-1655MHZ）信号在中频混频模块U10内部进行混频，然后选择其差额信号，从而得到好友语音及控制信息接收中频信号RXIF（225MHZ）。
产生的接受中频信号RXIF（225MHZ），在经过电容、电感滤波后（a型滤波器），最终产生较稳定平滑的信号（IFINB、IFIN）供下一级使用。
3.513MHZ基准频率电路
图513MHZ基准频率电路
13MHZ基准频率电路如图5所示，来自CPU（U1）及U5（转换模块）的AFC（自动频率控制）信号加在13MHZ晶体第1脚，用于校准13MHZ基准频率信号，使13MHZ频率信号产生的更加准确，同时使13MHZ晶体振荡工作，产生的两路信号：
SYNC13M用于射频部分所需的各种频率信号的基准（如锁相环频率合成器使用），8813M信号由控制三极管Q1输出，送到手机的逻辑/音频部分作为运行的主时钟，图中VTCXO为13MHZ工作电压，有电源模块产生。
3.6锁相环电路（混频器）
锁相环电路如图6所示。
本振电路在收发状态下工作，有独立的启动信号SYNEN,数据信号RFCTLDAT及时钟信号RFCTLCLK,逻辑电路通过这三个信号控制本振电路参照基准频率13MHZ产生所需的频率。
同时这三个信号控制混频器锁相环振动，产生发射接收所需的震荡频率。
GSM1150-1185MHZ，DCS1150-1655MHZRX，TX：
1575MHZ-1650MHZ，从而使手机能够上变频到发射频率段上，下变频到接受频率段上。
通过锁环及混频器输出后，产生调制射频发射与接收的射频信号，RF_LO与IF_LO，然后在调制解调器内形成音频I/Q信号及发射频率信号。
3.7射频接收端性能指标
3.7.1接收灵敏度
收信机接收灵敏度是指收信机在满足一定的误码率性能条件下收信机收入段需输入的最小信号电平。
接收机在各种不同输入信号环境下的工作性能是由比特误码率来表示的。
接收误码率是指基站发送给手机一定电平的数据信号，手机接收这个数据信号后对它进行解调还原，然后再发送给基站，基站接收到解调后与原来的数据信号进行比较，两者之差即为误码。
图6锁相环电路
衡量接收机误码性能主要有帧删除率、残余误码比特率和误比特率三个参数。
当接收机中的误码检测功能指示一个帧中有错误时，该帧就被定义为删除。
由于信道误码率的随机性，因此对接收机误码率的测量常采用统计测量法。
即对每一信道采取多次抽样测量，在一定的抽样测量数目下，每个测量达到的误码率在一定的测试误码限制范围内，则认为该信道的误码率达到规定的误码率要求。
测量接收机的接受灵敏度是为了检验接收机射频电路，中频电路及解调，解码电路的性能。
提高接受灵敏度，也就是从本质上提高手机接收信号能力。
3.7.2接收信号指示电平
接收报告电平指手机在业务信道上不同功率级别是接受信号的强度。
其数值只表示某功率等级是接受信号强度值，可以比较和基站发出信号强度的区别。
检验手机的接受性能。
当接收器在移动时，由于传播途径衰耗的影响，手机接收下行链路的信号电平也将发生变化，基站将利用手机的RXLEV报告了解手机接收信号的强度。
如果报告显示TCH信道的RXLEV（信号接收功率）偏低，基站就会在相应时隙中加大功率进行补偿，如果临近小区的RXLEV比当前的RXLEV高，则预示着手机将切换到另一个信号较强的相邻小区，以便得到更好的通信质量。
如果手机汇报的RXLEV和RXQUAL不准确，则网络有可能会对手机发出一些错误的指令，过低的RXLEV指将产生不必要的越区域切换，而过高的RXLEV指将会推迟越区切换的时间，造成通话中断。
3.7.3接收信号指示质量
接收报告质量指手机在业务信道（TCH）上不同功率级别时接受信号的强度，它是由移动台产生的对接收信号质量的评价，在移动通信中作为射频功率控制和切换。
此值表明在当前接收信号强度下，产生的误码率的表示值，所以指示了信号质量。
4双音多频（DTMF）解码控制
4.1DTMF定义
DTMF（DualToneMulti-frequency）即双音多频，最先应用于拨号系统。
由高频群和低频群组成，高低频群各包含4个频率。
一个高频信号和一个低频信号叠加组成一个组合信号，代表一个数字。
DTMF信令有16个编码。
双音多频信号（DTMF），电话系统中电话机与交换机之间的一种用户信令，通常用于发送被叫号码。
双音多频的拨号键盘是4×4的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。
每按一个键就发送一个高频和低频的正弦信号组合，比如'1'相当于697和1209赫兹（Hz）。
交换机可以解码这些频率组合并确定所对应的按键。
而本设计所用到的只是多音双频的解码电路，不用全部的拨号键盘矩阵。
一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。
这两个音频信号的频率来自两组预分配的频率组：
行频组或列频组。
每一对这样的音频信号唯一表示一个数字或符号。
4×4键盘按键与高低频的组合频率如表1所示，例如'#'就是低频组的941Hz和高频组的1477Hz组合表示的。
可用下式表示，
式中两项分别表示低、高音群的值，Ab和Aa分别表示低音群和高音群的样值量化基线，而且两者幅值比为K=Ab/Aa（0.7同时规定，对应于表1中的标称频率在发送时，DTMF信号的频率偏差不应当超过1.5％，每位数字的信号极限时长应该大于40ms，而接收设备对2％的偏差应能可靠地接收，对30ms～40ms时长的信号可以正常地接收。
与单音编码不同,DTMF信号是采用8中取2的方式,从高低两个音组中各取一个音频复合而成来代表0-9十个号码和其他功能码,再加上这8个音频信号的各频率间不存在谐波关系,大大减少了虚假信号的干扰,因而DTMF信号工作可靠性特别是抗干扰能力很强。
表1频率组合关系图
fL
fH
1209
1336
1477
1633
679
1
2
3
A
770
4
5
6
B
852
7
8
9
C
941
*
0
#
D
4.2双音多频（DTMF）铃声
通过手机信号接通水泵开关上手机射频接收电路，使其铃声响起。
而铃声是专门制作的双音多频铃声,使用电信号直接录音，避免了一般录音中的失真和噪音干扰等问题。
然后送入HT9170解码芯片中进行解码后送入CC4028BCD-十进制译码芯片中，最后通过电磁继电器控制电路的通断。
4.3DTMF解码器
4.3.1解码器介绍
DTMF解码器在编码时将击键或数字信息转换成双音信号并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。
一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。
这两个音频信号的频率来自两组预分配的频率组：
行频组或列频组。
每一对这样的音频信号唯一表示一个数字或符号。
由于按照组合原理，一般应有8种不同的单音频信号。
因此可采用的频率也有8种，故称之为多频，又因它采用分别从高低频中任意抽出1种进行组合来进行编码，所以又称之为“8中取2”的编码技术。
根据CCITT的建议，国际上采用的多种频率为697Hz、770Hz、852Hz、941Hz、1209Hz、1336Hz、1477Hz和1633Hz等8种。
用这8种频率可形成16种不同的组合，从而代表16种不同的数字或功能键。
现在已经有了各种专用的DTMF发生与解调电路，功能上略有不同但原理上基本一致。
DTMF作为一种频分制电路用在遥控电路中具有电路简单、应用方便、性能可靠等优点。
DTMF信号接收器又称为DTMF解码器，它的功能是把DTMF信号变换为二进制数字信号，利用这些数字信号借助逻辑电路进行控制。
DTMF接收电路在接收到DTMF信号后进行双音频选频，再进行指令解调。
解调后将输出0~9以及#、*和A、B、C、D十六个状态的四位二进制数据。
HT9170是DTMF专用解码芯片，具有外围支持元件少、功耗低、工作可靠等优点。
4.3.2HT9170管脚功能及特点
HT9170系列是综合了数字解码器和多带滤波器功能的双音频（DTMF）接收器，HT9170系列的各种型号都是用数字化计算方法识别的。
把16倍的DTMF音频解码，并转化为4位代码输出，高精度的转换电容滤波器把音频（DTMF）信号分离为低频信号和高频信号，自带拨号音频阻波电路，可省略前置滤波器所需的阻波电路。
它具有工作电压低，静态工作电流小，外围电路简单，使用元件少且无需外部滤波等优点。
它可对接收到的16种DTMF信号进行检测和解码，从而形成代表不同数字的4位BCD码输出。
HT9170的引脚排列如图7所示。
图7HT9170引脚排列图
HT9170的工作原理：
工作时,HT9170将接收到的DTMF信号先经输入运算放大器放大送到前置滤波器（实际上是一个带阻滤波器），以滤除DTMF信号中350～400Hz的低频干扰和噪声，从而使输出信号基本上只包含高低两个频率。
该输出信号在分别经过低频群滤波器和高频群滤波器两个带通滤波器滤波后输出高低频两路正弦波信号，并经施密特电路整形后变为同频率的矩形脉冲。
而后，两路脉冲分别送入DTMF数字频率检测电路，再经编码检测电路及输出锁存器和缓冲器进行处理，从而将不同的DTMF输入信号转换成相应的4位BCD码数字信号输出.HT9170中的操作控制电路用来测量有效信号的持续时间，以确保有效信号。
EST端通常为低电平。
它通过外部RC电路的放电使能端RT/GT保持在低电平。
HT9170各管脚功能如表2所示。
表2各管脚功能表
管脚
符号
功能
1
VP
输入运放的正输入端
2
VN
输入运放的负输入端
3
GS
输入运放的输出端
4
VREF
参考电压输出端，其值为VDD/2
5
INH
当此端为高电平时，禁止对代表功能键A、B、C、D音频信号检测
6
PWDN
低电平有效。
此端可使芯片进入睡眠工作状态
7、8
X1、X2
3.58MHZ晶振连接端
9
VSS
负电源端
10
OE
数据输出使能端。
高电平有效
11~14
D0~D3
数据输出端。
当OE为高电平时输出为高阻状态
15
DV
数据输出端。
当OE为高电平时，输出为有效数据；当OE为低电平时，输出为高阻状态
16
EST
有效输出指示端。
当接收到有效DTMF信号并完成其解码时，此端为高电平，输出数据有效；否则为低电平
17
RT/GT
DTMF信号获得时间和释放时间调整端。
可通过外部RC电路对其进行调整
18
VDD
正电源端，电压范围2.5V--5.5V
HT9170部分解码功能如表3所示。
表3HT9170部分解码功能表
Digit
TOE
INH
EST
B
C
D
A
ANY
L
×
H
Z
Z
Z
Z
1
H
×
H
0
0
0
1
2
H
×
H
0
0
1
0
3
H
×
H
0
0
1
1
4
H
×
H
0
1
0
0
5
H
×
H
0
1
0
1
6
H
×
H
0
1
1
0
7
H
×
H
0
1
1
1
8
H
×
H
1
0
0
0
9
H
×
H
1
0
0
1
当检测到有效音频信号输入时，EST变成高电平，从而使RT/GT端通过RC电路对其充电。
当RT/GT端的电压从0上升到VTRT（电源为5V时，该电压为2.35V）时，输入信号有效，然后经编码检测器产生正确的编码信号输出。
当D0～D3输出信号被完全锁存时，DV端变成高电平。
当RT/GT端电压从VDD下降到VTRT时（即输入端没有输入信号），DV端变成低电平，此时D0～D3的数据将一直被保持，直到接收到下一个有效信号为止。
HT9170典型应用电路如图8所示。
图8HT9170典型应用电路
HT9170典型应用电路如图8所示。
电路具有工作电压低，静态工作电流小，外围电路简单，元件少等优点。
其中C1、C2均为20pF的电容，R1、R2为100K的电阻，R3为300K的电阻。
4.3.3CC4028管脚功能及特点
CC4028是BCD-十进制或二进制-八进制译码器，它由4个缓冲输入端口、译码逻辑门和10个缓冲器组成。
加至四个输入端口A~D的一个BCD码在十个十进制译码器输出十个相应的顺序脉
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