无线电源控制系统单片机期末课程设计.docx
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无线电源控制系统单片机期末课程设计
目录
第1节引言……………………………………………………………………………3
1.1无线遥控技术的相关理论………………………………………………………3
1.1.1业余无线电常识………………………………………………………3
1.1.1电磁波的传播方式……………………………………………………4
1.2无线遥控技术的典型应用……………………………………………………4
1.2.1基于FSK方式的无线电遥控方式……………………………………4
1.2.1基于ASK方式的计算机遥控装置……………………………………4
第2节系统主要硬件电路设计………………………………………………………5
2.1无线发射电路…………………………………………………………………5
2.1.1编码电路………………………………………………………………5
2.1.2无线发射模块…………………………………………………………5
2.1.3天线的设计……………………………………………………………6
2.2无线接收电路…………………………………………………………………6
2.2.1接收电路………………………………………………………………6
2.2.2无线接收电源电路……………………………………………………8
2.2.3双差分同步检波原理及电路分析……………………………………8
2.2.4解码电路………………………………………………………………9
2.2.5驱动电路………………………………………………………………10
第3节系统软件设计…………………………………………………………………11
3.1软件组成及结构………………………………………………………………11
3.1.1发射部分…………………………………………………………………11
3.1.2接收部分…………………………………………………………………11
3.2自定义编码的软件实现………………………………………………………13
3.3宽度固定的脉冲信号的识别…………………………………………………14
第4节结束语…………………………………………………………………………19
参考文献…………………………………………………………………………20
基于单片机的无线电源控制系统
第1节引言
在电子技术日益发展的今天，电源的控制从以前单一的有线开关控制方式，逐步转变到有线和无线等多种控制结合的方式。
尤其在多用户集中控制场合，如学生宿舍、只能小区、学校计算机房和实验室。
在这些场合，若采用有线开关集中控制每个用户的电源开关，在原材料和工程施工方面，将节约一大笔开支。
从工程的整体美观程度来讲，后者也优于前者。
无线电源控制系统的主要设计目标如下：
1.由教师机能可靠控制所有学生机的电源开关。
多个计算机机房能同时使用并不受干扰。
2.控制信号的传输方式为无线电波，工作频率在业余频段。
考虑到多个计算机机房同时使用时存在多个发射机，为避免同频干扰，必须选用不同的业余频率，如433.92MHz、315MHz、216MHz等。
3.考虑到一般计算机机房的大小在100平方米到300平方米之间，所以要求遥控距离大于50米。
4.为避免干扰其他用电设备，要求发射机的发射功率小于20mW。
5.接收机的灵敏度小于10uV。
6.为方便机房管理，在教师机处，开发一个机房IC卡管理系统，实现学生持卡上机和定时上机等功能。
7.同一机房所容纳的计算机台数最多要求达到200台。
同一学校的计算机机房个数最多要求能达到60个。
1.1无线遥控技术的相关理论
1.1.1业余无线电常识
本设计涉及电磁波的问题，全世界对无线电的管理是有相关法律的。
个人或企事业单位不能乱用。
对于无线电源控制系统，必须选用合适的业余频率，以便可靠地传输信号。
自马可尼成功地做了大西洋两岸无线信号的传送实验后，许多人和商业通信在使用长波和中波的同时开始各自随意地使用电磁波频率，信号混乱的问题随之产生了。
于是1912年制定了法律。
美国的业余无线电活动家只能使用当时还完全不能进行远距离传送的、频率为1.5MHz以上的电磁波频率。
后来的业余无线电活动家们经过长期反复实验的结果证明，使用短波即使功率小也能与很远的地方进行通信，不能忘记的是，正因为实验的成功才使业余无线电拥有那么多的业余频率。
第二次世界大战前，日本国的业余无线电受到了严格的限制，前辈们虽然受着今天的时代所无法想象的约束，却仍然坚持着业余无线电活动。
第二次世界大战爆发的同时业余无线电活动被禁止了。
1941年由于公布了“电波法”，日本的业余无线电按照国际准则颁发执照。
第二年，实行了无线电操作者的国家考试，首次产生了100多人的一级业余无线电技士和二级业余无线电技士。
1.1.2电磁波的传播方式
当电磁波从天线辐射出来，在地球空间中传播，根据不同的传播性质有3种可能的途径。
一是直射波，电磁波像光线一样直接传播到接收天线。
电磁波通过这种途径传播所受的衰减很小，传播很稳定，但由于地球本身是个球体，所以，这种方式传播距离有限，收发天线的高度越高，传输距离就越远。
电磁波的频率越高，越倾向于以直射波传播。
二是地面波，电磁波贴着地表面传播。
地面波传播只受地面电性能和地形的影响，因此，地面波传播最稳定可靠，受太阳、昼夜和四季等的变化影响很少。
电磁波的频率越低，越有沿地表面传播的倾向，当频率升高时，地面对电磁波的衰减会很大，传输距离很短，特别是在起伏大的地形中。
三是反射波，电磁波经过地面、地物和天空的电离层等反射后传播到接收天线。
对于业余无线电来说，最重要的是经过电离层反射的短波传输。
本系统要求传播距离较短，所以采用直射波传播。
当然，直射波也存在衍射和反射，使接收信号产生重叠干扰，在接收机中必须加以解决，具体方案后面将会详细讲述。
1.2无线遥控技术的典型应用
在介绍了无线电的相关理论后，下面介绍几个已有的典型实例。
1.2.1基于FSK方式的无线电遥控系统
FSK发射机。
主振级由晶体管VT1与电容C2、C3、C4、C5、变容二极管和电感L1组成西勒振荡器。
功放的工作状态为甲乙类，R8、R9给VT3提供偏压，其中L4与C10和天线为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。
1.2.2基于ASK方式的计算机遥控装置
发射电路。
遥控装置的发射电路主要采用单片机发射芯片MICRF102，它是Micrel产生的单片机UHFASK发射机，具有低功耗模式，数据传输速率可达20kb/s,是一个数据输入—无线输出的单片无线发射器件。
第2节系统主要硬件电路设计
2.1无线发射电路
本系统的发射电路包括编码电路、无线发射模块和天线，下面分别介绍其电路结构和工作原理。
2.1.1编码电路
由于本系统的码型是自定义的，采用已有的编码集成电路不能满足要求。
所以，本系统采用AT89C2051单片机组成编码电路，编码由软件实现。
如图2-1所示。
图2-1三极管代替MAX232电路图
在实际应用中，器件对电源噪声很敏感，连接时注意极性。
从计算机串行口输出的数据经三极管代替MAX232转换后送给单片机AT89C2051，单片机用软件将其转换成自定义编码由P3.5口输出，送给发射模块。
2.1.2无线发射模块
发射模块负责将单片机输出的数字信号调制到高频载波上。
如图2-2所示。
VCC发射天线
L1L2
C23T54T5C1
15pF
R1
DATAVT1SAWF
27KVT2
图2-2发射模块电路
2.1.3天线的设计
天线是无线点爱好者最常自制的器材之一。
本系统的发射机具有发射功率小和天线架设条件简陋等特点，更加要求合理地选用适当的天线已达到更好的通信效果。
天线，是电磁波的换能器件，用以发射和接收电波，通常的天线都采用1/4波长或1/2波长的振子长度单位。
天线的重要指标如下：
（1）辐射效率
天线的辐射效率就是辐射功率与输入功率之比，它与天线的损耗电阻、辐射电阻、工作波长等有关。
（2）特性阻抗
天线的特性阻抗与天线的形状、尺寸、工作波长、信号的馈入点、周围坏境的影响等多种因素有关。
（3）天线增益
通常表示天线的增益采用分贝（dB）表示，所用的比较基准不同，得出的天线增益值也有很大的不同，一般是以无方向天线的辐射场为基准。
2.2无线接收电路
无线接收电路由接收电路、电源电路、解码电路和驱动电路组成。
下面分别介绍其电路结构和相关原理。
2.2.1接收电路
接收电路主要由TDQ-3型的高频调谐器和由TA7680组成的中频放大、同步检波电路组成。
电路如图2-3所示。
IF
MB
AFT
BL
AGC
BH
BT
BU
TDQ-3C2
R5
220
L2R6C3
R41uH6800.1uF
5.6kC4
VT
DIP3R1R2R3
ANTL31001K27
C1
+12V100uH100uF0.56uHC4R7
R8220+12V
C5R10+12VC6
0.01uF
124
223
322
421
520
619
718
817
916
1015
1114
1213
C7+
R11
820k
+12VR12100
DATA
RP
5KC10
TA7680
图2-3接收电路
2.2.2无线接收电源电路
接收电路需要+30V、+12V和+5V三种电压。
电源电路采用线性稳压电源。
电源电路如图2-4所示。
VD5
LM317
+12V
IC1IC2
7812
R1
C4C5C6
C2
7805
0.1uF
C1R2
C3
+5VRP1VT
100K
C8
C7
RP2
1K
图2-4电源电路
二极管VD5起保护作用，在正常情况下也可不接。
VD5的作用是防止输入端短路时，C4的放电电流倒流入稳压器的输出端。
+12V的电压由7812稳定得到，+5V的电压由7805稳压得到。
RP1和RP2是用于调节调谐电压的电位器。
2.2.3双差分同步检波原理及电路分析
TA7680内部解调是采用双差分同步检波电路。
下面介绍一下同步检波原理和双差分同步检波电路。
（1）同步检波原理
将调幅信号us和参考信号ulo进行相乘运算，再由低通滤波器取出所需要的调制信号，即可实现同步检波。
同步检波电路也可以完成一般调幅信号的检波，但实现同步检波的关键是必须有一个频率、相位都与发射载波严格同步的参考信号。
（2）双差分同步检波电路
双差分同步检波电路，其电路如图2-5所示。
5V5
BV6
6
A
V1
VT1VT2VT3VT4
V2
ic5ic6
V3VT5VT6
V4
I0
图2-5同步检波原理图
在信号整个周期中，不管在正、负半周期都会在输出端5、6脚分别检出两种极性的电压，其幅度随输入中频信号的幅度变化。
在A点就检出中频信号的负半周期的包络，在B点检出中频信号正半周的包络。
检波输出的半波中频信号，经低通滤波器，就可得到两种极性的信号。
2.2.4解码电路
解码电路如图2-6所示。
由TA7680解调出的数字信号，经过IC1和IC2整形，送给单片机AT89C2051。
IC1是采用集成运算放大器LM741。
这里，我们把它连接成电压比较器，由于LM741的带宽较窄，所以，它同时可以起到低通滤波的作用，即频率较高的高频干扰信号是不能通过电压比较器的。
IC2是一个电压比较器。
+5V
IC3
AT89C2051
+
——
R1R10C1100uF
DATAIC1
+
LM741
RSTVCC
P3.0P1.7
P3.1P1.6
X2P1.5
X1P1.4
P3.2P1.3
P3.3P1.2
P3.4P1.1
P3.5P1.0
GNDP3.7
C2R3
R410K
+
——
R5
IC2
R6
LM393
R7
C4
X1DIP8
12MHz
C5
R8
R910k
图2-6解码电路图
2.2.5驱动电路
无论采用零压型或调相型SSR固态继电器，其驱动电路相同，如图所示。
z
+
_SSR
+5VR3
输出
R1
输入VT1
9013
5.1k
R25.1K
图2-7驱动电路
第3节系统的软件设计
3.1软件组成及结构
3.1.1发射部分
发射部分的主要功能是接收计算机的串行数据，将其转换为自定义编码信号，从发射模块发射出去，另外，还要负责给看门狗加喂狗信号，程序流程图如图3-1所示。
开始
喂看门狗
系统初始化
教师机是否有数据发送
N
教师机是否有数据发送
N
数据编码
发射数据
图3-1发射部分程序流程图
3.1.2接收部分
接收部分的主要功能是接收自定义编码信号，判断是否为本机地址，然后控制固态继电器动作，程序流程图如图3-2所示。
开始
系统初始化
判断是否有数据接收
N
Y
接收数据是否成功
N
Y
判断地址位是否相同
N
Y
功能码是否为开机
N
关电源
Y
开电源
图3-2接收部分程序流程图
3.2自定义编码的软件实现
自定义编码的软件主要以延时程序实现，图3-3所示为其程序流程图
开始
返回
调用200us延时子程序
调用400us延时子程序
输出口置0
输出口置1
图3-3延时程序流程图
程序源代码：
CJNEA,#10B,NEXTDATA;判断是否为10B
CLRDATAOUT;数据输出口置0
ACALLDELAY400US;延时400us
SETBDATAOUT;数据输出口置1
ACALLDELAY200US;延时200us
RET;返回
；200us延时子程序
DELAY200US:
MOVR2,#9
DELAY200US1:
MOVR3,#9
DELAY200US2:
DJNZ03H,DELAY200US2
DJNZ02H,DELAY200US1
NOP
NOP
NOP
NOP
RET
；400us延时子程序
DELAY400US:
MOVR4,#10
DELAY400US1:
MOVR5,#18
DELAY400US2:
DJNZ05H,DELAY400US2
DJNZ04H,DELAY400US1
NOP
NOP
NOP
RET
3.3宽度固定的脉冲信号的识别
本系统属于远程数据传输。
所传输的数据格式是自定义的。
详细的编码格式前已述及。
这样，所接收的数据不一定符合单片机串行通信的需要。
这表现在两个方面：
一是电气特性有差异，这通过电平转换等硬件电路可以很好地匹配；二是数据格式不符合计算机通信的需要。
主要表现在：
外设信号每帧位数超过或少于单片机通信最高或最低位数的限制；传输速率与单片机不匹配；帧格式与单片机不同等。
在第一个问题解决后，外设发来的数据经过变换后与单片机I/O口可直接相连。
但第二个问题不能用单片机现成通信口直接编程来解决。
外设来的串行数据为非标准的，我们只能把它当成脉冲信号经I/O口输入来识别。
对于本系统的码型，我们用一段时间的高电平加一段时间的低电平来表示两个二进制位。
对于此类信号的识别，最直接的方法是严格按照高低电平的维持时间长短来定时检测。
但其中仍然有一个问题，即接收不可靠。
原因是由于串行数据的发送方和接收方的时钟存在误差，所以发送的脉冲与规定有误差，接收端的定时也有误差，另外数据在远程传输过程中会产生相移等失真，同样会产生误差。
鉴于此，编写识别程序时，要允许有一定大小的误差。
如200us，可以为140us到260us均为正确。
图3-4所示为检测二进制10B的程序流程图。
开始
定时器初始化
判断定时器是否超时
判断接收端是否为0
N
NY
Y
清定时器
高电平宽度是否大于340us
N
高电平宽度是否小于460us
Y
N
Y
接收缓冲区高位置1
判断定时器是否超时
判断接收端是否为1
N
NY
Y
低电平宽度是否大于140us
N
低电平宽度是否小于260us
Y
N
Y
接收缓冲区低位置0
返回
图3-4检测二进制数10程序流程图
程序源代码如下：
；伪指令
PDATAEQU0B2H；p3.2接收端口
COUNTHEQU30H
COUNTLEQU31H
N200HHEQU00H;240US
N200HLEQU0f0H
N200LHEQU00H;160US
N200LLEQU0A0H
N400HHEQU01H;440US
N400HLEQU0B8H
N400LHEQU01H;360US
N400LLEQU68H
N600HHEQU02H;640US
N600HLEQU80H
N600LHEQU02H;560US
N600LLEQU30H
ORG0000H
AJMPMAIN
；定时器中断服务程序
；当定时溢出时，执行此定时器中断服务程序。
ORG000BH
NOP
NOP
CLRTR0；关定时
MOVA,SP；出现定时中断
NOP
CLRC
SUBBA,#2
MOVSP,A；堆栈指针更新
MOVDPTR,#START
PUSHDPL
PUSHDPH；重填堆栈
RETI；返回START
；主程序
ORG0040H
MAIN:
：
NOP
NOP
MOVSP,#50H;设置堆栈指针
MOVTMOD,#01H;定时器初始化
SETBEA;开中断
SETBET0；开定时器中断0
；接收程序
START：
NOP
NOP
JNBPDATA,START
MOVTH0,#00H
MOVTL0,#00H
SETBTR0；出现高电平，开始计数。
WAIT1:
JBPDATA,WAIT1
CLRTR0;出现低电平，重新计数。
MOVCOUNTH,TH0
MOVCOUNTL,TL0
MOVTH0,#00H
MOVTL0,#00H
SETBTR0
MOVA,#N400HL
CLRC
SUBBA,COUNT
MOVA,#N400HH
SUBBA,COUNTH
JCADDERRE6;高电平宽度大于400us，错误，返回
MOVA,COUNTL
CLRC
SUBBA,#N400LL
MOVA,COUNTH
SUBBA,#N400LH
JCADDRESS61
SETBADDIBIT6;电平宽度为400us，addibit6=1
SJMPADDRESS5
ADDRESS61:
MOVA,#N200HL
CLRC
SUBBA,COUNTL
MOVA,#200HH
SUBBA,COUNTH
JCADDERRE6;高电平宽度大于200us,小于400us，错误，返回
MOVA,COUNTL
CLRC
SUBBA,#N200LL
MOVA,COUNTH
SUBBA,#N200LH
JCADDERRE6:
高电平宽度小于200us，错误，返回
CLRADDIBIT6:
电平宽度为200us,addibit6=0
SJMPADDRESS5
ADDERRE6:
AJMPSTART
结束语
通过这次单片机的无线电源控制系统，让我知道了一些单片机的应用原理及相关的知识，也提高了单片机的硬件与编程，不过还是有所欠缺的，不懂的地方还是很多，只能参看书上的一下例子，
这次的单片机应用系统对于我们计算机专业来说有点难，写这个课程设计报告花了相当长的时间，几乎所有的图跟文字都是自己画上去、打上去的，以及排版修改等，特别是画图，有一定的难度，有些细节的地方是在是画不出来只好作罢。
本系统采用的是AT89C2051单片机为核心，完成系统无线的发射和接收功能，主主要的特点是无线，即可进行电源的控制，使用也比较方便，不足之处就是成本相对于有线来说比较高，而且电路设计复杂，编程更复杂，不过无线的出现取代有线的还是具有划时代的意义，毕竟社会在进步，产品也会进步，技术更加的会进步。
我们要不断的创新，创造出以前没有的东西留给后人使用。
参考文献
[1]彭为黄科雷道中单片机典型系统设计实例精讲电子工业出版社，2006
[2]张鑫单片机原理及应用电子工业出版社，2008
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