无线电家电遥控系统的设计.docx
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无线电家电遥控系统的设计
无线电家电遥控系统的设计
摘要
本系统主要应用了无线遥控发射及接收原理，控制开关的闭合。
无线电波遥控是使用无线电作为载体来传送遥控命令的，即有较强的辐射能力。
使用无线电波频率传送命令与红外或超声遥控相比，具有无方向性，可以向四周辐射，能穿墙壁和障碍物，遥控距离远等特点。
应用单片机对开关进行定时关的控制。
具有显示开关用时时间的功能，包括年、月、日、时、分、秒及星期，可以通过按钮来调整时间并设置开关关断时间。
它具有使用方便快捷、安全等优点。
本系统实现了通过弱电来控制强电，避免了人与强电的直接接触而达到安全用电的效果。
关键词:
遥控器，继电器,单片机
RadioRemoteControlHomeAppliancesDesign
Abstract
Applicationofthissystemismainlyawirelessremotelaunchandreceiveprinciple,controltheswitchclosure.Radioremotecontrolusetheradioasavectortosendremotecommands,thatis,haveastrongerabilitytoradiate.Useofradiofrequencywavesandsendanorderultrasoundorinfraredremotecontrolcomparedwithnon-directional,tothesurroundingradiation,canwearthewallsandbarriers,remotecontroldistanceandsoon.
ApplicationofSCMtoswitchtoregularcustomscontrol.Showthatswitchingtoatimewhenthefunctions,includingtheyear,month,day,hours,minutesandsecondsandweeks,youcanbuttontoadjustthetimeandsettheswitchoff-time.Itiseasytousefast,andsecurityadvantages.Thissystemachievedthroughstrong,weaktocontrol,preventpeoplewithstrong,directcontactstoachievethesecurityofelectricityresults.
Keywords:
Remotecontrol,relays,SCM
1前言
1.1无线遥控及定时控制
无线遥控，即是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的信号，通过无线传输，在受控端经解码等处理形成相应的控制操作。
无线控制方式多种多样，可以根据不同的应用需要采用适宜的方式。
各种遥控方式的不同，主要在于信息的编码处理方式和信息的传输方式。
所传信息的形式以及信息量的大小决定采用何种信息编码和处理方式，而信息传送的距离决定采用何种传输方式。
在编码方式上，目前在简单信息的遥控中常采用的是PCM方式和DTMF方式。
这两种方式均具有实现简单、可靠性高的优点。
对于复杂以及大量信息的遥控，可以采用相应的信号处理方式，经过适当的信源信道编码以及数字调制等处理来生成易于传输的信号。
对于这些编码处理方式，可以根据系统功能需要进行灵活选择。
在传输方式上，对于近距离遥控，可以采用基带传输。
对于远距离遥控，需要选择适当的调制方式，进行频带传输。
目前常用的调制方式有幅度调制，频率调制和相位调制三种。
对于不同形式的基带信号，又可以分为模拟调制和数字调制。
对于各种调制方式的选择，可以根据基带信号的形式，传输的带宽限制等因素决定。
对于无线遥控技术，当前基本上通过以下几种方式实现：
红外线遥控方式，无线电遥控方式，超声波遥控方式和声音遥控方式。
红外技术出现比较早，成本低，价格也具有优势。
红外遥控具有以下优点：
控制内容多，抗干扰能力比较强，不会发生任何误动作；响应速度快，不会对其他电器产生干扰从而影响用户使用；体积小，成本低，功耗小，与其他方式比可以降低功耗90%。
但是他的缺点也很明显，在使用中需要保证遥控发射器和遥控接收设备处与一定的角度范围，中间不能有任何物品，否则就会阻挡红外线的传输，因为红外线不能穿越砖瓦水泥砌筑的墙体，这在日常使用中经常会造成不便，毕竟用户不希望只能在一定的角度范围内才能对对象进行操作，之外红外线方式也容易受到外界干扰。
超声波遥控方式中的超声传感器频带窄，能携带的信息量少，易于受干扰而引起误动作，同时该种方式作用距离短，通用性强可以互换因而不适合在灯具遥控中运用。
声音遥控方式通用性强，作用距离短，声音携带的信息量少，易受干扰而引起误动，它适合于像声控电灯开关的场合。
无线电作为新一代的信息传送方式，具有绕射和穿透特性，只要在有效工作范围之内，无线设备就可以不受角度，方向和障碍物的限制而自由使用。
并且采用特定的编码解码技术可以防止无线电波的互相干扰，抗干扰能力强。
了防止无线电波遥控装置发射的无线电频率对其他无线电装置（如收音机、电视机等）造成干扰，无线电管理委员会专门划拨出一些频率供无线电业余爱好者使用。
常用的业余频率范围27~38MHZ、40~48.5MHZ、72~74.5MHZ等。
因此在设计我们的无线电装置的时候，也应该把它的发射频率控制在这些频率范围内，以免影响广播、通信部门的正常工作。
表1.1无线电波段的划分和主要用途
符号
频率
波段
波长
传播特性
主要用途
VLF
3-30KHz
超长波
1KKm-100Km
空间波为主
海岸潜艇通信；远距离通信；超远距离导航
LF
30-300KHz
长波
10Km-1Km
地波为主
越洋通信；中距离通信；地下岩层通信；远距离导航
MF
0.3-3MHz
中波
1Km-100m
地波与天波
船用通信；业余无线电通信；移动通信；中距离导航
HF
3-30MHz
短波
100m-10m
天波与地波
远距离短波通信；国际定点通信
VHF
30-300MHz
米波
10m-1m
空间波
电离层散射（30-60MHz）；流星余迹通信；
UHF
0.3-3GHz
分米波
1m-0.1m
空间波
小容量微波中继通信；（352-420MHz）
SHF
3-30GHz
厘米波
10cm-1cm
空间波
大容量微波中继通信（3600-4200MHz）
EHF
30-300GHz
毫米波
10mm-1mm
空间波
再入大气层时的通信；波导通信
在定时控制上，单片机选用AT89S51，应用1602LCD液晶显示屏显示时间，应用单片机的定时中断功能进行定时控制，当定时时间到时控制继电器闭合。
1.2课题研究的意义
无线电遥控技术发展只有几十年的历史：
本世纪20年代，才刚刚出现无线电遥控的雏形。
那时，人们试图将遥控技术应用于无人驾驶飞机和舰船上，但由于技术不够完善而未能成功。
二次世界大战以后，无线电遥控技术发展迅速，并逐渐在军事、国防、工农业生产以及科学技术等方面得到广泛的应用。
到现今，随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使得遥控技术有了日新月异的发展。
遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。
近年来，遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。
在无线遥控领域，目前常用的遥控方式主要有超声波遥控、红外线遥控、无线电遥控等。
由于无线电波是由发射点向四面八方传播，可以穿过阻挡物，而且可以传播到很远的距离，因此它的控制可以在很大区域和空间内实现，成为遥控的主要方式，在国防、军事、生产、建设和日常生活中有极广泛的应用。
为此，在前人研究的基础上设计出了一种集成芯片无线电遥控多通道开关系统的设计方法。
研究表明，采用该方法设计的遥控开关系统控制方便，适用于含有较多受控电器的场合，可实现多路多功能控制。
定时控制装置其实用到的就是弱电控制强电的原理，通过小小的一对1.5V电池便可以控制220V的电压，起到安全隔离的效果，让我们避免直接和强电打叫道，达到沟通无需接触的效果，让你用电更安全、更方便。
1.3任务的提出
开关，在我们的日常生活中无所不在。
一个性能优越、使用方便的开关会给我们的生活带来很多的方便。
随着人们生活水平的提高，对开关的要求也越来越高，特别是在安全性能，远程遥控的方面也有了进一步的要求。
无线遥控在抗干扰上也可以很好的使用，一个开关只接受一个遥控器的控制，抗干扰能力好。
为此设计遥控距离30米以内的遥控器，对于一个家庭来讲是够用了，定时时间精确到秒，让你的电一秒也不浪费。
显示时间具体可当万年历来使用，并可以报时功能，可以当闹钟使用。
这个装置还可以利用弱电控制强电的原理，通过小小的一对1.5V电池便可以控制220V的电压，起到安全隔离的效果，让我们避免直接和强电打叫道，达到沟通无需接触的效果，让你用电更安全、更方便。
许多时候由于忘记把电源开关关掉而导致了以外的发生。
遥控开关系统的使用大大的方便了人们的生活、也就减少了由于忘记把电源开关关掉而导致了以外的发生。
无线遥控器具有穿透能强、遥控距离远、无方向性、制造简单等优点，因此无线遥控开关被广泛的使用。
让这个系统有一特定的接收和发送频率，不同遥控器不会互相干扰，停电时处于关闭状态，并有手动和遥控两个功能，用电器不必拔下，因而能对某些带遥控而不切段电源的高档电器起到保护作用。
使用在220v交流电，可长时间通电。
为此对这个遥控定时系统的设计提出以下的基本要求。
基本要求:
（1）遥控电路的发射频率为28MHz.（业余频段）。
（2）发射距离为30m左右，主要是在家庭内遥控家用电器开关。
（3）发射器电源电压要求在9V以下。
（4）遥控接收器要求能够较准确地接收28MHz的载频信号，并解调出控制信号控制开关动作。
（5）遥控接收器的电源要求利用220V交流电源供电，设计出一个简易稳压源为其供电。
（6）整个遥控电路尽量简单可行。
2无线遥控发射接收系统设计
2.1无线遥控发射接收系统的构成
总体结构
整个遥控系统由发射系统和接收控制系统两部分组成，而被控对象（继电器）直接连接在接收单元上，如下：
图2.1系统总体框图
遥控系统的工作原理是首先通过按键编址电路输入所需控制电路的位号，同时启动编码电路产生带有地址编码信息和开关状态信息的编码脉冲信号，再通过无线电发射电路将该信号发射出去。
而无线电接收电路将接收到的编码脉冲信号通过解码电路进行编码地址确认，确认是否为本遥控开关系统地址。
如果是则执行指令，受控系统工作。
如果不是，则被控对象无任何动作。
2.2方案论证与比较
系统的设计需要由两部分组成：
一是无线信号传输部分，二是控制部分。
下面分别从这两个方面阐述方案的设计思想。
2.2.1无线信号的传输部分
（1）调制方式的选择
根据要求，对象是四个继电器，用继电器的开启和关闭，被控状态采用二进制编码。
由于数字信号具有丰富的低频成分，不宜进行无线传输，因而需要将基带信号进行高频正弦调制，即数字调制。
基本的数字调制有三种：
即振幅键控（ASK），频率键控（FSK）和相位键控方式（PSK）。
目前用的最多的数字调制方式是相干2DPSK和非相干FSK。
相干2DPSK主要用于高速数据传输，而非相干FSK则用于中低速数据传输中。
为了提高抗干扰的能力，同时实现方法比较简单，载波传输采用FSK调制方式。
（2）发射机主振电路型式的选择
主振可以采用晶体振荡或LC振荡。
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，在这种情况下难以获得足够的频偏。
若采用专用的调频晶体，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，既可以获得比较大的频偏，又可以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。
假设天线特性阻抗75Ω，则在匹配良好条件下天线上的电压峰—峰值要小于3.5ν。
一般西勒振荡器输出电压峰—峰值为1V是可以实现的，所以用一级功率放大器应该能满足要求。
考虑到前后级影响的问题，在振荡器与功率放大器之间加入一级射随器，起隔离和激励的作用。
鉴于输出功率低，兼顾效益，功放管工作状态选为甲乙类。
（4）接收机解调器
通过查阅资料，选择了摩托罗拉的集成窄带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。
2.2.2控制部分
控制对象是四个继电器，它们只有两种开关状态：
开启和关闭。
因此将其用数字信号来表示是合理的。
四个按键开关对应四种控制状态。
文中采用四位二进制码表示各种控制状态。
为了方便码元的传输，需要对码元进行在编码（一是进行并串转换，二是加入一定冗余信息提高可靠性）然后再接收端进行解码。
经过查阅资料，MC145026和MC145027是专门设计用于遥控电路中的编码解码器。
MC145026可以接收四位并行数据，在编码后串行输出，在每一个编码周期中，发送两次数据，以提高可靠性。
MC145027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MC145026和MC145027可以满足控制信号的编码与解码。
2.3无线遥控发射接收系统电路的设计和计算
2.3.1模拟部分
（1）调频发射机（图2.2上半部分）
发射系统主要由按键编址电路、编码电路、无线电发射电路组成。
发射系统的电路原理图见图2.2。
图2.2遥控发射机电路图
主振级由晶体管BG1与电容C2，C3，C4，C5，变容二级管和电感L1组成西勒振荡器。
振荡信号由C7弱耦合至射随器，然后送至功率放大器。
功放的工作状态为甲乙类，R8，R9给BG3提供偏压，输出匹配网络采用简单的Γ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，以使得输出功率最大。
调频采用变容二极管电路。
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，所以对调制线性度要求不高。
因此本设计采用变容二极管部分接入以及对变容二极管不外加偏压的电路结构，电路如图2.3所示。
图2.3变容二极管的结电容
Cj为变容二极管的结电容，可以求得Cj对主振电路的接入系数为
P=C5/（C5+Cj）
若调制信号引起的结电容变化为△C，则引入主振回路的电容变化量为P·P·△C，可以求得由于此引起的振荡频率的变化为
△Fg≈-P·P·△C·Fg/2CΣ
式子中CΣ≈C5·Cj/（C5+Cj）+C4为主振回路的总电容。
负号表示△C与△Fg的变化相反。
本设计中，C5=3pF，Cj=21pF，可得p<<1，即变容二极管参量的变化对振荡频率影响比较小，频率稳定度大大提高。
由此引入的问题是如何才能得到足够的频偏，也就是如何使变容二极管的结电容变化比较大。
解决的办法是对变容二极管不加反向偏压。
变容二极管是根据普通二极管内部"PN结”的结电容能随外加反向电压的变化而变化这一原理专门设计出来的一种特殊二极管。
二极管的PN结具有结电容，当加反向电压时，阻挡层加厚，结电容减小，所以改变反向电压的大小可以改变PN结的结电容大小，这样二极管就可以作为可变电容器用。
如图2.4所示：
图2.4变容二极管结电容变化
在不外加反偏压时可以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的频率漂移，同时简化了电路。
（1）接收机电路如图2.5、图2.6所示：
如图所示，接收机的模拟部分可以分为三大模块：
①高频放大电路采用典型电路。
影响接收机灵敏度的主要因素是噪声，表现为信噪比。
信噪比越大，表明接收电路的噪声越小，对灵敏度影响越小。
为了提高接收机的灵敏度，使用了低噪声的三极管2SC763。
②鉴频电路采用MC3361。
本振为8MHz，。
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MOTOROLALECOMMUNICATIONSDEVICEDATA一书中所给出的MC3361的典型电路，省略了静噪部分。
③比较电路。
码型在传输过程中可能出现畸变，所以应该通过比较电路使得信号恢复成只有高低电平的数字信号。
这样，提高了接收机的抗干扰能力，并且与后级数字电路匹配。
图2.5接收机模拟部分电路图
图2.6接收机解码部分电路图
2.3.2数字系统部分
（1）编码部分
如图2.2下半部分所示，控制开关为四个。
四个按键开关对应四种控制状态。
利用MC145026和MC145027对控制信号进行编码和解码，以利于码元在无线信道中传输。
MC145026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MC145026有九位输入端，其中五位是地址码并且是设定的，即接高电平。
另四位为数据输入端。
假如MC145026的地址码是变化的，则可以用一片MC145026控制多片MC145027。
（2）解码部分
如图2.6所示，在接收端用一片MC145027对解调后的信号进行解码。
而作为被控对象的继电器接连接在MC145027的数据输出管脚。
相应的MC145027也有5位地址码，只有与MC145026地址码相同的MC145027才会有解码输出。
这样，就可以用一片MC145026对应得控制一片MC145027。
3定时控制系统的设计
3.1定时控制系统的框架图
图中IN1为遥控接收电路，用于控制继电器K1，单遥控按钮打开时，继电器K1闭合，若定时未到RL（表示用到负载）得电，IN2为定时控制电路，当定时时间到时，继电器K2打开，RL断电。
在所有过程中，定时时间未到或关闭与遥控键打开时，开关打开。
定时时间到或遥控键关闭，开关闭合。
图3.1定时控制系统的框架图
3.2定时控制系统电路的设计
本系统的单片机控制电路如图3.2所示，液晶显示LCD1602的DO~D7接单片机的P1脚，用于数据的传输。
RS、R/W、E控制脚接单片机的P3.6、P3.5、P3.4脚，用于控制LCD的读、写功能等。
单定时到时，P2.3由低电平变成高电平，光电偶合器（或5V继电器）导通，继电器J12得电，继电器常闭开关打开，从而切断电源。
按钮K1用于功能选择，每按一次在显示时间、显示时间的设定、定时时间的设定之间转换。
K2为加值键，K3为减值键。
图3.2单片机外围电路
3.3继电器驱动动电路
继电器就是电子机械开关，它是用漆包铜线在一个圆铁芯上绕几百圈至几千圈，当线圈中流过电流时，圆铁芯产生了磁场，把圆铁芯上边的带有接触片的铁板吸住，使之断开第一个触点而接通第二个开关触点。
当线圈断电时，铁芯失去磁性，由于接触铜片的弹性作用，使铁板离开铁芯，恢复与第一个触点的接通。
因此，可以用很小的电流去控制其他电路的开关。
整个继电器由塑料或有机玻璃防尘罩保护着，有的还是全密封的，以防触电氧化。
当控制电路中的开关闭合时，电磁铁便具有磁性，将衔铁吸下，使继电器触点接触，与触点相连接的电源电路便接通；当控制开关断开时，电磁铁的磁性被撤消，继电器触点弹开，电源电路亦随之断开。
如图3.3，三极管8550的基极B接到单片机的P2.4，三极管的发射极E接到继电器线圈的一端，线圈的另一端接到＋5V电源VCC上；继电器线圈两端并接一个二极管IN4148，用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势，防止反向电势击穿三极管T5及干扰其他电路。
当AT89S51单片机的P2.4引脚输出低电平时，三极管8550饱和导通，＋5V电源加到继电器线圈两端，继电器吸合，继电器的常开触点闭合，相当于开关闭合。
当AT89S51单片机的P2.4引脚输出高电平时，三极管8550截止，继电器线圈两端没有电位差，继电器衔铁释放，继电器的常开触点释放，相当于开关断开。
注：
在三极管截止的瞬间，由于线圈中的电流不能突变为零，继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势，线圈产生的感应电动势则可以通过二极管IN4148释放，从而保护了三极管免被击穿，也消除了感应电动势对其他电路的干扰，这就是二极管D1的保护作用。
图3.3继电器驱动电路
4软件设计
4.1编程内容和思路
在本系统中，单片机主要要完成的任务是
（1）时间的显示，包括年、月、日、星期和时、分、秒。
其中年份为2000-2099年。
可用定时中断来实现。
（2）显示时间的调整和定时时间是设置，显示用LCD1602来实现。
LCD1602液晶显示模块指令集
（1）清屏
表4.1
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00000001
运行时间（250Khz）:
1.64ms;
功能：
清DDRAM和AC值。
（2）归位
表4.2
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
0000001*
运行时间（250Khz）:
1.64ms;
功能：
AC=0，光标、画面回HOME位。
（3）输入方式设置
表4.3
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
000001I/DS
运行时间（250Khz）:
40us;
功能：
设置光标、画面移动方式。
（4）显示开关控制
表4.4
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
00001DCB
运行时间（250Khz）：
40us;
功能：
设置显示、光标及闪烁开、关。
（5）光标、画面位移
表4.5
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
0001S/CR/L**
运行时间（250Khz）：
40us;
功能：
光标、画面移动，不影响DDRAM。
（6）功能设置
表4.6
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
001DLNF**
运行时间（250Khz）：
40us;
功能：
工作方式设置（初始化指令）。
（7）CGRAM地址设置
表4.7
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
01A5A4A3A2A1A0
运行时间（250Khz）：
40us;
功能：
设置CGRAM地址。
A5~A0=0~3FH。
（8）DDRAM地址设置
表4.8
RSR/W
DB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0
00
1A6A5A4A3A2A1A
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