莫爾斯密碼鎖設(shè)計(jì)報(bào)告

1、紅外莫爾斯密碼鎖摘要：本設(shè)計(jì)給出了以MSP430為核心的紅外莫爾斯密碼鎖的實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)由兩部分組成：紅外發(fā)射部分、接收部分；由MSP430控制實(shí)現(xiàn)控制與顯示功能。將ASK調(diào)制后的信號送至紅外發(fā)送管，接收后的信號經(jīng)放大、比較后若與預(yù)先設(shè)定的密碼相對比，若一致，則綠燈亮，開鎖；否則紅燈亮，密碼鎖處于鎖定狀態(tài)。關(guān)鍵字：MSP430G2553、莫爾斯碼、ASK調(diào)制所在單位：浙江工商大學(xué)信電學(xué)院組長：組員：指導(dǎo)老師：日期：2012/6/18目 錄一、方案論證2第一部分：發(fā)射2題目要求分析：21、ASK載波產(chǎn)生方案論證32、ASK調(diào)制方案論證33、信號放大方案論證3第二部分：接收4題目要求分析：4二、

2、理論分析與計(jì)算41、ASK載波產(chǎn)生分析42、ASK基波產(chǎn)生分析43、ASK調(diào)制分析53、通信協(xié)議5三、電路與程序設(shè)計(jì)6（一）電路設(shè)計(jì)61、系統(tǒng)組成與原理框圖62、各功能電路設(shè)計(jì)6（1）自制電源電路6（2）調(diào)制電路7（3）紅外發(fā)射電路7（4）鎖狀態(tài)電路8（二）程序設(shè)計(jì)81、相關(guān)算法82、程序設(shè)計(jì)流程圖：9四、系統(tǒng)測試與結(jié)果分析111、測試使用的儀器設(shè)備112、測試方法及測試數(shù)據(jù)113、測試結(jié)果分析12參考文獻(xiàn)12附錄13一、方案論證第一部分：發(fā)射題目要求分析：發(fā)射端通過莫爾斯碼輸入兩位十進(jìn)制數(shù)字密碼，調(diào)制輸出。根據(jù)題目要求需要自制ASK調(diào)制的載波信號，即載波頻率為40khz的正弦波。所以，發(fā)射部

3、分的重點(diǎn)除了編碼外，就是ASK調(diào)制。同時(shí)為了使得發(fā)射距離更大，可以通過放大電路來提供更高的發(fā)射功率。1、ASK載波產(chǎn)生方案論證方案一：以運(yùn)放HA17741為核心，采用RC橋式正弦波振蕩器，通過反饋網(wǎng)絡(luò)與選頻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合來產(chǎn)生40KHZ的正弦波。方案二：采用電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，通過電容與電感組成的選頻網(wǎng)絡(luò)來產(chǎn)生40KHZ的正弦波。方案三：利用MPS430G2553的PWM功能模塊，進(jìn)行脈寬調(diào)制，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變，這樣能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，將產(chǎn)生40khz的方

4、波通過低通濾波器的濾波，產(chǎn)生ASK載波。2、ASK調(diào)制方案論證方案一：采用乘法器實(shí)現(xiàn)ASK調(diào)制，讓載波與莫爾斯碼產(chǎn)生的方波做乘法方案二：采用雙向模擬開關(guān)CD4066. CD4066具有比較低的導(dǎo)通阻抗,且導(dǎo)通阻抗在整個(gè)輸入信號范圍內(nèi)基本不變。它能消除開關(guān)晶體管閾值電壓隨輸入信號的變化，因此在整個(gè)工作信號范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較低。與單通道開關(guān)相比，具有輸入信號峰值電壓范圍等于電源電壓以及在輸入信號范圍內(nèi)導(dǎo)通阻抗比較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮，基于模擬開關(guān)的實(shí)用性，以及調(diào)制產(chǎn)生結(jié)果的可靠性，選擇方案二。3、信號放大方案論證方案一：通過三極管對信號進(jìn)行放大。三極管的放大作用就是：集電極電流受基極電流的控制（假

5、設(shè)電源能夠提供給集電極足夠大的電流的話），并且基極電流很小的變化，會引起集電極電流很大的變化，且變化滿足一定的比例關(guān)系。如果集電極電流Ic是流過一個(gè)電阻R的，那么這電阻上電壓就會發(fā)生很大的變化。但是，實(shí)際上三極管對信號的放大作用很不明顯，甚至還使波形發(fā)生畸變。方案二：通過運(yùn)放HA17741與電容、電阻的組合成的反饋電路來實(shí)現(xiàn)對信號的放大。此電路較簡單，能很好的實(shí)現(xiàn)對信號的放大，且放大后得到的波形也比較漂亮。只是在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)非常注意運(yùn)放的型號的選擇，必須清楚其參數(shù)（壓擺率、電源等問題），不然可能會導(dǎo)致增益提不上去，無法達(dá)到放大的作用。同時(shí)，過高的電壓增益不但會使放大電路的通帶下降，也容易感應(yīng)高

6、頻噪聲或產(chǎn)生自激振蕩。綜合考慮，基于對目標(biāo)更好地實(shí)現(xiàn)，選擇方案二。第二部分：接收題目要求分析：接收端接收紅外信號后解調(diào)，若與所設(shè)密碼一致，則綠色指示燈亮表示處于解鎖狀態(tài)，否則，紅色指示燈亮表示處于鎖鎖定狀態(tài)。根據(jù)題目要求，接收部分的重點(diǎn)在于解調(diào)。另外，接收端的狀態(tài)表示也是需實(shí)現(xiàn)的一部分。二、理論分析與計(jì)算1、ASK載波產(chǎn)生分析產(chǎn)生ASK載波的核心之一是脈沖寬度調(diào)制（PWM），它是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。由于PWM信號仍然是數(shù)字的，因此電壓或電流源是以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模

7、擬負(fù)載上。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。由于PWM是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。因此其讓信號保持為數(shù)字形式，同時(shí)可提高對噪聲的抵抗能力，將噪聲影響降到最小。由于作ASK調(diào)制的載波為40khz的正弦波，而MSP430G2553的PSW功能模塊輸出的是40khz的方波，因此還需要一個(gè)濾波電路，來產(chǎn)生ASK載波。這里是采用截止頻率為40khz的低通濾波器。2、ASK基波產(chǎn)生分析ASK的基波即所謂的控制信號，也就是密碼所對應(yīng)的波。本方案主要是通過MSP430G2553來實(shí)現(xiàn)編碼。但是，由于模擬開關(guān)的電源電壓采用雙電源5V/5V（均對地

8、0V而言），則輸入電壓對稱于0V的正、負(fù)信號電壓（5V5V）均能傳輸。這時(shí)要求控制信號C=“1”為+5V，C=“0”為-5V，否則只能傳輸正極性的信號電壓。因此，由MSP430G2553的PWM模塊產(chǎn)生的方波需在其后連接求差電路，使其輸出轉(zhuǎn)換成5V/5V，使模擬開關(guān)產(chǎn)生雙極性的信號。3、ASK調(diào)制分析ASK信號是利用代表數(shù)字信息“0”或“1”的基帶矩形脈沖去調(diào)制一個(gè)連續(xù)的載波，有載波輸出時(shí)表示發(fā)送“1”，無載波輸出時(shí)表示發(fā)送“0”，ASK的時(shí)域表達(dá)式可以表示成單極性矩形脈沖序列與正弦型載波的相乘。本案利用模擬開關(guān)CD4066進(jìn)行ASK調(diào)制。CD4066 的每個(gè)封裝內(nèi)部有4 個(gè)獨(dú)立的模擬開關(guān)，每

9、個(gè)模擬開關(guān)有輸入、輸出、控制三個(gè)端子，其中輸入端和輸出端可互換。當(dāng)控制端加高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)控制端加低電平時(shí)開關(guān)截止。模擬開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通電阻為幾十歐姆；模擬開關(guān)截止時(shí)，呈現(xiàn)很高的阻抗，可以看成為開路。為了增長接收距離，在CD4066進(jìn)行ASK調(diào)制后，將信號通過放大電路，提高其輸出的功率。3、通信協(xié)議我們采用串口異步通信的方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)收。我們采用的通訊協(xié)議為起止式異步通信，起止式異步通信的特點(diǎn)是：一個(gè)字符一個(gè)字符地傳輸，每個(gè)字符一位一位地傳輸，并且傳輸一個(gè)字符時(shí)，總是以“起始位”開始，以“停止位”結(jié)束,字符之間沒有固定的時(shí)間間隔要求。 而接收端以“接收時(shí)鐘”和“波特率因子”決定一位的

10、時(shí)間長度。這種方式的優(yōu)點(diǎn)：起始位、校驗(yàn)位、停止位、空閑位的信號，由“發(fā)送移位寄存器”自動插入。在接收方，“接收移位寄存器”接收到一幀完整信息（起始、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)、停止）后，僅把數(shù)據(jù)的各位送至“數(shù)據(jù)輸入寄存器”，即CPU從“數(shù)據(jù)輸入寄存器”中讀得的信息，只是有效數(shù)字，不包含起始位、校驗(yàn)位、停止位信息。這樣一來，我們在編程時(shí)就不需要書寫通信協(xié)議，這樣可以減小工作量，同時(shí)也可以減少接收時(shí)對數(shù)據(jù)采樣時(shí)帶來的誤差。三、電路與程序設(shè)計(jì)（一）電路設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)組成與原理框圖2、各功能電路設(shè)計(jì)（1）自制電源電路工頻經(jīng)過變壓器后輸出有效值為12V的交流，通過二極管整流后再經(jīng)電容濾波，然后分別送入固定三端集成穩(wěn)壓器L

11、7812和L7912中使得輸出分別為+12V和12V的直流，以供給其他模塊電路使用。（2）調(diào)制電路考慮到各電路模塊間的相互影響，采用常用的隔離電路，即以運(yùn)放為核心，設(shè)計(jì)的一個(gè)簡單的電壓跟隨器。（3）紅外發(fā)射電路在信號放大電路之后加了個(gè)電壓跟隨的電路，為了前后電路的隔離，提高電路的帶負(fù)載能力，然后在輸出端連接發(fā)光二級管，電阻的作用是分壓，使通過二極管的電流不至于很大。（4）鎖狀態(tài)電路若判定結(jié)果為真，則PD3為低電平，綠燈亮，指示開鎖成功；若判定結(jié)果為假，則PD4為低電平，紅燈亮，表示開鎖失敗。（二）程序設(shè)計(jì)1、相關(guān)算法編碼：用16個(gè)按鍵來輸入密碼，其中一個(gè)鍵作為密碼設(shè)定端的密碼設(shè)定開始，一個(gè)鍵作

12、為密碼設(shè)定結(jié)束，另十個(gè)是作為密碼輸入，分別表示從0-9。通過鍵盤掃描的方式（分別通過2.0、2.1、2.2進(jìn)行掃描），從而確定密碼。為了方便顯示按鍵情況，再在原電路的基礎(chǔ)上接入一個(gè)LCD顯示電路，通過程序?qū)崿F(xiàn)，按鍵輸入與LCD顯示同步。譯碼：將單片機(jī)1.4口作為進(jìn)入中斷的判定口，1.5作為接收發(fā)射端所發(fā)的信號的接收口，每100us采樣一次，將數(shù)據(jù)存入數(shù)組中，當(dāng)4個(gè)數(shù)據(jù)都接收并保存好了之后，進(jìn)行密碼的比較，發(fā)光二極管同步顯示密碼鎖的狀態(tài)，完成整個(gè)接收部分。2、程序設(shè)計(jì)流程圖：編碼：按鍵有鍵按下計(jì)算鍵值讀取鍵值發(fā)送鍵是否按下生成密碼輸出密碼對應(yīng)的方波開始鍵是否按下重新輸入密碼YNNY每25ms，掃

13、描一次鍵盤譯碼：開始下降沿是否到來采樣密碼輸入比較初始密碼YNNY每100us，采樣一次LCD密碼顯示鎖定狀態(tài)，紅燈亮開鎖狀態(tài)，綠燈亮四、系統(tǒng)測試與結(jié)果分析1、測試使用的儀器設(shè)備測試使用的儀器設(shè)備如表所示： 序號名稱、型號、規(guī)格數(shù)量備注1數(shù)字示波器12函數(shù)信號發(fā)生器13萬用表14直流穩(wěn)壓電源15Mps430單片機(jī)最小系統(tǒng)22、測試方法及測試數(shù)據(jù)（1）12V直流電源測試方案：通過示波器觀測輸出電壓是否為直流，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使用萬用表測量輸出電壓值是否滿足要求。測試結(jié)果：可觀測到示波器上測得波形為一條穩(wěn)定直線，并通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻由數(shù)字萬用表測得可輸出穩(wěn)定的正負(fù)12V電壓。（2）40Khz正弦波發(fā)

14、生器測試方案：通過直流穩(wěn)壓電源為電路提供正負(fù)12V電壓，通過示波器觀測波形。測試結(jié)果：示波器上顯示出基本不失真的正弦波，并且調(diào)節(jié)可調(diào)電阻可由數(shù)字示波器上觀測到正弦波頻率在40k左右。（3）ASK調(diào)制測試方案：通過函數(shù)發(fā)生器將40khz的正弦波載波輸入到CD4051的14腳，將5Khz的TTL方波輸入到CD4051的11腳， 其16腳接Vcc,3腳接輸出，其余接地。測試結(jié)果：可以在示波器上觀測到調(diào)制后的波形，當(dāng)基極輸入高電平時(shí)，示波器上無正弦波。當(dāng)方波為高電平時(shí)，開關(guān)打開，載波通過。（4）發(fā)射功率發(fā)射電壓Vout/V發(fā)射電流Iout/mA發(fā)射功率Pout=Vout*Iout/mW2.52768（5）接收功率接收電壓Vin/mV發(fā)射電流Iin/mA發(fā)射功率Pin=Vin*Iin/mW 68 5 0.34（6）莫爾斯密碼接收發(fā)射的密碼03115598設(shè)置的密碼03035555接收的密碼03115598綠燈亮滅1-亮；0-滅1010紅燈亮滅1-亮；0-滅01013、測試結(jié)果分析由于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能電路實(shí)現(xiàn)較好，系統(tǒng)性能優(yōu)良、穩(wěn)定，因此本系統(tǒng)能夠滿足題目基本部分和大部