無(wú)線開(kāi)關(guān)畢業(yè)論文

1、 .PAGE23 / NUMPAGES23 本文由hf22400931貢獻(xiàn) doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗(yàn)不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機(jī)查看。 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū) 題 系 專 目： 別： 業(yè)： 多路無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì) 機(jī)電工程系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化 題目類型： 題目類型： 理論研究 實(shí)驗(yàn)研究 工程設(shè)計(jì) 工程技術(shù)研究 軟件開(kāi)發(fā) 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 41 頁(yè) 摘 要 無(wú)線射頻技術(shù)作為本世紀(jì)最有發(fā)展前景的信息技術(shù)之一，已經(jīng)得到業(yè)界的高度重 視。 該技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信， 可以自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)

2、數(shù)據(jù)， 具有精度高、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、抗干擾強(qiáng)、操作快捷等許多優(yōu)點(diǎn)。 無(wú)線電遙控器是利用無(wú)線射頻信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)方的各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的遙控設(shè)備，本文針 對(duì)擁有多種家用電器的現(xiàn)代化家庭，設(shè)計(jì)了一套能夠控制多路用電器的無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)。 這是一款基于 CC1101 通信模塊的簡(jiǎn)單無(wú)線電遙控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由發(fā)射模塊和接收模塊 組成，以 C8051F310 單片機(jī)為核心，以單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、無(wú)線收發(fā)技術(shù)為理論基礎(chǔ)，實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)與狀態(tài)的顯示。該無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)電路可控制八路開(kāi)關(guān)，可在中短距離 （30 米），無(wú)需對(duì)準(zhǔn)用電器按一按遙控器按鈕，即可實(shí)現(xiàn)多路遙控電源電路接通與 斷開(kāi)的目的，不僅適用于一般家庭，而且也適合于各大

3、賓館、飯店、豪華別墅等場(chǎng)所使 用。 經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)操作方便，工作可靠，符合設(shè)計(jì)要求。研究成果對(duì) 促進(jìn)家居電器的智能化具有重要意義。 關(guān)鍵詞： C8051F310；CC1101；無(wú)線電；遙控 1 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 41 頁(yè) 引言 近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無(wú)線通信技術(shù)。而無(wú)線通信技 術(shù)又有著集成化，低功耗，易操作的發(fā)展趨勢(shì)。目前，一些只由微控制器和集成射頻芯 片構(gòu)成的無(wú)線通信模塊不斷推出，這種微功率短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在工業(yè)、民用等 領(lǐng)域得到應(yīng)用廣泛。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微功率短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)作為一種無(wú) 線通

4、信實(shí)用技術(shù)，一般使用單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用 或通用無(wú)線通信模塊，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能。一 個(gè)簡(jiǎn)易無(wú)線傳輸系統(tǒng)可以由微控制器，單片射頻收發(fā)芯片以與少量外圍和顯示設(shè)備等構(gòu) 成，本課題主要研究的是由 C8051F310 單片機(jī)最小系統(tǒng)和 CC1101 無(wú)線通信模塊組合而 成的多路無(wú)線遙控器。 1 設(shè)計(jì)任務(wù)分析 1.1 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多路無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)，對(duì)室圍的受控對(duì)象進(jìn)行無(wú)線遙控，通信利用無(wú) 線射頻芯片 CC1101 實(shí)現(xiàn)，工作頻率 433MHz，遙控距離 10m 以上?？梢詫?duì)家庭、辦公室、 商場(chǎng)、酒店、醫(yī)院、倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所的燈具照明控制和

5、類似用途電器的控制，也可以實(shí)現(xiàn)隔 墻遙控，在房間可遙控客廳的燈具等。 要求與數(shù)據(jù)： （1）工作頻率 433MHz； （2）遙控路數(shù)不少于 8； （3）遙控距離 10m 以上； （4）受控對(duì)象：燈具和家用電器。 1.2 課題研究背景和意義 隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，近距離無(wú)線通信技術(shù)呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢(shì)頭。受到 越來(lái)越多人的關(guān)注。因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中存在著許多這樣的應(yīng)用情況，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)傳輸 小量的突發(fā)信號(hào)，當(dāng)然傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)雖然能夠滿足要求，但免不了存在成本高， 體積大，功耗大的問(wèn)題，這時(shí)成本小，體積小，功耗低的短距離無(wú)線通信技術(shù)就發(fā)揮了 它的優(yōu)勢(shì)，尤其在傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)難于或者不便于覆蓋到的

6、區(qū)域，短距離無(wú)線通信技 術(shù)可以在近距離圍實(shí)現(xiàn)相互通信或相關(guān)操作。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已成為當(dāng)今通信業(yè) 乃至整個(gè)信息業(yè)的熱點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于無(wú)線遙控、報(bào)警、無(wú)線局域網(wǎng)、軍事通信等圍， 具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 通常情況下，單片機(jī)在獲取數(shù)據(jù)后，還需要將數(shù)據(jù)傳送出去。有線數(shù)據(jù)傳輸依賴于 有線的線路，例如采用有線的串、并行總線、I2C 總線、CAN 總線等。有線的線路具有 成本比較高、 維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是在有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的， 2 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 41 頁(yè) 而無(wú)線數(shù)據(jù)通信則是通過(guò)發(fā)射模塊和接收模塊來(lái)傳送數(shù)據(jù)的，具有不占空間、成本低、

7、可靠性高、維護(hù)方便與傳輸過(guò)程中的干擾小等優(yōu)點(diǎn)，提高了傳輸過(guò)程中的可靠性。 本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的無(wú)線遙控器，它以高可靠性、高性價(jià)比，在工業(yè)控制以與無(wú) 線智能家居領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 1.3 課題研究的容和方案論證 該設(shè)備由處理單元、發(fā)射模塊、接收模塊、外接電路等構(gòu)成。當(dāng)發(fā)射模塊發(fā)出信號(hào) 時(shí)，接收模塊對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的操作，以 LED 燈的亮滅來(lái)顯示開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。 （1）處理單元： 對(duì)比了 51 系列和 C8051 系列單片機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)后，選擇兼容性較好，性能穩(wěn) 定的 C8051F310 單片機(jī)作為處理單元，該單片機(jī)系統(tǒng)工作電壓為 2.7V3.6V 之間。 （2）發(fā)射和接收裝置： 無(wú)線收

8、發(fā)單元選用 CC1101 射頻芯片。CC1101 與單片機(jī)采用 SPI 接口連接，該芯片 體積小，功耗低，數(shù)據(jù)速率支持 1.2500 kbps 的可編程控制，可以工作在 915 MHz、 868 MHz、433MHz、315 MHz 四個(gè)波段，在所有頻段提供-3010 dBm 輸出功率。本文中 CC1101 工作在 433 MHz 的頻率上，采用 FSK 調(diào)制方式，數(shù)據(jù)速率為 100 kbps，信道間 隔為 200kHz。 2 無(wú)線遙控概述 無(wú)線遙控器顧名思義，就是一種用來(lái)遠(yuǎn)程控制機(jī)器的裝置?，F(xiàn)代的遙控器，主要是 由集成電路電板和用來(lái)產(chǎn)生不同訊息的按鈕所組成。時(shí)至今日，無(wú)線遙控器已經(jīng)在生活 中

9、得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，給人們帶來(lái)了極大的便利。隨著科技的進(jìn)步無(wú)線遙控器也擴(kuò) 展到了許多種類，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)常見(jiàn)的有兩種，一種是紅外遙控模式，另一種是防盜報(bào)警設(shè) 備、門(mén)窗遙控、汽車遙控等等常用的無(wú)線電遙控模式。兩者各有不同的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用的領(lǐng) 域也有所區(qū)別，本課題要研究的是無(wú)線電遙控模式。 2.1 無(wú)線電遙控與紅外遙控的對(duì)比 無(wú)線電遙控器（RF Remote Control）是利用無(wú)線電信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)方的各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行控 制的遙控設(shè)備。常見(jiàn)的無(wú)線電發(fā)射接收模塊常用的無(wú)線電遙控系統(tǒng)一般分發(fā)射和接收兩 個(gè)部分。發(fā)射部分一般分為兩種類型，即遙控器與發(fā)射模塊，遙控器和遙控模塊是對(duì)于 使用方式來(lái)說(shuō)的，遙控器可以當(dāng)一個(gè)整機(jī)來(lái)

10、獨(dú)立使用，對(duì)外引出線有接線樁頭；而遙控 模塊在電路中當(dāng)一個(gè)元件來(lái)使用，根據(jù)其引腳定義進(jìn)行應(yīng)用，使用遙控模塊的優(yōu)勢(shì)在于 可以和應(yīng)用電路天衣無(wú)縫的連接、體積小、價(jià)格低、 。接收部分一般來(lái)說(shuō)也分為兩種類 型，即超外差與超再生接收方式，超再生解調(diào)電路也稱超再生檢波電路，它實(shí)際上是工 作在間歇振蕩狀態(tài)下的再生檢波電路。超外差式解調(diào)電路與超外差收音機(jī)一樣，它是設(shè) 3 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 41 頁(yè) 置一本機(jī)振蕩電路產(chǎn)生振蕩信號(hào)，與接收到的載頻信號(hào)混頻后，得到中頻信號(hào)，經(jīng)中頻 放大和檢波，解調(diào)出數(shù)據(jù)信號(hào)。由于載頻頻率是固定的，所以其電路要比收音機(jī)簡(jiǎn)單一 些。超外差式

11、的接收器穩(wěn)定、靈敏度高、抗干擾能力也相對(duì)較好；超再生式的接收器體 積小、價(jià)格便宜。 紅外遙控器（IR Remote Control）是利用波長(zhǎng)為 0.761.5m 之間的近紅外線來(lái) 傳送控制信號(hào)的遙控設(shè)備。紅外遙控常用的載波頻率為 38kHz，這是由發(fā)射端所使用的 455kHz 晶振來(lái)決定的。 常用的紅外遙控系統(tǒng)一般分發(fā)射和接收兩個(gè)部分。 發(fā)射部分的主 要元件為紅外發(fā)光二極管。它實(shí)際上是一只特殊的發(fā)光二極管，由于其部材料不同于 普通發(fā)光二極管，因而在其兩端施加一定電壓時(shí)，它便發(fā)出的是紅外線而不是可見(jiàn)光。 目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)為 940nm 左右，外形與普通發(fā)光二極 管一

12、樣，只是顏色不同。接收部分的主要元件為紅外接收二極管，一般有圓形和方形兩 種。在實(shí)際應(yīng)用中要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二 極管在電路中應(yīng)用時(shí)是反向運(yùn)用，這樣才能獲得較高的靈敏度。紅外遙控的特點(diǎn)是不影 響周邊環(huán)境、不干擾其它電器設(shè)備。由于其無(wú)法穿透墻壁，故不同房間的家用電器可使 用通用的遙控器而不會(huì)產(chǎn)生相互干擾；電路調(diào)試簡(jiǎn)單，只要按給定電路連接無(wú)誤，一般 不需任何調(diào)試即可投入工作；編解碼容易，可進(jìn)行多路遙控。因此，現(xiàn)在紅外遙控在家 用電器、室近距離（小于 10 米）遙控中得到了廣泛的應(yīng)用。 圖 2.1 紅外線遙控器 圖 2.2 無(wú)線電遙控器 由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射

13、功率一般都較小 （100mW 左右） 所以紅外接收二極管接 ， 收到的信號(hào)比較微弱，因此就要增加高增益放大電路，最近幾年大多都采用成品紅外接 收頭。紅外遙控和無(wú)線遙控是對(duì)不同的載波來(lái)說(shuō)的，紅外遙控器是用紅外線來(lái)傳送控制 信號(hào)的，它的特點(diǎn)是有方向性、不能有阻擋、距離一般不超過(guò) 7 米、不受電磁干擾，電 4 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 共 41 頁(yè) 視機(jī)遙控器就是紅外遙控器；無(wú)線電遙控器是用無(wú)線電波來(lái)傳送控制信號(hào)的，它的特點(diǎn) 是無(wú)方向性、可以不“面對(duì)面”控制、距離遠(yuǎn)（可達(dá)數(shù)十米，甚至數(shù)公里） 、容易受電 磁干擾。在需要遠(yuǎn)距離穿透或者無(wú)方向性控制領(lǐng)域，比如工業(yè)控制等等

14、，使用無(wú)線電遙 控器較易解決，基于本課題的設(shè)計(jì)要求，所以選擇無(wú)線電遙控。 2.2 無(wú)線電遙控技術(shù)的發(fā)展 無(wú)線電遙控技術(shù)發(fā)展只有幾十年的歷史：本世紀(jì) 20 年代才剛剛出現(xiàn)無(wú)線電遙控的 雛形。那時(shí)，人們?cè)噲D將遙控技術(shù)應(yīng)用于無(wú)人駕駛飛機(jī)和艦船上，但由于技術(shù)不夠完善 而未能成功。二次世界大戰(zhàn)以后，無(wú)線電遙控技術(shù)發(fā)展迅速，并逐漸在軍事、國(guó)防、工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以與科學(xué)技術(shù)等方面得到廣泛的應(yīng)用。到現(xiàn)今，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新 型大規(guī)模遙控集成電路的不斷出現(xiàn)，使得遙控技術(shù)有了日新月異的發(fā)展。遙控裝置的中 心控制部件已從早期的分立元件、集成電路逐步發(fā)展到現(xiàn)在的單片微型計(jì)算機(jī)，智能化 程度大大提高。近年來(lái)，遙控技

15、術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、家用電器、安全保衛(wèi)以與人們的日常生 活中使用越來(lái)越廣泛。在無(wú)線遙控領(lǐng)域，目前常用的遙控方式主要有超聲波遙控、紅外 線遙控、無(wú)線電遙控等。由于無(wú)線電波是由發(fā)射點(diǎn)向四面八方傳播，可以穿過(guò)阻擋物， 而且可以傳播到很遠(yuǎn)的距離，因此它的控制可以在很大區(qū)域和空間實(shí)現(xiàn)，成為遙控的 主要方式，在國(guó)防、軍事、生產(chǎn)、建設(shè)和日常生活中有極廣泛的應(yīng)用。為此，在前人研 究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了一種集成芯片無(wú)線電遙控多通道開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。研究表明， 采用該方法設(shè)計(jì)的遙控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)控制方便，適用于含有較多受控電器的場(chǎng)合，可實(shí)現(xiàn)多 路多功能控制。 圖 2.3 傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān) 圖 2.4 無(wú)線遙控開(kāi)關(guān) 傳統(tǒng)的機(jī)械式開(kāi)關(guān)

16、愈來(lái)愈滿足不了人們追求完美生活的需求。隨著生活水平的不斷 提高，科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，智能型無(wú)線遙控技術(shù)取代傳統(tǒng)的手動(dòng)控制，已成為現(xiàn)代生 活的一種時(shí)尚。運(yùn)用無(wú)線遙控照明開(kāi)關(guān)，在某一空間的任意位置，任意時(shí)刻，都可以隨 意調(diào)控電燈與其它電器，讓我們真正感受到高科技帶來(lái)的無(wú)窮魅力和便捷。無(wú)線遙控與 5 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 共 41 頁(yè) 紅外遙控、聲控相比較，具有無(wú)線遙控覆蓋圍寬，控制距離遠(yuǎn)，穿透力強(qiáng)等特點(diǎn)，在 諸如爆破遙控、工廠生產(chǎn)控制和一些地形地貌險(xiǎn)要、操作人員難接近或不能接近的實(shí)際 場(chǎng)合中，更顯魅力，倍加令人注目。近些年來(lái)無(wú)線遙控技術(shù)在家庭生活和科學(xué)研究中也

17、 占很重要的地位，在汽車、摩托車防盜報(bào)警中，在門(mén)、窗、庫(kù)房控制中，在兒童玩具中， 在無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)線定時(shí)控制中，無(wú)線遙控獲得更加廣泛的應(yīng)用。 無(wú)線電遙控器是利用無(wú)線電信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)方的各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的遙控設(shè)備。這些信號(hào) 被遠(yuǎn)方的接收設(shè)備接收后，可以指令或驅(qū)動(dòng)其它各種相應(yīng)的機(jī)械或者電子設(shè)備，去完成 各種操作，如閉合電路、移動(dòng)手柄、開(kāi)動(dòng)電機(jī)，之后再由這些機(jī)械進(jìn)行需要的操作。作 為一種性能良好的遙控器種類，在車庫(kù)門(mén)、電動(dòng)門(mén)、道閘遙控控制，防盜報(bào)警器，工業(yè) 控制以與無(wú)線智能家居領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 無(wú)線電遙控常用的載波頻率為315mHz或者433mHz，遙控器使用的是國(guó)家規(guī)定的開(kāi)放 頻段，在這一頻段，

18、發(fā)射功率小于10mW、覆蓋圍小于100m或不超過(guò)本單位圍的， 可以不必經(jīng)過(guò)“無(wú)線電管理委員會(huì)”審批而自由使用。我國(guó)的開(kāi)放頻段規(guī)定為315mHz和 433mHz，本課題選用433 mHz頻段。 2.3 無(wú)線電遙控器的應(yīng)用 （1）工業(yè)行車：工業(yè)用行車是遙控系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一，以德國(guó)為例，占 遙控系統(tǒng)每年產(chǎn)量的40%左右；特別是冶金、汽車制造、造紙廠、物料倉(cāng)庫(kù)等新增行車 幾乎全部配備工業(yè)無(wú)線遙控器； （2）汽車吊、隨車吊：通常，大型汽車吊遙控系統(tǒng)還配置了數(shù)據(jù)反饋裝置，反饋 裝置可將運(yùn)行參數(shù)（如負(fù)荷、起重臂長(zhǎng)、負(fù)荷力矩、油溫，壓力，角度等）顯示在發(fā)射 系統(tǒng)顯示屏上，操作人員可根據(jù)顯示數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)控吊

19、車； （3）混凝土泵車：混凝土泵車操作時(shí)因控制臺(tái)距澆注作業(yè)面有幾十米（甚至上百 米） ，傳統(tǒng)的操作方式需數(shù)人配合才能完成，由于效率低，限制了混凝土泵車的性能發(fā) 揮；對(duì)于長(zhǎng)距離、大排量的大型泵車，矛盾更為突出；采用工業(yè)無(wú)線遙控器可以最 發(fā)揮整機(jī)的性能，泵車司機(jī)在工作地點(diǎn)駕車定位后，即可用攜帶遙控系統(tǒng)依次操作泵車 的各個(gè)動(dòng)作，如布料桿的左右回轉(zhuǎn)，多級(jí)桿的變幅升降等。操作人員可攜帶發(fā)射系統(tǒng)， 遠(yuǎn)離泵車控制臺(tái)，直接站在軟管噴口附近，控制布料桿的動(dòng)作和混凝土泵的運(yùn)作； （4）礦山機(jī)械：對(duì)于礦井里能見(jiàn)度較低的場(chǎng)合下，可選用配有反饋裝置的工業(yè)無(wú) 線遙控器控制液壓機(jī)械。即使在能見(jiàn)度較低、環(huán)境惡劣的地方，也可以

20、方便控制重型鑿 巖機(jī)架鉆孔作業(yè)。操作員可以選擇最近的地點(diǎn)對(duì)位鉆孔，而不必呆在距鉆孔作業(yè)點(diǎn)十米 以外的鉆孔機(jī)的操作臺(tái)上。無(wú)線電控制裝置采用IP65保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)完全適應(yīng)在潮濕和含鹽的 環(huán)境中使用。大大增加了操作的安全性、舒適性和準(zhǔn)確性，節(jié)約投資，提高了效率； （5）專用機(jī)械如：煉鋼廠清渣裝載機(jī)，采用工業(yè)無(wú)線遙控器對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行遙控改 造，在不改變現(xiàn)有手動(dòng)操作方式的前提下，百分之百模擬原履帶裝載機(jī)的機(jī)械動(dòng)力性能 6 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 41 頁(yè) 和作業(yè)功能，達(dá)到無(wú)人駕駛完成清渣作業(yè)的目的。操作員帶著輕巧的發(fā)射機(jī)，自由選擇 最佳的視覺(jué)位置，遙控的裝載機(jī)在清渣作業(yè)中

21、運(yùn)行自如。遙控裝載機(jī)的成功運(yùn)用消除了 以往環(huán)境惡劣，視線不清，高溫落渣帶來(lái)的事故隱患，使操作人員從惡劣的環(huán)境中解脫 出來(lái)，提高了清渣作業(yè)效率、改善冶金工人的工作環(huán)境，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度； （6）建筑塔吊：在歐洲、北美超過(guò)60%的建筑回轉(zhuǎn)式塔吊采用無(wú)線遙控方式控制， 不僅在設(shè)備制造時(shí)節(jié)省成本（無(wú)空中操作臺(tái)） ，安全性和可靠性也得到充分保障，提高 了施工效率； （7）其它方面：隨著工業(yè)無(wú)線遙控器技術(shù)的發(fā)展，在裝載機(jī)、調(diào)車機(jī)車、液壓機(jī) 械和移動(dòng)車輛港口裝卸船機(jī)等設(shè)備中，工業(yè)無(wú)線遙控器都得到了廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)前景極 為廣闊。 圖 2.5 工業(yè)行車 圖 2.6 建筑塔吊 無(wú)線遙控距離的影響因素： （1）發(fā)

22、射功率：發(fā)射功率大則距離遠(yuǎn)，但耗電大，容易產(chǎn)生干擾； （2）接收靈敏度：接收器的接收靈敏度提高，遙控距離增大，但容易受干擾造成 誤動(dòng)或失控； （3）天線：采用直線型天線，并且相互平行，遙控距離遠(yuǎn)，但占據(jù)空間大，在使 用中把天線拉長(zhǎng)、拉直可增加遙控距離； （4）高度：天線越高，遙控距離越遠(yuǎn)，但受客觀條件限制； （5）阻擋：目前使用的無(wú)線遙控器使用國(guó)家規(guī)定的 UHF 頻段，其傳播特性和光近 似，直線傳播，繞射較小，發(fā)射器和接收器之間如有墻壁阻擋將大大打折遙控距離，如 果是鋼筋混泥土的墻壁，由于導(dǎo)體對(duì)電波的吸收作用，影響更甚。 7 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 共 41

23、 頁(yè) 3 硬件電路的設(shè)計(jì) 3.1 C805lF310 微控制器 圖 3.1 C8051F310 原理框圖 C8051F310 單片機(jī)具有體積小，重量輕，控制靈活方便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，通常配 以簡(jiǎn)單的外圍電路就可以構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)， C8051F310 單片機(jī)采用射頻 SoC （片 上系統(tǒng)）進(jìn)行無(wú)線通訊設(shè)計(jì)，是開(kāi)發(fā)低成本、低功耗無(wú)線通訊應(yīng)用系統(tǒng)的理想方案。射 頻 SoC（片上系統(tǒng)）的特點(diǎn)是：專門(mén)的設(shè)計(jì)，將全部的高頻部分電路全部集成到了電路 部，從無(wú)線芯片片機(jī)到天線之間，只有簡(jiǎn)單的濾波電路，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者完全不必進(jìn)行任 何高頻電路設(shè)計(jì)；采用特殊設(shè)計(jì)，使無(wú)線芯片和微處理器和高頻線路間，實(shí)現(xiàn)完美的配

24、 合，數(shù)字電路對(duì)高頻通訊的影響減低到最??；將微處理器和無(wú)線芯片設(shè)計(jì)成一體，變成 無(wú)線單片機(jī)，可以輕松完成無(wú)線通訊功能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。 C8051F31x 系列 MCU 在 CIP-51 核和外設(shè)方面有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)， 提高了整體性 能，更易于在最終應(yīng)用中使用。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向 CIP-51 提供 14 個(gè)中斷源（標(biāo)準(zhǔn) 8051 只有 7 個(gè)中斷源） ，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需 要較少的 MCU 干預(yù)，因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加 的中斷源是非常有用的。 8 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 共 41 頁(yè) 圖

25、3.2 C8051F310 實(shí)物圖 MCU 有多達(dá) 8 個(gè)復(fù)位源：上電復(fù)位電路（POR） 、一個(gè)片 VDD 監(jiān)視器（當(dāng)電源電壓 低于 VRST 時(shí)強(qiáng)制復(fù)位） 、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、一個(gè)時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、一個(gè)由比較器 0 提 供的電壓檢測(cè)器、一個(gè)軟件強(qiáng)制復(fù)位、外部復(fù)位輸入引腳和 FLASH 讀/寫(xiě)錯(cuò)誤保護(hù)復(fù)位。 除了 POR、復(fù)位輸入引腳與 FLASH 操作錯(cuò)誤這三個(gè)復(fù)位源之外，其他復(fù)位源都可以被軟 件禁止。在一次上電復(fù)位之后的 MCU 初始化期間，WDT 可以被永久性使能。部振蕩器 在出廠時(shí)已經(jīng)被校準(zhǔn)為 24.5MHz2%。器件還集成了外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，允許使用 晶體、瓷諧振器、電容、RC 或外

26、部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。如果需要，時(shí)鐘源可以在運(yùn) 行時(shí)切換到外部振蕩器。外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許 MCU 從一個(gè) 低頻率（節(jié)電）外部晶體源運(yùn)行，當(dāng)需要時(shí)再周期性地切換到高速（可達(dá) 25MHz）的 部振蕩器。 圖 3.3 片時(shí)鐘和復(fù)位電路 9 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 41 頁(yè) 8051兼容的無(wú)線單片機(jī)目前全世界共有4種，但主流的是chipcon 公司的cc1010, Nordic公司的nRF24E1/nRF9E5。這三種無(wú)線單片機(jī)各有自己的特點(diǎn)，chipcon公司的 cc1010有32kbyte Flash+2048+128 SRAM，

27、三通道A/D 10位轉(zhuǎn)換器，64線TQFP封裝，傳 輸通訊速度 76.8k bit/s , 片上具有：RTC/2UART/2PWM/SPI/26個(gè)I/O/DES加密電/看門(mén) 狗電路等等，高頻部分全部集成在芯片上，工作在300-1000mhz, 最小的功率消耗僅 0.2uA；小量?jī)r(jià)格在50人民幣/每片左右。Nordic的nRF24E1工作在2.4GHZ，nRF9E5工作 在433MHZ和868-930MHZ，雖然Nordic的無(wú)線單片機(jī)存儲(chǔ)器較小，只有4K，但由于采用較 好的電源管理方式最小的功率消耗僅2.0uA； ，并采用快速的SHOCKBURST技術(shù)，傳輸通訊 速度 100k bit/s在國(guó)

28、購(gòu)買，小量?jī)r(jià)格在40人民幣/每片。 圖 3.4 32 腳 LQFP 封裝和 28 腳 MLP 封裝的比較 C8051F3l0 是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU 芯片。 下面列出了一些主要特性， 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051 兼容的 CIP 一 51 核(可達(dá) 25MIPS);全速、非侵入式的在系 統(tǒng)調(diào)試接口(片);帶模擬多路器、真正 10 位 200ksPs 的 25 通道單端/差分 ADC;高精 度可編程的 25MHz 部振蕩器;16KB 可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲(chǔ)器;片 RAM;硬件實(shí)現(xiàn) 的 SMBus/hC、增強(qiáng)型 UART 和增強(qiáng)型 SPI 串行接口;4 個(gè)通用的 16 位

29、定時(shí)器;具有 5 個(gè)捕 捉/比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA);片上電復(fù)位、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器;片電壓比較器;29/25 個(gè)端口陽(yáng)(容許 sv 輸入)。 具有片上電復(fù)位、VDD 監(jiān)視器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的 C8051F310 是真正 能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)。FLASH 存儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新 8051 固件。用戶軟件對(duì)所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)閉 任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。片 SiliconLabs 二線(C2)開(kāi)發(fā)接口允許使用安裝在 最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 MCU 進(jìn)行非侵入式(不占用片資源)

30、、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試 邏輯支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用 CZ 10 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 共 41 頁(yè) 進(jìn)行調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。兩個(gè) CZ 接口引腳可以與用戶功 能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。每種器件都可在工業(yè)溫度圍(一 45到 +85)用 2.7v 一 3.6V 的電壓工作。端口 ST 和 JTAG 引腳都容許 SV 的輸入信號(hào)電壓。 C8051F3l0 采用 32 腳 LQFP 封裝和 28 腳 MLP 封裝。 C805lF310 使用 SiliconLabs 的專利 CI

31、P 一 51 微控制器核。CIP 一 51 與 MCS 一 slTM 指集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。CIP 一 51 采用流 水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的 8051 結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。C805IF3lx 系列 MCU 在 CIP 一 51 核和外設(shè)方面有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng) 用中使用。擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向 CIP 一 51 提供 14 個(gè)中斷源(標(biāo)準(zhǔn) 8051 只有 7 個(gè)中斷源)， 允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的 MCU 干預(yù)， 因而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常

32、有用 的。MCU 有多達(dá) 8 個(gè)復(fù)位源:上電復(fù)位電路(POR)、一個(gè)片 VDD 監(jiān)視器 (當(dāng)電源電壓低 于呱 ST 時(shí)強(qiáng)制復(fù)位)、一個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、一個(gè)時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、一個(gè)由比較器提供的 電壓檢測(cè)器、一個(gè)軟件強(qiáng)制復(fù)位、外部復(fù)位輸入引腳和 FLASH 讀/寫(xiě)錯(cuò)誤保護(hù)復(fù)位。除 了 POR、復(fù)位輸入引腳與 FLASH 操作錯(cuò)誤這三個(gè)復(fù)位源之外，其他復(fù)位源都可以被軟件 禁止。 部振蕩器在出廠時(shí)已經(jīng)被校準(zhǔn)為 24.SMHz 士 2%。 器件還集成了外部振蕩器驅(qū) 動(dòng)電路，允許使用晶體、瓷諧振器、電容、RC 或外部時(shí)鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。如果需要， 時(shí)鐘源可以在運(yùn)行時(shí)切換到外部振蕩器。外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是

33、非常有用的，它 允許 MCU 從一個(gè)低頻率(節(jié)電)外部晶體源運(yùn)行，當(dāng)需要時(shí)再周期性地切換到高速(可達(dá) 25MHz)的部振蕩器。 3.2 CC1101 通信模塊的設(shè)計(jì) 3.2.1 CC1101 模塊簡(jiǎn)介 圖 3.5 CC1101 芯片實(shí)物圖 11 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) 共 41 頁(yè) 圖 3.6 CC1101 部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖 芯片采用 Chipcon 公司的 CC1101，是根據(jù) SmartRF 技術(shù)以 0.18mCMOS 工藝制成 的一款低成本單片 UHF 收發(fā)器，具有功耗低、電壓低、體積小、靈敏度高等特點(diǎn)。電路 主要工作在 315、433、868 和 9

34、15MHz 的 ISM 和 SRD（短距離設(shè)備）頻率波段，也可 以設(shè)置為 300348MHz、400464MHz 和 800928MHz 的其它頻率。CC1101 集成了一 個(gè)高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式，其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá) 500kbps。 通過(guò)開(kāi)啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項(xiàng)， 能使性能得到提升。 CC1101 在 1.8 3.6V 的低電壓下工作，其靈敏度為-110dBm，在所有工作頻率波段上，可編程輸出功率 為-3010dBm。CC1101 單片集成電路的部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化框圖如圖 3.6 所示。 圖 3.7 MCU 與 CC1101 接口電路示意圖 12 電子科技大學(xué)

35、信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 共 41 頁(yè) 圖 3.8 無(wú)線通信模塊電路原理圖 CC1101 與一個(gè)微控制器和少數(shù)幾個(gè)外接元件便可組成一個(gè)完整的無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)系 統(tǒng)， 在本文無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)中， 使用 MCU 的 P2 口對(duì) CC1101 進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)的傳輸， 如圖 3.7 所示。圖 3.8 是基于 CC1101 的無(wú)線通信模塊電路原理圖。與 LCM 的電源接口 設(shè)計(jì)一樣，在 CC1101 的電源供電端加入一個(gè)三極管來(lái)控制 CC1101 與電源的連接，當(dāng) P3.5 輸出高電平時(shí)，三極管截止，CC1101 與電源斷開(kāi)；當(dāng) P3.5 輸出低電平時(shí)，三極 管導(dǎo)通，CC1101

36、與電源連接。在不需要 CC1101 進(jìn)行無(wú)線通信時(shí)將其關(guān)閉，需要時(shí)再打 開(kāi)，這樣做的目的也是降低功耗，延長(zhǎng)電池的使用壽命。 3.2.2 基于 CC1101 的射頻電路 PCB 設(shè)計(jì) 基于 CC1101 的無(wú)線通信模塊是無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)中比較重要的組成部分，它的好壞將 直接影響到系統(tǒng)的各方面性能，其中 PCB 的設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，下面 分四個(gè)方面介紹一下無(wú)線通信模塊 PCB 的設(shè)計(jì)。 （1）無(wú)線通信模塊 PCB 的布局設(shè)計(jì) 在對(duì) CC1101 的 PCB 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮元件擺放布局問(wèn)題，如圖 3.9 所示。 要使射頻電路的輸入端遠(yuǎn)離輸出端，將強(qiáng)電信號(hào)和弱電信號(hào)分開(kāi)，將數(shù)字信號(hào)電

37、路和模 擬信號(hào)電路分開(kāi)，完成同一功能的電路應(yīng)盡量安排在一定的圍之，從而減小信號(hào)環(huán) 路面積，各部分電路的濾波網(wǎng)絡(luò)要就近連接，這樣不僅可以減小輻射，還可以減少被干 擾的幾率，提高電路的抗干擾能力。 13 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 共 41 頁(yè) （2）無(wú)線通信模塊 PCB 的布線設(shè)計(jì) 在基本完成元器件的布局后，就要開(kāi)始布線了。如圖 3.9 所示，所有走線應(yīng)遠(yuǎn)離 PCB 板的邊框（2mm 左右） ，以免 PCB 板制作時(shí)造成斷線或有斷線的隱患。電源線和地線 要盡可能寬，這樣可以減少環(huán)路電阻，在圖 3.9 中電源線 20mil，地線 20mil，普通線 10mil；同

38、時(shí)，電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛞恢?，以提高抗干擾能力；所布 信號(hào)線應(yīng)盡可能短， 各元器件間的連線越短越好， 以減少分布參數(shù)和相互間的電磁干擾； 對(duì)于不相容的信號(hào)線應(yīng)盡量相互遠(yuǎn)離，而且盡量避免平行走線，在正反兩面的信號(hào)線應(yīng) 相互垂直；布線時(shí)在需要拐角的地方應(yīng)以 135角為宜，避免拐直角；焊接天線的 PCB 部分不要有地線，如圖 3.9 所示右上角所示；布線時(shí)與焊盤(pán)直接相連的線條不宜太寬， 走線應(yīng)盡量離開(kāi)不相連的元器件； 過(guò)孔不宜太大且大小要一致， 在圖 3.9 中過(guò)孔外徑大 小為 28mil，徑為 16mil，過(guò)孔不宜在元器件上，且應(yīng)盡量遠(yuǎn)離不相連的元器件，以 免在生產(chǎn)中出現(xiàn)虛焊、連焊、

39、短路等現(xiàn)象。 圖 3.9 無(wú)線通信模塊的 PCB 示意圖 （3）無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的數(shù)字部分對(duì)射頻電路的抗干擾設(shè)計(jì) 數(shù)字電路和射頻電路單獨(dú)工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊 電路板上，使用同一個(gè)電源一起工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就很可能不穩(wěn)定。其主要原因是數(shù)字 信號(hào)頻繁在地（0V）和正電源（5V）之間擺動(dòng)，而且周期特別短，常常是納秒或微秒級(jí)。 由于較大的振幅和較短的切換時(shí)間，使得這些數(shù)字信號(hào)包含大量且獨(dú)立于切換頻率的高 頻成分。如果不能使數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)很好地分離。微弱的射頻信號(hào)可能遭到破壞， 這樣一來(lái)，無(wú)線設(shè)備工作性能就會(huì)惡化，甚至完全不能工作。 14 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論

40、文）說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 共 41 頁(yè) （4）電源部分對(duì)射頻電路的抗干擾設(shè)計(jì) 射頻電路對(duì)于電源噪聲相當(dāng)敏感，尤其是對(duì)毛刺電壓和其他高頻諧波。經(jīng)過(guò)升壓芯 片 MAX856 的電壓輸出端存在著噪聲，MCU 和其它耗電量大的芯片會(huì)在每個(gè)部時(shí)鐘周 期，短時(shí)間突然吸入大部分電流，如果不在 CC1101 的電源供電端采取合適的電源去 耦，必將引起電源線上的電壓毛刺，這些電壓毛刺到達(dá)射頻部分的電源引腳后，會(huì)對(duì)無(wú) 線部分造成影響，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致無(wú)線通信工作失效。 圖 3.10 電源星形布線 為了解決電源對(duì)電路的干擾，本文從兩個(gè)方面考慮的：一是采用電源星形布線法， 如圖 3.10 所示。讓電路板上各模塊具有各自

41、的來(lái)自公共供電電源點(diǎn)的電源線路，在這 種情況下，星形布線意味著電路的數(shù)字部分和射頻部分應(yīng)有各自的電源線路，以減少各 部分電源之間的干擾。二是在靠近電源輸入端加入去耦和旁路電容，如圖 3.11 所示。 在 CC1101 的電源供電端加入了 1 個(gè) 47F 的去耦電容和 3 個(gè)旁路電容，去耦電容能夠 有效的去除電路之間的耦合效應(yīng)，旁路電容能夠去除高頻噪聲。在 MCU 和其它芯片的電 源供電端也分別加入去耦和旁路電容，以減少電源噪聲帶來(lái)的影響。 圖 3.11 無(wú)線通信模塊的電源濾波電路示意圖 3.3 矩陣鍵盤(pán)的設(shè)計(jì) 鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鍵組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它是一種廉價(jià)的輸入設(shè)備。一個(gè)鍵盤(pán)，通常 包括有數(shù)字

42、鍵(0 一 9)，字母鍵(A 一 Z)以與一些功能鍵。操作人員可以通過(guò)鍵盤(pán)向計(jì)算 機(jī)輸入數(shù)據(jù)、地址、指令或其它控制命令，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的鍵盤(pán)按其 15 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 16 頁(yè) 共 41 頁(yè) 結(jié)構(gòu)形式可分為兩類:一類是編碼鍵盤(pán)，即鍵盤(pán)上閉合鍵的識(shí)別由專用的硬件來(lái)實(shí)現(xiàn);另 一類是非編碼鍵盤(pán)，即鍵盤(pán)上閉合鍵的識(shí)別由軟件來(lái)識(shí)別。為了節(jié)省 FO 線，單片機(jī)系 統(tǒng)中普遍使用非編碼鍵盤(pán)，鍵盤(pán)接口應(yīng)具備以下功能:鍵掃描功能即檢測(cè)是否有鍵按下; 產(chǎn)生相應(yīng)的鍵代碼(鍵值);消除按鍵抖動(dòng)與多鍵按下。 4x2 的鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)中的列線通過(guò)電阻接十 5v。當(dāng)鍵盤(pán)上沒(méi)有鍵閉合

43、時(shí)，所有的行線和 列線斷開(kāi)，列線都呈高電平。當(dāng)鍵盤(pán)上某一個(gè)鍵閉合時(shí)，則該鍵所對(duì)應(yīng)的列線與行線短 路。此時(shí)列線的電平由行線的電位所決定。如果把列線接到微機(jī)的輸入口，行線接到微 機(jī)的輸出口，在微機(jī)的控制下線都為高電平，則這行上沒(méi)有鍵閉合，如果讀出的列線狀 態(tài)不全為高電平，則為低電平的列線相交處的鍵處于閉合狀態(tài);如果這一行上沒(méi)有閉合 鍵，就使行線為低電平，檢測(cè)該行線上有無(wú)閉合鍵，以此類推，直到最后一根列線都檢 測(cè)完。這種逐行逐列地檢查鍵盤(pán)狀態(tài)的過(guò)程就稱為對(duì)鍵盤(pán)一次掃描。CPU 對(duì)鍵盤(pán)掃描可 以采取程序控制的隨機(jī)方式，CPU 空閑時(shí)掃描鍵盤(pán)。也可以采取定時(shí)控制方式，每隔一 定的時(shí)間 CPU 就對(duì)鍵盤(pán)掃

44、描一次。 也可以采取中斷方式， 每當(dāng)鍵盤(pán)上有鍵閉合時(shí)， CPU 向 請(qǐng)求中斷，CPU 響應(yīng)中斷后，對(duì)鍵盤(pán)掃描，以識(shí)別一個(gè)鍵處于閉合狀態(tài)，并對(duì)該鍵輸入 信息做出相應(yīng)處理。CPU 對(duì)鍵盤(pán)上閉合鍵的鍵號(hào)確定，可根據(jù)行線和列線的狀態(tài)計(jì)算求 得，也可以根據(jù)行線和列線狀態(tài)查表得。非編碼鍵盤(pán)識(shí)別按鍵的方法有兩種:一是行掃 描法，二是線反轉(zhuǎn)法。 SW-PB P2.2 S5 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 SW-PB SW-PB S6 SW-PB SW-PB S7 SW-PB SW-PB S8 SW-PB 圖 3.12 4x2 鍵盤(pán) 3.4 電源電路的設(shè)計(jì) 電源是各種電子設(shè)備不可缺少的組成部分

45、，而便攜式電子產(chǎn)品多采用電池供電，為 了使電路性能穩(wěn)定，往往還需要穩(wěn)定電源，尤其是像本文設(shè)計(jì)的無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)包含射頻 電路時(shí)，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的技術(shù)參數(shù)與能否安全可靠地工作。目 前電源的種類繁多，不同的電源都有特定的使用場(chǎng)合。在無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的電源設(shè)計(jì)中， 主要考慮使用線性穩(wěn)壓電源和開(kāi)關(guān)電源，并根據(jù)這兩種電源的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了適合無(wú)線遙控 開(kāi)關(guān)的電源。 16 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 41 頁(yè) 線性穩(wěn)壓電源因其部調(diào)整管工作在線性圍而得名。線性穩(wěn)壓電源的優(yōu)點(diǎn)是外圍 元件少、輸出噪聲小、靜態(tài)電流小，價(jià)格也便宜。其最主要缺點(diǎn)是由于輸入電壓與輸出 電壓之

46、間的電壓差（一般稱為壓差）大，造成調(diào)整管上的損耗大，轉(zhuǎn)換效率較低。開(kāi)關(guān) 電源是由于器件中有一個(gè)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)的晶體管（一般是 MOSFET） ，開(kāi)關(guān)管工作于飽 和導(dǎo)通與截止兩種狀態(tài)，所以開(kāi)關(guān)管的管耗小并且與輸入電壓大小無(wú)關(guān)，效率較高（一 般可達(dá) 80%95%） 。開(kāi)關(guān)電源主要指 DC-DC 變換器，主要包括升壓式（VoutVin） 、降 壓式（VoutVin）三種類型。 無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)需要使用電池供電，電源輸出電壓需要 3.3V，輸出電流需要達(dá)到 100mA 以上，輸出電壓噪聲要小以保證射頻電路穩(wěn)定工作。根據(jù)無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)電源的要 求，本文設(shè)計(jì)了兩種供電方案。 （1） 采用堿性電池串聯(lián)，直接給電路

47、供電。 由于無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的工作電壓是 3.3V，所以至少需要 2 節(jié)堿性電池串聯(lián)才能滿足 要求。雖然這種方案成本低，電池電量的轉(zhuǎn)換效率為 100，但是缺點(diǎn)卻是致命。標(biāo)稱 值為 1.5V 的新電池在剛開(kāi)始使用時(shí)電壓能都達(dá)到 1.61.7V，這樣 2 節(jié)電池串聯(lián)能 都得到 3.3V 以上的電壓，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，此時(shí)無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)能夠正常工作，但隨著工 作時(shí)間的增長(zhǎng)，電池電壓的下降，無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)將不能正常工作，而此時(shí)每一節(jié)電池的 電量并沒(méi)有充分利用。另外，標(biāo)稱值為 1.2V 的充電電池就不適合無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的使用 了。 （2）采用 4.5V 電池，通過(guò) LM1117 將其穩(wěn)壓到 3.3V。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，

48、無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)在這種情況下能夠正常工作。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是線性 穩(wěn)壓芯片的價(jià)格便宜，輸出電壓紋波??；缺點(diǎn)是線性穩(wěn)壓芯片的效率很低，其余能量都 轉(zhuǎn)化為熱能，間接地給無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)增加熱噪聲，甚至?xí)?duì)射頻部分產(chǎn)生干擾。另外需 要使用 4.5V 的組合電池，價(jià)格相對(duì)較高，但可靠性好。 通過(guò)對(duì)以上兩種方案的比較，雖然方案一能夠使無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)正常工作，但綜合考 慮其性能都不與方案二， 所以采用方案二來(lái)進(jìn)行無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的電源設(shè)計(jì)， 選用 LM1117 芯片來(lái)降壓。 圖 3.13 LM1117 3.3V 實(shí)物圖 17 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 41 頁(yè) 然后是電容和二極管的

49、選擇，選擇濾波電容的主要依據(jù)是系統(tǒng)對(duì)電源紋波的要求， 濾波電容的等效串電阻（ESR）是造成輸出紋波的主要因素，而且也會(huì)影響到轉(zhuǎn)換效率， 應(yīng)選用低 ESR 的電容。瓷電容和鉭電解電容具有較低的 ESR，也可選用低 ESR 的鋁 電解電容，但應(yīng)盡量避免標(biāo)準(zhǔn)鋁電解電容。容量一般在 10100F，對(duì)于較重的負(fù)載 應(yīng)選取大一點(diǎn)的電容。較大容量的濾波電容有利于改善輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)。 二極管的作用是當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)閉時(shí)，為電感電流提供一條直流通路，故該二極管 有時(shí)稱續(xù)流二極管。續(xù)流二極管要求具有快的反應(yīng)恢復(fù)時(shí)間和低的正向壓降，因?yàn)榉磻?yīng) 恢復(fù)時(shí)間的存在會(huì)引起噪聲，增加二極管本身和功率開(kāi)關(guān)的功耗。二極管正向壓降

50、的大 小直接影響二極管上的損耗的大小， 這里使用了反響恢復(fù)時(shí)間短、 正向壓降低的 IN4007。 經(jīng)過(guò)以上對(duì)電源輸出電壓的濾波處理后，電源輸出端的尖脈沖得到了很好的處理， 將電源輸出端連接到芯片引腳供電端時(shí)再加上去耦和旁路電容，會(huì)得到更加平穩(wěn)的電 源。 2 1 DIANYUAN 3 G N D /A d j J1 +5V Vin VCC Vout 2 C11 22u 圖 3.16 電源電路原理圖 3.5 硬件電路的焊接 對(duì)于整個(gè)無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的調(diào)試和性能測(cè)試是非常關(guān)鍵 的，它關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)能否正常工作。系統(tǒng)調(diào)試包括硬件和軟件兩個(gè)方面，調(diào)試過(guò)程是 反復(fù)進(jìn)行的，在調(diào)試過(guò)程中會(huì)

51、遇到各種問(wèn)題，根據(jù)這些問(wèn)題需要對(duì)系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì) 進(jìn)行修改，這樣邊調(diào)試邊修改最終達(dá)到預(yù)期的效果。 無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的硬件調(diào)試過(guò)程總體可以分為 3 個(gè)步驟： （1）在焊接器件之前，先用萬(wàn)用表等工具，根據(jù)硬件設(shè)計(jì)圖仔細(xì)檢查線路的正確 性， 元件安裝是否符合要求。 特別注意電源系統(tǒng)的檢查， 以防止電源的短路和極性錯(cuò)誤。 （2）器件焊接之后，重新檢查硬件連接情況，檢查是否存在錯(cuò)焊、虛焊等情況， 否則上電后出現(xiàn)短路情況將芯片燒壞。 （3）在硬件沒(méi)有問(wèn)題的前提下就可以進(jìn)行程序的調(diào)試了，調(diào)試時(shí)先部分調(diào)試再整 體調(diào)試，直到程序正常運(yùn)行。 18 1 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共

52、 41 頁(yè) 在焊接時(shí)特別要注意 C8051F310 芯片的焊接，用烙鐵焊接時(shí)要注意對(duì)烙鐵的溫度和 焊接時(shí)間的控制，否則會(huì)出現(xiàn) C8051F310 芯片損毀的情況。C8051F310 芯片的引腳間距 非常小， 這給焊接時(shí)帶來(lái)極大困難， 極易造成虛焊現(xiàn)象， 焊接后要對(duì)每個(gè)引腳仔細(xì)檢查。 4 電路模塊的對(duì)接 通信距離和功耗是無(wú)線通信模塊兩個(gè)重要的性能參數(shù)，根據(jù)本文的設(shè)計(jì)，制作了基 4.1 通信距離的測(cè)試 于 CC1101 的無(wú)線通信模塊，并對(duì)這兩個(gè)重要性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明， 本文制作的無(wú)線通信模塊能夠滿足畢業(yè)設(shè)計(jì)的使用。 （1）通信距離測(cè)試 首先在理論上計(jì)算一下自由空間傳播時(shí)的無(wú)線通信

53、距離，所謂自由空間傳播是指天 線周圍為無(wú)限大真空時(shí)的電波傳播，它是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能 量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度 和工作頻率有關(guān)。 在自由空間下電波傳播的損耗為 L fs (dB) = 32.44 + 20 lg d (km) + 20 lg f (MHZ ) （ .1 4 ） 式中，Lfs是傳輸損耗，d 是傳輸距離，f 是工作頻率。當(dāng)無(wú)線通信模塊的工作頻 率為 433MHz，發(fā)射功率為 0dBm（1mW） ，接收靈敏度為-93dBm（數(shù)據(jù)傳輸率為 250kbps） 時(shí)，計(jì)算在自由空間的傳播距離。 由發(fā)射功率 0dBm，接

54、收靈敏度為-93dBm，則傳輸損耗為 L fs = 0 dBm ? ( ? 93 dBm ) = 93 dB 將 Lfs=93dB， f =433MHz 代入（4.1）式中，得到 93 dB） 32.44 + 20 lg d (km) + 20 lg 433.00( MH Z ) （ = 計(jì)算得出傳輸距離 d =2.4km。 這是理想狀況下的傳輸距離，在實(shí)際應(yīng)用中，由于無(wú)線通信要受到各種外界因素的 影響，如大氣、阻擋物、多徑效應(yīng)等，這些不確定因素造成的損耗會(huì)使得通信距離與理 論計(jì)算的傳輸距離相差很大。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)無(wú)線設(shè)備能達(dá)到的通信距離， 很大程度上和天線的選取有關(guān)。天線的種類比較

55、多，設(shè)計(jì)起來(lái)也比較復(fù)雜。目前市面上 常見(jiàn)的天線有四分之一波長(zhǎng)天線、PCB 環(huán)形天線和彈簧螺旋型天線。四分之一波長(zhǎng)天線 是最簡(jiǎn)單的天線，如果無(wú)線通信模塊的工作頻率為 433MHz，通過(guò)計(jì)算可以得出無(wú)線通 信模塊四分之一波長(zhǎng)天線的長(zhǎng)度大約為 17 厘米左右，這樣的長(zhǎng)度很明顯不適合無(wú)線遙 控開(kāi)關(guān)的使用。PCB 環(huán)形天線的成本較低，但方向性和有效性都不與彈簧螺旋型天線， 如果無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)工作的空間很大，則無(wú)線模塊將不能穩(wěn)定可靠的工作。彈簧螺旋型天 19 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 41 頁(yè) 線在方向性和有效性上能夠很好的滿足無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的要求，不足之處在于彈簧螺旋

56、型 天線的體積較大，需要占用更大的空間，為了減小彈簧螺旋型天線的占用空間，本文選 用不帶有塑膠保護(hù)的彈簧螺旋型天線。對(duì)于無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，天線并不會(huì)裸露在 外面，外面會(huì)有外殼的保護(hù)，這樣在保證通信效果的前提下，節(jié)約了很多空間 。 通過(guò)無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)控制器和無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)接收器來(lái)測(cè)試無(wú)線通信模塊的通信距離。 通過(guò)編寫(xiě)程序使無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)控制器按鍵發(fā)射數(shù)據(jù)，無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)接收器接收到數(shù)據(jù)并 通過(guò)串口調(diào)試助手軟件進(jìn)行顯示，逐步加大發(fā)射距離，直到接收不到數(shù)據(jù)為止。在無(wú)線 通信模塊工作頻率為 433MHz，發(fā)射功率為 0dBm（1mW） ，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kbps 的條件下，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，在室外空

57、曠地帶，本文制作的無(wú)線模塊通信距離在 30 米左 右；在室實(shí)驗(yàn)室，本文制作的無(wú)線模塊通信距離在 20 米左右。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)無(wú)線通 信模塊的通信距離并沒(méi)有到達(dá)理論的傳輸距離，但這樣的效果能基本滿足畢業(yè)設(shè)計(jì)的使 用。在軟件上對(duì) CC1101 進(jìn)行重新配置，增加發(fā)射功率和降低無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率可以得 到更遠(yuǎn)的通信距離。 （2）無(wú)線通信模塊的功耗 對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于 CC1101 的無(wú)線通信模塊進(jìn)行了耗電量測(cè)試，理論耗電量如表 4-1 所示。從表中可以看出，理想狀態(tài)下工作頻率對(duì)接收模式影響不大，對(duì)發(fā)送模式影 響較大，工作頻率越低功耗越低，所以選擇較低的工作頻率能夠降低無(wú)線遙控開(kāi)關(guān)的功 耗。另外，由（3.1

58、）式可知，在發(fā)射功率和接收靈敏度確定時(shí)，傳播距離也和工作頻 率有關(guān)， 工作頻率越低傳播距離越遠(yuǎn)， 所以也應(yīng)該選擇較低的工作頻率。 CC1101 支持 4 種工作頻率，即 315、433、868 和 915MHz，它們都屬于 ISM 頻段，不需要申請(qǐng)。從 功耗和傳輸距離考慮，應(yīng)該選擇 315MHz 或者 433MHz 的工作頻率，但是考慮到工作頻 率對(duì)天線的影響， 工作頻率越低天線越長(zhǎng)， 綜合考慮這三方面的因素， 最后選擇 433MHz 這一工作頻率。 表 4-1 無(wú)線通信模塊理論耗電量 工作頻率（MHz） 發(fā)射功率 （dBm） Tx 理論值（mA） 315 +10 0 433 +10 0 86

59、8 +10 0 915 +10 0 27.0 14.8 28.9 15.5 30.7 16.9 30.7 16.7 Rx 理論值（mA） 14.5 14.5 15.2 15.2 15.1 15.1 15.1 15.1 20 電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 41 頁(yè) 4.2 無(wú)線通信模塊的程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 無(wú)線數(shù)據(jù)通信最重要的是如何保證系統(tǒng)通信的可靠性,減少通信沖突和降低誤碼率 等問(wèn)題，這也正是本文開(kāi)發(fā)無(wú)線反饋系統(tǒng)的關(guān)鍵。 4.2.1 CC1101 的配置方式 CC1101 具有 14 個(gè)命令寄存器（Command Strobe Registers） ，訪問(wèn)這些寄

60、存器將 會(huì) 發(fā) 起 部 狀 態(tài)或 模式 的 改 變； 有 47 個(gè)普 通 8 位 配 置寄 存器 （ Configuration Registers） 配置這些寄存器可以完成系統(tǒng)參數(shù)的選擇； ， 還有 12 個(gè)狀態(tài)寄存器 （Status Registers） ，讀取這些寄存器可以獲得 CC1101 的狀態(tài)信息。CC1101 通過(guò) 4 線 SPI 兼 容接口 （SI,SO,SCLK 和 CSn） 配置， 無(wú)線遙控開(kāi)關(guān) CC1101 的接口方式如圖 3.12 所示， 這個(gè)接口同時(shí)用作寫(xiě)和讀緩存數(shù)據(jù)。SPI 接口是一種同步串行通信接口，CSn 是芯片選 擇管腳，當(dāng)該管腳為低電平時(shí)，SPI 接口可以通