1、题号： E 武汉理工大学第四届电工电子创新设计大赛设计报告题目： 简易无线电遥控系统参赛者： 蔡立维学院班级： 电信 0801联系方式： 15926379844评分标准：项目 满分 得分论文结构完整性 10理论分析与计算 20硬件电路设计与器件选择 45分析及结论 20基本要求创新特色 5总分摘 要近年来，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，
2、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。本系统最终方案暂定用 MC145026/MC145027 实现编码和解码功能，用基于 MC3361 芯片的电路完成接收功能。一、 总体方案构想1无线电遥控发射机2无线电遥控接收机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，同时通过编码电路产生带有地址编码信息和反应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
3、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。二、 方案论证系统的设计需要由两部分组成：一是无线信号编码传输部分，二是无线信号解码控制部分。下面分别从这两个方面阐述方案的设计思想。1、无线信号编码传输部分（1）调制方式的选择 根据要求，对象是 8 个，被控设备用 LED 分别代替，LED 发光表示工作，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
4、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
5、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 75，则在匹配良好条件下天线上的电压峰峰值要小于3.5。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级跟随器，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。MC3361 是美国 MOTOROLA 公司生产的单片窄带调频接收电路，主要应用于语音通讯的无
6、线接收机。片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。主要应用在二次变频的通讯接收设备。2、控制部分控制对象是八盏灯，它们只有两种开关状态：亮或灭。因此将其用数字信号来表示是合理的。八个按键开关对应八种控制状态。采用八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
7、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。因为 MC145026 只能接受四位的并行数据，为了使八位数据信号编码传输，我选用了74HC148 芯片 8-3 编码器的功能，使八路信号变为三路信号，然后再通过用 MC145026 编码后传输，接受后通过 MC145027 解码成三路信号，再通过 3-8 译码器还原成八路信号，实现状态的控制。三、 电路设计与计算1、模拟部分（1）调频发射机 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 1。图 1 遥控发射机
8、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 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 所示。图 2 变容二极管的结电容Cj 为变容二极管的结电容，可
9、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 PPC，可以求得由于此引起的振荡频率的变化为 Fg-PPCFg/2C式子中 CC5Cj/（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
10、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 3 所示：图 3 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。（2）接收机如图所示，接收机的模拟部分可以分为三大模块： 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。 鉴
11、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 MC3361 的典型电路，省略了静噪部分。 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。比较器门限电压由鉴频器输出经过 RC 低通滤波获得，其电压相当于信号中的直流分量电压。此方法有一定的自适应功能，在实际应用中表现出比较强的抗干扰能力。图 4 接收机模拟部分电路图2、数字部分（1）
12、编码部分 如图 5 部分所示，控制开关为八个。八个按键开关对应八种控制状态，再通过74HC148 8-3 编码器编码成三路数据输入，因为经过编码器输出为低电平有效，所以加了个反相器，便于后续的译码过程。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，即接低电平。另四位中低三位为数据输入端。假如MC145026 的地址码是变化的，则可以用一片 MC145026 控制多
13、片 MC145027。图 5 编码部分电路（2）解码部分如图 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 LED 通过 74HC138 芯片 3-8 译码器连接在 MC145027 的数据输出管脚，同时将输出的数据送入 74LS48 芯片，74LS48 芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，用于数码管显示是哪一路的开关状态。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。图 6 解码部分电路四、 系统性能分析1
14、、提高可靠性无线通信的一个关键问题是数据传输的可靠性，这取决于诸多因素，比如频率选择，同频率干扰，传输距离和天线的选择等等。这些在设计无线通信系统时候都必须认真考虑和比较。本系统是一个数字和模拟相结合的系统，无线射频的发射和接收既有模拟电路部分又有数字电路部分。所以系统必须保证一定的可靠性。在适当提高成本的基础上尽量选用高可靠性的元器件。MC145026 和 MC145027 就是为了提高信号传输的可靠性而选用的。数字信号在传输中往往由于各种原因，使得在传送的数据流中产生误码，从而使接收端产生信号失真，不清晰等现象。所以通过信道编码这一环节，对数码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力和抗
15、干扰能力，可极大地避免码流传送中误码的发生。在射频接收机中，为了降低噪声含量，减少波形失真度使用 MC3361 进行鉴频。使得接收机能高比较完整的清晰的接收信号。2、提高抗干扰性一个无线电系统，常见的干扰有:电台干扰、工业干扰、天电干扰和宇宙干扰。电电台干扰是指其他无线电发射设备所产生的干扰。工业干扰是指各种各样的电器设备所产生的。天电干扰是指大气中各种电磁现象所引起的干扰。宇宙干扰是指来自于宇宙间各种天体的辐射。为减少这些千扰，采取了如下措施:选择合适的工作频率，减少由于广播电台对系统造成的干扰。调制方式选用抗干扰强的 FSK 调制方式。用地线把数字区和模拟区隔离，数字地和模拟地要分离，最后
16、并接到电源地。对于芯片闲置的引脚，在不影响系统的逻辑功能的情况下接地或接电源。布线时，电源线和地线尽量粗。这样不但有利于减少压降，更重要是的是降低耦合噪声。还应尽量减少回路环的面积，以减少感应噪声。避免 90 度折线，减少高频噪声发射。3、系统可实现性系统模块明确，LED 开关状态与开关控制一一对应，数码管显示对应哪一路的开关状态，小灯泡亮度等级与开关控制一致。系统采用 FSK 调制方式；传输距离满足要求，能在不同的房间进行遥控测试。但是发射和接收电路因元件限制，以上涉及的方案未能全部完成仿真。五、 其他方案简单介绍发射端发射部分方框图接受端译码七段显示译码接受部分方框图1、压控振荡器电路(V
17、CO)（1）VCO 主要由压控振荡器芯片 MC1648、变容二极管 V149 以及 LC 并联谐振回路构成。电源采用+5V 的电压。MC1648 需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路,电容采用一对串联变容二极管,背靠背与电感相连,调节加在变容二极管上的电压值,使 VCO 的输出频率稳定在 8MHz。在工作频率时,为达到最佳工作性能,要求 LC 并联谐振回路的QL100。VCO 产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关。变容二极管的 CVD 的大小受所加偏置电压 U 控制。对于 fc=8MHz,CVD=20pF,利用公式计算可得 L 值。MC1648压控振荡器开关编码器 高速分频器锁相
18、环环路滤波器功率放大阻抗匹配接受机高频放大器解调器 解码器LED 显示七段数码管显示引脚端 3 为缓冲输出,一路供锁项环,一路经功率放大后输出。该芯片的引脚端 5 是自动增益控制电路(AGC)的反馈端,由于本设计的频率固定在 8MHz,且其反馈幅度不大,因此引脚端 5 经电容接地。(2)采用由晶体管 9018 及变容二极管和电感组成的西勒振荡器电路，振荡信号通过电容耦合到射极跟随器，然后送往功率放大器，这种电路的特点是：振荡频率由 C3、C4 决定，但反馈系数由 C1、C2 决定，解决了基本三点式振荡设计中存在的改变振荡频率必改变反馈系数的矛盾。综合考虑稳幅输出和调谐方便，电路选用变容二极管取
19、代 C4 实现系统的核心模块。此方案有闭环控制幅值功能，电路简易，控制较方便。2、锁相环电路VCO 的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度外界电磁干扰等因素的影响,往往是不够稳定的。因此可以加入自相位控制环节,即锁相环,来稳定发射频率。发射频率经反馈,与晶振产生的标准信号做比较,在锁相环的跟踪下,发射频率始终向标准信号逼近,最终被锁定在标准频率上,达到与参考晶振同样的稳定度。方案一：锁相环电路采用 MC145152 芯片,MC145152 芯片集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于一体,分频器的分频系数可由并行输入的数据控制。参考晶振接入 MC145152 的OSCin、OSCout 引脚
20、端,芯片内部的R 参考分频器提供 8 种不同的分频系数,对参考信号进行分频。R 值由其引脚端 RA0、RA1 和 RA2 设定,RA0RA1RA2 设定范围为 000111,对应的分频系数为 82048。本设计中,参考晶振为 10.24MHz,所以取 RA0RA1RA2=101 时,即R=1024,对参考晶振频率进行 1024 分频。为使分频系数连续可调,可编程分频电路采用是吞咽脉冲计数器,由 ECL 的高速分频器 MC12022 及 MC145152 内部的A 减法计数器,N减法计数构成。 采用的鉴相器集成在 MC145152 中,是一种新型数字式鉴频/鉴相集成电路,具有鉴频和鉴相功能,不需
21、要辅助捕捉电路就能实现宽带捕捉和保持。方案二：数字电压合成方式。由单片机系统通过 D/A 将需要频率对应的控制电压加在变容二极管上，改变回路电容值，改变输出频率。由于是开环调节，且变容二极管 CV特性的非线性，使输出频率难以精确控制。 方案三：采用集成度更高的专用锁相集成芯片BU2614。BU2614 是用在数字调谐收音机中的锁相集成芯片。其内部集成了前置分频、可变程序分频器、参考分频器和鉴相器。工作频率范围 10130MHz 频率步进为 1kHz，满足本系统的需求，电路较简单，控制方便。 3、编码解码电路 方案一： 采用 MC145026/MC145027 编码解码芯片，MC15026 具有
22、五位地址编码和四位数据输入，能将并行输入的数据转换成串行数字编码信号输出；MC145027 是与MC145026 配套的解码器，将接受到的串行数据转换为并行输出数据信号。是一种低压CMOS 编译码器件,具有较强的抗干扰能力,广泛应用于遥控遥测电路。方案二：编码电路采用具有地址和数据编码功能的编码芯片 PT2262,PT2262 输出的编码信号由地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字。PT2262 发射芯片地址编码输入有“1” 、 “0”和“开路”三种状态,数据输入有“1”和“0”两种状态,用加入到各引脚端的不同状态,来确定相应地址和数据的编码,从输出端 Dout 输出。数据位(D0D5)由单
23、片机引脚端(P20P25)预置,同时 6 个地址码也由单片机引脚端(P00P05)预置。 方案二功能较强大，但本系统用方案一足够实现，综合考虑到功能可否实现性和资源利用充分性，选用方案一。4、调制解调电路（1）用变容二极管和 MC1648 实现调制，编码信号通过 VCO 电路中的变容二极管上进行调制后发射出去。通过改变引脚端 15(OSC1)和 16(OSC2)之间所接的电阻值,可改变输出频率。解调电路由解调芯片 MC3371 构成，片内由振荡电路、混频电路、积分鉴频器、滤波器等构成。（2）由 XR2206/XR2211 构成调制解调电路，XR2206/XR2211 是一组 FSK 调制解调芯
24、片，其价格低,性能稳定,调制电平与 TTL 兼容，适合于远距离而又不宜有线传输的点对点的数据通信中使用。用它制作的调制解调器应用。六、 总结本系统设计的最初要求是，通过按键操作，能够实现近距离上的八路控制。被控设备用 LED 分别代替，LED 发光表示被控对象工作。经过以上讨论，本系统基本能够实现这些功能，在发射机与接收机相距 1020 米的范围内可以进行可靠控制。但是任何一个项目都不是十全十美的，本系统设计时只是出于一种简易的遥控系统设计的思想出发，所以该项目也可以进一步完善。由于在系统开始设计时就考虑了系统以后的扩展问题，因而可以从以下几个方面进行改进：1、进一步降低接收器的静态功耗，进一步降低接收器的静态功耗。2、增加遥控距离。由于稳定的遥控距离只有在 20 米之内，依然比较短，所以在保证接受灵敏度和满足用户实际操作的基础上，进一步增加遥控距离。3、可以把用 LED 代替的被控对象换成其他元件，比如电扇之类的，并稍微对电路图进行改进，以适应实用的功能。4、可以对 MC145026 编码器输入端采用动态地址码输入，以适应更高性能更复杂的系统需要。附录 部分仿真效果图图 1 部分原理图图 2 编码与解码仿真部分
