无线电源控制系统.doc

扬州市职业大学扬 州 市 职 业 大 学毕 业 设 计（论 文）设计（论文）题目：无线电源控制系统 系 别：电子工程系 专 业：应用电子技术 班 级：07应用电子（3）班 姓 名：张 鹏 鹏 学 号：0604040237 指导老师: 蒋亚平 沈梅梅 完成时间：09年5月目 录摘要与关键字 3第一章 方案概述 41.1 课题简介41.2 设计任务4 1.2.1 无线发送与接收设备的主要设计目标 4 1.2.2 无线电源控制系统的基本设计思想 4 1.2.3 总体方案设计4第二章 本课题研究的相关理论与应用分析 62.1 无线电波的基础理论与分析72.2 数字信号的码型和调制传输92.3 天线的理论与设计分析10第三章 硬件电路的设计 113.1 无线发射电路 113.1.1 编码电路113.1.2 无线发射模块133.2 无线接收电路 13 3.2.1 接收电路14 3.2.2 双差分同步检波电路原理及分析15 3.2.3 解码电路16 3.2.4 固态继电器的工作原理与参数17第四章软件系统的设计194.1 无线发射的流程图与程序19 4.2 无线接收的流程图与程序24第五章 小结 32 心得体会 32 参考文献 33附录：元件清单33无线电源控制系统摘要本课题主要是围绕无线遥控发射接收系统的相关的理论和实践应用进行了研究。以模拟学校机房的电源管理系统作为研究，教师机通过RS-232C接口与单片机连接，由操作界面传输开关机代码至单片机。经过单片机编码后，由发射电路通过ASK调制方式经垂直接地天线发射出去，再由学生机遥控电源插座装置的接收电路接收并译码。单片机识别代码后控制固态继电器执行相应的开关机动作。在这里，主要围绕AT89C2051单片机研究，发射模块是由声表面滤波器SWAF和BG2构成振荡器组成，接收模块由TDQ-3高频调谐器和双差分同步检波电路组成。为了增加可靠性，应用了目前市场上比较流行的固态继电器SSR。需要说明的是，本机房电源管理系统在实际生活中需求不是很多，我们的目的是以此为研究来进行应用扩展。因为本无线多路遥控发射、接收系统通过空间传播，实现对远处受控设备的控制，受控对象很广泛也很实用，例如对工业、医疗、家用电器等设备的工作状态的无线遥控。关键词无线传输 软件编译码 固态继电器 AT89C2051单片机第一章 方案概述1.1 课题简介在电子技术日益发展的今天，无线遥控技术的出现，不仅大大提高了劳动生产率，降低了成本，而且减轻人们的劳动强度，改善了劳动条件。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、智能小区、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。从工程的整体美观度来讲，后者也优于前者。研究的意义和目的通过设计无线电遥控器，让我们能够巩固，充实，加深，扩大所学基本理论和专业知识。并且通过对无线发送和接收装置的研制，进一步掌握无线遥控技术，提高解决实际工程问题的能力。1.2 设计任务设计并制作一个用无线方式集中控制其电源开关的管理系统。1.2.1 无线发送与接收设备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.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能要求达到60个。1.2.2 无线电源控制系统的基本设计思想教师机通过串行口用RS-232C方式连接调制发射机和IC卡读卡器，实现电源开关控制信号的发射和IC卡的读取。并通过机房IC卡管理系统实现学 生持卡上机和定时上机等功能。 学生机电源开关的控制是通过遥控电源插座实现的。遥控电源插座的供电和断电是受调制发射机所发射的开关控制信号的控制。 当调制发射机发射的是开机代码时，遥控电源插座先通过解调电路解调出代码，再通过单片机识别此代码，若符合开机代码的要求，则使电源插座供电；同理，当调制发射机发射的是关机代码时，遥控电源插座先通过解调电路解调出代码，再通过单片机识别此代码，若符合关机代码的要求，则使电源插座断电。而这一切的控制，全由教师机主控。1.2.3 总体设计方案 1. 方案选择 本设计是基于单片机对无线控制系统的研究，实际应用中应采用专门的编译码芯片，配合相应的发射与接收电路。实现无线方式控制工业生产等功能。用硬件来实现编码和译码功能与用软件相比，有很大的优越性。但正如我前面所提到的，本系统的研究是为了进一步扩展到实际生活应用中，是以此为实验。所以在设计方案选择上，综合了老师和同组同学的意见，围绕AT89SC2051单片机为中心，采用软件编译码。没有选择目前市场比较流行的一些编译码芯片，比如NRF401等。另外，选择调幅方式发射也是为了简化系统的复杂度。主要目的也是想通过此次毕业设计，能够学到更多东西，提高自己分析问题的能力，比如单片机的应用和编程上的一些技巧等。具体设计方案思想和框图下面详细介绍。2. 设计方案框图主机AT89C2051单片机调制模块发射模块接收模块AT89C2051单片机继电器控制电源开关由教师通过界面控制串行口RS-232C串行通信程序 串行通信程序（编码程序）自定义用户码，开关机代码基于2ASK调制方式（经调制后的代码）采用垂直接地天线声表面滤波器SWAF和BG2构成振荡器组成发射频率433.92MHzTDQ-3高频调谐器和双差分同步检波电路组成（解调、整形后的代码）译码驱动电路固态继电器SSR控制电源通断（译码程序）3 . 教师机发射部分设计 无线电源控制系统要求调制发射机和遥控电源插座之间进行无线数字通信，根据无线电管理的规定和电磁波传播规律的分析，采用0.7m频段(430-440MHz)的业余波段，此频段适用于短距离通信，干扰小，具体频率可选择市场上可购买到发射模块的433.92 MHz，以简化电路的设计。 系统的发射电路包括编码电路、无线发射模块（主要由声表面滤波器SWAF和BG2构成）和天线。PC机由串行口输出的数据经MAX232C电平转换后送给单片机AT89C2051，单片机组成编码电路，编码由软件实现自定义编码并送到发射模块。4学生机无线遥控电源插座设计 学生机遥控电源插座部分由接收电路，解码电路和驱动电路组成，接收电路由垂直接地天线、高频调谐器（TDQ-3高频调谐器）和目前使用比较成熟的中频放大、同步检波电路（双差分型）组成，将接收到的无线信号解调出数字信号并送入单片机AT89C2051进行解码，根据解码结果经驱动电路、光电耦合电路，通过固态继电器对电源开关进行控制。5软件系统的设计 软件系统主要由教师机发射部分软件和学生机电源插座软件部分组成。在编写程序时需要想到很多问题，是采用单工还是双工工作方式。首先想到的是双工，但构思程序时由于是无线传输感到有些困难，最后还是选择了单工方式。发射部分功能主要是接收PC机的串行数据，将其转换为自定义的包含地址位和开关机代码的编码信号，从发射模块发射出去。接收部分的主要实现接收自定义的编码信号，判断是否为本机地址及开关控制信号，从而控制固态继电器动作。 第二章 本课题研究的相关背景理论与分析2.1 无线电波的基础理论与分析本设计涉及电磁波接受与发射的问题，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，必须选用适合的业余频率，以便可靠地传输信号。国际无线电委员会规定的业余频率的范围有：1.80MHz2.00MHz, 3.50MHz3.90MHz, 7.00MHz7.10MHz, 14.00MHz14.35MHz, 21.00MHz21.45MHz, 28.00MHz29.70MHz, 50.00MHz54.00MHz, 144.00MHz148.00MHz, 430.00MHz440.00MHz, 1260.00MHz1300.00MHz。特别在430.00MHz440.00MHz，是无线电活动中使用最频繁的频段。 2.1.1 无线电波的产生电磁场是由于电荷的运动产生的，直流电流产生恒定的电磁场，这类电磁场相对于时间来说是不发生变化的，因而它不能向外辐射电磁波。交变电流则产生交变磁场，他可以脱离振源向外界辐射传播，这种传播具有波的性质，这就是电磁波，通常称为无线电波。在不考虑瞬变的情况下，无线电波的变化规律与激励出这种无线电波的电流或电压变化规律是完全相同的。 2.1.2 无线电波传播方式对比与本设计的选择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（见图1），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，传播距离就越远。电磁波的频率越高，越倾向于以直射波传播。二是地面波（见图2），电磁波贴着地表面传播。地面波传播只受地面电性能和地面的影响，因此，地面波传输最稳定可靠，受太阳、昼夜和四季等变化影响很少。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（见图3），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。 图1 直射波传输图3 反射波传输图2 地面波传播 由于电离层在离地面80500km的高空中，电磁波经过反射能传播到很远的距离，例如经过电离层一次反射可达4000km，两次反射就能够达到8000km，所以，通过电离层的反射可实现全球通信。电离层是由太阳放射的高能辐射（主要是紫外线）使地球上空的空气电离而形成的，经过电离层反射的短波传播的特点是通信距离远，可用简单的设备和天线，以很小的功率进行全球的通信。缺点是信号传播不稳定，有衰落现象，受太阳的活动、昼夜和四季等的变化影响很大，信道的干扰噪音很大。本系统要求传播距离较短（50m），所以采用直射波传输。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。从以上对无线电波的传播规律的比较分析可知，本系统最好选择0.7m频段（430.00MHz440.00MHz）。因为这段频率最好作为短距离通信，干扰又小，天线短而且容易制作。具体频率为433.92MHz。市面上已有相对应的现成的发射模块，省去高频设计的难题，给电路设计带来了极大的方便。2.2 数字信号的码型和调制传输无线电源控制系统要求调制发射机和遥控电源插座之间进行无线数字通信，所以除了选用合适的发射频率之外，还要设计合理的码型和选择合适的调制方式。V2.2.1 数字信号的码型设计原则数字信号是数字信息的电脉冲表示，电脉冲的形式称为码型。通常把数字信息的电脉冲表示过程称为码型编码或码型变换，在有线信道中传输的数字信号又称为线路传输码型。200t(us)400600800100005V（起始位）不同的码型具有不同的频率特性，合理的设计码型使之适合于给定信道的传输特性。对于码型的选择，通常要考虑以下因素：(us)200t400600800100005V（00）l 对于传输频带低端受限的信道，线路传输码型的频谱中应不含有直流分量。l 信号的抗干扰能力。产生误码时，在译码中产生的误码扩散或误码增值越小越好。200t400600800100005（01）(us)l 便于从信号中提取位定时信息。l 尽量减少信号频谱中的高频分量，以节省传输频带并减少串扰。l 编译码的设备应尽量简单。V200t400600800100005（10）(us)数字信号的码型种类很多，并不是所有的码型都能满足要求，往往是根据实际需要进行选择。本系统根据编译码的方便和抗干扰性考虑，选用单极性归零码，码型定义如图4所示。起始位：600us高电平+200us低电平； 00码：200us高电平+200us低电平；200t400600800100005（11）(us)V 01码：200us高电平+400us低电平； 10码: 400us高电平+200us低电平； 11码：400us高电平+400us低电平。 图4 码型定义2.2.2 数字信号的调制传输数字信号的频谱从零频开始而且集中在低频段，因此只适合于在低通型信道中传输。但常见的实际信道是带通型的。为了使数字信息在带通信道中传输，必须用数字基带信号进行调制，使基带信号的功率搬移到较高的载波频率上。这种调制称为数字调制，相应的传输方式称为数字信号的调制传输。数字调制称为“键控”，数字调制有三种基本方式为幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）和相位键控（PSK）.数字调制最简单的情况是二进制调制，即调制信号是二进制信号。在二进制数字调制中，载波的幅度、频率或相位只有两种变化状态。本系统采用二进制幅度键控（2ASK）。在幅度键控中载波幅度随着调制信号的变化而变化，也就是载波的幅度随着数字信号1和0在两个电平之间转换。二进制幅度键控中最简单的形式称为通断键控（OOK）,即载波在数字信号1或0的控制下通或断。 2.2.3 天线的理论与设计分析 天线的好坏直接影响无线电通信系统的收发效果和通信距离。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，更加要求合理的选用适当的天线以达到更好的通信效果。天线，是电磁波的换能器件，用以发射和接收电磁波。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。高频电流流过任何导体时，导体内部的电子随着高频电流振动，在导体外面空间会感应激发电波。天线也把在空间的电磁波通过感应转换成高频电流，因此，可以说天线是收发互逆的。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。由于电子和磁子振动产生交变电场和磁场，交流的电场和磁场相互转换，形成电磁波以光速向外辐射。理论上使电子和磁子做高频振动均能产生同样的电磁波，但由于电路里本身就是流动着高频电流，因此我们常用的是电天线即使电子做高频振动产生电磁波。为了使天线的辐射提高，必须使流过天线导体的高频电流尽量的强，我们知道当电路处于谐振状态时，电路上的电流最大，因此，若使天线处于谐振状态，则天线的辐射最强。由传输线理论可知，当导体长度为1/4波长的整数倍时，该导体在该波长的频率上呈谐振特性。由于1/2波长的振子比1/4波长的振子长，所以1/2波长振子的辐射比1/4波长振子强，但振子超过1/2波长虽然辐射继续加强，但由于超过1/2波长部分的辐射是反相位而对辐射有抵消作用，因此，总的辐射效果反而被打折扣，所以，通常的天线都采用1/4波长或1/2波长的振子长度单位。电波在真空中传播的速度是约每秒30万千米的光速。但在不同的介质中有不同的传播速度，波长也不同。电磁波在传播时其电场或磁场的方向是有固定规律的，称为电波的极化，是以电场分量的方向命名的。电波的电场和地面垂直，称为垂直极化波；电波的电场与地面平行，称为水平极化波。电波得极化是由发射天线决定的，因此天线按其辐射电波的极化分为水平极化和垂直极化天线，根据天线收发互逆，接收时天线也必须采用于发射同种极化的天线才能有最好的接收效果。天线的重要指标有下几项：（1） 辐射效率 输入到天线系统的功率，在天线系统中由于地热损耗、介质损耗等消耗掉一部分，而不能全部变为电磁波辐射。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。为了提高天线的辐射效率，就要尽量增大辐射电阻和减小损耗电阻。同时，发射频率越低，天线的辐射效率也越低，换句话说，就是信号的频率越低，越难以辐射。这也是为什么高频电路特别需要注意屏蔽和隔离的原因。 （2） 特性阻抗 把一定频率的高频功率信号馈入到天线的输入端，天线就会呈现出一定的电阻和电抗，称为天线的特性阻抗。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、周围环境的影响等多种因素有关。若天线系统的特性阻抗与传输系统的特性阻抗相同，就称为阻抗匹配，这是天线系统的辐射电阻和损耗电阻正好吸收了传输系统馈送的全部功率。而如果天线系统与传输系统的特性阻抗有差异，系统就不匹配，造成电波从天线系统反射会传输系统，这部分反射的电波信号由于来回反射被损耗掉，没有被天线系统辐射出去，无形中使实际馈送到天线系统的高频功率信号减少，造成传输效率下降。由于一般收发信机和高频同轴电缆的特性阻抗约为50欧，所以，通常应努力使天线的特性阻抗也为50欧，只有这样，才能使整个收发系统的传输效率最高。（3） 天线增益 把天线的辐射向某个方向集中，在这个方向上天线所产生的场强将会增大，也就是说天线具有增益。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不同，一般是以无方向天线的辐射场强为基准。理论上可以把天线的全部辐射都集中到远处的一点上，但实际上要实现它需要极其庞大复杂的天线系统，而这时天线内部的相互影响和产生的损耗会抵消掉天线产生的增益，因此实际上天线增益增加到一定程度就很难提高，最多只有几十分贝。用天线辐射方向图可以比较形象地表现天线辐射情况，如下图所示图5天线辐射方向图总的来说，一个好的天线系统，首先是天线系统本身的辐射效率高，损耗要小，其次是要能与传输系统匹配，使整个收发系统的传输效率达到最高，再次就是能尽量地使所辐射的能量集中到所需的地方，抑制不必要的辐射。所以本系统的发射和接受天线采用垂直接地天线，这种天线简单易制，成本低。天线长度的计算公式如下 =7312/f 其中，是天线的长度，单位为cm f 是工作频率，单位是MHz。 若发射接收频率为433.92MHz, 则天线的长度是16.4cm；若发射接收频率为315MHz，则天线的长度是22.6cm。 第三章 硬件电路原理分析 3.1 无线发射电路本系统的发射电路包括编码电路和无线发射模块，下面分别介绍其电路结构和工作原理。3.1.1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。电路如图6所示。图6 编码电路此电路中，编码是由单片机里面的程序实现的。单片机AT89C2051片内有 2KB的Flash程序存储器。MAX813L是看门狗（WDT）集成电路，当电源电压低于复位门限电压4.65V时，WDO输出低电平，使单片机复位。一些看门狗芯片的内部结构都很相似，这里就不做详细介绍了。发射模块的电源是+12V,所以要求输入的数字调制电信号的电压是0V和12V。MAX232芯片是Maxim公司生产的、包含两路接收器和驱动器的RS-232电平转换芯片，适用于各种232通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成RS-232C输出电平所需的10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。对于没有12V电源的场合，其适用性更强。又因其价格适中，硬件接口简单，被广泛采用。所以在设计中选用了此方案。 图7 MAX232C芯片的结构和原理图图7中上半部分电容C1、C2、C3、C4以及V+和V-是电源变换部分。在实际应用中，器件对电源噪声很敏感。因此，VCC需要对地加去耦电容C5，其值为0.1uF。电容C1、C2、C3、C4都选用钽电容，电容值为1.0uF(耐压值高于16V)，可以提高抗干扰能力。连接时电容必须尽量靠近器件，注意极性。下半部分为发送和接收部分。实际应用中，T1IN、T2IN和R1OUT、R2OUT可分别连接TTL/CMOS电平的51单片机串行发送端TXD和接收端RXD；T1OUT、T2OUT和R1IN、R2IN分别连接至RS-232电平的PC串行接收端和发送端。从计算机串行口输出的数据经MAX232C电平转换后送给单片机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。AT89C2051提供以下标准功能：2K字节Flsah闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及终端系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。P1口：P1口是一组8位双向I/O口，P1.2P1.7提供内部上拉电阻，P1.0和P1.1内部无上拉电阻，主要是考虑它们分别是内部精密比较器的同相输入端(AIN0)和反相输入端(AIN1)，如果需要在外部接上拉电阻。P1口输出端缓冲器可吸收20mA电流并可直接驱动LED。当P1口引脚写入“1”时可作输入端，当引脚P1.2P1.7用作输入并被外部拉低时，它们将因内部的上拉电阻而输出电流(Iu)。P1口还在Flash闪速编程及程序校验时接收代码数据。 P3口：P3口的P3.0P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O口。P3.6没有引出，它作为一个通用I/O口但不可访问，但可作为固定输入片内比较器的输出信号，P3口缓冲器可吸收20mA电流。当P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入口。另外，和AT89C51等单片机一样，此单片机的P3口也具有同样的第二功能。比如串行输入输出口，外部中断等，这里就不再赘述了。3.1.2 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8所示。主要由声表面波滤波器SAWF和BG2构成振荡器。已调波通过电容C1耦合至发射天线发射出去。图8 发射模块电路3.2 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。3.2.1 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9所示。图9 接收电路TDQ-3型高频调谐器接收频率范围为47MHz870MHz。本系统所要求接收的频率433.92MHz在这个范围内。高频调谐器也称为高频头。它的功能是从天线送来的信号中调谐选择出欲接收的信号。进行调谐放大后使它与本振电路产生的载波相混频，输出38MHz的中频信号。高频调谐器是利用电压实现波段切换和频道调谐的。它是独立装置在金属屏蔽盒里，由引脚与外电路连接。DIP3用以改变波段。调谐电压从BT端输入。TA7680中频系统的功能包括：中放、检波、中放自动增益控制（AGC）高放AGC和自动频率微调（AFT）等。此集成电路采用双列直插式塑料封装结构，带有24个引出脚。另外芯片还具有中频放大增益高、频带宽、信杂比高等特点。对本系统有用的引出脚功能见下表：序号功能4系统地端5中频AGC定时电容6接中放直流负反馈滤波电容7中频信号输入8中频信号输入9接中放直流负反馈滤波电容10高放AGC延迟调节11负向高放AGC电压输出12中频系统接地端13自动频率微调（AFT）输出14自动频率微调（AFT）输出15解调输出16AFT移相电路17中频调谐电路18中频调谐电路19AFT移相电路20电源正端TA7680引脚功能TA7680集成电路的工作原理：从高频调谐器输出的中频信号经电容C2耦合至预中频放大电路，预中放由R2、R3、R4、R6、L2和BG1组成，R6为阻尼电阻，作用是降低回路品质因数，展宽频带。L3和R1的作用是实现阻抗匹配。SAWF是声表面滤波器，以滤除干扰信号。RP1是高放AGC延迟量调节电位器。解调出的数字信号从TA7680的15脚输出。3.2.2 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。电路如图10所示。图10 同步检波原理图它由一对双差分电路组成：BG1、BG2、BG3、BG5与BG3、BG4、BG6两个差分放大电路的特性相同。从限幅放大器送来的两路频率相同相位相反的等幅开关信号分别加到BG1、BG4和BG2、BG3的基极，这样可把BG1、BG2和BG3、BG4看成一个双刀双掷的电子开关，经限幅的等幅中频信号便是开关电压。当中频信号处于正半周时，设此时输入到BG1、BG4上的开关信号也处于正半周并是它们导通，则加到BG2、BG3上的开关信号处于负半周并使它们截止。加在BG5基极的中频信号为正半周，加在BG6基极的中频信号为负半周，在BG4的集电极B点输出正半周信号电压。当中频信号处于负半周时，作用在BG5的信号为负半周，作用在BG6的信号相当于正半周，此时开关信号也倒相，使BG1、BG4截止，BG2、BG3导通。BG5输入为负半周，经倒相放大，在BG2集电极B点输出正半周信号电压；而BG6输入为正半周，经倒相放大，在BG3集电极A点输出负半周信号电压。在信号的整个周期中，不管在正、负半周都会在输出端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的包络，在B点检出中频信号的正半周的包络。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。此外，BG5、BG6是处于放大状态，对信号有放大作用。3.2.3 解码电路解码电路如图2.21所示。由TA7680解调出的数字信号，经IC1和IC2整形，送给单片机AT89C2051。IC1是采用集成运算放大器LM741（国内为F007）。此处是作为电压比较器，由于LM741的带宽较窄，所以它同时可以起到低通滤波器的作用，以滤除高频信号的干扰。IC2也是电压比较器。LM741的引脚排列如图2.22所示。图11 解码电路图 调零端反相输入端同相输入端负电源空脚正电源输出端调零端图12 LM741引脚图在图11中，电容C1和电阻R10构成AT89C2051的复位电路。DIP8是地址编码开关。整形电路送来的数字信号由AT89C2051的6脚输入，在内部进行软件解码。此外，AT89C2051的P1.0和P1.1内部没有上拉电阻，所以需要外接R8和R9作上拉电阻。图中省略了看门狗电路。3.2.4 固态继电器的工作原理与参数无线电源控制系统主要通过继电器控制电源的开关，从可靠性方面考虑，我们选用目前市场上流行的SSR固体继电器。用驱动电路来驱动SSR工作。固态继电器(SOLIDSTATE RELAYS)，简写成“SSR”，是一种全部由固态电子元件组成的新型无触点开关器件，它利用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器件)的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的，因此又被称为“无触点开关”，它问世于70年代，由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广范的应用。1. 固态继电器的原理及结构SSR按使用场合可以分成交流型和直流型两大类，它们分别在交流或直流电源上做负载的开关，不能混用。图13下面以交流型的SSR为例来说明它的工作原理，图13是它的工作原理框图，图中的部件-构成交流SSR的主体，从整体上看，SSR只有两个输入端(A和B)及两个输出端(C和D)，是一种四端器件。工作时只要在A、B上加上一定的控制信号，就可以控制C、D两端之间的“通”和“断”，实现“开关”的功能，其中耦合电路的功能是为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开SSR中输入端和输出端之间的(电)联系， 以防止输出端对输入端的影响，耦合电路用的元件是“光耦合器”，它动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高；由于输入端的负载是发光二极管，这使SSR的输入端很容易做到与输入信号电平相匹配，在使用可直接与计算机输出接口相接，即受“1”与“0”的逻辑电平控制。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰并以高次谐波或尖峰等污染电网，为此特设“过零控制电路”。所谓“过零”是指，当加入控制信号，交流电压过零时，SSR即为通态；而当断开控制信号后，SSR要等待交流电的正半周与负半周的交界点(零电位)时，SSR才为断态。这种设计能防止高次谐波的干扰和对电网的污染。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌(电压)对开关器件双向可控硅管的冲击和干扰(甚至误动作)而设计的，一般是用“R-C”串联吸收电路或非线性电阻(压敏电阻器)。2. 固态继电器的特点SSR成功地实现了弱信号(Vsr)对强电(输出端负载电压)的控制。由于光耦合器的应用，使控制信号所需的功率极低(约十余毫瓦就可正常工作)，而且Vsr所需的工作电平与TTL、HTL、CMOS等常用集成电路兼容，可以实现直接联接。这使SSR在数控和自控设备等方面得到广泛应用。在相当程度上可取代传统的“线圈簧片触点式”继电器(简称“MER”)。SSR由于是全固态电子元件组成，与MER相比，它没有任何可动的机械部件，工作中也没有任何机械动作；SSR由电路的工作状态变换实现“通”和“断”的开关功能，没有电接触点，所以它有一系列MER不具备的优点，即工作高可靠、长寿命(有资料表明SSR的开关次数可达108-109次，比一般MER的106高几百倍)；无动作噪声；耐振耐机械冲击；安装位置无限制；很容易用绝缘防水材料灌封做成全密封形式，而且具有良好的防潮防霉防腐性能；在防爆和防止臭氧污染方面的性能也极佳。这些特点使SSR可在军事(如飞行器、火炮、舰船、车载武器系统)、化工、井下采煤和各种工业民用电控设备的应用中大显身手，具有超越MER的技术优势。3. 主要参数与选用功率固态继电器的特性参数包括输入和输出参数，下面以北京科通继电器总厂生产的GX-10F继电器为例，列出输入、输出参数，详见上表，根据输入电压参数值大小，可确定工作电压大小。如采用TTL或CMOS等逻辑电平控制时，最好采用有足够带载能力的低电平驱动，并尽可能使“0”电平低于0.8 V。如在噪声很强的环境下工作，不能选用通、断电压值相差小的产品，必需选用通、断电压值相差大的产品，(如选接通电压为8 V或12 V的产品)这样不会因噪声干扰而造成控制失灵 。输出参数的项目较多，现对主要几个参数说明如下：（1）额定输入电压它是指定条件下能承受的稳态阻性负载的最大允许电压有效值。如果受控负载是非稳态或非阻性的，必需考虑所选产品是否能承受工作状态或条件变化时(冷热转换、静动转换、感应电势、瞬态峰值电压、变化周期等) 所产生的最大合成电压。例如负载为感性时，所选额定输出电压必须大于两倍电源电压值，而且所选产品的阻断(击穿)电压应高于负载电源电压峰值的两倍。如在电源电压为交流220V、一般的小功率非阻性负载的情况下，建议选用额定电压为400V600V的SSR产品；但对于频繁启动的单相或三相电机负载，建议选用额定电压为660V800V的SSR产品。（2）额定输出电流和浪涌电流额定输出电流是指在给定条件下(环境温度、额定电压、功率因素、有无散热器等)所能承受的电流最大的有效值。一般生产厂家都提供热降额曲线。如周围温度上升，应按曲线作降额使用。浪涌电流是指在给定条件下(室温、额定电压、额定电流和持续的时间等)不会造成永久性损坏所允许的最大非重复性峰值电流。交流继电器的浪涌电流为额定电流的5-10倍(一个周期)，直流产品为额定电流的1.5-5倍(一秒)。在选用时，如负载为稳态阻性，SSR可全额或降额10%使用。对于电加热器、接触器等，初始接通瞬间出现的浪涌电流可达3倍的稳态电流，因此，SSR降额20%-30%使用。对于白织灯类负载，SSR应按降额50%使用，并且还应加上适当的保护电路。对于变压器负载，所选产品的额定电流必须高于负载工作电流的两倍。对于负载为感应电机，所选SSR的额定电流值应为电机运转电流的24倍，SSR的浪涌电流值应为额定电流的10倍。由前述可以看到SSR的性能与电磁式继电器相比有着很多的优越性，特别易于实现计算机的编程控制，因此使得控制的实现更加方便、灵活。但它也存在一些弱点，如：导通电阻(几几十)、通态压降(小于2 V)、断态漏电流(510mA)等的存在，易发热损坏；截止时存在漏电阻，不能使电路完全分开；易受温度和辐射的影响，稳定性差；灵敏度高，易产生误动作；在需要联锁、互锁的控制电路中，保护电路的增设，使得成本上升、体积增大。因此，对于SSR具有的独特性能，必须正确的理解和谨慎使用，方能发挥其独特的性能，并确保SSR无故障的工作。总之，在控制电源时还是选择固态继电器。几种国内、外常见的SSR的外形： 第四章 软件系统的设计4.1 软件组成及结构4.1.1 无线发射的流程图与程序开始系统初始化喂看门狗数据编码Y发射数据教师机是否有数据发送接收数据是否成功YNN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，同时还要负责给看门狗加喂狗信号。 教师机用PC与发射机的通信协议和程序如下：l 基本协议: 起始位接收不成功时回发EFH；l 起始位:600us高电平+200us低电平； l 00: 200us高电平+200us低电平 ；l 01: 200us高电平+400us低电平 ； l 10: 400us高电平+200us低电平 ；l 11: 400us高电平+400us低电平 ；l 代码01表示电源断开，代码10表示电源接通l 0AAH表示起始码 发射程序：DOGOUT EQU 0B7H ；P3.7 看门狗DATAOUT EQU 0B5H ；P3.5 串行输出电平信号REG EQU 2FH ；使用位寻址区REGH EQU 79H REGL EQU 78H NUMREG EQU 2DH ；存放用户地址NUM8 EQU 6FH NUM7 EQU 6EH NUM6 EQU 6DH NUM5 EQU 6CH NUM4 EQU 6BH NUM3 EQU 6AH NUM2 EQU 69H NUM1 EQU 68H 发射程序流程图 DATAREG EQU 2EH ；存放命令DATA2 EQU 71H DATA1 EQU 70HNUMBIT4 EQU 33H ；分四个空间用于存放用户标记NUMBIT3 EQU 34H NUMBIT2 EQU 35H NUMBIT1 EQU 36H DATABIT EQU 37H ；一个空间用于存放命令标记ORG 0000H MAIN: MOV SP,#08H MOV P1,#0FFH MOV P3,#0FFH MOV TMOD,#20H ； T1为方式2(8位). MOV SCON,#50H ；设置串口方式1,允许接收. MOV TH1,#0F3H ；设置波特率:2400bit/s(晶振12MHz) MOV TL1,#0F3HMOV PCON,#00H ;设置SMOD为1SETB TR1 START: ACALL WATCHDOG ； 开始 调看门狗喂狗子程序. JNB RI,STARTCLR RI MOV A,SBUF CJNE A, #0AAH, RE_TX ；判断是不是起始码，是就继续接收，AJMP RLOOP2 不是则回发0EFHRE_TX: MOV A, #0EFH MOV SBUF, ATXEND: JNB TI, TXEND CLR TI AJMP START- ;接收起始码(0AAH) RLOOP2: JNB RI,RLOOP2 CLR RI MOV A,SBUF MOV NUMREG,A - ;接收用户码:(1-255) RLOOP3: JNB RI,RLOOP3 CLR RI MOV A, SBUF MOV DATAREG, A ;- ;接收功能码:(1-2) ACALL WATCHDOG ；调看门狗喂狗子程序.MOV REG, #00H MOV C, NUM8 MOV REGH, C MOV C, NUM7 MOV REGL, C MOV NUMBIT4, REG MOV REG, #00H MOV C, NUM6MOV REGH, C MOV C, NUM5 MOV REGL, C MOV NUMBIT3, REG MOV REG, #00HMOV C, NUM4 MOV REGH, C MOV C,NUM3 MOV REGL,C MOV NUMBIT2,REGMOV REG,#00H MOV C,NUM2 MOV REGH,C MOV C,NUM1 MOV REGL,C MOV NUMBIT1,REG;-用户地址一个字节8位，分四个存放空间ACALL WATCHDOG ; 调看门狗喂狗子程序.MOV REG,#00H MOV C,DATA2 MOV REGH,C MOV C,DATA1 MOV REGL,C MOV DATABIT,REG;-控制命令的存放空间START1: SETB DATAOUT ACALL DELAY600US CLR DATAOUT ACALL DELAY200US;-；发送起始位. NEXTNUM: MOV A,NUMBIT4 ；用户码ACALL COMPAREMOV A,NUMBIT3 ACALL COMPAREMOV A,NUMBIT2 ACALL COMPAREMOV A,NUMBIT1 ACALL COMPARE;-;发送用户码(8位). NEXTDATA: MOV A, DATABIT ；功能码ACALL COMPARE;-;发送功能码(2位).COMPARE: AJMP BIT00 ；分四次比较查询BIT00: CJNE A, #00H, BIT01 CLR DATAOUT ACALL DELAY200US SETB DATAOUT ACALL DELAY200US RETBIT01: CJNE A, #01H,BIT02CLR DATAOUTACALL DELAY200US SETB DATAOUT ACALL DELAY400US RETBIT02: CJNE A, #02H,BIT03 CLR DATAOUT ACALL DELAY400US SETB DATAOUT ACALL DELAY200USRETBIT03: CJNE A, #03H,STARTCLR DATAOUT ACALL DELAY400US SETB DATAOUTACALL DELAY400US RET;-比较确认主机发送的代码后，自定义编码DELAY200US: MOV R7,#10 ；延时200US DEL1: MOV R6, #8DEL2: DJNZ R6, DEL2 DJNZ R7, DEL1 NOP RET DELAY400US: ；延时400USMOV R5, #2DEL1: MOV R4, #98DEL2: DJNZ R4, DEL2 DJNZ R5, DEL1 RETDELAY600US: MOV R0,#18 ；延时600USDEL1: MOV R1,#15DEL2: DJNZ R1,DEL2 DJNZ R0, DEL1 NOP RET;-;看门狗喂狗子程序.WATCHDOG: SETB DOGOUT NOP NOP NOP NOP CLR DOGOUT RET4.1.2 无线接收的流程图与程序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工作，程序中采用定时器对外部传输的脉冲信号计数。基本协议和程序如下：l 基本协议: 起始位:600us高电平+200us低电平 l 00: 200us高电平+200us低电平l 01: 200us高电平+400us低电平l 10: 400us高电平+200us低电平l 11: 400us高电平+400us低电平l 01代表打开电源，10代表关闭电源l 由于系统传输时不可避免会产生时延或其它影响脉冲宽度判断，所以规定脉冲宽度在560uS至640uS之间判断为600uS 脉冲宽度在160uS至240uS之间判断为200uS 脉冲宽度在360uS至440uS之间判断为400uS 开始系统初始化判断是否有数据接收接收数据是否成功判断地址位是否相同功能码是否为开机打开电源关闭电源NNNNYYYY 接收程序流程图接收程序：PDATA EQU 0B2H ;P3.2 COUNTH EQU 30H ;接收脉冲计数单元COUNTL EQU 31HN200HH EQU 00H ;240USN200HL EQU 0F0HN200LL EQU 0A0H ;160US N400HH EQU 01H ;440USN400HL EQU 0B8HN400LL EQU 68H ;360USN600HH EQU 02H ;640USN600HL EQU 80HN600LL EQU 30H ;560USNUMR EQU 21H ；本机编号.NUMI EQU 24H ；接收编号NUMIBIT8 EQU 27HNUMIBIT7 EQU 26HNUMIBIT6 EQU 25HNUMIBIT5 EQU 24HNUMIBIT4 EQU 23HNUMIBIT3 EQU 22HNUMIBIT2 EQU 21HNUMIBIT1 EQU 20HDATAI EQU 25H ；接收命令DATABIT2 EQU 29HDATABIT1 EQU 28HDATAOUTK EQU 0B4H ；P3.4DATAOUTG EQU 0B5H ；P3.5DOGOUT EQU 0B7H ；P3.7ORG 0000H LJMP MAINORG 000BH CLR TR0 MOV A,SP ；出现定时中断,重新开始. CLR C SUBB A, #2 MOV SP,A MOV DPTR,#START PUSH DPL PUSH DPH RETI ORG 0040H MAIN: MOV SP, #50H MOV P3, #0FFH MOV P1, #0FFH SETB DATAOUTK SETB DATAOUTG MOV TMOD, #29H ；定时器T1为方式2，波特率9600b/s MOV TH1, #0FDH 定时器T0为方式1，用于外部脉冲计数 MOV TL1, #0FDH MOV SCON, #50H MOV PCON, #00H SETB TR1SETB EA SETB ET0;-；判断起始位: 600US高电平,200US低电平.START： ACALL WATCHDOG JNB PDATA, START MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB TR0 ；出现高电平,开始计数.WAIT1： JB PDATA,WAIT1 CLR TR0 ；出现低电平,停止计数. MOV COUNTH, TH0 MOV COUNTL, TL0 MOV TH0, #00H MOV TL0, #00H SETB TR0 MOV A, COUNTH CJNE A, #N600HH, START MOV A, COUNTL CLR C SUBB A, #N600LL JC START ；高电平宽度