1、基于单片机的家用电器电源无线控制系统设计论文 精品 *大学毕 业 设 计 (论 文)专 业 班 级 学生姓名 学 号 课 题 基于单片机的家用电器电源无线控 制系统设计 指导教师 年 月 日 摘要随着无线通信技术的迅速发展，技术的不断提高，人们的生活、生产也得到了革命性的转变。得益于它的方便快捷技术优势明显，无线发射与接收装置已广泛地应用于通信、计算机、自动控制、自动测量、遥控遥测、仪器仪表、医疗设备和家用电器等领域。家用电器单个或多个有线连接控制，使得其使用很不方便。因此越来越多的家用电器开始采用无线控制技术来方便控制使用，通过采用无线传输技术使得家电可以非触式控制。控制距离和高度都大大的满
2、足了人们生活工作的正常需要。因此该无线控制技术具有很高的实用价值。家用电器电源无线控制系统的设计包括无线电的发射和接收，数字信号的调制与解调（来传达控制信息），单片机的选择及系统内部程序设计等几大方面。该系统由无线发射和无线接收模块以及各通信模块组成。设计过程包含发射和接收模块的电路设计，单片机的选择使用，及其内部通信模块的选择与制作。通过该系统来达到人们对家用电器的控制需求。关键词：无线通信 调制 数字信号 解调 Abstract With the rapid development of wireless communication technology, the continuous i
3、mprovement of technology, peoples life, the production has been a revolutionary change. Thanks to its convenient technical advantage is obvious, the wireless transmitting and receiving device has been widely used in communications, computer, automatic control, automatic measurement, remote control/r
4、emote sensing, instrumentation, medical equipment and household appliances and other fields.Household appliances single or multiple cable connection control, make its use is very inconvenient. So more and more home appliances begin to control wireless control technology is used to easy to use, throu
5、gh the adoption of wireless transmission technology makes appliance can not touch control. Control distance and height are big can meet the needs of the people live and work normally. So the wireless control technology has a high practical value. Household appliances power wireless control system de
6、sign including transmitting and receiving radio, digital signal modulation and demodulation to transmit control information, the choice of MCU internal program design and system and so on several big aspects. The system by wireless transmission and wireless receiving module and communication module.
7、 Design process consists of transmitting and receiving module of the circuit design, choose to use a single-chip microcomputer, and its internal communication module selection and production. Through the system to achieve the control requirements of household appliances.Keywords: wireless digital mo
8、dulation signal demodulation 基于PIC家用电器电源的无线控制 一、绪论1.1课题研究的背景及意义随着科技的进步和社会的发展，现代电子产品设计越来越注重产品的简易和实用，快节奏的现代生活使得许多电子产品也必须作到小巧、方便、简易。为满足这一需求。便产生了无线遥控系统。它的产生使人们在工业、农业、航天以及家庭生活中都得到极大的便利，使人们在一定的距离内可以控制其他机器、系统等的正常运作。给工业的发展带来了方便。他是电子行业以后发展的必然趋势。在曾经的工业生产中,不管是机器的启动,还是系统的关闭。都采用的是有线控制,需要人亲自到控制中心进行手动的操作。给工业生产的进步和
9、生产效率的提高带来了限制。随着科技的不断进步,这样的控制必定会被先进的所取代。因此遥控控制系统的产生,给工业带来了新的革命。它极大的方便了工业的控制生产。使人们能够在一定距离内甚至在遥远的宇宙中也去控制另外的机器,系统的运作大大的提高了生产效率,为经济的提高做出了很大的贡献,也决定了一个国家在国际中所站的地位。因此,作为国家未来建设者。我们学好遥控知识,是自身的必备,也是国家和时代的需求。1.2无线控制系统介绍 无线控制是利用无线遥测遥控终端设备，取代现场总线，无线控制远端设备的一种方式。无线遥控开关是以非接触的方式对电器的开启和关闭进行控制，其控制按键和被控制电器之间不需要连线，控制信号以无
10、线电波为载体进行传输，据现代信息社会的发展和人们日益广泛应用的要求，无线电源控制系统扮演着越来越重要的角色，并满足人们舒适、快节奏的生活需要 开关电源在电子行业中,应用在通讯、计算机、自动化、军事、工业、农业等各个领域。如今高精度数字开关电源得到了越来越多的关注,同时取得了长足的发展，在电子技术日益发展的今天，电源控制从有线开关控制方式，发展到今天有线与无线结合的控制方式，提高了我们的生活素质。 以单片机为核心设计一个用无线方式集中控制其电源开关的管理系统，这一课题，使工程设计开发能力得到提高，有利于理论和实践相结合，动手能力得到进一步加强，敢于接受新任务的挑战。1.3本课题设计要求 我所做的
11、设计主题为：基于单片机的家用电器电源无线控制系统的设计。通过了解和调查研究发现，无线控制系统早已走进人们的生活和工作中，并广泛应用于我们生活中所使用的各种家用电器上，它以其先进的技术、快捷实用的功能带给人们更加方便简单的电器控制体验。我在这里所要做的就是通过自己大学所学专业知识来研究并设计出一款基于单片机的家用电器电源无线控制系统，并努力使该无线控制系统技术得以验证和正常投入使用。2.1系统设计目标（1)设计出该无线控制系统，能够发挥其应有的使用功能，系统包括发射与接受模块，通过控制发射模块，输出控制信号，接收模块接收到命令信号后识别解调出模拟信号，通过主控单片机控制电器的电源开通与关断或其他
12、控制。（2）控制距离满足正常使用范围要求。（3）采用数码管显示当前工作的控制电路。2.2系统组成设计 经过分析我所选择的系统主要元器件有PIC16F877A单片机此无线数据传输系统主控制芯片采用Microchip公司的PIC16F877微处理器，它负责控制无线芯片nRF905，实现数据的无线传输。为了进行多通道的数据采集，这里采用10片A/D进行分时采样，它们的工作时序则由CPLD（复杂可编程逻辑器件）来控制，每路采集的数据经单片机处理后无线发射，至于何时采样，则由单片机发的Trigger(触发器）信号决定。在与计算机的通讯方面，系统采用USB芯片通过USB口将无线接收数据送入计算机，并存储在
13、一个二进制文件内，当传输完毕后，运行VB读数软件，可将采集的信号读出以供分析,显示屏采用DPY-7-SEG数码管、在HEADER 4*2模块上插接无线发射和无线接收模块nRF905、键盘为一个44矩阵键盘，以及其他系统硬件。本设计采用PIC16单片机作为控制核心，配以矩阵键盘电路作为控制用电器的开关。当有按键按下时，由单片机扫描确定按键的键号，调出相应的程序去控制信号控制发射模块发射信号，同时由单片机的一个管脚去控制继电器接通使其得电，送出调制过的高频控制信号给发射电路，经过高频发射后由天线输出。在按键按下的同时由单片机通过串口显示的方法驱动数码管显示相应的操作路数，以便让用户知道操作的是让电
14、器做出的是哪种动作。接收模块接收到高频信号后，经过高频放大，检波，译码解码。将数字信号直接赋给单片机，由单片机检测相应端口的高低电平，根据设定好的编码调用相应的管脚控制相应的继电器，从而控制用电器的关断、功率等动作。本次选择电器为小功率日光灯一盏，通过设计无线控制系统来控制它的开关、亮度强弱等。2.3系统设计思路本设计采用PIC16F877A单片机作为控制核心，配以矩阵键盘电路作为控制用电器的开关。设计了一个基于 nRF905的工作频率为433 MHz 的无线通信系统.该系统包含发射和接收两个模块.发射模块主要是由 PIC16F877A 单片nRF905芯片组成,PIC 控制 nRF905实现
15、发射功能.接收模块主要是PIC16F877A 单片机和nRF905芯片组成,PIC16F877A控制 nRF905接收有效信号.该系统可广泛应用于无线抄表等领域,对实际的生产生活有重要的意义,对该系统软硬件做了详细的设计。当有按键按下时，由单片机扫描确定按键的键号，调出相应的程序去给发射模块端赋值，同时由单片机的一个管脚去控制继电器接通20MS使其得电，送出调制过的433MHZ高频控制信号给发射电路，经过高频发射。在按键按下的同时由单片机通过串口显示的方法驱动数码管显示相应的操作路数，以便让用户知道操作的是让电器做出的是哪种动作。并由相应的放光二极管显示每路对应电器动作的当前状态，如果发光二极
16、管亮，表明电器正在此操作下工作，发光二极管灭，表明此用动作没有使用，这样让用户知道用电器的工作状态，便于操作的方便。接收电路是由无线模块收到433MHZ高频信号后，经过信号的识别，检波。然后直接将数字信号赋给单片机，由单片机检测相应端口的高低电平，根据设定好的编码调用相应的管脚控制相应的继电器，从而控制需要控制的用电器。2.4系统选用单片机简介PIC16F877A特性： PIC16F877A是由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PICmicro系列单片微机，具有Flash program程序内存功能，可以重复烧录程序，端口多,功能全,拥有有8K的ROM。适合教学、开发新产品等用途；
17、而其内建ICD(In Circuit Debug)功能，可以让使用者直接在单片机电路或产品上，进行如暂停微处理器执行、观看缓存器内容等，让使用者能快速地进行程序除错与开发。 如图为PIC16F877A的40根接脚图，PDIP是指一般最常见的DIP(Dual In Line Package)包装，而PIC单片机也有PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)与QFP(Quad Flat Package)两种形式的包装，依照不同的需求，寻找不同的包装形式。如图所示，每根接脚都有其特定功能，例如Pin11与Pin32(VDD)为正电源接脚，Pin12与Pin31(VSS)为地线
18、接脚；而有些接脚有两种甚至三种以上功能，例如Pin2(RA0/AN0)代表PORTA的第一支接脚，在系统重置(Reset)后，可自动成为模拟输入接脚，接收模拟讯号，也可经由程序规划为数字输出输入接脚。图2-1 PIC16F877APIC16F877A属于闪控式(Flash)单片机，可以重复烧录，其ROM的容量总共是8K words，以2K为一个page，区分为4个pages；内部RAM总共有512个字节(00f1FFh)，以128个字节为一个Bank，共区分为4个Bank，如图5所示，每个Bank的前半段都有其特殊用途，分别连接到其特殊功能模块，例如I/O、CCP、Timer、USART、MS
19、SP等。PIC16F877A基本电路 单片机振荡电路与整体系统工作速度有直接的关系，例如同步异步串行传输、定时器等，都与振荡频率有关，不同系列单片机有不同振荡频率，根据产品资料手册，PIC16F877振荡频率最高可到20MHz；在图1中，振荡电路接于Pin13(OSC1/CLKIN)与Pin14(OSC2/CLKOUT)，而振荡电路有以下四种形式： LP：使用低功率振荡晶体(Low Power Crystal) XT：使用振荡器谐振器(Crystal/Resonator) HS：使用高速振荡器(High Speed Crystal/Resonator) RC：使用电阻电容(Resister/C
20、apacitor) 一般常用振荡晶体或是谐振器作为单片机振荡源，外接电路及PIC内部电路说明如图6所示。图中电容C1与C2规格大小是根据Crystal或Resonator而有所不同，表1列出电容建议值，使用其它振荡源的电路说明请参考产品资料手册。 PIC16F877A的工作电压为5V，连接Pin11与Pin32，Pin12与Pin31为地线接脚；重置电路连接Pin1，按下Reset后，内部指令重头开始执行，系统重新运作。 输入输出接口 PIC16F877A除了上述基本电路所占用的7支接脚外，其余的33支接脚都可当成输出、输入接脚，输入输出端口是单片机基本界面，可以与周边电路进行电路控制和信号传
21、输与检测。PIC是8位的单片机，以接脚特性分组，每组尽量凑满8支接脚，并将I/O命名为PORTA(RA0RA5)、PORTB(RB0RB7)、PORTC(RC0RC7)、PORTD(RD0RD7)和PORTE(RE0RE2)等。2.5 系统所选无线模块2.5.1模块介绍 nRF905采用Nordic公司的VLSI ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输，而不需要昂贵的高速MCU来进行数据处理/时钟覆盖。通过将与RF协议有关的高速信号处理放到芯片内，nRF905提供给应用的微控制器一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。nRF905通
22、过ShockBurst工作模式在RF以最大速率进行连接时降低数字应用部分的速度来降低在应用中的平均电流消耗。在ShockBurst RX模式中，地址匹配AM和数据准备就绪DR信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成。在ShockBurst TX模式中，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪DR信号通知MCU数据传输已经完成。总之，这意味着降低MCU的存储器需求也就是说降低MCU成本，又同时缩短软件开发时间。2.5.2 NRF905无线模块特点(1)433Mhz 开放ISM 频段免许可证使用(2) 最高工作速率50kbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业
23、控制场合(3) 125 频道，满足多点通信和跳频通信需要(4) 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制(5)低功耗1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态仅为2.5uA(6)收发模式切换时间650us (7) 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便(8) TX Mode: 在+10dBm情况下，电流为30mA; RX Mode: 12.2mA(9)标准DIP间距接口，便于嵌入式应用 (10)RFModule-Quick-DEV 快速开发系统，含开发板。接口电路管脚说明如下：1 VCC 电源 电源+3.33.6V DC2T
24、X_EN 数字输入 工作模式选择3TRX_CE 数字输入使能芯片发射或接收4PWR_UP 数字输入芯片上电5uCLK 时钟输出(未使用)6CD 数字输出载波检测7AM 数字输出地址匹配8DR 数字输出接收或发射数据完成9MISO SPI 接口SPI 输出10MOSI SPI 接口 SPI 输入11SCK SPI 时钟SPI 时钟12CSN SPI 使能 SPI 使能13GND 地接地 表2-1 接口电路管脚说明（11）NRF905无线模块原理图： 图2-2 NRF905无线模块原理图2.6系统总体设计框图 本设计方框图如图1图2所示，单片机的正常工作由电源、时钟电路、和复位电路组成。图1发射电
25、路中键盘扫描为控制按键；数码显示电路用以显示所操作的路数；指示灯电路用以指示用电器的指示状态；将信号调制在315MHZ高频上通过无线发射模块nRF905的高频发射电路是将高频信号经过放大后发射出去。图2接收电路中高频接收模块nRF905电路将接收到的高频信号放大、检波，检波出数字信号，保证信号的强度，nRF905数据输出端的信号直接置位单片机的P口，让单片机得到相应的控制信号；控制各路继电器是由单片机根据接收到的控制信号调用程序控制相应继电器，从而实现用电器的开与关。 图2-3 无线系统设计框图图2-4 无线接收系统设计框图三、硬件设计3.1 prote 99SE软件的使用在这里我要介绍一下，
26、接下来我在绘制系统电路原理图时所要要使用到的 prote 99SE软件。随着电子工业的飞速发展, 电路构成的复杂化与精密化, 器件体积的减少与功能变得越来越复杂, 电路板的结构也就变得愈来愈复杂与精密, 这使得传统的生产工艺随着计算机的发展和普及, 逐渐将计算机辅助设计技术引入其中，而相应软件的发展是伴随着操作系统的发展而前进的。prote 99SE有很多功能，这里我所要使用到的是电路图设计，主要有Advanced Schematic 99： 此模块主要用于原理图设计，包含原理图编 辑器，元器件库编辑器和相应报表生成器；Advanced PCB 99： 此模块用于电路板设计，主要包含电路板编辑
27、器， 元器件编辑器和电路板组件管理器；Advanced Route 99： 用于PCB的自动布线器。表3-1 prote 99SE软件界面图Protel 99SE 软件功能强大，具有人机界面友好，使用方便，是从事电子线路设计与开发人员的一个很好的工具。因此，学习本软件的使用，除了具有一般软件操作技能外，还需具备一定的电子线路专业方面的知识和具备一定的实践技能。通过学习使用该软件，我便开始接下来的各系统电路图的设计绘制工作。 3.2键盘电路的设计根据要求，控制对象是十路以上的被控电路，用数码管显示级数，因此采用单片机的4x4键盘进行编码，最多可以控制十六路对象，可以采用单片机编程来实现。键盘为4
28、4矩阵键盘，行列式矩阵键盘只需N条行线和M条列线即可组成具有NM个按键的键盘，具有使用很少I/O线实现按键扩展的优点，44矩阵键盘用一个P口即可。工作原理可描述为：首先判别键盘中有无按键按下，由单片机I/O口向键盘送全扫描字，然后读入列线状态来判断。方法是：向行线输出全扫描字00H，把全部行线置为低电平，然后将列线的状态读入累加器A中。如果有按键按下总会有一根列线电平被拉至低电平，从而使列输入不全为1。判断键盘中哪一个按键被按下是通过将行线逐行置低电平后，检查列输入状态实现的。方法是：依次给行线送低电平，然后查所有列线状态，称行扫描。如果全为1，则所按下的键不在此行；如果不全为一，则所按下的键
29、必在此行，而且是在与零电平列线相交的交点上的那个键。3.3显示电路的设计本设计用P2口做为键盘的扫描口，高位为列，地位为行，由单片机循环扫描，实时取出每次按下的按键，从而去实现相应的功能。本次设计用DPY-7-SEG数码管显示用户所操作的用电器工作状态。采用两个数码管更清晰的显示受控电器的工作状态。如图4所示。PIC16F877A的串行口RD0至RD6为一个全双工串行通信口，工作在方式0下可作同步移位寄存器，其数据由RD口串行输出或输入，在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。本电路中即是设计使用串行通信来实现了用户控制用电器路数的实时显示。并且由单片机直接驱动共阴发光二极管，当相应按键
30、按下时，在显示程序的控制下相关发光二极管发亮，显示出数字，对应该数字的是受控电器的一种工作状态。通过显示电路可以很直观的满足人们的操作明确性，和指令针对性。因此数码显示电路是必不可少的硬件设备。 RD0RD6：并行输出端，分别接LED显示各引脚。 在数码管脚与单片机引脚的连接线路中设计连接300欧姆电阻和9013三极管。此次设计使用共阴型数码管，由PIC16F877A单片机直接驱动。数码管的的数据输入端a至g脚接PIC16F877A的串行口数据输出端RD0至RD6。当需要显示路数时，单片机将要显示的数字的字型码由输出端直接送出，数码管中的7个发光二极管依据命令对应的几个二极管发光显示出数字，表
31、示出电器的工作状态。3.4发射电路的设计本设计的发射电路由编码器无线发射模块nRF905、HEADER4*2模块组成。HEADER4*2模块的1脚接电源模块、2脚接地，3、5、7脚分别接单片机的RB7、RB5、RB3输出脚。4、6、8脚分别接单片机的RB6、RB4、RB2输出管脚。无线模块则插接在HEADER4*2模块的端口上。形成一个无线发射组合设计。PIC16F877A通过RB2-RB7引脚输出控制信号，通过这些管脚传送到无线发射模块，无线模块在接收到主控单片机的命令后，调整放大信号，送出调制过的433MHZ高频控制信号给发射电路，经过高频发射。3.5接收电路的设计 当nRF905发现有和
32、接收频率相同的载波时，其载波检测(CD) 被置为高电平；此后，当nRF905接收到有效地址时，地址匹配(AM) 被置为高电平；当nRF905接收到有效的地址包(CRC校验正确) 时，nRF905将去掉前导码、地址和CRC位，同时将数据准备就绪位(DR)置为高电平，并用MCU（控制器）设置TRX- CN为低电平，以进入standby模式，从而使MCU能够以合适的速率通过SPI（通信总线）接口读出有效的数据；当所有的数据读出，nRF905将AM和DR设置为低电平，以便使nRF905准备进入ShockBurstRX、ShockBurst TX或Powerdown模式。接收电路的作用是将发射电路发出的433MHZ高频信号通过天线接收。经过识别、检波电路
