搜索
安徽建筑大学1第二章系统总体方案设计2.1设计的内容及原理该设计主要牵涉到无线电的发射和接收、数字信号和调制传输以及单片机软件的选择及系统内部程序设计等几大方面。该系统主要由无线发射和无线接收模块以及各通信模块组成。包含发射和接收模块的电路设计，单片机的选择和使用，极其内部通信模块的选择与制作，和转换程序的编写。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。2.2设计的初步思路1发射电路思路2接收电路思路PIC16F684电源电路独立按键电路状态指示电路模拟调光电路无线发射模块PIC16F684无线接收模块状态指示电路安徽建筑大学2主要元器件有PIC16F684单片机、发光二极管、在HEADER4*2模块上插接无线发射和无线接收模块、键盘为一个独立键盘，以及其他系统硬件。本设计采用PIC16单片机作为控制核心，配以独立键盘电路作为控制用电器的数字开关以及AD模拟信号采样作为控制的模拟开关。当有按键按下或调解模拟开关时，由单片机扫描确定控制信号，调出相应的程序去控制发射模块发射信号，同时由单片机的一个管脚去控制LED照明电路，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。在按键或模拟调光时由单片机通过LED发光二极管显示发射电路和接受电路的工作状态，以便让用户知道操作的是让电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控制端，从而控制用电器的关断、功率等动作。本次选择电器为LED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。第三章硬件系统设计3.1单片机的选择3.1.1单片机引脚图、单片机实际图和原理图LED照明电路变压模块降压稳压电路安徽建筑大学33.1.2单片机的主要性能特点PIC16F684的基本功能模块1、程序存储区PIC16F684单片机带有Flash程序储存结构，主要存放由用户预编好的程序和一些固定不变的数据。程序存储器共有2K×16位程序单元空间2、数据存储区PIC16F684单片机数据存储区主要包括特殊功能寄存器和通用寄存器两部分，用于存放CPU在执行过程中产生的的中间数据或预置参数，共有128字节单元空间。3、I/O口模块PIC单片机的I/O口驱动负载能力较强，每个输出引脚可以驱动20-25mA的负载，能够高电平直接驱动发光二极管LED、光电耦合器、小型继电器等，也可低电平直接驱动，这样可大大化简控制电路。4、多功能定时器模块PIC16F684单片机配置有3个功能较强的多功能定时器模块：TMR0（8位）、TMR1（16位）、TMR2（8）。除TMR2以外都可以作为计数器使用。每个定时器/计数器都配有不同比例的预分频器。5、WDT（“看门狗”）PIC16F684单片机嵌入了一个具有较强功能的看门狗定时器WDT，能够有效防止因环境干扰而引起系统程序“飞益”。WDT的定时/计数脉冲是由芯片内专用安徽建筑大学4的的RC振荡器产生的。它的工作环境不需要任何外部器件，也与单片机的时钟电路无关。这样即使单片机的时钟停止，WDT仍能继续工作。PIC16F877A单片机的专用模块1、捕捉/比较/脉宽调制模块PIC16F684单片机配置有两个功能较强、颇具特色的的功能模块CCP1和CCP2，分别能与TMR1和TMR2配合实现对信号的输入捕捉、输出比较和脉宽调制PWM输出功能。输入捕捉功能：主要通过TMR1定时器，及时捕捉外加信号的边沿触发，用来间接测量信号周期、频率等2、A/D转换模块PIC16F684单片机嵌入了一个8路10位AD，用来将外部模拟信号转换成单片机可以接受的和处理的数字信号。A/D转换采用主次比较法，参考电压既可以使用标准的VDD和VSS信号，也可以使用外加参考电压的方式。3.2独立键盘与模拟调解器设计3.2.1独立键盘本设计由于涉及键盘只有三个，分别是：开关键、上键、下键。一共使用了三个I/O口，它们分别是C口的RC3、RC4、RC5。按键较少时采用该设计可以提高按键效率。下图为涉及的设计原理图：由于PIC16F684的C口没有内部上拉功能，因此才采用外部上拉的功能，如图中的R3、R4、R5。同时为了防止I/O口电流过大，采用R6、R7、R8来限制I/O口的电流，其中R6、R7、R8分别接在C口的RC3、RC4、RC5引脚上。安徽建筑大学5按键功能表按键名按键功能UP上键，增加光亮度DOWN下键，减小光亮度OFF/ON开关键，关闭或开启光源3.2.2模拟调解器设计本设计的模拟调节器采用的是PIC16f684内部的AD采样器，原理图如下图所示（a）,外部的电路原理图如下图(b):图（a）图（b）通过设置PIC16F684内部AD模块的相关寄存器，使PIC16F684单片机的AD模块运行在工作状态,配置相关的I/O引脚的方向寄存器，使其工作在输入状态。由外部的AD输入引脚传入AD采样数据，通过AD处理之后使其变成单片机能处理的数字信号。在由相关的处理程序对这些数据加以处理，并完成相关的功能作用。3.3状态指示电路设计由于PIC单片机IO引脚的驱动能很强，最高可带20~25ma的负载，可直接驱动LED发光二极管，因此本设计采用PIC单片机直接驱动LED发光二激管作为PIC单片机工作状态的指示，图（c）表示发射电路，图（d）表示接收电路。设计原理图如下：安徽建筑大学6图（c）图（d）图（c）的功能是：指示当前是否有数据传送出去，当有数据传送出去时，每传输出去一次数据D1便会闪烁一次；当没有数据传送出去时LED保持常灭，已达到节约电能的目的。图（d）的功能是：D1:当有数据被接收到时，LED就会闪烁一次；没有数据时LED保持长灭，已达到降低功耗的目的。D2:指示当前照明电路的状态，当LED保持常亮时，表示照明电路处于可遥控状态；当LED保持长灭时，表示此时照明电路被关闭。3.4无线模块电路设计3.4.1NRF24L01概述nRF24L01是NORDIC生产的一款工作在2.4~2.5GHz的世界通用ISM频段的单片无收发芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器、输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。原理图如下：安徽建筑大学7实物图与连线图：NRF24L01实物图NRF24l01连线图3.4.2应用领域●无线鼠标键盘游戏机操纵杆●无线门禁●无线数据通讯●安防系统●遥控装置●遥感勘测●智能运动设备●工业传感器●玩具3.4.3特点◆小体积，QFN204x4mm封装◆宽电压工作范围，1.9V~3.6V，输入引脚可承受5V电压输入◆工作温度范围，-40℃～+80℃◆工作频率范围，2.400GHz～2.525GHz◆发射功率可选择为0dBm、-6dBm、-12dBm和-18dBm◆数据传输速率支持1Mbps、2Mbps[1]◆低功耗设计，接收时工作电流12.3mA，0dBm功率发射时11.3mA，掉电模式时仅为900nA◆126个通讯通道，6个数据通道，满足多点通讯和调频需要◆增强型ShockBurstTM工作模式，硬件的CRC校验和点对多点的地址控制◆数据包每次可传输1～32Byte的数据◆4线SPI通讯端口，通讯速率最高可达8Mbps，适合与各种MCU连接，编程简单◆可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度◆MCU可通过IRQ引脚快判断是否完成数据接收和数据发送安徽建筑大学83.4.4工作模式NRF24L01有工作模式四种：收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式。工作模式由CE和寄存器内部PWR_UP、PRIM_RX共同控制，如下表：3.4.5工作原理发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把地址TX_ADDR和数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC_CNT)达到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不会被清除；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，以便通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，以便通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。3.4.5器件配置NRF24L01的所有配置都通过SPI接口进行。SPI接口由5个寄存器组成，一条SPI指令用来决定进行什么操作。SPI接口只有在掉电模式和Standby模式是激活的。1）、状态寄存器（Status-Register）寄存器包含数据就绪DR和地址匹配AM状态。2）、RF配置寄存器（RF-ConfigurationRegister）寄存器包含收发器的频率、输出功率等配置信息。3）、发送地址（TX-Address）寄存器包含目标器件地址，字节长度由配置寄存器设置。4）、发送有效数据（TX-Payload）寄存器包含发送的有效ShockBurst数据包数据，字节长度由配置寄存器设置。模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接受模式111—发射模式101数据在TX_FIFO寄存器中发射模式101停留在发射模式，直到数据发送完毕空闲模式II101-0TX_FIFO为空空闲模式I1-0无正在传输的数据掉电模式0--—安徽建筑大学95）、接收有效数据（TX-Payload）寄存器包含接收到的有效ShockBurst数据包数据，字节长度由配置寄存器设置。在寄存器中的有效数据由数据准备就绪DR指示。3.5稳压电路设计本设计的发射模块采用干电池供电，电压波动较小，因此采用直接加电容或电感的方式来达到稳压的目的。对于接受模块PIC单片机采用5V供电的模式，然而无线模块的工作电压在1.6~3.6V间，因此采用3.3V供电。稳压模块分别选用7805和AMS1117-3.3来达到降压稳压的目的。设计原理图如下：7805系列为3端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。含过流、过热和过载保护电路。带散热时，输出电流最大可达1A。虽然是固定的稳压模块电路，但是使用外接原件可获得不同的电压和电流。AMS1117-3.3是一个正向低压降压稳压器。具有较高的降压精度，内部集成过热保护和限流电路，工作温度范围广，是电池电路和便携式计算机的最佳选择。3.6电源电路的设计电源电路的功能和组成每个电子设备都有一个供给能量的电源电路