科信學院基于單片機F05J04無線收發(fā)模塊傳輸課程設計1

1、科信學院無線傳輸系統設計項目(二級項目)設計說明書（2014/2015學年第二學期） 題 目 ： 基于無線的電機的控制 專業(yè)班級 ： 通信工程12級3班 學生姓名 ： 胡明潮 丁東 許文倩 任雪明 劉天健 學 號： 120312301 120312302 120312303 120312304 120312305 指導教師 ： 賈少銳、李曉東 設計周數 ： 2周 設計成績 ： 2015年7月3日1、引言現代通信技術的迅速發(fā)展使得許多應用領域都采用無線的通信方式進行數據傳輸。F05/J04收發(fā)模塊，由于具有體積小、功耗低、功能強、成本低等特點，廣泛應用于各類的無線遙控器、無線報警器以及玩具等其他

2、小型電器裝置。但是，這種電路極少用在多個字節(jié)數據的通信方面，具有一定的局限性。本文主要介紹利用315 MHz高頻發(fā)射模塊和接收模塊來制作無線通信。2、設計目的（1）了解單片機軟件編程和調試能力，為以后的學習和開發(fā)工作打下強勁基礎；（2）掌握步進電機的工作原理和工作方式；（3）掌握發(fā)射、接收模塊的使用以及工作原理 3、遠程步進電機控制方案3.1系統結構框圖主機89C51電源、時鐘及復位電路電源、時鐘及復位電路從機89C52ULN2003A串行口通信步進電機獨立按鍵圖1 51系列單片機總體設計結構框圖3.2設計思路與方案對步進電動機的控制接口采用軟件控制步進電動機的旋轉。步進電動機的驅動脈沖由89

3、C51單片機的編程來實現，由從機89C51芯片的P3.4、P3.5、P3.6、P3.7發(fā)出，驅動步進電動機的A、B、C、D相。由于步進電機的正常工作電壓是12V，故需要用達林頓晶體管驅動芯片驅動。通過主機89C51芯片的P3口來讀取鍵盤輸入的停止、正轉、反轉、單步正轉、單步反轉、回到機械零點控制信號，并通過89C51的串行口將控制狀態(tài)發(fā)送至從機，從機接收信號后按照指令控制電動機工作，同時實時將當前位置狀態(tài)送回主機，主機接收當前位置信號并顯示。3.2.1步進電機正反轉的控制步進電機有四相繞組A、B、C、D以及公共端，當其中某一相繞組通電時在電動機內部形成NS極，產生磁場，當通電的相發(fā)生變化，磁場

4、發(fā)生旋轉，在磁場的作用下，轉子將轉動，若步進電機按單雙八拍的方式來工作，則在、B、C、D相繞組上輸入脈沖的順序為AABBBCCCDDDAA:此時步進電機沿順時針方向轉動，即正轉，若在、B、C、D各相繞組上依次輸入脈沖AADDDCCCBBBAA:此時步進電機將沿逆時針方向旋轉，因此只要控制脈沖輸出順序，就可以控制電機的正、反轉。同時加入了限位值保護，當電機到達限位值時，自動停止運行，確保人身及機械設備的安全。3.2.2鍵盤檢測P3口內部集成了上拉電阻，所以只需將每根接口線通過開關接地，檢測P3口的電平數據，即可判斷出是哪個鍵被按下，同時執(zhí)行相對應的操作。3.2.3串行口通信單片機的串行口由兩個數

5、據緩沖寄存器SBUF和一個輸入移位寄存器組成，內部還有一個串行控制寄存器SCON和一個波特率發(fā)生器。接收與發(fā)送緩沖寄存器占用同一個地址99H，其名稱同樣為SBUF。CPU寫SBUF操作，一方面修改發(fā)送寄存器，同時啟動串行數據發(fā)送；讀SBUF操作，就是讀接收寄存器，完成數據的接收。特殊功能寄存器SCON用以存放串行口的控制和狀態(tài)信息。根據對其寫的控制字決定工作方式，從而決定波特率發(fā)生器的時鐘源是來自系統時鐘還是來自定時器T1。特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD為串行口波特率的倍增控制位。 表1串行口的控制寄存器SCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI方式選擇多機控制串行接收允許/

6、禁止欲發(fā)的第9位收到的第9位發(fā)送中斷有/無接收中斷有/無SM0，SM1：為串行口工作方式控制位。共對應四種工作方式，在本設計中選用方式2：波特率固定11位異步通信方式，TXD為串行數據的發(fā)送端，RXD為串行數據的接收端。每幀數據為11位：1個起始位“0”，9個數據位和1個停止位“1”。發(fā)送時，第9個數據位由SCON寄存器的TB8位提供，接收到的第9位數據存放在SCON寄存器的RB8位。波特率固定為：波特率=（2SMOD * fOSC）/644、系統設計方案及框圖4.1設計方案首先，用PT2262芯片組成無線發(fā)射裝置，用四個按鍵連接編碼芯片，作為發(fā)射數據。數據發(fā)射頭采用315MHZ無線發(fā)射頭。P

7、T2272模塊的315MHZ無線接收其數據。其次，用PT2272芯片組成無線接收裝置，四位數據輸出連接單片機P2口作為單片機輸入。單片機與液晶顯示器相連。8位鍵盤模塊與PT2272數據輸出腳相連，當PT2272數據輸出到液晶顯示器顯示后，想讓PT2272的數據輸出端停止發(fā)送數據，按下鍵盤及可使其停止顯示。8位指示燈模塊與單片機相連，當有鍵按下時對應的指示燈亮。本設計只用了四位指示燈和四位按鍵。基于上述設計思路進行軟件仿真，但是由于軟件無法模擬2262和2272，所以我們先應用AT89C51模擬信號的編碼及發(fā)送，然后應用AT89C52模擬信號的接受及解碼，并應用其進行信號的輸出顯示，應用4*4的

8、16位鍵盤輸入進行模擬信號的產生，信號的輸出顯示是應用的共陰數碼管。4.2、軟件設計框圖根據設計的主要思路得到該設計的總體的設計框圖，如圖2所示：16位按鍵信息產生模塊AT89C51模擬發(fā)送信息模塊AT89C52模擬接收并處理信息模塊共陰數碼管顯示信息模塊圖2 軟件仿真方框圖5、硬件設計組成及原理分析5.1 315MHZ發(fā)射模塊電路圖圖3 DF超再生發(fā)送模塊的等效電路圖主要技術指標：1.通訊方式：調幅AM2.工作頻率：315MHZ (可以提供433MHZ，購貨時請?zhí)貏e注明）3.頻率穩(wěn)定度：±75KHZ4.發(fā)射功率：500MW5.靜態(tài)電流：0.1UA6.發(fā)射電流：350MA7.工作電壓

9、：DC 312V 無線數據傳輸廣泛地運用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網絡、無線抄表、門禁系統、小區(qū)傳呼、工業(yè)數據采集系統、無線標簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數據終端、安全防火系統、無線遙控系統、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機器人控制、無線232數據通信、無線485/422數據通信、數字音頻、數字圖像傳輸等領域中。 DF數據發(fā)射模塊的工作頻率為315M，采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高，當環(huán)境溫度在2585度之間變化時，頻飄僅為3ppm/度。特別適合多發(fā)一收無線遙控及數據傳輸系統。聲表諧振器的頻率穩(wěn)定度僅次于晶體，而一般的LC振蕩器頻率穩(wěn)定度及一致性較差，即使采用高品質微

10、調電容，溫差變化及振動也很難保證已調好的頻點不會發(fā)生偏移。 DF發(fā)射模塊未設編碼集成電路，而增加了一只數據調制三極管Q1,這種結構使得它可以方便地和其它固定編碼電路、滾動碼電路及單片機接口，而不必考慮編碼電路的工作電壓和輸出幅度信號值的大小。比如用PT2262等編碼集成電路配接時，直接將它們的數據輸出端第17腳接至DF數據模塊的輸入端即可。DF數據模塊具有較寬的工作電壓范圍312V，當電壓變化時發(fā)射頻率基本不變,和發(fā)射模塊配套的接收模塊無需任何調整就能穩(wěn)定地接收。當發(fā)射電壓為3V時，空曠地傳輸距離約2050米，發(fā)射功率較小，當電壓5V時約100200米，當電壓9V時約300500米，當發(fā)射電壓

11、為12V時，為最佳工作電壓，具有較好的發(fā)射效果，發(fā)射電流約60毫安，空曠地傳輸距離700800米，發(fā)射功率約500毫瓦。當電壓大于l2V時功耗增大，有效發(fā)射功率不再明顯提高。這套模塊的特點是發(fā)射功率比較大，傳輸距離比較遠，比較適合惡劣條件下進行通訊。天線最好選用25厘米長的導線，遠距離傳輸時最好能夠豎立起來，因為無線電信號傳輸時收很多因素的影響，所以一般實用距離只有標稱距離的20甚至更少，這點需要在開發(fā)時注意考慮。 DF數據模塊采用ASK方式調制，以降低功耗，當數據信號停止時發(fā)射電流降為零，數據信號與DF發(fā)射模塊輸入端可以用電阻或者直接連接而不能用電容耦合，否則DF發(fā)射模塊將不能正常工作。數據

12、電平應接近DF數據模塊的實際工作電壓，以獲得較高的調制效果。DF發(fā)射發(fā)射模塊最好能垂直安裝在主板的邊緣，應離開周圍器件5mm以上，以免受分布參數影晌。DF模塊的傳輸距離與調制信號鐸率及幅度，發(fā)射電壓及電池容量，發(fā)射天線，接收機的靈敏度，收發(fā)環(huán)境有關。一般在開闊區(qū)最大發(fā)射距離約800米，在有障礙的情況下，距離會縮短，由于無線電信號傳輸過程中的折射和反射會形成一些死區(qū)及不穩(wěn)定區(qū)域，不同的收發(fā)環(huán)境會有不同的收發(fā)距離。5.2 315MHZ超再生接收模塊圖4 DF超再生接收模塊的等效電路圖主要技術指標： 1.通訊方式：調幅AM2.工作頻率：315MHZ(可以提供433MHZ，購貨時請?zhí)貏e注明）3.頻率穩(wěn)

13、定度：±200KHZ4.接收靈敏度：106DBM5.靜態(tài)電流：5MA6.工作電流：5MA7.工作電壓：DC 5V 8.輸出方式：TTL電平 DF接收模塊的工作電壓為5伏，靜態(tài)電流4毫安，它為超再生接收電路，接收靈敏度為105dbm，接收天線最好為2530厘米的導線，最好能豎立起來。接收模塊本身不帶解碼集成電路，因此接收電路僅是一種組件，只有應用在具體電路中進行二次開發(fā)才能發(fā)揮應有的作用，這種設計有很多優(yōu)點，它可以和各種解碼電路或者單片機配合，設計電路靈活方便。 這種電路的優(yōu)點在于： 1.天線輸入端有選頻電路，而不依賴1/4波長天線的選頻作用，控制距離較近時可以剪短甚至去掉外接天線 2

14、.輸出端的波形相對比較干凈，干擾信號為短暫的針狀脈沖，所以抗干擾能力較強。 3.DF模塊自身輻射極小，加上電路模塊背面網狀接地銅箔的屏蔽作用，可以減少自身振蕩的泄漏和外界干擾信號的侵入。 4.采用帶骨架的銅芯電感將頻率調整到315M后封固，這與采用可調電容調整接收頻率的電路相比，溫度、濕度穩(wěn)定性及抗機械振動性能都有極大改善?？烧{電容調整精度較低，只有3/4圈的調整范圍，而可調電感可以做到多圈調整?？烧{電容調整完畢后無法封固，因為無論導體還是絕緣體，各種介質的靠近或侵入都會使電容的容量發(fā)生變化，進而影響接收頻率。另外未經封固的可調電容在受到振動時定片和動片之間發(fā)生位移；溫度變化時熱脹冷縮會使定片

15、和動片間距離改變；濕度變化因介質變化改變容量；長期工作在潮濕環(huán)境中還會因定片和動片的氧化改變容量，這些都會嚴重影響接收頻率的穩(wěn)定性，而采用可調電感就可解決這些問題，因為電感可以在調整完畢后進行封固，絕緣體封固劑不會使電感量發(fā)生變化。DF無線數傳模塊開發(fā)注意事項： DF模塊必須用信號調制才能正常工作，常見的固定碼編碼器件如PT2262/2272，只要直接連接即可非常簡單，因為是專用編碼芯片，所以效果很好傳輸距離很遠。模塊輸出腳在模塊內部通過一個上拉39K 電阻到+5V，使用的時候需要考慮解碼器件的輸入阻抗。 DF模塊還有一種重要的用途就是配合單片機來實現數據通訊，這時有一定的技巧。1.合理的通訊

16、速率 DF數據模塊的最大傳輸數據速率為9.6KBs，一般控制在2.5k左右，過高的數據速率會降低接收靈敏度及增大誤碼率甚至根本無法工作。2.合理的信息碼格式 單片機和DF模塊工作時，通常自己定義傳輸協議，不論用何種調制方式，所要傳遞的信息碼格式都很重要，它將直接影響到數據的可靠收發(fā)。 碼組格式推薦方案： 前導碼同步碼 數據幀 前導碼長度應大于是10ms，以避開背景噪聲，因為接收模塊接收到的數據第一位極易被干擾（即零電平干擾）而引起接收到的數據錯誤。所以采用CPU編譯碼可在數據識別位前加一些亂碼以抑制零電平干擾。 同步碼主要用于區(qū)別于前導碼及數據。有一定的特征，好讓軟件能夠通過一定的算法鑒別出同

17、步碼，同時對接收數據做好準備。 數據幀不宜采用非歸零碼，更不能長0和長1。采用曼徹斯特編碼或POCSAG碼等，如下面的數據格式有一定檢錯功能：3.單片機對接收模塊的干擾 單片機模擬2262時一般都很正常，然而單片機模擬2272解碼時通常會發(fā)現遙控距離縮短很多，這是因為單片機的時鐘頻率的倍頻都會對接收模塊產生干擾， 51系列單片機工作的時候，會產生比較強的電磁輻射，頻率范圍在9MHZ-900MHZ，因此它會影響任何此頻率內的無線接收設備的靈敏度，解決的方法是盡量降低CPU 晶體的頻率。測試表明：在1M晶體的輻射強度，只有12M晶體時的1/3，因此，如果把晶體頻率選擇在500K以下，可以有效降低C

18、PU的輻射干擾。另外一個比較好的方法是：將接收模塊通過一個3芯屏蔽電纜（地，+5V，DATA，屏蔽線的地線懸空）將模塊引出到離開單片機2米以外，則不管51CPU使用那個頻率的晶體，這種干擾就會基本消除。對于PIC單片機，則沒有上述輻射干擾。可以任意使用。 還可以改用頻點較高的接收頻率，如433MHz就可增加遙控距離，或者需要采用一些抗干擾措施來減小干擾。比如單片機和遙控接收電路分別用兩個5伏電源供電，將DF接收板單獨用一個78L05供電，單片機的時鐘區(qū)遠離DF接收模塊，降低單片機的工作頻率，中間加入屏蔽等。 對單片機模擬2272解碼有興趣的網友可以查看在本網專門介紹資料。接收模塊和51系列單片

19、機接口時最好做一個隔離電路，能較好地遏制單片機對接收模塊的電磁干擾。 DF接收模塊工作時一般輸出的是高電平脈沖，不是直流電平，所以不能用萬用表測試，調試時可用一個發(fā)光二極管串接一個3K的電阻來監(jiān)測DF模塊的輸出狀態(tài)。 DF無線數據模塊和PT2262/PT2272等專用編解碼芯片使用時，連接很簡單只要直接連接即可，傳輸距離比較理想，一般能達到600米以上，如果和單片機或者微機配合使用時，會受到單片機或者微機的時鐘干擾，造成傳輸距離明顯下降，一般實用距離在200米以內。5.3 單片機主控電路AT89C52 是美國ATMEL 公司生產的低電壓，高性能CMOS 8 位單片機，片內含8k bytes 的

20、可反復擦寫的Flash 只讀程序存儲器和256 bytes 的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MCS-51 指令系統及8052產品引腳兼容，片內置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元，功能強大AT89C52 單片機適合于許多較為復雜控制應用場合。圖5 AT89C52引腳圖6、仿真圖和實物連接圖 圖6 系統protues仿真圖7、仿真與調試1. 在Proteus軟件中繪制出硬件電路圖。根據系統設計要求，選擇元器件，設計出硬件電路圖。2.編寫系統程序。根據系統要求，畫流程圖。在中編程，過程中先將各模塊搞好，分別調試各模塊，調試好后，編寫主程序，將各系統結合，使成為系統軟件。各模塊調試后，在調試主程序，看是否能實現系統功能。3.硬件和軟件電路的聯合模擬調試在Porteus軟件中進行。先將編譯好的HEX文件加載到89S52中，在運行硬件電路，如能運行，使用按鍵進行模擬和清零實驗，若沒達到要求，進行相應修改，直到符合要求。8、總結本次課程設計是我到目前為止覺得最有意義也是收獲最大的一次實習，可以說是有苦也有甜。因為