毕业论文-基于单片机的远程控制小车的研究

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基于单片机的远程控制小车的研究
摘要
智能作为现代社会科学技术进步的新产物,是未来发展的必然趋势,它可以根据预先设定的模式在特定环境中自动操作,并且可以在不需要手动操作的情况下达到所要预期的目标。

整个小车主要采用单片机为控制中心,通过遥控和红外线传感器实现自动循迹和躲避障碍等功能。

设计采用了选择比较、独立模块和综合处理的研究方式。

通过查阅许多相关文献资料,对相关内容进行分析整理,在列举不同方案的基础上,结合实际情况对方案进行比较,选择最好的方案进行设计。

从车模、最小系统到无线遥控,红外线发射管与红外线接收管的自动循迹再到红外线智能躲避障碍和语音控制,完成各个模块之间的相互联系。

通过对每一个模块进行检测和调试,得到准确的输出信号,并实现其功能。

最后将各个调试好的模块综合到车模上,通过单片机的控制,将各个模块结合在一起,实现想要实现的目标,完成最终的设计,使小车达到预期的要求并在特定的工作环境中智能运作。

关键词:单片机:无线传输:自动避障:语音控制
ABSTRACT
As a new product of the progress of modem social science and technology, intelligence is the inevitable trend of future development. It can operate automatically in a particular environment according to the preset mode, and can achieve the desired target without manual operation. The whole car mainly uses single chip microcomputer as the control center, and realizes automatic tracking and obstacle avoidance through remote control and infrared sensors. The design adopts the research method of selection comparison, independent module and comprehensive treatment. Through consulting a lot of relevant documents, the paper analyzes and collates the relevant contents, and compares the plan with the actual situation on the basis of listing different schemes, and chooses the best scheme lo design. From the vehicle model, the minimum system to the wireless remote control , the automatic tracking of the infrared transmitting tube and the infrared receiver to the infrared intelligent avoidance and voice control, the interconnections between the modules are completed. By testing and debugging each module, the accurate output signal is obtained and its function is realized. Finally, each debugged module is integrated into the car model. Through the control of the single chip microcomputer, each module is combined together to achieve the desired goal, complete the final design, make the car meet the expected requirements and operate intelligently in a specific working environment.
Key words:MCU; wireless transmission; automatic obstacle avoidance; voice control
目录
摘要 (I)
ABSTRACT .............................................................................................. n 1绪论 (1)
1.1课题研究背景及意义 (I)
1.2国内外研究动态 (2)
1.2.1多传感器数据融合的研究现状 (2)
1.2.2智能小车的发展趋势 (3)
1.3本文研究内容 (4)
2总体设计 (5)
2.1各模块的分析选择 (5)
2.1.1主控单元方案比较与选择 (5)
2.1.2避障单元方案比较与选择 (6)
2.1.3寻迹单元方案比较与选择 (6)
2.1.4遥控单元方案比较与选择 (7)
2.1.5语音控制单元方案比较与选择 (7)
2.2总体设计框图 (8)
3硬件设计9
3.1单片机控制模块 (9)
3.1.1时钟电路 (10)
3.1.2复位电路 (10)
3.1.3烧写接口电路 (11)
3.2无线遥控模块 (11)
3.2.1无线遥控器的操作原理 (12)
3.2.2芯片PT2262 / 2272 (13)
3.3红外对管寻迹模块 (15)
3.3.1模块系统分析 (15)
3.3.2LM393 芯片介绍 (17)
3.4红外避障模块 (17)
3.4.1红外避障电路介绍 (17)
3.4.2555芯片工作原理 (18)
3.5电机驱动模块 (19)
3.6语音控制模块 (20)
4软件设计 (22)
4.1路径识别 (22)
4.1.1红外检测 (22)
4.1.2位置识别 (22)
4.2速度控制 (22)
4.2.1速度检测计算 (23)
4.2.2给定速度计算 (24)
4.3软件流程图 (24)
结论 (26)
致谢 (27)
参考文献 (28)
附录 (29)
1绪论
1.1课题研究背景及意义
中国自1978年把“智能模拟”作为国家科学技术发展规划的主要研究课题,开始着力研究智能化。

从概念的引进到实验室研究的实现,再到现在高端领域(航天航空、军事、勘探等)的应用,这一过程俄日智能化的全面发展奠定基石。

智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用,以尽可能少的投入得到最大的利益,大大提高工业生产的效率,实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级,实现当今智能化发展由髙端向大众普及。

从先前的模拟电路设计,到数字电路设计,再到现在的集成芯片的应用,各种能实现同样功能的元件越来越小为智能化产物的生成奠定了良好的物质基础。

随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人关注。

全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究。

可见其研究意义很大。

本设计就是在这样的背景下提出的,指导教师己经有充分的准备。

本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。

设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程,具有自动寻迹、寻光、避障功能,可程控行驶速度、准确定位停车。

根据题目的要求,确定如下方案:在现有玩具电动车的基础上,加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量, 并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。

本设计釆用MCS-51系列中的80C51单片机。

以80C51为控制核心,利用超声波传感器检测道路上的障碍,控制电动小汽车的自动避障,快慢速行驶,以及自动停车,并可以自动记录时间、里程和速度,自动寻迹和寻光功能。

80C5I是一款八位单片机,它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。

它是第三代单片机的代表。

1-2国内外研究动态
1.2.1多传感器数据融合的研究现状
数据融合技术最早是在1973年美国国防部资助的声纳信号理解系统中体现的。

在20世纪80年代,有关多传感器数据融合方面的文献还很少,1984年美国成立了数融合专家组,1986年起,一些国际学术会议和期刊都推出了数据融合的专辑,1988年, SPIE(国际光学工程学会)开始连续主持召开有关数据融合的会议,1989年9月,Ran C. Lou 在IEEE Transom SMC 上发了综述性文章Multisensory Integration and Fusion in Intelligence Systems,对此前这方面工作进行了概括总结,自此,这一方向的研究变得十分活跃。

80年代末,美国国防部联合指导实验室C3I技术委员会和国际光学工程学会每年分别赞助召开关于数据融合的会议,到上世纪九十年代,有非常多的军事用途的数据融合系统在美国研制成功,比如“军用分析系统”、“多传感器多平台跟踪情报相关处理系统”、“海洋监视融合专家系统”等,同实美国国防部将“多传感器数据融合”列为当时的重点研究、开发的20项关键技术之一,从1992年起,每年投巨资用于数据融合技术的开发与研究,而其他国家,如英国的“炮兵智能数据融合示范系统”等,也早己面世。

相对于国外,国内的研究起步较晚,直到20世纪90年代以后才被重视起来。

截止到现在,有很多的大学学校和一些研究所在从事这些项目的研究,1993年,有国家自然科学基金会资助的北京航天航空大学的“多传感器数据融合”项目,电子工业部在成都电子科技大学的科研项目,国防科工委对部队院所的多传感器数据融合研究也进行了资助,四川大学研制的多航管雷达数据融合系统,该系统性能达到了世界领先水平,且已经实地运行在广州白云、深圳、成都双流等多家航空港,同时有一些专著面世,每年都有几百篇的学术论文在国内外刊物和会议上发表。

其中,一些有代表性的专著有:文献《多传感器信息融合及应用》,文献《数据融合技术及其应用》,文献《数据融合理论与应用》,文献《多传感器数据融合及其应用》等。

目前新一代舰载、机载、弹载和各种C3I系统正在向多传感器数据融合方向发展。

1.2.2智能小车的发展趋势
智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制的等学科,智能控制技术是一门跨越科学的综合性技术,当代研究十分活跃,应用日益广泛的领域。

智能作为现代社会的新产物,是以后科技的发展方向,它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动的运行,可运用科学勘探等用途,无需人工操作,便可以完成与其所要达到的或更高的目标。

智能机器人正在替代人们完成这些任务,凡不宜有人直接承担的任务,均可有智能机器人代替,可以适应不同的环境, 不受温度、湿度等条件的影响,完成危险地段,人类无法介入等特殊情况下的任务, 智能小车就是其中的一个体现。

智能车辆又称轮式机器人,是移动机器人的一种,是一个集于环境感知、规划决策、自动驾驶等多功能于一体的综合系统。

如果将以上技术引用到现实生活中,可以使我们的未来生活变得更加智能。

除了潜在的军事价值外,还可以应用于科学研究、地质勘探、危险搜索、只能救援等,其在交通运输中也有较旷阔的应用前景。

1.3本文研究内容
本设计以智能化全面发展的普及与应用为目的,整体开发过程简单易懂,所选择的平台与各电子元件恰当合理,无需花费过多的人力财力便可达到预期所要求各功能的实现,也符合课题研究的意义。

设计的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为国内自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。

小车也可以作为玩具的发展对象,为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补,实现经济收益,形成商业价值。

同时作为高校毕业设计研究课题,对学生的思维、动手能力以及总结论述等综合能力得到充分的锻炼,有利于以后独立及全面发展。

设计主要以简易智能机器人为开发平台,选择通用、价廉的51单片机为控制平台, 选择
常见的电机模型车为机械平台,通过细化设计要求,结合传感器技术、电机控制技术、无线通信技术等相关知识实现小车的各种功能。

设计完成由无线电遥控、红外线对管的自动寻红外线自动避障以及语音控制组成的硬件模块结合软件设计组成多功能智能小车,共同实现小车的前进倒退、转向行驶,自动根据地面黑线寻迹导航,检测障碍物后停止和语音信号的控制等功能,实现智能控制,达到设计目标。

2总体设计
这个项目的设计主要是创建一个能够精确的判断并做出正确响应的小车,使该车具有寻迹功能、语音控制功能、自动避障功能、无线遥控功能和语音控制功能。

这项工作不仅可以分析高端智能,而且是先进智能玩具的发展目标。

这也可以作为嵌入式控制系统在大学生中应用的一个实例。

这项工作主要由两台直流电机驱动。

各种类型的传感器用于收集各种类型的信息并发送给主控制单元C51微控制器。

数据处理完成后,相应的操作完成以实现自己的控制。

駆动电路运用高电压,强电流,拥有四个通道的驱动合成芯片L93D;釆用红外线接收和发射器避障,完成红外线接收二极管的自动追寻;无线遥控器釆用PT2272 编码的TDL-9915模块接收,语音模块配有PT2262编码的TDL-9988-4发射模块,附加功能在柱极式话筒脉冲波经过处理后完成。

最后,在经过微控制器数据处理后,汇编语言将各个模块的信号排序整合并完成相应的动作,从而实现智能化控制,相当于一个简单的机器人。

2.1各模块的分析选择
通过收集各硬件模块的数据与信息,对其进行有效的分析和选择,最终选择最合理的设计方案。

2.1.1主控单元方案比较与选择
方案一:利用好多种数字信号电路组成小车的控制单元,并对外部躲避障碍信号、自动追寻信号、无线电遥控信号和语音控制信号进行处理。

该方案电路复杂,运用节奏慢,反应速度低,不利于小车的智能化拓展,信号处理难度大。

方案二:采用微控制器作为总体控制系统单元。

红外线发射头在市场上装有特用发射管和接收器,在比较芯片调节处理后,由控制单元接收。

该方法是从红外线信号中釆集信号,并将其发送到微控制器系统,包括无线电遥控信号和语音控制信号。

该系统比较灵活,用软
件的编程方式解决复杂的硬件部分,使系统硬件简便,各种功能都很容易实现,并能更好地满足这个设计的要求。

对这两种方案进行优缺点的比较,第二种方案比较灵活,具有很好的扩展性,对于设计要求更能体现其价值,所以采用第二种方案。

2.1.2避障单元方案比较与选择
方案一:用超声波避障,它受环境的极大影响,电路比较复杂,而且超声反射会影响对障碍物的判断。

方案二:用红外线避障系统,利用微控制器产生38KHz脉冲信号调节放射红外线发射管,红外线在遇到障碍物时反射返回,红外线接收器调制反射信号并输出。

红外信号的外部干扰相对较小,易于实现,价格相对低廉。

因此,釆用第二种方案。

红外线避障方法,利用一个管发射另一个管接收,接收管凭借对红外线的接受程度来判断障碍物的距离,由于红外线受户外光泽的干扰特别大,所以通过微控制器产生38KHz的信号来减少外界的一些干扰。

只要障碍物在微控制器的控制范围内就会产生相对的信号供微控制器控制,实现避障功能。

2.1.3寻迹单元方案比较与选择
方案一:利用发光二极管发亮,然后用光敏二极管接收。

由于光线的影响很大, 光敏二极管稳定性不好。

方案二:采用集成红外对管作为跟踪单元的传感器,在红外线发射中,外界光线对信号的接收影响不大,然后通过放射管输岀装置隔绝信号。

这个方案也比较容易实
现和可靠。

所以采用第二种方案。

当小车底部的红外线接收和发射器遇到黑线时,可以检测到输入信号为高信号,反之则低信号。

结合微控制器的查询方式,通过编写的程序控制小车左右轮胎转动来改变方向。

这样,连续不断地进行检测和方向控制使小车能够沿着黑线运行。

2.1.4遥控单元方案比较与选择
方案一:无线遥控系统的两部分由发射器和接收器组成,采用专门合成电路芯片对其进行控制。

放射部分包括编码调制、键盘矩阵、LED红外发送器;接收部分包括调节电路、光和电的相互转换等结构很复杂无线遥控器前的红外发射口必须与接收管瞄准才能使用。

方案二:无线电遥控也是由发射器和接收器两大部分组成,由于无线电遥控在市场上非常普遍,加上无线电遥控有传输信号路程远、受外界影响不大、没有特定的方向等优点,对实现设计要求来说是一个很好的选择。

方案三:超声波遥控是利用超声波来达到控制冃的的遥控,可以应用与需要遥控、遥测的局面。

采用AX5326与AX5327等构成的控制系统具有占地面积小、消耗低、作用非常大、受外界影响不大等优点。

但由于超声波遥控价格相对上面两种价格较贵,而且小车的遥控也太过于夸张化。

综合评估以上几种方案,最后选择用各方面都比较好,一般的小东西也可以穿过,而且遥控没有特定方向的无线电遥控。

2.1.5语音控制单元方案比较与选择
方案一:利用麦克风生成全频信号并完成声音提示。

尽管如此,这个方案给人一种不好理解的感觉,但它在一定程度上可以满足要求,而且很容易实现。

成本低。

方案二:DSI40是可用于录制和播放并可以提供直观提示的模块,可以实现更多信号的相互转换,但是DS140模块比较昂贵。

编写程序特别复杂,所以性价比方面不如第一种方案。

2.2总体设计框图
该系统是用一个微控制器作为控制中心,通过每个外部传感器处理和实现信号,这个外部传感器具有四个部分的外部信号:障碍物预防模块,遥控模块,寻迹模块和语音通信模块。

最后,该过程的结果被转移到电机驱动上,实现相应的目的。

如图2.1 总体设计框图。

〈语音控制〉
图2-1总体设计框图
3硬件设计
本系统硬件主要有六大模块组成:微控制器模块、无线电遥控模块、红外对管寻迹模块、红外线避障模块、电机驱动控制模块和语音控制模块。

3.1单片机控制模块
该模块使用51位微控制器作为核心处理器。

微控制器控制系统包括最小系统和外围信号,而最小系统又包括电源,CPU和复位电路。

只有有了以上三点,该微控制器才可以运行。

89C51是一款节能,性价比较高的CMOS8位微控制器,具有ISP可编程闪存擦除程序存储器,可反复写1000次。

该设备使用ATM高密度非易失性存储器。

与标准指令系统MCS-5I 和8OC5I引脚结构兼容的制造存储器技术通过强大的微型计算机将8位通用CPU和ISP闪存器件集成到芯片和89C51中成本效益好的解决方案应用性能良好,可用于解决复杂的控制问题。

使用I/O端口来实时评估和监测传感器。

如图3-1是较为常见的单片机最小系统。

89C52
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Pl」
Pl.2
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单片机最小系统
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Pl I 2
GM)
图3-1最小系统原理图
3.1.1时钟电路
单片机产生时钟电路的方式有两种:内部时钟模式和外部时钟模式。

系统时钟的设计是基于发电机内部电路的内部方式。

AT89微控制器为振荡器提供了一个高增益放大器。

引脚XTAL1和XTAL2是放大器的输入和输出。

该放大器与晶体外部的晶体谐振器一起形成了一个自由振荡器作为反馈元件。

外部石英谐振器和电容器Cl、C2形成与放大器反馈回路相连的并联谐振电路。

虽然对外部电容的大小没有严格的要求,但电容器的大小会影响振荡器频率,发射机稳定性,发射速度和温度稳定性。

因此,晶体振荡器在这个方案中的值为12MHzo 应尽可能地选择具有30PF电容的电容器。

在焊接电刷板时,晶体振荡器和电容尽可能靠近微控制器芯片安装。

为了尽可能地减少寄生电容的数量,最好确保发射器稳定。

3.1.2复位电路
复位主要是靠外部的复位电路来执行。

芯片上的复位电路是复位触点RST,它通过触发器连接到夏位电路。

触发器用来控制其他声音的干扰,其输岀主要由夏位电路在每一个机器周期里选择一次。

复位电路在理论上一般使用上电复位和按钮复位来控制。

上电复位意味着当电脑通电时,RST引脚上岀现超过10ms的正咏冲,导致微控制器进行复位。

而按钮复位必须是需要人为的按下复位按钮来达到微控制器复位的目的。

图3.2显示了上电复位和按钮复位的一个实用电路。

通电时,供电电源给微控制器提供电源,同时电容C3通过电阻R来充电。

在给电容C3给电的过程中会产生一个具有一定宽度的负脉冲信号,通过取反之后,引脚RST上就会岀现一个正脉冲信号使单片机实现通电复位。

按钮复位在按下按钮之后, 引脚RST±会产生一个高电位信号,从而实现按钮复位。

在实际应用的系统中,有许
多芯片也同样需要复位。

如果芯片复位端的复位信号和微控制器的一致,则能和微控 制器的复位引脚相连,因此,非门在这个电路中不仅仅有反向的作用,而且还大大的 增强了其驱动能力,电容Cl, C2在这里起滤波作用,防止其他干扰因素进入复位端 产生误差。

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U?2A
图3.2复位电路原理图
3.1.3烧写接口电路
对RST 输入高信号,然后对微控制器串行传送汇编程序的命令。

Pl.7 (SCK)输 入移位脉冲信号,Pl.6 (MISO)串行输出,Pl.5 (MOSI)串行输入。

如图3.3烧写接 口电路。

3.2无线遥控模块
该模块通过遥控无线电实现功能停车和车辆方向,并在整个汽车系统中发挥重要 作用。

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lOuF IDuF
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PI 0fT2 Pl 1/T2EX Pl VECl PI VCEXO PI4/CEX1 PL5/CEX2 PI 6/CEX3 Pl 7/CEX4 P2 0/A8 P2 1/A9 P2.2/AI0 P2VAI1 P24/AI2 P2VA13 PZ 如 4 P27/AI5
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1ST EA/VPP
ALE/PROG
3.2.1无线遥控器的操作原理
图3.4是由发射机,接收机和执行机构组成的远程无线电的框图。

发射机通常包 括编码方案和传输方案。

编码方案由操纵器控制,并且操纵器使编码方案通过操纵器 生成必要的控制命令。

这些控制命令是具有某些特征并且容易相互区分
P?» AS P?1 P :J All PI 心 P2^W K >A1« PLAT
图3-3烧写接口电路
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发射机 接收机
执行机构
图3-4无线电遥控设备方框图
的电信号。

例如,频率为270Hz 的正弦信号被用作左驱动命令,并且频率为350Hz 的 正弦信号被用作驱动右轮的命令,即另一个正弦频率信号是另一个控制命令。

除了可
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用的不同频率特性命令之外,还可以使用正弦信号的幅度和相位特性,幅度和相位特性,脉冲信号的宽度,代码组的特性等。

由编码方案生成的命令信号都是低频电信号,不能直接传输到遥控目的地。

命令信号也被发送到发送电路,以便它在发送天线可以发送之前被传送到高频信号。

将指令信号加载到介质上的过程称为调制,调制主要是由传输方案的调制器来执行。

传输方案的主要功能是创建一个载波,调制器调制载波上的命令信号并通过天线发送已调载波。

接收器由一个接收器电路和一个解码器电路组成。

接收器电路还包括高频信号和解调器部分。

在接收器的高频部分被选择和放大之后,由接收天线发送的微弱信号被发送到解调器。

由于各种远程命令信号彼此混合,它们也被送到解码电路进行解码。

它X分不同的命令信号并将它们发送到适当的功率放大器电路。

执行放大电路以放大命令信号以具有用于控制驱动的特定功率。

驱动器将电能转化为机械过程。

电机旋转,电磁致动等,并控制可调节调节机构以获得对受控目标的控制。

3.2.2 芯片PT2262 / 2272
从PT2262编码芯片发送的编码信号包括:地址码,数据码和同步码以形成完整的码字。

在PT2272解码器接收到信号后,解码芯片的地址码被比较两次,VT引脚输出高电平。

同时,相应的数据输岀也输岀一个高电平。

如果发送方继续按键,编码器芯片也会连续发送。

如果发射机没有按下按钮,PT2262将不会打开,并且其17引脚信号将为低电平,因此315 MHz无线电传输方案将无法工作。

当您按下PT2262键时,
第七个引脚将打开和关闭。

一个巳调制的串行数据信号,当17脚低电平停止在
315 MHz的射频发送时,射频发送电路完全由17脚数字输出信号PT2262控制,完成
射频电路。

编码对应于100%的幅度调制。

图3-5显示了PT2262的引脚图。

PT2272解码芯片具有不同的后缀,表示不同的功能。

有L4/M4/L6/M6,其中L 是【古| 定
输岀,数据可保持在适当的电平状态,直到在下一个远程控制数据之前成功接收数 据。

如果更改则也要更改。

M 代表非阻塞输出,数据输出的输出电平是瞬时的,并于 发送器是否正在发送相对应。

它可以用来控制类似步骤。

后缀6和4表示几个并行控 制通道,如果4个并行数据,则相应的地址码必须是8位。

如果是6个并行数据,则 相应的地址码必须是6位。

图3-6为PT2272的引脚图。

3-5 PT2262引脚图
3・6 PT272引脚图
解码电路PT2262和解码PT2272的第1〜8脚为地址设定脚,有三种状态可供选 择:悬空、接正电源、接地三种状态,只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编 码完全相同,才能配对使用。

同一个系统地址码必须一致,不同的系统可以依靠不同 的地址加以区分。

外形图及测试应用图
A4 A5 以05 AT/M
V II
PT2262
V«€ Dost asci osa fi
All/DO HO/m A9/S A8/M
AC/D5 A7/M
D6C2 All/DO A1CVD1 A8/M
P72272。

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