无线遥控开关设计方案

基于单片机的无线遥控开关设计方案
摘要：无线射频技术作为本世纪最有发展前景的信息技术之一，已经得到业界的高度重视。

该技术利用射频方式进行非接触双向通信，可以自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。

无线电遥控器是利用无线射频信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备，本文针对拥有多种家用电器的现代化家庭，设计了一套能够控制多路用电器的无线遥控开关。

介绍了一种四路无线遥控开关系统的设计方法，并对该系统的组成结构和工作原理进行了详细的说明。

该系统采用解码芯片对接收到的信号进行解码，本文针对拥有多种家用电器的现代化家庭，设计了一套能够控制多路用电器的无线遥控开关。

本设计采用315M稳频无线电遥控组件及其他外围设备。

组装的遥控开关，可对四路220V 用电器分别开关，也可将印制板上连接继电器各转换触点与220V的条划断，仅利用继电器触点输出去开关或控制其他电路。

该无线遥控开关电路可控制四路开关，可在中短距离（≤10m）内，无需对准用电器按一按遥控器按钮，即可实现多路遥控电源电路接通与断开的目的，不仅适用于一般家庭，而且也适合于各大宾馆、饭店、豪华别墅等场所使用。

无线电遥控器是利用无线射频信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。

经过试验验证，该无线遥控开关操作方便，工作可靠，符合设计要求。

研究成果对促进家居电器的智能化具有重要意义。

关键词：多路；无线电；遥控
第1章绪论
1.1 课题研究背景和意义
近十几年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。

而无线通信技术又有着集成化，低功耗，易操作的发展趋势。

目前，一些只由微控制器和集成射频芯片构成的无线通信模块不断推出，这种微功率短距离无线数据传输技术在工业、民用等领域得到应用广泛。

无线射频技术作为本世纪最有发展前景的信息技术之一，已经得到业界的高度重视。

该技术利用射频方式进行非接触双向通信，可以自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。

随着社会经济的发展，人们对生活质量的要求也在渐渐提高，拿日用品来说，越来越多的家用电器都开始使用遥控技术。

电视机，VCD,空调，电风扇甚至照相机，
电脑······可以说遥控技术的使用，早已成为一种趋势。

遥控技术之所以这么受现代人的欢迎，是因为它的使用，给我们带来极大的方便，今时今日，人们的工作越来越繁忙，时间也显得越来宝贵。

遥控技术既能帮我们节省一定的体力，还能节约我们宝贵的时间。

这也是本设计的最终目的。

当你劳累了一天回到家里，坐在沙发上休息时又想打开电视来看；当你感到燥热又想打开空调来降温时；当天黑了你想打开照明灯时······你都不得不走过去打开电源开关。

虽然电视空调都有遥控器，但那也是在接通电源的条件下才可以使用。

试想一下，如果有一个遥控器可以遥控所有家电的电源开关，那将会解决许多的烦恼带来极大的便利。

在这次毕业设计中，本人所设计的题目就是四路无线遥控开关电路。

我所设计的遥控开关，其技术指标是：电路简单容易实现，成本较低，功耗低，抗干扰能力强，遥控距离适合现实使用。

1.2 设计要求
设计实现四路无线遥控开关，对室内范围内的受控对象进行无线遥控，通信利用超再生无线模块实现，工作频率315MHz～433MHz。

可以对家庭、办公室、商场、
酒店、医院、仓库等场所的灯具照明控制和类似用途电器的控制，也可以实现隔墙遥控，在房间可遥控客厅的灯具等。

遥控距离10m以上。

要求与数据：
（1）工作频率315MHz；
（2）遥控路数四路；
（3）遥控距离10m以上；
（4）受控对象：灯具和家用电器。

第2章 电路方案论证
2.1 方案比较
2.1.1 红外遥控开关电路
红外遥控器（IR Remote Control ）是利用波长为0.76～1.5μm 之间的近红外线来传送控制信号的遥控设备。

红外遥控常用的载波频率为38kHz ，这是由发射端所使用的455kHz 晶振来决定的。

常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。

发射部分的主要元件为红外发光二极管。

它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。

目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm 左右，外形与普通发光二极管相同，只是颜色不同。

接收部分的主要元件为红外接收二极管，一般有圆形和方形两种。

在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。

红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其它电器设备。

由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。

因此，现在红外遥控在家用电器、室内近距离（小于10米）遥控中得到了广泛的应用。

红外线发射/接收控制电路均采用单片机来实现，输出控制方式可选择实用性强。

红外发射部分方案结构图如图2.1所示。

当按下遥控按钮时单片机产生相应的控制脉冲，由红外发光二极管发射出。

红外接收部分方案结构图如图2.2所示。

当红外接收器收到控制脉冲后，由控制方式选择开关是“互锁”还是单路控制，在由单片机处理后对相应的受控电器产生控制。

图2.1 红外发射部分方案结构图
图2.2 红外接收部分方案结构图2.1.2 无线电遥控电路
无线电遥控器（RF Remote Control ）是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。

常见的无线电发射接收模块常用的无线电遥控系统一般分发射和接收两个部分。

发射部分一般分为两种类型，即遥控器与发射模块，遥控器和遥控模块是对于使用方式来说的，遥控器可以当一个整机来独立使用，对外引出线有接线桩头；而遥控模块在电路中当一个元件来使用，根据其引脚定义进行应用，使用遥控模块的
优势在于可以和应用电路天衣无缝的连接、体积小、价格低、。

接收部分一般来说也分为两种类型，即超外差与超再生接收方式，超再生解调电路也称超再生检波电路，它实际上是工作在间歇振荡状态下的再生检波电路。

超外差式解调电路与超外差收音机相同，它是设置一本机振荡电路产生振荡信号，与接收到的载频信号混频后，得到中频信号，经中频放大和检波，解调出数据信号。

由于载频频率是固定的，所以其电路要比收音机简单一些。

超外差式的接收器稳定、灵敏度高、抗干扰能力也相对较好；超再生式的接收器体积小、价格便宜。

图2.4 无线电遥控接收电路
图2.3 无线电遥控发射电路
2.2 电路总体方案
由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100mW左右），所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱，因此就要增加高增益放大电路，最近几年大多都采用成品红外接收头。

红外遥控和无线遥控是对不同的载波来说的，红外遥控器是用红外线来传送控制信号的，它的特点是有方向性、不能有阻挡、距离一般不超过7米、不受电磁干扰，电视机遥控器就是红外遥控器；无线电遥控器是用无线电波来传送控制信号的，它的特点是无方向性、可以不“面对面”控制、距离远（可达数十米，甚至数公里）、容易受电磁干扰。

在需要远距离穿透或者无方向性控制领域，比如工业控制等等，使用无线电遥控器较易解决，基于本课题的设计要求，所以选择无线电遥控。

图2.5 红外线遥控器图2.6 无线电遥控器
第3章 无线电遥控技术的发展及应用
3.1 无线电遥控技术的发展
无线电遥控技术发展只有几十年的历史：本世纪20年代才刚刚出现无线电遥控的雏形。

那时，人们试图将遥控技术应用于无人驾驶飞机和舰船上，但由于技术不够完善而未能成功。

二次世界大战以后，无线电遥控技术发展迅速，并逐渐在军事、国防、工农业生产以及科学技术等方面得到广泛的应用。

到现今，随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使得遥控技术有了日新月异的发展。

遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。

近年来，遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。

在无线遥控领域，目前常用的遥控方式主要有超声波遥控、红外线遥控、无线电遥控等。

由于无线电波是由发射点向四面八方传播，可以穿过阻挡物，而且可以传播到很远的距离，因此它的控制可以在很大区域和空间内实现，成为遥控的主要方式，在国防、军事、生产、建设和日常生活中有极广泛的应用。

为此，在前人研究的基础上设计出了一种集成芯片无线电遥控多通道开关系统的设计方法。

研究表明，采用该方法设计的遥控开关系统控制方便，适用于含有较多受控电器的场合，可实现多路多功能控制。

传统的机械式开关愈来愈满足不了人们追求完美生活的需求。

随着生活水平的不断提高，科学技术的不断创新，智能型无线遥控技术取代传统的手动控制，已成为现代生活的一种时尚。

运用无线遥控照明开关，在某一空间的任意位置，任意时刻，都可以随意调控电灯及其它电器，让我们真正感受到高科技带来的无穷魅力和便捷。

无
图3.1 传统机械开关 图3.2 无线遥控开关
线遥控与红外遥控、声控相比较，具有无线遥控覆盖范围宽，控制距离远，穿透力强等特点，在诸如爆破遥控、工厂生产控制和一些地形地貌险要、操作人员难接近或不能接近的实际场合中，更显魅力，倍加令人注目。

近些年来无线遥控技术在家庭生活和科学研究中也占很重要的地位，在汽车、摩托车防盗报警中，在门、窗、库房控制中，在儿童玩具中，在无线数据传输，无线定时控制中，无线遥控获得更加广泛的应用。

无线电遥控器是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。

这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其它各种相应的机械或者电子设备，去完成各种操作，如闭合电路、移动手柄、开动电机，之后再由这些机械进行需要的操作。

作为一种性能良好的遥控器种类，在车库门、电动门、道闸遥控控制，防盗报警器，工业控制以及无线智能家居领域得到了广泛的应用。

无线电遥控常用的载波频率为315mHz或者433mHz，遥控器使用的是国家规定的开放频段，在这一频段内，发射功率小于10mW、覆盖范围小于100m或不超过本单位范围的，可以不必经过“无线电管理委员会”审批而自由使用。

我国的开放频段规定为315mHz和433mHz，本课题选用315 mHz频段。

3.2 无线电遥控器的应用
图3.3 工业行车
（1）工业行车：工业用行车是遥控系统应用最广泛的领域之一，以德国为例，占遥控系统每年产量的40%左右；特别是冶金、汽车制造、造纸厂、物料仓库等新增行车几乎全部配备工业无线遥控器；
（2）汽车吊、随车吊：通常，大型汽车吊遥控系统还配置了数据反馈装置，反馈装置可将运行参数（如负荷、起重臂长、负荷力矩、油温，压力，角度等）显示在发射系统显示屏上，操作人员可根据显示数据来监控吊车；
（3）混凝土泵车：混凝土泵车操作时因控制·台距浇注作业面有几十米（甚至上百米），传统的操作方式需数人配合才能完成，由于效率低，限制了混凝土泵车的性能发挥；对于长距离、大排量的大型泵车，矛盾更为突出；采用工业无线遥控器可以最大地发挥整机的性能，泵车司机在工作地点驾车定位后，即可用携带遥控系统依次操作泵车的各个动作，如布料杆的左右回转，多级杆的变幅升降等。

操作人员可携带发射系统，远离泵车控制台，直接站在软管喷口附近，控制布料杆的动作和混凝土泵的运作；
（4）矿山机械：对于矿井里能见度较低的场合下，可选用配有反馈装置的工业无线遥控器控制液压机械。

即使在能见度较低、环境恶劣的地方，也可以方便控制重
图3.4 建筑塔吊
型凿岩机架钻孔作业。

操作员可以选择最近的地点对位钻孔，而不必呆在距钻孔作业点十米以外的钻孔机的操作台上。

无线电控制装置采用IP65保护标准完全适应在潮湿和含盐的环境中使用。

大大增加了操作的安全性、舒适性和准确性，节约投资，提高了效率；
（5）专用机械如：炼钢厂清渣装载机，采用工业无线遥控器对装载机进行遥控改造，在不改变现有手动操作方式的前提下，百分之百模拟原履带装载机的机械动力性能和作业功能，达到无人驾驶完成清渣作业的目的。

操作员带着轻巧的发射机，自由选择最佳的视觉位置，遥控的装载机在清渣作业中运行自如。

遥控装载机的成功运用消除了以往环境恶劣，视线不清，高温落渣带来的事故隐患，使操作人员从恶劣的环境中解脱出来，提高了清渣作业效率、改善冶金工人的工作环境，降低工人的劳动强度；
（6）建筑塔吊：在欧洲、北美超过60%的建筑回转式塔吊采用无线遥控方式控制，不仅在设备制造时节省成本（无空中操作台），安全性和可靠性也得到充分保障，提高了施工效率；
（7）其它方面：随着工业无线遥控器技术的发展，在装载机、调车机车、液压机械和移动车辆港口装卸船机等设备中，工业无线遥控器都得到了广泛应用，市场前景极为广阔。

3.3 无线遥控距离的影响因素
（1）发射功率：发射功率大则距离远，但耗电大，容易产生干扰；
（2）接收灵敏度：接收器的接收灵敏度提高，遥控距离增大，但容易受干扰造成误动或失控；
（3）天线：采用直线型天线，并且相互平行，遥控距离远，但占据空间大，在使用中把天线拉长、拉直可增加遥控距离；
（4）高度：天线越高，遥控距离越远，但受客观条件限制；
（5）阻挡：目前使用的无线遥控器使用国家规定的UHF频段，其传播特性和光近似，直线传播，绕射较小，发射器和接收器之间如有墙壁阻挡将大大打折遥控距离，如果是钢筋混泥土的墙壁，由于导体对电波的吸收作用，影响更甚。

3.4 无线电遥控设备工作原理
无线电遥控设备由发射机、接收机及执行机构三部分组成。

发射机主要包括编码
电路和发射电路。

编码电路由操作器(操作开关或电位器等)控制，操作者通过操作器，使编码电路产生所需要的控制指令。

这些控制指令具有某些特征的、相互间易于区分的电信号。

除了可以用频率特征外，还可以用正弦信号的幅度及相位特征、脉冲信号的幅度、宽度及相位特征以及码组特征等表示各种指令。

编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，无法直接传送到遥控目标上去，还要将指令信号送到发射电路使它载在高频信号（载波）上，才能由发射天线发送出去。

就如同用火车、飞机等运载工具运送货物一样，指令信号相当于货物，载波相当于运载工具。

我们把指令信号载到载波上去的过程叫调制，调制作用由发射电路的调制器完成。

发射电路的主要作用是产生载波，并由调制器将指令信号调制在载波上，由天线将已调制波发送出去。

接收机由接收电路及译码电路组成。

接收电路又包括高频部分及解调器部分。

由接收天线送来的微弱信号经接收机高频部分的选择和放大后，送到解调器。

就像火车、飞机等运载工具到站后，把货物卸下来的情况一样，解调器的作用是从载波上“缷”下指令信号。

由于卸下来的各种指令信号是混杂在一起的、还要送到译码电路译码。

译码电路的工作就像把卸下来的货物鉴别分类，再分别送到使用场地一样，它对各种指令信号进行鉴别，送到相应的执行放大电路。

执行放大电路把指令信号放大到具有一定的功率，用驱动执行机构。

执行机构将电能转变为机械动作，例如电机的转动、电磁铁的吸动等，带动被控的调节机构（例如舵面），从而实现对被控目标的控制。

第4章硬件电路的设计和实现
4.1 单片机及最小系统
4.1.1 STC89C51单片机介绍
单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。

它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入/输出端口（I/0）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

现在可以说单片机是百花齐放的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地[6]。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势。

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS （互补金属氧化物半导体工艺）。

80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT （看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

[7]
STC89C51RC单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。

主要特性如下：
增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051。

工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）
工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz 用户应用程序空间为8K字节
片上集成512字节RAM
通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏
极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O 口用时，需加上拉电阻。

ISP （在系统可编程）/IAP （在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0，TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片
具有EEPROM 功能
具有看门狗功能
共3个16位定时器/计数器。

即定时器T0、T1、T2
外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒
通用异步串行口（UART ），还可用定时器软件实现多个UART
工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）
STC89C51RC 单片机的工作模式
掉电模式：典型功耗<0.1μA ，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序
空闲模式：典型功耗2mA
正常工作模式：典型功耗4mA ～7mA
掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备 下图4.1为STC89C51RC 引脚功能说明。

VCC （40引脚）：电源电压
图4.1 STC89C52引脚图
VSS（20引脚）：接地
P0口：为8位准双向I/O接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置1），可启动4个TTL负载。

P1口：为8位准双向I/O接口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入时，口锁存器必须置1），可启动4个TTL负载。

P2口：为8位准双向I/O接口，当它作为I/O接口使用时，可直接连接外部I/O 设备；在接有片外存储器或扩展I/O且寻址范围超过256字节时，P2口可用做高8位的地址总线。

P3口：为8位准双向I/O接口，还可以将每一位用于第二功能，第二功能的定义见表4-1。

表4-1 STC89C51 P3口的第二功能
XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

本设计的主程序主要由液晶显示、通讯子按键程序组成。

主程序的工作流程描述如下：首先初始化各种硬件功能模块进行初始化。

包括开机液晶显示、键盘扫描、指纹模块建立通信。

4.1.2 STC89C51单片机最小系统
最小系统包括单片机及其所需的必要的电源、时钟、复位等部件，能使单片机始终处于正常的运行状态。

电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以将最小系统作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。

STC89C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。

用STC89C52单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，结构如图4.2所示，由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。

图4.2 单片机最小系统结构图
4.1.3 外部晶振的设计
单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十，高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

[8]
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。

如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF 之间。