基于CC1101通信模块的简单无线电遥控开关系统设计.docx
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基于CC1101通信模块的简单无线电遥控开关系统设计
毕业设计（论文）说明书
题目：
多路无线遥控开关设计
系别：
机电工程系
专业：
机械设计制造及其自动化
摘要
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：
；CC1101；无线电；遥控
引言
近些年信息通信领域中，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。
无线数据传输系统结构微功率短距离无线数据传输技术作为一种无线通信实用技术，一般使用单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。
一个简易无线传输系统可以由微控制器，单片射频收发芯片以及少量外围和显示设备等构成，本课题主要研究的是由C8051F310单片机最小系统和CC1101无线通信模块组合而成的多路无线遥控器。
1设计任务分析
1.1设计要求
设计实现多路无线遥控开关，对室内范围内的受控对象进行无线遥控，通信利用无线射频芯片CC1101实现，工作频率433MHz，遥控距离10m以上。
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。
要求与数据：
（1）工作频率433MHz；
（2）遥控路数不少于8；
（3）遥控距离10m以上；
（4）受控对象：
灯具和家用电器。
1.2课题研究背景和意义
随着现代通信技术的飞速发展，近距离无线通信技术呈现出良好的发展势头。
受到越来越多人的关注。
因为在现实生活中存在着许多这样的应用情况，系统需要实时传输小量的突发信号，当然传统的无线通信技术虽然能够满足要求，但免不了存在成本高，体积大，功耗大的问题，这时成本小，体积小，功耗低的短距离无线通信技术就发挥了它的优势，尤其在传统无线通信系统难于或者不便于覆盖到的区域，短距离无线通信技术可以在近距离范围内实现相互通信或相关操作。
无线数据传输系统已成为当今通信业乃至整个信息业的热点，广泛应用于无线遥控、报警、无线局域网、军事通信等范围，具有一定的实际应用价值。
通常情况下，单片机在获取数据后，还需要将数据传送出去。
有线数据传输依赖于有线的线路，例如采用有线的串、并行总线、I2C总线、CAN总线等。
有线的线路具有成本比较高、维护不方便等缺点。
无线数据传输是在有线数据传输的基础上发展起来的，而无线数据通信则是通过发射模块和接收模块来传送数据的，具有不占空间、成本低、可靠性高、维护方便及传输过程中的干扰小等优点，提高了传输过程中的可靠性。
本系统是基于单片机的无线遥控器，它以高可靠性、高性价比，在工业控制以及无线智能家居领域得到了广泛的应用。
1.3课题研究的内容和方案论证该设备由处理单元、发射模块、接收模块、外接电路等构成。
当发射模块发出信号时，接收模块对应的开关就会执行相应的操作，以LED灯的亮灭来显示开关的状态。
（1）处理单元：
对比了51系列和C8051系列单片机的各项性能指标后，选择兼容性较好，性能稳定的C8051F310单片机作为处理单元，该单片机系统工作电压为2.7V~3.6V之间。
（2）发射和接收装置：
无线收发单元选用CC1101射频芯片。
CC1101与单片机采用SPI接口连接，该芯片体积小，功耗低，数据速率支持1.2～500kbps的可编程控制，可以工作在915MHz、868MHz、433MHz、315MHz四个波段，在所有频段提供-30～10dBm输出功率。
本文中CC1101工作在433MHz的频率上，采用FSK调制方式，数据速率为100kbps，信道间隔为200kHz。
2无线遥控概述
无线遥控器顾名思义，就是一种用来远程控制机器的装置。
现代的遥控器，主要是由集成电路电板和用来产生不同讯息的按钮所组成。
时至今日，无线遥控器已经在生活中得到了越来越多的应用，给人们带来了极大的便利。
随着科技的进步无线遥控器也扩展到了许多种类，简单来说常见的有两种，一种是红外遥控模式，另一种是防盗报警设备、门窗遥控、汽车遥控等等常用的无线电遥控模式。
两者各有不同的优势，应用的领域也有所区别，本课题要研究的是无线电遥控模式。
2.1无线电遥控与红外遥控的对比
无线电遥控器（RFRemoteControl）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。
红外遥控器（IRRemoteControl）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。
图2.1无线电遥控器
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。
2.2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。
图2.3传统机械开关图2.4无线遥控开关
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433mHz频段。
2.3无线电遥控器的应用
（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。
图2.5工业行车图2.6建筑塔吊
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硬件电路的设计
3.1C805lF310微控制器
图3.1C8051F310原理框图
C8051F310单片机具有体积小，重量轻，控制灵活方便，价格低廉等优点，通常配以简单的外围电路就可以构成一个完整的控制系统，C8051F310单片机采用射频SoC（片上系统）进行无线通讯设计，是开发低成本、低功耗无线通讯应用系统的理想方案。
射频SoC（片上系统）的特点是：
专门的设计，将全部的高频部分电路全部集成到了电路内部，从无线芯片片机到天线之间，只有简单的滤波电路，系统设计者完全不必进行任何高频电路设计；采用特殊设计，使无线芯片和微处理器和高频线路间，实现完美的配合，数字电路对高频通讯的影响减低到最小；将微处理器和无线芯片设计成一体，变成无线单片机，可以轻松完成无线通讯功能设计开发。
C8051F31x系列MCU在CIP-51内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。
扩展的中断系统向CIP-51提供14个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。
在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。
图3.2C8051F310实物图
MCU有多达8个复位源：
上电复位电路（POR）、一个片内VDD监视器（当电源电压低于VRST时强制复位）、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、外部复位输入引脚和FLASH读/写错误保护复位。
除了POR、复位输入引脚及FLASH操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。
在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性使能。
内部振荡器在出厂时已经被校准为24.5MHz±2%。
器件内还集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。
如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。
外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达25MHz）的内部振荡器。
图3.3片内时钟和复位电路
8051兼容的无线单片机目前全世界共有4种，但主流的是chipcon公司的cc1010,
Nordic公司的nRF24E1/nRF9E5。
这三种无线单片机各有自己的特点，chipcon公司的cc1010有32kbyteFlash+2048+128SRAM，三通道A/D10位转换器，64线TQFP封装，传输通讯速度76.8kbit/s,片上具有：
RTC/2UART/2PWM/SPI/26个I/O/DES加密电/看门狗电路等等，高频部分全部集成在芯片上，工作在300-1000mhz,最小的功率消耗仅0.2uA；小量价格在50人民币/每片左右。
Nordic的nRF24E1工作在2.4GHZ，nRF9E5工作在433MHZ和868-930MHZ，虽然Nordic的无线单片机存储器较小，只有4K，但由于采用较好的电源管理方式最小的功率消耗仅2.0uA；，并采用快速的SHOCKBURST技术，传输通讯速度100kbit/s在国内购买，小量价格在40人民币/每片。
图3.432脚LQFP封装和28脚MLP封装的比较
C8051F3l0是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片。
下面列出了一些主要特性，高速、流水线结构的8051兼容的CIP一51内核（可达25MIPS）;全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）;带模拟多路器、真正10位200ksPs的25通道单端/差分ADC;高精度可编程的25MHz内部振荡器;16KB可在系统编程的FLASH存储器;片内RAM;硬件实现的SMBus/hC、增强型UART和增强型SPI串行接口;4个通用的16位定时器;具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）;片内上电复位、VDD监视器和温度传感器;片内电压比较器;29/25个端口阳（容许sv输入）。
具有片内上电复位、VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F310是真正能独立工作的片上系统。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新8051固件。
用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关闭任何一个或所有外设以节省功耗。
片内SiliconLabs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。
调试逻辑支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。
在使用CZ进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
两个CZ接口引脚可以与用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。
每种器件都可在工业温度范围（一45℃到+85℃）内用2.7v一3.6V的电压工作。
端口ST和JTAG引脚都容许SV的输入信号电压。
C8051F3l0采用32脚LQFP封装和28脚MLP封装。
C805lF310使用SiliconLabs的专利CIP一51微控制器内核。
CIP一51与MCS一slTM指集完全兼容，可以使用标准的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP一51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
C805IF3lx系列MCU在CIP一51内核和外设方面有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。
扩展的中断系统向CIP一51提供14个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。
在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。
MCU有多达8个复位源:
上电复位电路（POR）、一个片内VDD监视器（当电源电压低于呱ST时强制复位）、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器提供的电压检测器、一个软件强制复位、外部复位输入引脚和FLASH读/写错误保护复位。
除了POR、复位输入引脚及FLASH操作错误这三个复位源之外，其他复位源都可以被软件禁止。
内部振荡器在出厂时已经被校准为24.SMHz士2%。
器件内还集成了外部振荡器驱动电路，允许使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。
如果需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。
外部振荡器在低功耗系统中是非常有用的，它允许MCU从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达25MHz）的内部振荡器。
3.2CC1101通信模块的设计
3.2.1CC1101模块简介
图3.5CC1101芯片实物图
图3.6CC1101内部结构简化框图
芯片采用Chipcon公司的CC1101，是根据SmartRF技术以0.18μmCMOS工艺制成的一款低成本单片UHF收发器，具有功耗低、电压低、体积小、灵敏度高等特点。
电路主要工作在315、433、868和915MHz的ISM和SRD（短距离设备）频率波段，也可以设置为300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz的其它频率。
CC1101集成了一个高度可配置的调制解调器，支持不同的调制格式，其数据传输率最高可达500kbps。
通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。
CC1101在1.8～3.6V的低电压下工作，其灵敏度为-110dBm，在所有工作频率波段上，可编程输出功率为-30～10dBm。
CC1101单片集成电路的内部结构简化框图如图3.6所示。
图3.7MCU与CC1101接口电路示意图
图3.8无线通信模块电路原理图
CC1101与一个微控制器和少数几个外接元件便可组成一个完整的无线数据收发系统，在本文无线遥控开关的设计中，使用MCU的P2口对CC1101进行控制和数据的传输，如图3.7所示。
图3.8是基于CC1101的无线通信模块电路原理图。
与LCM的电源接口设计一样，在CC1101的电源供电端加入一个三极管来控制CC1101与电源的连接，当P3.5输出高电平时，三极管截止，CC1101与电源断开；当P3.5输出低电平时，三极管导通，CC1101与电源连接。
在不需要CC1101进行无线通信时将其关闭，需要时再打开，这样做的目的也是降低功耗，延长电池的使用寿命。
3.2.2基于CC1101的射频电路PCB设计
基于CC1101的无线通信模块是无线遥控开关中比较重要的组成部分，它的好坏将直接影响到系统的各方面性能，其中PCB的设计是硬件设计的一个重点和难点，下面分四个方面介绍一下无线通信模块PCB的设计。
（1）无线通信模块PCB的布局设计
在对CC1101的PCB进行设计时，首先要考虑元件摆放布局问题，如图3.9所示。
要使射频电路的输入端远离输出端，将强电信号和弱电信号分开，将数字信号电路和模拟信号电路分开，完成同一功能的电路应尽量安排在一定的范围之内，从而减小信号环路面积，各部分电路的滤波网络要就近连接，这样不仅可以减小辐射，还可以减少被干扰的几率，提高电路的抗干扰能力。
（2）无线通信模块PCB的布线设计
在基本完成元器件的布局后，就要开始布线了。
如图3.9所示，所有走线应远离PCB板的边框（2mm左右），以免PCB板制作时造成断线或有断线的隐患。
电源线和地线要尽可能宽，这样可以减少环路电阻，在图3.9中电源线20mil，地线20mil，普通线10mil；同时，电源线、地线的走向和数据传输的方向一致，以提高抗干扰能力；所布信号线应尽可能短，各元器件间的连线越短越好，以减少分布参数和相互间的电磁干扰；对于不相容的信号线应尽量相互远离，而且尽量避免平行走线，在正反两面的信号线应相互垂直；布线时在需要拐角的地方应以135°角为宜，避免拐直角；焊接天线的PCB部分不要有地线，如图3.9所示右上角所示；布线时与焊盘直接相连的线条不宜太宽，走线应尽量离开不相连的元器件；过孔不宜太大且大小要一致，在图3.9中过孔外径大小为28mil，内径为16mil，过
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