船用传感器的无线信号传输系统的设计.docx
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船用传感器的无线信号传输系统的设计
船用传感器无线信号控制系统的设计
[摘要]随着自动控制技术的发展，无人机舱船舶日益普及，机舱集中监视与报警系统的性能完善程度对于机舱设备运行的可靠性及船舶航行的安全性有着重要意义。
船用传感器无线信号控制系统，以其非接触性、专人专控、控制及时等优点，可以连接船舶机舱内多种模拟式和数字式传感器，实现远距离操控，实现一个或多个传感器的独立或融合测量及控制。
但是测量仪在测量机舱内设备时，需要将测量仪的主机放在测量位置的附近，这样轮机员不能远离测量仪主机，在测量人员比较少时，测量就不方便，本文为解决此问题，设计了无线遥控模块。
通过本模块可以代替主机中的按键使用，在一定的距离内实现对测量仪的遥控。
[关键字]船用传感器；无线遥控；系统设计；单片机
TheDesignofMarinesignalsensorwirelessControlSystem
[Abstract]Withthedevelopmentofautomaticcontroltechnologyforunmannedaircraft,shipsareincreasinginpopularity,centralizedengineroommonitoringandalarmsystemofperfectperformanceforengineoperationreliabilityofequipmentandshipnavigationsecurityhasimportantsignificance.Marinesensorwirelesssignalcontrolsystem,byitsnon-contact,specialcontrol,controltheadvantagesoftimely,canbeconnectedtoshipwithinavarietyofanaloganddigitalsensor,remotecontrol,toachieveoneormoresensorindependentorfusionmeasurementandcontrol.Butmeasuringapparatusinthecabinequipment,needtobemeasuringinstrumenthostonthemeasurementlocationnear,soengineerscan'tstayawayfrommeasuringinstrumentinmeasuring,relativelyfewstaff,measurementisnotconvenient,thisarticleinordertosolvethisproblem,thedesignofthewirelessremotecontrolmodule.Throughthismodulecanreplacethehostkey,withinacertaindistancetorealizeremotecontrolofmeasuringinstrument.
[Keywords]Marinesignalsensor;WirelessControl;Systemdesign;Singlechipmicrocomputer
目录
0引言-------------------------------------------------------------1
1无线遥控原理-----------------------------------------------------1
1.1发射电路原理-----------------------------------------------2
1.2接收电路原理-----------------------------------------------2
1.3天线原理---------------------------------------------------3
2遥控方案设计-----------------------------------------------------5
2.1系统设计---------------------------------------------------5
2.2解决方案---------------------------------------------------5
2.3方案讨论---------------------------------------------------6
3系统实现---------------------------------------------------------7
3.1Protel原理图与电路板制作----------------------------------7
3.2器件介绍---------------------------------------------------7
3.2.1发射集成电路-----------------------------------------7
3.2.2接受集成电路-----------------------------------------9
3.2.3编码和解码芯片--------------------------------------10
3.2.4单片机STC89C516RD+---------------------------------10
3.3系统人机交互界面构架--------------------------------------12
3.3.1系统人机交互界面------------------------------------12
3.3.2键盘输入模块设计------------------------------------14
3.4遥控模块设计----------------------------------------------15
3.5串口通讯设计----------------------------------------------17
3.6打印机模块设计--------------------------------------------18
4系统测试--------------------------------------------------------19
4.1无线发射接收测试------------------------------------------20
4.2程序测试--------------------------------------------------20
4.3系统总体测试----------------------------------------------21
结论---------------------------------------------------------------22
致谢语-------------------------------------------------------------24
参考文献-----------------------------------------------------------25
1引言
无线遥控是以非接触的方式对传感器按键和工作进行控制，其控制按键和被控制电器之间不需要连线，控制信号以无线电波为载体进行传输，可以在远离设备操作盘的地方对设备进行无线遥控采用无线电波或操作控制，相当于把设备操作盘上的按钮（开关）移到操作人员手中的操作器上，而且无须使用导线连接。
操作人员活动范围大，可以近距离观测目标，也可以远离危险场所。
随着现代船舶自动控制技术的发展要求，无线控制系统扮演着越来越重要的角色。
船用传感器无线信号控制系统是一种新型船用数据采集控制系统，它可以连接船舶机舱内多种模拟式和数字式传感器，对机舱设备测量仪进行改进，针对机舱设备测仪在实际测量过程中存在的问题而提出的[1]。
测量仪在实际测量机舱设备时，需要将测量仪的主机放在测量气缸的较近的位置，这样轮机员不能远离测量仪主机，如果测量人员比较少时，这样就不方便测量，本文为解决此问题，设计了无线遥控模块。
通过该模块可以代替主机中的四个按键使用，在一定的距离内实现对测量仪的遥控。
无线遥控功能的增加，方便了机舱设备测量仪的使用，提高了测量仪的智能化程度。
系统可自动完成一个或多个传感器的独立或融合测量及控制，有助于船舶轮机员对机舱设备运行信息的即时了解，对故障的发生作有效预判，从而提高设备运行的可靠性及船舶航行的安全性，同时也可有效改善工作条件。
本系统以51系列的单片机作为系统的处理器芯片，设计了串口通讯以便于连接上位机和打印机，为实现测量仪的无线遥控功能，提出了设计方案。
1无线遥控原理
传感器无线信号控制器，简称“遥控器”，一般是以电磁波或红外线为数据传输介质，实现指令的传送功能。
遥控器发送的数据要经过加密编码，调制，载波输出信号。
接受模块，则进行相反的操作，提取出遥控器发射过来的命令，再由MCU执行相应的命令。
无线遥控，有基于电磁波和红外线两种。
红外遥控距离短，只能直线方向遥控。
电磁波的遥控具有衍射作用，能跨越一定的屏障，遥控时也不需要直线。
电磁波无线遥控，就是在发射端发射一定频率的电磁波，接收端只提取出相同频率的电磁波信号，并经过解码得到发射端的数据[2]。
无线遥控技术在生活中已得到了广泛应用，常用于车辆防盗系统、家庭防盗系统和其他电器遥控装置上，也成为机器人大赛等重要学生科技活动的必选组件之一。
在近几届高校的机器人大赛上，使用到无线遥控电路的队伍也已过八成，足见其重要性。
1.1发射电路原理
遥控器发射电路，有振荡电路、高频放大器，调制方式一般采用ASK和FSK。
如图1所示。
振荡电路可以采用电容、电感的振荡特性来设计，也可加入晶振来简单获得载波信号。
一般载波信号的频率在315MHZ-433MHZ，也可实现更高的频率。
通过高频放大器，高频信号获得更高的发射能量，提高发射距离。
图1发射电路原理
1.2接收电路原理
接收电路里面主要有：
天线，滤波电路，解调电路等几部分组成。
如图2所示。
图2接收电路原理
1.3天线原理
1）天线
天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器。
其基本功能是发射和接收无线电波：
发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电滋波转换为高频电流。
衡量天线性能的一个指标是：
天线增益
计算公式：
（1）天线主瓣宽度越窄，增益越高。
对于一般天线，可用下面公式估计其增益：
（1）
式中，
H分别为天线在两个主平面上的波瓣宽度，32000是统计出来的经验数据
（2）对于抛物面天线，可用下式近似计算其增益：
（2）
式中，D为抛物面直径，
为中心工作波长，5是统计出来的经验数据
（3）对于直立全向天线，有近似计算式
（3）
式中，L为天线长度
2）天线的种类
（1）螺旋天线如图3所示。
图3螺旋天线
（2）盘卷天线如图4所示。
图4盘卷天线
（3）短的PCB短截线如图5所示。
图5PCB短截线
（4）环路天线如图6所示。
图6环路天线
（5）鞭型天线如图7所示。
图7鞭型天线
2遥控方案设计
2.1系统设计
遥控器发射部分方框图如图8所示。
图8遥控器发射部分方框图
遥控接受部分方框图如图9所示。
图9遥控接受部分框图
2.2解决方案
采用PT2262和PT2272的编码解码芯片。
PT2262和PT2272最多支持6位数据编码，一般支持4位数据编码。
PT2262和PT2272有三态地址编码功能，只有地址匹配时才能传输数据。
PT2262和PT2272的典型应用电路如图10、图11所示。
图10PT2262典型应用电路图
图11PT2272典型应用电路图
发射和接受模块采用以上的设计。
发射模块天线，采用螺旋天线，以减少遥控器占用的空间。
2.3方案讨论
基于以上的提出方案，结合现实考虑。
在实际测量中，无线发射和接受模块无需软件驱动，只需要发射和接收端的地址编码设置一致，就可以完成信号发射和接收，从而实现了对测量仪的遥控操作[3]。
发射接受模块满足体积小，通信距离远，抗干扰性强等要求，所以应该采用有发射放大三极管的发射电路，外加天线设计；接受模块采用印刷天线的设计方法。
3系统实现
3.1Protel原理图与电路板制作
ProtelDXP2004在电路设计方面，提供了从原理图设计到PCB制作的完整的集合。
Protel在PCB制作方面的很灵活，不但有从原理图转到PCB的功能，也提供了自动布线的功能[4]。
这更有利于我们实现遥控器的电路板制作，最重要的是能满足遥控器的键盘实现。
Protel中实现的遥控测试原理图如图12所示。
图12遥控测试原理图
3.2器件介绍
3.2.1发射集成电路
发射集成电路实体如图13所示。
图13发射集成电路
主要特点：
1）低功耗发射
2）声表稳频
3）无数据时发射电流为零
5）较宽的工作电压范围
应用说明:
F05P采用SMT工艺，树脂封装，小体积，声表稳频，内部具有一级调制电路及限流电阻，适合短距离无线遥控报警及单片机无线数据传输。
F05P具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，ASK方式调制。
F05P不能任意调整发射电流，单片机的数据可直接通过串口进入F05P的数据输入端。
F05P在无数据输入时单片机必须为低电平状态；F05P+在无数据输入时单片机必须为高电平状态。
F05P需要输入数据才能发射，数据信号停止，发射电流为零。
F05P对脉冲幅度在0.1-1ms之间的数据脉冲发射效果较理想，过宽过窄的脉冲会引起调制效率下降，过调制或调制不足使收发距离变近。
F05P对直流电平及模拟信号不能发射。
如在数据位前加一些乱码可以抑制接收机的零电平燥声干扰。
若采用通用编码器2262，发射效果比单片机好，因为2262的数据无论怎么变，但脉宽是不变的，即使出现一点突发性的外界干扰，解码器的宽容性也会解码输出高电平。
而单片机则会出现数据错误。
所以单片机必须要工作在可靠的收发区域才能保证较低的误码率。
F05P有4个功能引脚，因为体积小，功耗低，无天线只能满足短距离使用，而天线对距离起着很大的作用，天线能否匹配，也是关键，匹配良好的天线能增加几倍的距离，匹配不好的天线效果很差甚至会引起频率漂移。
天线的长度应取发射频率的1/4波长，可以用一根直径0.5-1毫米，长度（433M）18厘米；（315M）24厘米的漆包线代替。
但天线必须拉直，指向无所谓。
短于1/4波长或弯曲的天线效果会很差。
F05P应垂直安装在印刷电路板板边部，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影响而停振。
FO5P发射距离与输入信号，发射电压，电池容量，发射天线及发射环境有关。
在障碍区由于折射反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离，F05P最佳有效工作距离为100M左右。
3.2.2接受集成电路
采用接受模块如图14所示。
图14接受集成电路
主要特点:
1）（0.15mA）特低功耗超再生接收模块
2）输出无噪声干扰
3）接收灵敏度高
应用说明:
J04V工作电压范围：
2.6---3.6V；2.6V时工作电流在0.15mA；3V时约0.2mA；3.5V时约在0.3mA。
J04V适合电池或线性电源，可采用3.7K-4.7K电阻从5V取得3--3.5V，再加220UF电解电容滤波，电解电容的接地点必须靠近J04V的地，J04V输出能力可驱动一支发光二极管。
如果从6V以上的电压用电阻降压会引起工作电压的不稳定。
也可以从220V用电容降压整流滤波后用7805取得5V再用3.7K-4.7K电阻降压滤波取得3.3V。
不适合用稳压管串联分压。
接收模块的电源直接影响到接收电路的稳定性，也是接收电路的主要干扰源，J04V不适合开关电源也不适合用实验室大整流电源做试验。
J04V不适合与发射用同一电源做试验。
J04V内部具有放大整形电路，只适合数据信号的接收而不适合模拟信号。
J04V在A处点可根据需要接一支470K-1M的电阻可使J04V输出更干净，但接收灵敏度会降低。
J04V应安装在印刷电路板板边部并离开周围器件5mm以上，要垂直于线路板，否则会引起频率偏移。
如果器件较多还必须注意地线布局合理，如果有晶振或其他信号源，必须远离J04V，否则会引起很多无法排除的干扰致使接收电路无法正常工作。
J04V可外接天线提高接收灵敏度，天线长度不限。
3.2.3编码和解码芯片
图15发射编码芯片图16接收解码芯片
PT2262和PT2272是CMOS三态编码集成芯片，这组器件广泛用于各种遥控器件上，只需较低的+3V电压就能工作。
PT2262是发射编码芯片，PT2272是接收解码芯片，两者的地址必须配对，而且振荡电阻必须符合要求。
PT2262的TE端是发射允许端，接受低电平时，17脚DOUT端输出一串编码。
该串编码在载波上发送出去，被接收端接收和解调，输入PT2272的14脚，当地址配对时，VT解码有效端输出高电平，数据端口就会输出与PT2262发射端口一致的数据，从而实现遥控功能。
3.2.4单片机STC89C516RD+
单片机以其价格低廉、功能强大、体积小、性能稳定等优点，深受广大电子设计爱好者喜爱。
目前，各种产品中都能看到单片机的身影，如门铃、报警器、玩具，以及各种数据采集系统和控制终端等。
单片机是现代电子设计中使用最为广泛的电子元件之一，而其中的51系列单片机是最早兴起的一类。
51系列单片机功能完备、指令系统丰富，发展最为成熟。
本课题选用的是51内核的单片机STC89C516RD+，它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[5]，指令代码完全兼容传统的8051单片机。
它的主要性能特点有：
1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择；2）指令代码完全兼容传统的8051单片机；
3）工作电压：
5.5V～3.3V；
4）flash程序存储器空间：
64K；
5）片上集成1280字节RAM；
6）通用32/39个I/O口资源；
7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器和仿真器，可通过串口直接下载用户程序；
8）3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；
9）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断。
C51系列单片机内部结构如下图17所示。
图17STC89C516RD单片机内部结构示意图
3.3系统人机交互界面构架
3.3.1系统人机交互界面
对于测量仪表来说，都需要有显示测量结果，以及人机交互的方式。
通过显示器，可以将测量的信号转换为直观的数据或者图形，方便人为观察或者记录处理。
常用的显示器材有：
LED指示灯、数码管、点阵式液晶显示器等[6]。
选用12864点阵液晶显示器作为人机交互的界面，相比于其他几种显示方式，12864液晶器的界面显示的信息量大，显示的内容丰富生动，它可以显示汉字，简单的图形，字母等，但是其控制的方法会比较复杂。
选用YB12864显示器，YB12864液晶内置有ST7920控制器，它同时作为液晶的控制器和驱动器，它可以提供33路的COM输出和64路的SEG输出。
液晶内置了8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符（8×16点阵）以及64×256点阵显示RAM。
可以与单片机直接连接，具有串行、8位并行和4位并行数据传输三种连接方式。
并且具有光标显示、画面移位、反白显示、睡眠模式等功能。
YB12864液晶的内部结构如下图18所示。
图18ST7920核心的液晶内部结构图
ST7920内带倍压电路，生成2倍于
的电压。
倍压通过
脚引出，通过电位器调节后，从
引回到模块中用来驱动LCD。
直接驱动LCD的是
，
电压越高，对比度越深。
通过电位器来调节
值以改变对比度[40]。
YB12864有20个引脚，其引脚功能如下表1所示：
表1：
YB12864引脚功能介绍：
管脚序
名称
形态
电平
功能介绍
并口
串口
1
VSS
I
-
电源地
2
VCC
I
-
电源输入（+5V）
3
V0
I
-
LCD驱动电压输入端（对比度调节）
4
RS（CS）
I
H/L
寄存器选择端：
H数据；L：
指令
片选，低有效
5
R/W
I
H/L
H：
读L：
写
串行数据线
6
E
I
H/L
使能信号
串行时钟输入
7-10
DB0-DB3
I/O
H/L
数据总线低四位
串行时钟输入
11-14
DB4-DB7
I/O
H/L
数据总线高四位，4位并口时空接
-
15
PSB
I
H/L
并口/串口选择：
H并口
L串口
16
NC
I
空脚
17
RST
I
复位信号，低电平有效
18
VEE
I
-
该模块此引脚为空
19
BLK
I
-
背光负极
20
BLA
I
-
背光正极
液晶与单片机之间采用并行数据传输的方式，电路连接图如下图19所示：
图19液晶与单片机的连接电路
3.3.2键盘输入模块设计
对于一个测量仪器，需要对其进行控制，比如选择系统菜单、设置系统状态、开始测量、保存数据、打印数据等。
按键是一种基本的人机交互方式，通过按键可以输入控制信号和指令以控制仪器完成相应的操作。
本文设计了5个按键，分别介绍如下：
1）复位键：
系统开机情况下按该建，复位系统，并使液晶界面显示初始画面；
2）确定键：
在功能选择时，按该键确定选择的菜单项，并进入下一级菜单；
3）返回键：
返回上一级菜单；
4）向下键：
引导光标向下移动；
5）向上键：
引导光标向上移动。
键盘输入模块的电路如下图20所示。
图20系统按键模块电路图
键盘模块通过与非门芯片将按键信号连接到单片机的外部中断接口上，如果有键按下单片机的中断接口产生中断信号，然后单片机就执行中断程序，从而可以检测到按键并使单片机执行相应的操作。
3.4遥控模块设计
测量仪在测量船舶柴油机曲轴臂距差时，需要将测量仪的主机放在测量气缸的较近的位置，为了方便控制测量仪，设计了无线遥控模块。
通过该模块可以代替主机中的四个按键使用，在一定的距离内实现对测量仪的遥控。
设计的无线控制模块的框图如下图21所示。
图21无线遥控系统框图
根据按键的设计要求，无线遥控端也设计四个按键，分别对应PT2262设计四个数据端，分别对应测量仪主板上的四个按键，并将PT2262的其他9个三态地址控制端悬空处理。
设计的遥控发射端的电路原理图如下图22所示：
编码芯片PT2262的振荡频率是受OSC1、OSC2两个引脚间的电阻控制的，其关系为[6]：
，
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