一种基于单片机的无线遥控接口装置
刘京锐张俊方
(首都师范大学信息工程学院,北京100048)
摘要
为了实现管理自动化、控制远程化和存储智能化无限发展的需求,本文以实例方式介绍一种利用单片机进行
核心控制和管理,结合无线遥控技术,并综合了智能语音技术、串行存储技术、按键输入技术和数码管显示技术的
单片机应用系统接口装置的设计与实现.
关键词:单片机,无线遥控,接口装置,PCB.
中图分类号:TP399
收稿日期:2009210208
0引言
随着单片机应用领域的不断拓展,单片机以其
体积小、功能强、成本低、操作简便等特点,在智能家
电和工业自动控制等众多领域,有着极其广泛的应
用前景.目前,无线遥控技术作为一种远程控制技术
已经日渐成熟,在防盗报警器、密码锁控制器、遥控
玩具、遥控家电和智能化产品的设计与制作方面,极
大地方便了人们的操作和使用.此外,语音提示、按
键输入和数码管显示等常见功能,作为通用的人机
交互方式,以其更直观、便于理解和易于操控等优
点,成为单片机应用系统设计中的最佳选择.
本文以基于单片机的无线遥控电子密码锁系统
为例,介绍一种综合了单片机控制、无线遥控收发、
智能语音录放、串行数据存储、按键输入和数码管显
示等功能于一体的单片机应用系统接口装置PCB
的设计与制作.
1系统功能和系统结构
基于单片机的无线遥控电子密码锁系统的基本
设计思想是实现一个智能化的,可远程控制的,具有
无线输入和按键输入以及数码管显示方式的,带有
数据扩展存储和语音实时提示等功能的,安全性高、
保密性好、综合性强、工作稳定的接口装置.
该系统在安全性和智能化方面的设计主要体现
在以下4个方面:
(1)可靠性的两级管理.两级管理是指管理员和
普通用户都可以对该系统进行3次6位密码的输
入.管理员拥有最高管理权限,在用户遗忘了已设置
的密码时,可以由管理员通过输入初始设置的超级
密码进行解锁,并让用户重新获得3次密码输入的
机会.用户只有在正确输入了已设置的密码后才可
以开锁,并能够对上一次输入的密码进行重新设置.
如果输入密码错误,系统将自动进行声音报警,并在
报警期间使各种操作无效.如果累计连续3次输入
错误,系统将给予语音提示,并由管理员重新解锁操
作.
(2)保密性的密码输入.在输入6位密码的过程
中,考虑到密码保密性问题,在每输入一位密码时,6
个数码管上并不完整地显示实际输入的密码数字,
而只是点亮相应位的数码管上的某一段LED,用以
提示已输入密码的位数.
(3)可操作性的语音提示.该系统在上电运行、
重新设置密码、密码输入正确或错误、密码出错或操
作错误的报警以及成功开锁时,都会伴有相应的语
音提示.
(4)安全性和实效性的数据存储.为了解决已设
置的密码在系统掉电或电源关闭后所导致的RAM
数据自动丢失的问题,该系统采用扩展的EEPROM
存储器来保存密码.当系统上电或复位操作时,自动
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第30卷信息工程专辑
2009年10月
首都师范大学学报(自然科学版)
JournalofCapitalNormalUniversity
(NaturalScienceEdition)
Oct.,2009
载入上一次设置好的密码.当密码输入完毕时,自动
读取EEPROM中保存的密码,并与当前输入的密码
进行匹配性验证.在重新设置密码时,自动地将输入
的密码实时写入并保存在EEPROM中.
此外,考虑到手持式无线遥控发射器因丢失、损
坏或电池失效等原因可能无法实现密码输入的问
题,该系统还添加了按键输入模块,进一步增强了系
统的可靠性和可操作性.
该接口装置的系统结构按照其功能大致可以分
为以下6个模块,这6个模块之间的逻辑关系如图1
所示.
图1系统组成模块逻辑关系图
该系统以单片机最小系统为核心控制模块,负
责该系统的整体管理和对其他模块的控制与数据处
理工作;无线收发模块可以通过无线遥控器实现对
该系统的远程控制;按键输入模块用以辅助无线收
发模块的输入工作;语音提示模块可以根据当前操
作实时地提供同步语音提示或出错报警;串行存储
模块可以对设置的密码进行实时存取,并保证退出
系统后密码不丢失;数码管显示模块则用来提示用
户当前已输入密码的位数(可以进一步添加设计来
显示一些错误信息).
2系统设计与实现
211系统工作流程和系统原理图
根据基于单片机的无线遥控电子密码锁系统的
功能说明,可以将该系统的工作流程描述如下,如图
2所示.
根据该系统组成结构,设计的系统原理图如图
3所示.
212核心控制模块设计
核心控制模块是由1块DIP-40封装的8bit
AT89C51芯片、芯片工作电源(+5V和GND)、振荡
电路(1个12MHz晶体振荡器和2个30pF电容)及
图2系统工作流程图
复位电路(1个10μF电解电容和1个10kΩ电阻,可
以另加1个复位按键)所构成的单片机最小系统,如
图4所示.
在该系统设计中所使用的单片机引脚的连接说
明如表1所示.
表1AT89C51芯片引脚连接说明
引脚
名称连接说明引脚名称连接说明
Vcc
GND
芯片工作电源(Vcc接
+5V,GND接地)P0.0～P0.7
分别接APR9600语音
芯片的PM1～PM8引脚
RST
复位电路由1个10μF
电解电容和1个10kΩ
电阻构成
P1.0～P1.7分别接无线接收模块和按键输入模块
P2.0～P2.5分别接6个数码管的“g”端
XTAL1
XTAL2
外接1个12MHz晶振
和2个30pF电容
P3.6
P3.7
分别接AT24C02串行
存储芯片的SDL和
SCL引脚
注:“P”表示该引脚低电平有效.
213无线收发模块设计
无线收发模块主要由拥有8个数字按键的手持
式移动发射器、集成在系统板上的8通道接收器和
2个74LS04反相器芯片组成,如图5(a)和(b)所示.
无线收发模块的发射部分是由键盘矩阵、编码
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首都师范大学学报(自然科学版)2009年
图3系统原理图
图4核心控制模块原理图
图5无线收发模块
调制电路和LED红外发送器构成的手持式移动发
射器,其体积约为85mm×32mm×17mm,使用A27
电池供电,工作频率为315MHz,使用中无需调整频
点,适合在多发一收的无线电遥控系统中使用;在空
旷地实测的有效遥控距离可以达到1000m,在室内
实测的有效遥控距离可以达到800m;当发射器天线
未拉出时的发射电流约为20mA,遥控距离在300m
左右,当天线全部拉出时的发射电流可以增大到60
mA,遥控距离在1000m左右,而峰值发射功率仅为
0125W.接收部分包括光P电转换放大器、解调和解
码电路,如图6(a)所示.
当发射器的数字按键按下时,即有遥控编码发
出,所按的键不同,遥控编码也不同.这种遥控编码
具有以下特征:采用脉宽调制的串行码,以脉宽为
01565ms、间隔为0156ms、周期为11125ms的组合
表示二进制“0”,以脉宽为01565ms、间隔为11685
ms、周期为2125ms的组合表示二进制“1”,其波形
如图6(b)所示.
无线收发解码的关键是如何识别bit“0”和bit
“1”,从二进制位的定义中可以发现:“0”、“1”均从
0156ms的低电平开始,而高电平的宽度不同,由于
“0”为0156ms,“1”为1168ms,因此可以根据高电平
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信息工程专辑刘京锐等:一种基于单片机的无线遥控接口装置
图6红外遥控系统框图和遥控编码波形图
的宽度来区别“0”和“1”.从0156ms的低电平过后
开始,延时0156ms以后,如果读到的电平为低,说
明该位为“0”,反之则为“1”.为了保证读取的可靠
性,延时必须比0156ms长些,但又不能超过1112
ms,否则如果该位为“0”,读到的已是下一位的高电
平,因此延时取(1112ms+0156ms)P2=0184ms左
右最为可靠.
无线收发模块在工作时,通过按下发射器上的
8个数字按键之一,接收器在接收到发射器发出的
信号后,针对不同的按键,接收器会产生不同的8bit
编码,经过连接至单片机P110～P117引脚的2个
74LS04反相器,送入单片机进行相应处理.
214其他功能模块设计
(1)语音提示模块
语音提示模块主要由APR9600芯片及其外围
电路及扬声器组成,如图7所示.
采用DIP-28封装的APR9600语音芯片是一款
图7语音提示模块原理图
音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音
电路.芯片的电源电压为415～615V,工作电流为
25mA.它具有串行控制和并行控制两种手动录放
音操作模式.能够进行分段录放音管理,并且在多段
控制时的外围电路设计简单.在串行控制时,可以分
成256个声音段以上;在并行控制时,最大可以分成
8个声音段.声音采样速度和录放音时间均可调,单
片电路可以录放的声音为32～60s.
在该模块设计中,设定APR9600工作于并行模
式下,将单片机P0口的8个引脚与APR9600芯片的
PM1～PM8引脚相连接,通过在相应的P0引脚上输
出低电平来选择要播放的语音提示.
在播放声音时,APR9600芯片从片内FlashRAM
中读出音频信号,经过一个低通滤波器送到功率放
大器中,然后直接推动外接的扬声器(阻抗16Ω、输
出功率12.2mW)放音.
(2)串行存储模块
串行存储模块由1块DIP-8封装的低功耗
CMOS串行存储芯片AT24C02EEPROM和2个100
kΩ的上拉电阻组成,如图8所示.
图8串行存储模块原理图
AT24C02芯片在进行串行数据存取时,使用了
一种用于IC器件之间相互连接的二线制总线———
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首都师范大学学报(自然科学版)2009年
I2C总线.当某个器件向I2C总线上发送信息时,它
就是发送器,也称为主器件;而当它从I2C总线上接
收信息时,它又成为接收器,也称为从器件.在I2C
总线上,既没有中心机,也没有优先级,总线上主和
从(即发送和接收)的关系完全取决于此时数据传送
的方向,总线的控制完全由挂接在总线上的主器件
送出的地址和数据决定.
AT24C02芯片是通过SDL(串行数据)和SCL(串
行时钟)这两根双向IPO信号线在连接到I2C总线上
的各个器件之间相互传递信息的,根据主器件产生
的地址来识别各个从器件,并可以根据器件的功能
通过软件程序设置其工作于发送或接收方式.
在该模块设计中,AT24C02芯片的SDL和SCL
引脚分别连接到单片机的P3.6和P3.7引脚上,且
均需通过100kΩ的上拉电阻连接至Vcc.当总线空
闲时,这两根线都是高电平.当有密码输入且需保存
时,单片机将8bit编码以串行方式通过P3.6和P3.7
引脚送往AT24C02芯片;当单片机需要读取
AT24C02芯片中保存的密码时,AT24C02芯片同样
以串行方式通过SDL和SCL引脚将8bit编码送往单
片机,从而实现密码数据的实时存取.
(3)按键输入模块
按键输入模块由8个4针脚的按键和8个1kΩ
的负载电阻组成,如图9所示.
图9按键输入模块原理图
该模块在工作时,经+5V电源分别连接至单片
机P110～P117引脚上的8个按键,在没有键按下的
状态下,此时按键输入均为高电平;当有某个键按下
时,按键的另一端经1个1kΩ的负载电阻接地,此时
该按键所对应的输入为低电平,单片机依据按键编
码即可判别出按下的是哪个键,从而完成1位密码
的输入.如此循环6次,即可实现6位密码的输入.
(4)数码管显示模块
数码管显示模块由6个共阳极七段数码管和6
个1kΩ的负载电阻组成,如图10所示.
图10数码管显示模块原理图
考虑到密码输入的保密性,数码管上并不直接
显示输入密码的真实值,而只是将6位数码管的“g”
端连接至单片机,以起到直观地提示密码输入位数
的作用.
在该模块设计中,6位数码管的Vcc端均连接
+5V电源,每位数码管的“g”端分别通过1个1kΩ
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信息工程专辑刘京锐等:一种基于单片机的无线遥控接口装置
的负载电阻连接至单片机的P210～P215引脚上.当
单片机P2口的相应位经过编程控制输出低电平时,
对应数码管上的“g”段被点亮.
(5)电源模块
为了为整个系统的工作提供激励并使之成为独
立系统,在该接口装置的设计中,还特别添加了电源
模块,它主要由系统电源总开关MySwitch和电源插
座J1组成,如图11所示.
图11电源模块原理图
当外接电源插入J1插座后,电源开关MySwitch
的引脚1和引脚2之间处于断开状态,此时整个电
路没有激励,系统处于不工作状态.当拨动电源开关
后,MySwitch的引脚2和引脚3接通,整个电路连接
到一个+5V的激励上,此时系统进入工作状态.
电源模块的设计,既可以避免每次连接电源线
时所带来的不便,也可以通过直接拨动开关让系统快
速地进入上电工作状态或关闭整个系统,避免了因频
繁插接电源而可能造成的电源插头松动或脱落所导
致的接触不良甚至系统无法正常工作的潜在问题.
215PCB的设计与制作
完成了该接口装置系统原理图的设计之后,利
用ProtelDXP软件设计并绘制出电路原理图和PCB
图,最终完成系统的硬、软件综合调试工作.
3结束语
对于使用电子密码锁的用户而言,电子密码锁
的安全性、保密性、可靠性和可操作性以及管理自动
化、控制远程化和存储智能化一直是用户最为关心
的一些问题.以基于单片机的无线遥控电子密码锁
为例的单片机综合应用系统接口装置的设计与制
作,经实践表明,既可以作为多功能、多用途、智能
化、安全可靠的无线遥控电子密码锁使用,也可以为
用户所关心的问题提供一种解决方案并启发设计思
路,还可以作为远程无线控制的开关系统在工业控
制、智能家电等领域有着极为广阔的应用前景.
参考文献
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AnInterfaceDeviceofWirelessRemoteControlBasedonMCU
LiuJingrui,ZhangJunfang
(CollegeofInformationEngineering,CapitalNormalUniversity,Beijing100048)
Abstract
Inordertorealizetheinfinitedevelopmentrequirementofautomationmanagement,remotecontrolandintelligent
storage,thispapertakesthedesignandimplementofaninterfacedevicebasedonMCUapplicationsystemforexample.
ThedeviceusedMCUforcorecontrolandmanagement,combinedwiththewirelessremotecontroltechnology,and
integratedtheintelligentspeechtechnology,serialstorage,keyinputandleddisplaytechnology.
Keywords:MCU,wirelesscontrol,interfacedevice,PCB.
作者简介刘京锐(1967-),男,研究方向:计算机应用技术,首都师范大学信息工程学院教师.张俊方(1954-),男,研究方
向:计算机应用技术,首都师范大学信息工程学院教师.
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首都师范大学学报(自然科学版)2009年
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