智能家电控制技术研究

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1、硕士学位论文指导教师一睦廑重拉照一一所在学院鱼氲王疆亟邕：!摘要随着3 C 技术的飞速发展，家电领域产生了巨大的变化，各种新技术引入了家电领域，使新代的家电朝着网络化，智能化的方向发展。本课题阐述了当前智能化家电的主要技术和发展趋势，并以具体开发某公司的智能取暖器为例，全面介绍了当前中端智能家电的控制技术。本课题对常用线性稳压直流电源进行改进，利用阻容降压原理设计直流电源，对所设计的两个电路进行仿真对比，分析出了阻容降压的根本原理，并提出了利用该原理设计电源电路的一般方法。压缩了产品的成本，提高了企业的竞争力。本课题阐述了红外通讯技术的原理，对红外通讯的一种情况红外遥控技术进行了重点研究，提出

2、了利用红外发射集成电路和接收模块进行红外遥控的方法。重点研究了遥控中的解码过程。本课题还针对P I C l 6 C 5 4 这款资源有限的单片机，研究了键盘扩展，I 0 复用技术等等，解决了单片机资源有限的问题；同时，针对这块没有中断的单片机，提出了只用查询的手段完成了实时性要求较高的控制要求。并结合取暖器的控制程序实例，全面阐述了这项方法，拓展了汇编的编程方法。本课题研究的一系列技术都成功地应用到了具体的生产实践中去，完成了利用较低的成本实现中端智能水平的目标。提出的一系列方法为企业产品将来的升级与扩展提供了有益的基础。关键字：智能化家电阻容降压遥控技术I 0 扩展A b s t r a c

3、 tA l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f3 Ct e c h n o l o g y,t h er e g i o no fh o u s e h o l da p p l i a n c e st a k e sp l a c ee n o r m o u s l yT h ei n t r o d u c t i o no fn e wt e c h n o l o g i e so fe l e c t r i ca p p l i a n c ef i e l d，m a k e st h en e wg e n

4、e r a t i o no fh o m ea p p l i a n c e sd e v e l o p i n gt o w a r d sn e t w o r k i n g,a n di n t e l l i g e n td i r e c t i o n T h es u b j e c te x p o u n d sm a j o rt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n tt r e n d so fp r e s e n ti n t e l l i g e n ta p p l i a n c e s a n ds

5、p e c i f i ct Ot h ed e v e l o p m e n to fac o m p a n yo fi n t e l l i g e n th e a t i n gd e v i c ea sa ne x a m p l e，f u l l yf o c u s e so nt h ec u r r e n tm i d l e v e lr a n g eo fi n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y T h es u b j e c tl i n e a rr e g u l a t o r st

6、 oc o m m o nD Cp o w e rs u p p l yi m p r o v e m e n t，d e s i g nD Cp o w e ru s i n gt h ep r i n c i p l eo fr e s i s t i v ea n dc a p a c i t i v er e l i e f,s i m u l a t et W Od e s i g n e dc i r c u i t，a n a l y s i sa n dc o n c l u d e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo f

7、r e s i s t i v ea n dc a p a c i t i v er e l i e f,a n dp r o p o s e st h eg e n e r a lm e t h o d so fd e s i g n i n gD Cp o w e rw i t ht h i sp r i n c i p l e I tr e d u c e st h ep r o d u c tC O S ta n dI m p r o v et h ec o m p e t i t i v e n e s so f b u s i n e s s e s T h es u b j e

8、c te x p o u n d e st h ep r i n c i p l eo fi n f r a r e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y I tf o c u so ni n f r a r e dr e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g ya n dp r o p o s e st h em e t h o do fr e m o t ec o n t r o lb yu s i n gI Re m i s s i o nI Ca n dr e c e i v e rM o d

9、u l ea n dm a i n l yr e s e a r c h st h ed e c o d i n gP r o c e s s V i e w i n gP I C16 C 5 4M C Uw i t hl i m i t e dr e s o u r c e s，t h es u b j e c ta l s or e s e a r c h e st h ek e y b o a r de x p a n s i o na n dI Oc o m p o s i t eu s i n gt e c h n o l o g y,w h i c hr e s o l v e s

10、t h ei s s u eo fl i m i t e dr e s o u r c e s M e a n w h i l e，i nr e s p o n s et ot h i sq u e s t i o nt h a tt h i sS C Md o n o th a v eai n t e r r u p t i o n，t h ep a p e rp r o p o s e sam e t h o d，w h i c ho n l yu s ei n q u i r i e st oc o m p l e t e dt h er e q u i r e m e n t so f

11、r e a l t i m ec o n t r 0 1 C o m b i n i n gw i t ht h ee x a m p l eo fh e a t i n gd e v i c e Sc o n t r o lp r o c e d u r e s，i te l a b o r a t e so nt h i sa p p r o a c h，d e v e l o p m e n t i n gt h ew a yo fd e s i g n i n ga s s e m b l e r T h es e r i e so ft e c h n i cr e s e a r

12、c h e do nt h i sp a p e ra r ea l ls u c c e s s f u l l ya p p l a y e dt op r o d u c t i o np r a c t i c e，a c h i e v e st h ea i mo fc a r r y i n go u tm i d-l e v e lr a n g eo fi n t e l l i g e n tw i t hl o wC O s t T h es e d e so fm e t h o d sp u tf o r w a r do nt h i sp a p t e rp r

13、 o v i d e sag o o d1 1 1f o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r eu p g r a d eo f p r o d u c t s K e y w o r d s：I n t e l l i g e n t，H o m ea p p l i a n c e s R e s i s t i v ea n dc a p a c i t i v ep r e s s u r er e l i e f，R e m o t eC o n t r o lT e c h n o l o g y，1 1 0c o m p o s i t eu s

14、 i n gt e c h n o l o g yV浙江大学形!I 学位论文1 绪论1 1 智能家电综述I I 1 智能家电的概念智能家电，是指将计算机技术、数字化技术以及信息技术应用于传统家电，使家电具备智能化和信息网络功能。由于采用先进的控制技术，家用电器从一种机械式的用具变成一种具有智能的设备，智能家用电器体现了家用电器最新技术面貌。和传统的家电相比，智能家电主要有以下功能：一网络化功能：智能化家电可以通过家庭局域网连接到一起，还可以通过家庭网关接口同制造齑的服务站点相连。二智能化：智能家电可以根据周围环境的不同自动做出响应，不需要人为干预例如，智能空调可以根据f 二同的季节、气候及用户

15、所在地域，自动调整其工作状态以达到最佳效果。三节能化：智能信息家电可根据周围环境自动调整工作时I 日J 状态，从而实现节能。四易用性：山于复杂的控制操作流程已由内嵌在家电肇的控制器解决，因此用户只需了解非常简单的操作。困际k 对智能家电的研究起源于2 0 世纪7 0 年代，主要集中在发达国家。近几年，在国内智能型家电也越来越受关注根据环境随意调节风量的空调、精确控温的冰箱、感知衣量的沈衣机等等这些智能型家电，如今越来越受消费者欢迎。1 1 2 目前智能家电主要智能技术家电的智能化开发需要由硬件和软件西方而配合。硬件上，多采用荦片机作为微控制器。山于单片机有体积小、功能强、可靠性高的明硅特点，故

16、而可以构成一个体积很小的控制器并嵌入到家用电器内部：软件上，需要自I 智能理论指导进行软件编制这螳理论就是智能皋甜；理论。现阶段，可以嵌入到家电之中的主要智能技术方法I 厂 纳如下：l浙江人学硕f 学位论文启发式搜索：启发式搜索是人工智能求解中开发出来的对目标求解的最优化方法。它宅要依靠和任务无关的信息来简化搜索进程，但它可以从任务中得到的启发信息来确定搜索方向，从而大大减少了优化时间。这种方法在洗衣机的程序选择过程中是十分有用的。模糊逻辑理论：模糊逻辑控制在家电指标控制中是一种极有效的智能化方法。这种控制方法所用的技术指标或任务是模糊的，这是因为人在日常生活中的感觉，包括触觉、嗅觉、视觉都是

17、以模糊量描述的。以模糊控制方法控制家用电器更适合人类的智慧思维及处理过程。人工神经网络：人工神经网络控制最突 H 的功能是经验的学习。家用电器在运行中其参数会随着时闽的迁移而变化，在神经网络不断运行中进行性能学习，预测出家电变化的趋向，以及在参数变化后的最优控制方法，从而保持家电始终处于一种优秀的工作状念。这种智能方法用F 有运行损耗的动力系统【最有效，例如沈衣机、沈碗机等。遗传鲐=法：遗传算法足一种模拟自然选择及遗传的随机搜索算法，它的原则是适肯乍存，不适者淘汰。这种优化方法在家电中较适用丁进行状态参数最优白l 合。在洗衣机中，-，灯洗涤过程的n 适应优化；对电冰箱叶I 的制冷过程自适应优化

18、；空调机对外部环境包括摩外季节、室内人员情况的自适应优化控制。1 1 3 未来智能家电的发展趋势多项智能：多项智能是指家用电器尽可能在其特有的工作功能中模拟多种人的智能思维或智能活动的功能，例如多功能模糊电饭煲就有多种模拟人类智能的功能。多项智能是未来钾能家电发展的一个方向。交互式智能控制未来的智能家电可以通过家庭局域网连接到一起，还可以通过家庭网大接r 丁同制造商的服务站点相连。这样，用户可以通过网络方便的进行远程控制，可以通过各种主动式传感器(如温度、声音、动作等)实现智能信息家电的主动性动作响应。用户还可以广I 已定义不同场景钾能信息家电的响应。例如你可以在电话哩告诉窄凋：“晚上5 点设

19、定N 2 5 度，1 2 点以后进入休眠状态。”丌放性、兼容性：由于：用户家庭的智能家电可能来自不同的厂商。智能家电2浙江大学颀I 学位论交平台必须具有开发性和兼容性，|亓J 样地家电行业内也应有一种统一的标准，使各个厂家推出的家电产品能够相互兼容。节能、环保：智能信息家电町根据蒯嘲环境自动调整工作时间状念。从而实现节能。例如。智能空调可以根据不同的季节、气候及用户所在地域。自动调整其工作状态以达到最佳效果，在满足人们需要的前提下尽量实现节能。由于现在能源越来越紧张，节能成为许多家电品牌的主要卖点。此外，未来家电的环保功能也越来越受蕈视。在使用上。不应该给家庭带来更多的诸如噪声、辐射等有害健康

20、的不利排放。人们购买家电的目的是想生活得更舒适一些绝对不能危害到身心健康。因而节能和环保也成为了智能家电发展的一个趋势。1 2 背景知识介绍1 2 1 嵌入式微控制器t z I微控制器，也就是单片机(M C U)，在8 0 年代进入中国。由于微控制器容易学、容易用，倍受青眯。这种把中央处理器、存储器、外设器件及1 o 做在同一块芯片J：的器件总是作为应甩系统I 1 的控制部件使用。现在，做在微控制器芯片上的外设部件越来越多，功能不断增强。针对具体的应用，利用微控制器可以设计出十分复杂的系统，这种系统称作嵌入式系统。在杭州召开的9 9 全国单片微机学术交流会暨多国单片微机产品展览会上，许多专家呼

21、吁要提高对嵌入式系统的认识日前，在伞世界，嵌入式系统带来的I T 业年产值己超过l 万亿美兀。预计在美国，单是使J j 嵌入式电脑的全数字电视产品每年将产牛1 5 0 0 亿荚元的新市场。美国末束学家尼葛洛庞帝曾顶占，四、五年后，嵌入式智能：I：具将足继P c乖l 因特嘲后最伟人的发明。就目前目内微控制器的应用状况，全国微机单片机学会理事长陈章龙教授说，从整体来讲，在中国，微控制器的应用水平还不商，主要足用8 位微控制器，用譬也不大，绝大多数足用rl c 卡设备等仪器仪表和拧制领域中。嵌入式系统的核心部件足各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已经过于，流行的结构订3

22、0 多种，其中以我们熟悉浙江人学硕t。学位论文的P I C 系列结构的产品为最多。据中国单片机公共实验室高级工程师吕京建介绍，嵌入式处理器分为两大类，一类是以通用计算机中的C P U 为基础的嵌入式微控制器，另一类是微控制器。与微处理器相比，微控制器具有单片化、体积小、功耗低、可靠性商、芯片上的个设资源丰富等特点，同静已成为嵌入式系统的主流器件。嵌入式微处理器的软件足实现嵌入式系统功能的关键，为了提高执行速度和系统的町靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或微控制器中。嵌入式系统是面向应用的，因此它可以应用在现代化工业的各个领域，如：航天、航空、军事、家用消费商品、仪器仪表、各种控制系

23、统及3 C 系统。尤其在国内主要应用于家电消费类产品、通信和计算机外设等。1 2 2P I C l 6 C 5 X 系列单片机I zP I C l 6 C 5 X 是美幽M i c r o c h i p 推f f j 的世界上第一种8 脚的超小型单片机系列，体秘篮小却集成了很多功能特点，节省了很多别的单片机应用中必须外接的元器件，所以它是日I m 最便自：的8 位O T P 单片机。加卜它小巧，所以它可以嵌入几乎任何种电f 产品f|1，特别足对。f-N 些使携式电子产品，如各种I C 卡、电护身份牌、微型采爵机、j 像机，充电器、计时器、智能传感器、软件狗、灯光调节器、电_ 丌关、儿章玩具等

24、等，都已得到广泛应用。P I C l 6 C 5 X 系列币片机是8 位单片机，C M O S 工艺制造。它的主要功能特点：采用精简指令集(R I S C)，仅3 3 条指令。指令字长1 2 位，全部指令都是单字节指令。除涉及P C 值改变的指令外(如跳转指令等)，其余指令都足单周期指令。工作频率位D C 一2 0 M H z。系统为哈佛结构。数据总线和指令总线各自独市分开，数据总线宽度为8 位，指令总线宽度为1 2 位。2 级子稗序堆栈。工作电源商用级：2 5 V-6 2 5 V令工业级：2 5 V-6 2 5 V夺军工级：2 5 V-6 0 V浙江人学颂。学位论文低功耗模式(S L E E

25、 P)，耗电小于1 0 u A。内带一个8 位定时器H-数器(R T C C)1 2 2 0 根双向可独立编程I O 口。每根I O1 3 都呵由程序来编程决定其输入输出方向。低功耗 2 m A 5 V，4 M H z 1 5 u A 3 V，3 2 K H z 3 u A低功耗模式 3 V，0。C-7 0。C与5 l 单片机相比，P I C 单片机由如下优点：总线结构：M C S 5 1 的总线结构是冯诺依曼型，计算机在同一个存储空问取指令和数据，两者不能同时进行；而P I C 的总线结构是哈佛结构，指令和数据空间是完全分丌的，一个用于指令，一个用于数据，由于可以对程序和数据同时进行访问，所

26、以提高了数据吞吐率。流水线结构：M C S 一5 1 的取指和执行采用单指令流水线结构，即取一条指令，执行完后再取下一条指令；而P I C 的取指和执行采用双指令流水线结构，当一条指令被执行时，允许下一条指令同时被取出，这样就实现了单周期指令。寄存器组：P I C 的所有寄存器，包括I O 口，定时器和程序计数器等都采用R A M 结构形式，而且都只需要一个指令周期就町以完成访问和操作；而M C S 一5 l 需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。引脚：其引脚具有防瞬念能力，通过限流电阻可以接至2 2 0 V 交流电源，町直接与继电器摔制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便

27、。总的束说，精简指令使其执行效率大为提高。P I C 系列8 位C M O S 瞥片机具有独特的R I S C 结构，数掘总线和指令总线分离的哈佛总线(H a r v a r d)结构，使指令具有尊-长的特性，且允许指令码的位数町多于8 位的数据位数，这与传统的采用C I S C 结构的8 位单片机相比，可以达到2：1 的代码门i 缩，速度提高4倍。而且，L i f _ 丁IP I C 绝人多数指令都是簟周期指令，不像5 1 那样自J 很多多周期指令，所以存i 外界干扰时，P I C 体现出了超强的稳定性，而5 l 经常出现程序跑飞的情况。浙江人学硕I。学位论文1 3 课题研究的主要内容本文立

28、足于笔者在宁波某智能家电公司开发的智能取暖器控制电路板项目，依此为基点阐述嵌入式微控制器在智能家电中的控制电路与软件实现技术。首先介绍一下该控制电路的功能要求：1 电源(P 0 w E R)、取暖管功率切换(H E A T)、摇头(S W)、定时关机(T I M E R)4 个按键。2 上电后，系统处于关机状态，此时，取暖管关断、控制摇头的电机也不工作，定时关机功能也不运行。此时除了P O W E R 键其他键都不起作用。当按下P O W E R 键，取暖器打开，取暖管工作在低功率状态。摇头和定时功能都不启动。当再次按下P O W E R 键时，系统再次关机。如此循环。3 H E A T 键进

29、行低一高功率切换，每次按下，功率都进行切换。4 S W 键控制摇头功能的启用与关闭。5 定时关机功能：初时状念天闭。以后每次按T I M E R 键，关机时问都增加半小时。A 到7 5 小时后，再次按卜T I M E R 键时，定时关机功能关闭。6 每次有效按键部宵蜂呜器呜叫。天机长鸣。7 电源、低功、高功、摇头、0 5 H、l H、2 H、4 H 一共8 路L E D 显示，指示相应的状态。8 红外遥控功能，用遥控器实现P O w E R、H E A T、S W、T I M E R 四个按键的功能。由于是为企业开发产品，所以仪仪实现功能是远远不够的，还要满足低成本、高质量的要求。综合考虑多款

30、单片机系列，笔者决定采用M i c r o c h i p 的P I C l 6 C 5 4单片机，它属于P I C l 6 C 5 X 系列，主要资源配置如下：1 2 个W O N，R A O R A 3 和R B 0 一R B 7，输入输出方向可调。E P R O M 容量0 5 K，也就是i 兑一共可以写F 5 1 2 条指令。3 2 字5 R A M，除了7 个专用寄存器，该款单J 机，一共有2 5 字节R A M I 供编程使用。一个定时计数器R T C C没有中断。6浙江人学硕l：学位论文1 4 论文的主要工作本文以慈溪市三野智能家电，f f 限公司为宝尔马公司研发智能取暖器摔制电

31、路板和控制程序的项目为基点，分析了当前智能家电领域的常用控制电路及其实现技术。从提高产品质量、降低产品成本的根本要求出发，同时综合考虑产品的功能需求，最终决定以M i c r o c h i p 公司生产的P|C 1 6 C 5 4 单片机做为系统的控制核心，进而进行整个控制系统设计。作为取暖器的主控电路板，整个控制电路具有-1：作电流小、电流变化范围不大的特点。因此，在选择本控制电路的电源设计方案时，本文分析了稳定负载直流电源阻容降压直流电源的设计方法与工作性能，在保证电源质量的前提下降低了产品成本。作为系统的控制核心P I c l 6 c 5 4，该款单片机有着性能稳定、抗干扰卓越的优点，

32、但是它也存在着资源有限、可扩展性能低的缺点，因此限制着它的应用范围。本文围绕该款单片机，巧妙地设计出I 0 复用电路解决了在不扩展外部I O 芯片地前提下管脚资源不足的问题，拓展了它的应用领域。由于该款单片机没有中断，只有一个定时计数器，然而要实现复杂的遥控、定时、按键等诸多功能。本文设计了合理的程序结构与巧妙的算法，在硬件资源有限的条件下极大地扩展了系统的诸多功能，充分利用了单片机及其周幽电路的每一个资源，极大地提高了系统资源利用率。最后，本文还分析了红外遥控技术的原理与实现方法，给出了实现红外遥控的硬件电路与软件解码方案，实现了系统的遥控功能，并对次款取暖器进行展望，提出了一些可行的方案，

33、提高产品的智能化水平和町扩展性能，为产品在激烈的竞争中取得优势提供良好的技术支持。7浙江大学坝，芋位论文2 系统电源设计2 1 常用直流电源1 3 1t。U0八八。(b)整流与稳压过科图2 1 稳眨电源的组成框图及整流与稳压过程2 I 1 电源变压器0电源变压器的作用是将来自电网的2 2 0 V 交流电压u 1 变换为整流电路所需要的交流电压u 2。电源变J 丘器的效率为：只7 2 盲其中：B 是变压器副边的功率，鼻是变爪器原边的功率。般小型变压器的效二笨如农2 1 所示：袁2 1 小犁变际器的效率副边功率B!二型2其中：T=2 0 m s 是5 0 H z 交流I 乜压的刷期。2 1 4 稳

34、压电路由】：输入电压U l 发生波动、负载和温度发生变化时，滤波电路输出的直流电压u I 会随着变化。因此，为了维持输 H 电压u I 稳定不变，还需加一级稳压电路。稳压电路的作用是当外界W 素(电网电压、负载、环境温度)发生变化时，能使输出直流电压不受影响，而维持稳定的输出。稳压电路一般采用集成稳压器和一些外围元件所组成。采用集成稳压器设计的稳胍电源具有性能稳定、结构简单等优点。集成稳压器的类裂很多，在小功事稳压电源中，普遍使用的是三端稳爪器。按输出电址类犁町分为吲定式和呵调式，此外又町分为J F 电压输出或负I 枉l t i 输出两种类型。2 2 阻容降压电路的原理IS l利用变压器降，虽

35、然町以得到稳定的电压与较高的效率，可是由丁变压器1 0浙江人学硕f 学位论文的制作需要绕制线圈，这就会占用很大的空问，在实际布线与安装时就会造困难；另一方面，对于企业开发来说，使用变压器降眶，在成本上是一种浪费。于是笔者设计了阻容降J E 电路。如F：C或者幽2 3 阻容降压电路_，I!i 2 4 阻容降压电路如图所示，J 1 和J 2 接2 2 0 伏民用电源。电路的最的端有一个电阻R l 和电容C 1并联，他们即阻容降压的核心元件。所谓阻容降压，实为电容降压，即图中的电容C l，由于电容的阻抗很大，负载又比较小(小功率负钱)，所以2 2 0 伏电压的大部分都落在了电容上二，空载时它的输出电

36、压(D 2 蹰端)只有三十几伏了。电阻R 1 为泄放电阻，其作用为：当j I：弦波任最大峰值时刻被切断时，电容c 1 上的残存电荷无法释放，会长久存在，在维修时如果人体接触到C l 的金属部分，有强烈的触电叮能，而电阻R 1 的存在，能将钱存的电筒泄放掉，从而保证人、机安全。泄放电阻的阻值与电容的人小有关，一般电容的容量越大，残存的电荷就越多，泄放电戳就阻值就要选小蝗。经验数据如卜-表，供设计时参考：C 1 取值(u F)0 4 7O 6 8l1 52R 1 取值1 M7 5 0 Kj I O K3 6 0 K2 0 0 3 0 0 K浙江人擘帧f。学位论史表2 2 泄放f U 阻的取值电容C

37、 I 的计算：C l 的取值是取决于它通过的电流(即负载大小)而非电压，采用半波整流时，每微法电容可得到电流(平均值)为：(国际标准单位)1(A V l=0 4 5 V I Z,=0 4 5+2 2 0+2 z 归=3 0 0 0 0 C=3 0 0 0 0+0 0 0 0 0 0 1=0 0 3 A=3 0 m A下表为在2 2 0 V，5 0 H z 的交流电路中，理论电流与实际测量电流的比较电容(u F)O 0 4 7O 1O 2 20 4 712 24 7电流理论值3 26 91 5 23 2 46 91 5 23 2 4(m A)实测值3 t 37 01 53 2 57 01 5 2

38、3 2 5表2 3 理论哇三流与实际测鬣电流的比较所以，根据负载电路最大负载电流的人小，就町以选择限流电容C l 的大小。图2 4 中C I=I 5 u F，即负载电流最大4 5 m A。t h 下外界电J 的4 O V8 0“随j 一|，j：#斗芦口V f C 3：1：寸一一?一一i 一一一?-一l 一一一r j 一一一一一。一一：一一一：；：j：一一j 一一：；：；。：，一f：i。一?。1：“：。一斗：-i 一一*；一-t；i 一；：一一l：!ii 0 0 m s2 0 0 1 b s3 0 0 m 8T 1 瑚e嘲2 7 小负载条件卜的输j 特性1 7浙江大学硕I 学位论文可以看出，输出

39、电压很快稳定在5 I V，且实际工作电流为5 1 3 m A。输出特性比较好。3 负载电流比较大，接近饱和我们取负载电阻B 2 1 0。Q，理沦负载电流k 论2 等等2 而5 1=5 l，州q O VS E L，；0 V8 0 瑚A：r、r：一-一P旷DV f C 3：l斗一；：!一】_ _ _：1 _ _：T 1 孙e阁2 8I。作电流接近饱年 状态时的输出特性可以看到，此时的电压特性曲线丌始产，纹波，但还是保持在5 1 伏，且实际工作电流为5 1 m A，电路【一作在这种负载条件下输出基本稳定，但电源产生了微小的波动。4 负载电流饱和状态根据前面的分析，该电路的带负载能力为每微法电容3 0

40、 m A，所以，该电源的理论负载饱和状态时的工作电流为2 5 u F X3 0 m A u F=7 5 m A，足=5 1 V 7 5 m A=6 7 Q。根捌罔2 9 可以看出，该电路的实际输出电压约为4 8 5 V，实际：1：作电流约为7 3 m A。而且，该电路的输出电压和工作电流都钉较大的波动，不过还是在稳定的范【萌内。浙江大学硕十学位论文S E L O Ve O r n A0 Ai j：i 一n0，r j?一鼍、i、一鼍。U、文?、|、r、广气、厂、。一u、，。，、i、jI：，。一j矿口V(C 3：1l：；：一：一。r f-一-7-d-t一一口0、。f斗一：Fll0 81 U U m

41、 sZ U U m 5j 0 0 m 8号0 0 m s5 0 0 m s-I f P 3 jT i r f l e图2 9 饱和状态时的输出特性5 过载负载电阻尼，0 V：i+j i；一t 一l A1 !A 障。j P，、nI，、；氏玲论硷、邸取玲黔：。n V VVVV VVYV，、J V 丫j：譬ll h斗一j口V f(3：1，E_。j 0 sT 1 l n e图2 1 0 过载时的输出特性1 9浙江人学硕卜芋位论支时电压与电流的波动都比较大。根据一系列仿真数据，得出该电路的负载电流一输出电压曲线关系：图2 1 1 方棠I 的输出电J I、一负载l 乜流曲线图根捌仿真结果a r 以看出，在

42、负载电流比较小到接近满负载这段区间内，该电源输出比较甲稳的5 1 V 电压；当负载到达满载时，实际供给电压降到了4 8 5 V，以后随着负载的不断增大，输出电眶卜断减小。町见，该电路只能用作小功率电源，负载电流有一个极限。2 3 3 采用三端稳压器的稳压电源(方案2)仿真电路图如图所示，为了增强叮比性，本方案采用和上一个方案一样的电路参数。并分析相同的负载点。C 1F R E Q=5 0V A M P L=3 1 1V O F F=0幽2，1 2 仿真电路图02 0浙江人学硕1 学位论文1 空载此时R I=o O，理论负载电流为0。输出电压特性曲线如图2 1 3 所示可以看到，窄载时，电压很快

43、稳定在5 V，而且非常稳定，实际的工作电流为0 m A。0 且1 0 VS VS L 0 V1 D r n 且：扛：；：-一L。一_ _。朔。：=口V(C 3：1)rI 一-j=ET 1 珀e图2 1 3 空载时的输f i；特性一一一搿：口V f C 3：1l；引一叫。i；：。J，l2 负载电流比较小圈2 1 4 小负载条仆F 的输驸酣筑S性。特浙江人学钡卜学位论文我们取负载电阻蜀2 l K Q，理论负载电流，珲论。与芋5 妄=5 蒯。根据图2 1 4 可以看出，此时的实际工作电压为5 V，工作电流为5 m A，与理论值吻合，且输出曲线非常平稳。3 负载电流比较大，接近饱和我们取负载电阻墨=l

44、。Q，理论负载电流，m 论2 与笋2 面5=5 蒯a-ll立一-：#一?i。-、气一-i，厂j c P：；厂F_ 一。：口VC C3：1f=|=1。+。U s5 0 m m1 0 u l n 51 S 0“俘Z O U l t o2一I f R L)T 1 m 图2 1 5 负载接近饱承l 时的输出特性根据实际：1 二作曲线可以看出，本电路在接近饱和负载的时候输出电压和工作电流还是很平稳，而采t j 稳J K 管的方案此时有纹波。且工作电压为5 V，工作电流5 0 m A，与理论指吻合。4 负载电流饱和此时理论电流为2 5 u F 3 0 m A d u F=7 5 m A，R，=5 V 7

45、5 m A=6 7。根据图2 1 6 的特性曲线可以看到，该电路在理论饱和处的实际输出电压为4 7 5v，工作电流为7 0 6 m A，而且电压和电流曲线郡产，了纹波，不过基本稳定。电路还是r 叮以工作。浙江人学硕 I 学位论文1 0 i ZS VS L 0 V1 0 0 z n 且O H；ll ；，o。o。j 0。-j I 0 一；j ；一o，o-_ 一0 一一；i。一。一一；j o。一0-+牛。一；0 一-一一。一j n，、y、一、，、，U，、r 一、，、，L 工，f；窿尊鬻誊鬻溺戮 =lHj；ii；i li；i；f；ii；口V f C 3：1 n r n f，气：、一、1 1、3氏n 事

46、：、A 扛、；：、；一二，=一：一。-一：、#f，lU s1 U U 坤sz u U 瑚s3 0 0 m sq 0 0 m s!一I(R L T 1 m e图2 1 6 饱和时的输出特性5 过载负载电阻尼0 V1 0 0n 1：I 一一：一一j：一j 一1 几。nJ 五 江扛：羚：菇夯j 藤i蝴A：7 小：A 卧：风论A 队n Zb，、，V Y _ 一l：fVl，一f十一。一一j；DVC C 3：l一IL?I j r，j。一廿一一一二。r。+。：+r+：。：，i一一-一岬0 sT 1 n l e圈2 1 7 过载时的输i f；特性浙江大学颂卜位论文根据一系列仿真数据，得出该电路的负载电流一输出

47、电压曲线关系：图2 1 8 方案2 的输出电压一负载【乜流曲线根据仿真结果i 叮以看出，在负载电流比较小到接近满负载这段目J 内，该电源输n；非常平稳的5V 电握；当负载到达满载时，实际供给电压降到了4 7 5 V，以后随着负载的小断增大，输出f 包压不断减小。呵见，该电路只能用作小功率电源，负载电流有一个极限。2。4 对比与选择对比两种方案，可以得出以下结论：1 方案2 比方案1 稳压特性更好，在很大的l x|问内都能维持稳定的5 V，而后者在电流较大时略有波动。2 方案2 在负载接近饱和时仍然有平稳的电压输出，而方案一的输出电脏有波动。3，无论是方案2 还足方案l，电路所能稳压供给的最大电

48、流取决于降压电容的大小，近似父系为每微法电容可提供3 0 m A 电流。当超过最人负载咆流时，负载电流几乎不变(略微增大，在7 5 m A 附近)，但输出电压很快下降。因此，我们选择方案2 做为系统的电源电路。这罩我们使用集成稳压单元L M 7 8 0 5 作为电源的稳压环节。该电路专门用于+5 V 的稳压，具有电流大，过温保护，过流保护等J 力能。常温(2 5 掇氏度)状态下，额定输入电压7 5 V 一2 0 V，输出电压5 v O 2 V，输出电流5 m A 一1 0 A，最大额2 4浙江人学硕十学位论文定功率1 5 W。L M 7 8 L 0 5 1 2 7 1 的输出端即为后继单片机控

49、制电路的电源了。为了提高稳压的可靠性和单片机的输入电压稳定，钉必要进i r 电路滤波和去耦合，一方面能去除高频信号和电感的干扰，另一方面此时电容对：吝片有很好的蓄能作用。由于L M 7 8 L 0 5 输出和单片机的输入电压是5 V，前面整流后的滤波已经有部分作用，因而这里对高频信号1 0 M H Z 以t z 起作用。所以取滤波电容C-1 0 矿1 0 0 u F，而耦合电容C=1 0 4 p F。R 2 是降压电阻，与L M 7 8 0 5 串联，降低L M 7 8 0 5 的输入电压，从而降低它的功率。同时，它相当于电路中的保险丝，2 W 是它的最大功率，由P=I*I*R 可知，该电阻允

50、许通过的最大电流为1 4 1 m A。它的作用就是防止电网中出现浪涌，从而保护L M 7 8 0 5。防止被烧坏。C 2 是滤波电容，滤波使大地的各种频率干扰要在此时得到净化，电容取值上，一般几百微安上都能得到满足(5 0 1 0 0 H Z 频率电路)，当然电容的反向耐压值必须是在输入电压的1 5 倍石：右上确定的，也就是(2 2 5 2 7)V，结合两者综合考虑，选择C 2=3 5 V 4 7 0 u F。2 5 本章总结阻容降压，实际L 足将负载电路直接串联在2 2 0 V 输入电路中，根据串联分压的原理来提供系统的电源。所以整个阻容降压电路的参数由后继负载决定。在使用时，因注意以下儿点

51、：1 根据负载的电流人小和交流电的1：作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。2 限流电容必须采用尤极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐f&须在4 0 0 V 以卜。最理想的电容为铁壳油浸电容1 5 1。3 电容降J 压不适合人范围内动态负载条件。4 尽量采用半波整流，不要采用伞桥整流，因为全桥整流处于浮空状念，没有接地，不安伞。浙江人学帧f。学位论文5 由于负载和2 2 0 V 电源是直接串联，没有相应的电器隔离，所以在电路调试和维修时要特别注意，小心不要触电。采用阻容降压电路设计电源的步骤：1 估算所有负载电路的总的工作电流。2 根据负载电流选择合适的电容，使负载电流的变

52、化范围尽量处于输出电压一负载电流的稳压区。3 当电路设计完毕后，实际调试电路，最终确定降压电容的取值。浙江人学顾J。学位论文3 红外遥控输入技术3 1 红外无线通讯技术红外通讯是利用红外辐射束传送声音和编码信号的枝术。红外通讯亦称红外光通讯，它分为二类，一类是以光缆为介质的有线光通讯，常称作红外有线通讯或红外光纤通汛。另一类是以大气为个质的无线光通讯，办称红外大气光通讯或红外无线通讯。红外线是波长在7 5 0 n t o 至1 n l r n 之问的电磁波，它的频二筝高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通讯一般采用红外波段内的近红外线，波长在O 7 5 u m 至2 5 u

53、m 之问。红外数据协会(I R D A)成立后，为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通讯效果，红外通讯协议将红外数掘通讯所采用的光波波长的范围限定在8 5 0 h m至9 0 0 n m 之内。目前无线电波和微波已被广泛地应用在长距离的无线通讯之中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输。遥控器发展初期多为超声波传输，但由于它易受干扰、不易编码，所以现在多为红外线传输方式。红外线传输方式具有：调制方便、不易产生窜扰、反应速度快、功耗小、造价低等优点。此外，传输指令采用低功耗、大输出的脉位调制来传送信息，具有消耗功率不

54、随数据内容变化的特点。3 1 1 红外调制的原理t s关于调制波的一般概念设已知一高频信号，其瞬值由F 式确定订(，)=qs i n(a)t+t p)=qs i n 矿(3 一】)式中，幅度口L、角频率和相频率妒可以是常量或缓慢变化的量：是时间为t 时信号的牛1 I 角。浙江人学颀f 学位论文如果珥、角频率和相频率妒是常数，则式(3 一1)表示一个简单的未调制波(简谐振荡)，通称为载波，这个波形的角频率=够称为载频。如果q 或矿随信号发生变化，则信号q 则成了调制波。使载波的某一参量(如它的幅度，频率，相位等)随消息信号按一定规律变化的过程，叫做调制。按照调制参量的不同，调制分为两种主要形式：

55、调幅A M和调角。调角又分为两类：调频(F M)和调相(P M)。这两类调制之间有着紧密的联系，它们的差别只是在同一调制函数作用下，相角毋随时问变化的性质不同。式(3 1)所表示的调频J E 弦信号，只要有一个参数(啡、缈或妒)按调制信号规律发生了变化，那么该信号就不再是荦-一频率的形弦信号，而变成了一个由若干个不同频率的I F 弦型信号(以下我们把余弦信号和I F 弦信号统称为正弦型信号)组合而成的信号。由此可见，调制波具有一个频谱，频谱的结构与调制信号的性质以及调制的类型钉天。存实际中常常会产牛混合调制，例如渊幅一调须和调幅一调槲。但此时往往是其中有一种型式的调制是有益调制(J：作调制)，

56、嘶另些则是附加在丰要调制之上的寄，上调制这些寄生凋制或者足由于买现调制的方法奉身所造成的，或者是由于调制波通过电路时，其频谱发生变形而产生的。调制波的形式及其主要特征1 9 I1 1 3 l 1 1 6 1按照调制波的类型不同，调制方式大致呵以分为连续调制和脉冲调制两大类一、连续波调制用连续波(例如正弦信号)作载波的调制称为连续调制，它包括调幅、调频和调相三种方式，其中调频和调相又称为调角。(一)调幅使载波信号的振幅随消息而变化，就叫做凋幅。凋幅是最简单的调制方式，在调幅波中，载波并不能传送有用信号，只有边频才能传送钉用信号，总功率中只有三分之一被用来传送有用信号，能量利用效率较低。在大信噪比

57、条件下，调频系统的输出噪声功率等于输入噪声平均功率。这时输出信噪比为输I 叶J 功率信噪比比输入功率信噪声比高一倍，所以调幅系统其有浙江人学硕I 学位论丈3 d B 的信噪声比增益(指电压信噪比)I j i l 为虽然输入噪声平均功率相等，但输出有用信号平均功率只。比输入有用信号平均功率只，高一倍，因此功率信噪比增益为2 倍。然而，在小信噪比条件下，当输入信噪比在某临界值以下时，有用信号就会消失在噪声中，系统检测性能急剧变坏，以至检测有用信号成为不可能。调幅的主要缺点限制了这种信号传输方式的应用范围。(二)调角载波信号的相角即式(3 一1)中的中 按照调制信号的规律而变化，这种调制称为调角调角

58、波的一般表示式为乞(，)=qc o s 2 玎z，+妒(f)=吒c o s 妒(，)(3-2)相角妒(，)随时间t 而变化有两种现同的情况。一种称为调相，一种称为调频。调角时，频率和相位的变化都会使相角发行生变化频率与相位的变化是密切联系的，调频与调相虽然调制方式不同，但实质上是有共同之处的。因而以下我们简单介绍以下调频波。调频波的基本特征是载波信号幅度保持不变，信号频率随调制信号的大小而变化，即所需传送的信息反映在高频载波的频率变化上。从理论上讲，调频的边频有无限多个，岗而事带宽也应无限宽。但实际上调频波的能量的绝大部分是集中在载频附近的一些边频中，当调频指数M 车女小时，谱线强度较大者都集

59、中在载频附近：当M 值较大时，随着调频指数的增大，调频波边频分量中幅度较大者的数目增加，即有效频谱宽度也相应增人(调制指数 l，是表征调制程度的量，M：譬，v 为最人频率偏移，它是调频波中瞬时频率的最值相对载频的偏移，量，即鲈=L 一正F 是调制信r c 3-I|，一+)。我们把M 5 的调频叫宽带凋频，而把M l 的调频叫做窄带调频。窄带调频的带宽与调幅带宽十1 J I I 司调频波的带宽近似地等丁艇信最大频偏值。当M=】8 时，最佳带宽廿=2 F 时，系统有最大的输出信噪比，此时的最大有效功信噪比是0 6 7 6，有效电压信噪比将是o 6 7 6=o 8 2 2，也就是说，调制以后最佳的能

60、蹙效率町以达到o 6 7 6。这与调幅波的能量利用效率为三分之一相比要大得多。浙江大学硕t 学f 论史在输入噪声功率谱密度相同及载波幅值棚F 日的情况下，调频系统的输出信噪比是调幅系统输出信噪比的3 M 2 倍，且前者的传输带度是后者的(M+1)倍。可见调频系统的抗干扰性能优于调幅系统。但是，调频系统的抗千扰能力是有条件的。在M 较大的情况下，当输入电压信噪比屹，K，低于某一门限值时，输出电压信噪比K。吃将急剧下降(圪、吃分别为输入和输出电压，K，和分别为输入和输出噪声电压)，如图3 1 所示，这就是前面所提到的调频系统的门限效应它表明，只有当输入信噪比圪在门限值以上分能币常检测信号，这是调频

61、系统的一个缺点由图3 1 可以看出，不同的M 值，门限点也是不同的M 越大，门限越高，调倾系统对弱信号的检测能力越差因此，当要求输出端信噪比值颁是系统输入噪声电平又相低时，采用宽带调频是恰当的。相反，肖输入噪声电平较高时，采用宽带凋频并不能获得增益，此时希采J j 窄带调频(M=1)，虽然获得的信哚比增益并不犬，仉仍比调幅系统的杌一l 二扰性能好。占、毛V Vl d B J图3 1 不同M 值的调频系统和调幅系统的抗十扰特性二二、脉冲调制用脉冲串作载波的调制称为脉冲调制。就是说，用低频凋制信号(即信息)去调制脉冲串，使它的某些参量随低频调制信号的变化而变化。脉冲调制主要有脉冲调幅(P A M)

62、、脉冲凋宽(P w M)、脉冲调位(脉冲调相或脉冲时问调制，P P M)等形式，如图3 2 所示。3 0浙江人学硕f。学位论文a，；一 一口口口口口口口b，c IUIi一口口口口口i 口l 口(d，口l 口i 口i 口口口口(e)图3 2 各种脉冲调制形式(a)调制信号；(b)脉冲串载波；(c)脉冲调幅；(d)脉冲调宽；(e)脉冲调位(一)脉冲调幅周期性重复脉冲的幅度，按调制信号规律而变化的过程叫调幅。这样所得到的调制脉冲串称为脉冲调幅波。脉冲调幅波的解调方法：只需将脉冲调幅波通过一个通带为(0，F)的低通滤波器，便可将原信息还原。为了消除解调信号的非线性失真，选择脉冲重复频率必须大于调制频率

63、的两倍。即=2 F 脉冲调幅波的解调对信号和噪声的作用足相同的，所以这种检测系统的信噪比增益为O d B，而传输带度为F。由于在输入信号平均功二钰相同的条件下，脉冲调幅系统的输入信噪比是连续波调幅系统的两倍，而连续波调幅系统的信噪比增益为2 倍，故这两种调幅系统的输出信噪比增益相同。(二)脉冲调宽(P W M)脉冲调宽足指脉冲串载波的幅度和频率均无变化，而只有脉冲宽度按调制信号规律变化。其表达式为枇螂g(f)=耳-+等g(f)H 心(f)式中，M：会至为调制指数；耳为脉冲宽度的最大增母；耳为未调载波脉冲宽度；g(，)为调制信号，见圈3 3。浙江人学硕。学化论文。I八、V7ho 弼口D 口口。也

64、w M 翔口监弱oooo 虬图3 3 脉宽调制波脉冲渊宽频谱图。，脉冲调幅频谱图人致相H，只是组合频率史加复杂而已。频谱中仍然包含有A 流分鼍、调制频率分壁、载波及其高次谐波。因此解调时，可使脉宽渊制波通过低通滤波器，阿接分离出低频调制信号。(三)脉冲凋位脉冲调值的波形如图3 4 所示。以A 为基准脉冲，脉冲B 与人相隔时I N T o，假设我们按照某一规律改变T 的大小，则脉冲B 对A 来讲是位I 被调制了的脉冲。T 随调制信号变化，其关系为T=T oE I+M，g(，)3 3式中r o 一脉冲B 未被调制时B g,I A 的时间问隔：M 位置调制指数，M=A T T o：A T 一脉冲位置

65、的最大变化量：g(t 1 低频调制信号。一般A 称为参考脉冲，B 称为可移动脉冲。脉冲调位波的频谱中，仍有随流分量和调制频率分量，并有无穷多个未调载波与以各谐波频中心的无穷多个组合频率，且各组合频率足不相等的。在末调制脉；q q i tn 日和调制信号相I 司的怙况F，则调化脉冲频谱的调制频率分鼍幅值比调幅浙江大学硕。学位论文式调宽的调制频率分量幅值小得多，而且存在频率失真。这样，脉冲调位的解调就不能用低通滤波器从调位脉冲序列中直接分离的方法，而是要把凋位脉冲转变为调宽或调幅脉冲，再用低通滤波器分离j 调制信号。O图3 4 脉位调制波在脉冲调宽和脉冲调位的情况下，可以采用限幅器来消除噪声干扰，

66、而脉冲调幅时的噪声不能用限幅器来消除，因此脉冲调幅时的抗干扰性能比前者要差些。综合以上分析可以有出，对于连续调制，无论是在大信噪比还是小信噪比输入的情况下，调频系统的输出信噪比都高于调幅系统。在大信噪比输入的情况下，采用宽带调制时信噪比增益更高调频系统的能量利用效率也高于调幅系统。这说明调频系统的抗干扰性(即检测弱信号的能力)优于调幅系统，因此，我们采用调频系统进行调制3 1 2 红外无线遥控技术遥控技术是指实现对被控目标的遥远控制按拉制指令传输过程来分，红外遥拉属于无线遥控。按照遥控系统产生和区别小|一】控制指令的特征来分类，即按指令编码方式来分类，常见的有频率编码和脉冲编码频率编码是指以不同频率的电信号代表不同的控制指令当按F 不同的指令健时，指令编码电路就产生不同频率的指令信号此时指令编码电路就是一个受指令健拉制的多频率振荡电路。接收器中的指令译码电路，就是与发射器各级振荡电路的频率相对应的译码电路，实际上就足选频电路频率编码系统彬图如图3 5 所示。浙江人学硕l j 学位论文厂 广 厂 广 广_ 1I 指令键 _ 叫指令振荡电路 _ 叫调制电路卜叫驱动电路H 发射电路I【一I。