一種基于安全距離的無線檢測電路的研制

龔梟博，侯紫玥，羅娜，潘鑫，肖麗榮，吳耀德

（長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北荊州，434023）

0 引言

由于現(xiàn)代通信技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展,無線通信技術(shù)越來越多人去關(guān)注和研究。現(xiàn)有的通信手段，如手機(jī)、對(duì)講機(jī)等，對(duì)信號(hào)基站與通信衛(wèi)星有一定的要求，在缺乏現(xiàn)有所有的無線通訊手段的情況下，實(shí)現(xiàn)一種基于安全距離的無線檢測電路是一個(gè)值得研究的課題。

團(tuán)隊(duì)活動(dòng)成為越來越普遍的活動(dòng)形式，隊(duì)員之間的聯(lián)系甚至安全問題受到的關(guān)注也越來越多。此電路可以在一定程度上解決團(tuán)隊(duì)活動(dòng)時(shí)的安全問題，有較大的市場需求與研究意義。本電路可以用于團(tuán)隊(duì)(如:學(xué)校、公司、老年人群體等)旅游隊(duì)員離隊(duì)自動(dòng)提醒，礦井探測時(shí)，礦工團(tuán)隊(duì)尋呼,對(duì)無人設(shè)備(如搶險(xiǎn)救災(zāi)自動(dòng)探測機(jī)器人、無人機(jī)等)脫離團(tuán)隊(duì)的自動(dòng)提醒，特別適用于在已有的無線通訊信號(hào)缺失或不穩(wěn)定的條件下的野外工作、探險(xiǎn)等活動(dòng),其“自動(dòng)”提醒的特點(diǎn)也使隊(duì)員在無法發(fā)出求救信號(hào)的條件下自動(dòng)告知團(tuán)隊(duì)的控制中心，使其不至于失聯(lián)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)由一個(gè)中心和多個(gè)終端組成，中心包括接收解碼模塊、編碼發(fā)射模塊、時(shí)鐘模塊、地址控制模塊和顯示模塊，如圖1所示。終端包括接收解碼模塊、編碼發(fā)射模塊、比較電路、顯示電路等，如圖2所示。

圖1 控制中心電路框圖

圖2 終端電路框圖

1.2 系統(tǒng)電路基本原理

中心控制電路在時(shí)鐘的作用下循環(huán)改變地址碼，通過編碼發(fā)射模塊發(fā)射一串由地址碼、數(shù)據(jù)碼和同步碼組成的信號(hào)序列。終端接收到信號(hào)后，當(dāng)其固定的地址碼與中心控制電路發(fā)射模塊的地址碼相同時(shí)，終端的接收解碼模塊工作，若終端超出安全距離，即終端接收模塊中的放大電路的輸出電壓信號(hào)小于比較電路的基準(zhǔn)電壓時(shí)，終端的編碼發(fā)射模塊會(huì)向中心控制電路的接收解碼模塊發(fā)送特定的數(shù)據(jù)碼，表示終端已超出安全距離。反之，若終端未超出安全距離，則向中心控制電路發(fā)送不同的數(shù)據(jù)碼表示未超出安全距離。

在具體的電路中，中心控制電路加電后，其PT2262的地址碼受時(shí)鐘電路的控制循環(huán)可變，向所有終端的PT2272發(fā)射無線信號(hào)，任一時(shí)刻只有終端的PT2272地址碼與中心控制電路PT2262的地址碼相同時(shí)，該終端才可接收到中心發(fā)送的信息。所有終端的PT2272設(shè)有不同的固定的地址碼。終端接收到的信息同時(shí)通過比較電路和解碼電路，通過比較電路將接受到的信息與基準(zhǔn)電壓的幅度進(jìn)行比較，比較電路的輸出為高、低電平既用于區(qū)別是否超出安全距離，又用于控制本終端的數(shù)據(jù)碼，該數(shù)據(jù)碼用于判別是否超出安全范圍并發(fā)送給中心控制電路的接收模塊。

1.3 主要芯片介紹

1.3.1 PT2262

PT2262是一款適合紅外和無線遙控的集成電路，集載波振蕩、編碼和傳輸于一體。PT2262最多有12位三態(tài)地址端子引腳(連接到高電平、連接到低電平和懸空)，任何組合都可以提供531441個(gè)地址碼，并且還有6位數(shù)據(jù)段引腳。設(shè)置的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17個(gè)引腳串行輸出。

當(dāng)按鍵有效時(shí)，PT2262得電工作，其17腳輸出串行數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)17腳為高電平期間，315MHz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào)，當(dāng)17腳為低電平期間，315MHz的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全受控于PT2262的17腳輸出的數(shù)字信號(hào)。

1.3.2 PT2272

PT2272芯片是遙控解碼專用電路，常與PT2262配套使用。其工作電壓范圍寬，數(shù)據(jù)最多可達(dá)6位，地址碼最多可達(dá)531441種。收到信號(hào)后，對(duì)PT2272的地址碼進(jìn)行兩次比較檢查，然后TV引腳輸出高電平。同時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)引腳也輸出高電平。PT2272的數(shù)據(jù)輸出可分為“暫存”和“鎖存”。 “暫存”是當(dāng)發(fā)射端信號(hào)消失時(shí), PT2272對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位輸出變成低電平 ;“鎖存”是當(dāng)發(fā)射端信號(hào)消失時(shí),PT2272的數(shù)據(jù)位輸出保持原有狀態(tài), 直到接受新的輸入。

PT2272解碼從din端發(fā)送的信號(hào)。收到的波形被翻譯成代碼，其包含代碼地址位、數(shù)據(jù)位和同步位。解碼后的地址碼與設(shè)定的地址輸入進(jìn)行比較。當(dāng)PT2272收到編碼信號(hào)時(shí)，它將檢查信號(hào)是否有效。在連續(xù)兩次有效接收后，PT2272將在相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸出端輸出接收到的數(shù)據(jù)，并將TV設(shè)置為高電平。

2 電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1 中心控制電路設(shè)計(jì)及仿真

2.1.1 中心控制電路設(shè)計(jì)思路

中心的接收端和終端的發(fā)射端具有相同的地址碼，中心的發(fā)射端地址碼可變，而各個(gè)終端的接收端地址碼固定，通過時(shí)鐘控制電路與74LS161的作用，中心發(fā)射端地址碼會(huì)循環(huán)變化。

圖3 中心控制電路

CP接入中心的發(fā)射模塊的使能端，同時(shí)為計(jì)數(shù)器74LS161提供時(shí)鐘。當(dāng)CP上升沿到來之時(shí)，計(jì)數(shù)器74LS161開始計(jì)數(shù)。由中心發(fā)射模塊天線發(fā)射，終端接收模塊天線接收后，終端的解碼模塊PT2272進(jìn)行解碼。解碼后的信號(hào)作為終端發(fā)射模塊的觸發(fā)信號(hào)，在終端接收結(jié)束后，其發(fā)射模塊開始工作，解碼后的信號(hào)與確定的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行幅度比較，得到特定的信號(hào)，來判斷終端與中心的距離是否超過與基準(zhǔn)電壓對(duì)應(yīng)的安全距離。當(dāng)基準(zhǔn)電壓改變時(shí)，安全距離也發(fā)生改變。

為了使中心發(fā)射與終端接收結(jié)束后，終端的發(fā)射模塊仍能保持當(dāng)前所接收的信號(hào)，需對(duì)在進(jìn)入終端發(fā)射前的信號(hào)進(jìn)行鎖存處理。終端發(fā)射模塊將是否離群的信息進(jìn)行處理編碼后，再次向中心的接收模塊發(fā)送信號(hào)。

2.1.2 555時(shí)鐘電路

時(shí)鐘信號(hào)由555芯片構(gòu)成的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)，所用器件參數(shù)為R1:68k、R2:68k、C:10μF，電容放電時(shí)間為：

電容充電時(shí)間：

得到占空比為2:1的周期性矩形波（如圖5）。

圖5 時(shí)鐘信號(hào)波形圖

具體電路連接如圖4所示。

圖4 555時(shí)鐘電路圖

2.1.3 計(jì)數(shù)器74LS161

計(jì)數(shù)器74LS161是4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器，CLK是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，MR是異步清零端, LOAD是同步置數(shù)控制端,ENP和ENT為計(jì)數(shù)允許控制端，0D～3D為并行數(shù)據(jù)輸入端,0Q～3Q為數(shù)據(jù)輸出端，RCO為進(jìn)位輸出端。

此 電 路 有 保 持 功 能。當(dāng)MR=1、LOAD=1時(shí)，若ENP=ENT=0，則計(jì)數(shù)器保持原來狀態(tài)不變。也有計(jì)數(shù)功能，當(dāng)MR=1、LOAD=1時(shí)，若ENP=ENT=1,則在時(shí)鐘脈沖CP上升沿的連續(xù)作用下,計(jì)數(shù)器輸出

為四位二進(jìn)制循環(huán)變化。

74LS161接入時(shí)鐘信號(hào)后，在上升沿的連續(xù)作用下，輸出端Q01Q以00，01，10循環(huán)輸出。

74LS161的連接如圖6所示。

圖6 74LS161電路圖

2.2 終端電路設(shè)計(jì)及仿真

2.2.1 終端電路設(shè)計(jì)思路

由接收頭接收到的電壓信號(hào)輸 入PT2272的 使 能 端14腳，此電壓信號(hào)還要接入電壓比較器74LS741與基準(zhǔn)電壓做比較。其中，比較器74LS741的8腳懸空，輸入腳3腳接電壓信號(hào)，4腳接基準(zhǔn)電壓，輸出腳為6腳。6腳接D鎖存器74LS373的3腳。

PT2272的輸出端17腳接非門后接入上升沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74LS121,其輸出端再接非門后接入終端PT2262的使能端14腳，作為它的觸發(fā)信號(hào)。

2.2.2 比較器及D鎖存器的仿真

當(dāng)終端接收信號(hào)時(shí)，VT為高電平，D鎖存器使能端為高電平，0Q=0D，當(dāng)終端停止接收信號(hào)時(shí)，TV為低電平，0Q=Q，即鎖存電壓比較器比較結(jié)果。

在實(shí)際測量的中心和終端相距S時(shí)，設(shè)終端接收模塊數(shù)據(jù)輸入端的電壓為基準(zhǔn)電壓VREF。當(dāng)終端與中心距離s時(shí)，終端接收模塊電壓為iV。s＞S時(shí)，iV＜VREF，經(jīng)電壓比較器輸出為0，輸出結(jié)果通過D鎖存器鎖存，此時(shí)LED燈不亮；同理，s＜S時(shí)，iV＞VREF，經(jīng)電壓比較器輸出為1，輸出結(jié)果通過D鎖存器鎖存，此時(shí)LED燈亮。

2.3 系統(tǒng)工作的時(shí)序要求

圖7 終端電路

圖8 比較器及D鎖存器電路圖

圖9 中心控制電路及終端的時(shí)序圖

由555構(gòu)成多諧振蕩器，輸出周期性方波，即中心控制電路的時(shí)鐘信號(hào)(CP)，當(dāng)CP上升沿來臨時(shí)，由74LS161構(gòu)成的模3計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)（00→01→10→00）。當(dāng)時(shí)鐘處于高電位時(shí)，中心控制電路發(fā)射模塊使能端無效，不發(fā)射信息；當(dāng)時(shí)鐘處于低電位時(shí)，中心控制電路發(fā)射模塊發(fā)射信息。此時(shí)依據(jù)中心發(fā)射模塊的地址碼，與其地址碼相同的終端接收模塊開始工作，該終端接收模塊TV腳處于高電平。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)再次處于低電平時(shí)，中心發(fā)射模塊停止發(fā)射，相應(yīng)終端TV腳變?yōu)榈碗娖剑藭r(shí)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器開始工作，并從ˉQ端輸出相應(yīng)負(fù)脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間tw可調(diào)，并略微小于中心發(fā)射電路時(shí)鐘信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間。此負(fù)脈沖信號(hào)接入終端發(fā)射模塊使能端，終端發(fā)射時(shí)長為tw。

在時(shí)序的作用下，中心發(fā)射模塊地址碼循環(huán)變化，相應(yīng)終端接收模塊輪流接收，并在接收完成后發(fā)射信息給中心接收模塊。在此過程中，中心控制電路及所有終端只有一個(gè)發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)射，以防止通信阻塞。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)一定距離內(nèi)信號(hào)的發(fā)射和接收，實(shí)現(xiàn)了中心和終端之間距離的監(jiān)測。當(dāng)某一終端超過設(shè)定距離時(shí)，終端會(huì)顯示報(bào)警提醒已經(jīng)超出安全范圍，同時(shí)向中心發(fā)送信息，中心可以識(shí)別出哪一終端超出安全范圍。

在缺乏現(xiàn)有的通訊手段的情況下，無線通信是一種較為方便的通信手段。在團(tuán)隊(duì)活動(dòng)時(shí)，本系統(tǒng)有較大的應(yīng)用前景。