一种基于安全距离的无线检测电路的研制

2021-08-09龚枭博侯紫玥罗娜潘鑫肖丽荣吴耀德

电子制作 2021年15期

龚枭博，侯紫玥，罗娜，潘鑫，肖丽荣，吴耀德

（长江大学物理与光电工程学院，湖北荆州，434023）

0 引言

由于现代通信技术及电子技术的发展,无线通信技术越来越多人去关注和研究。现有的通信手段，如手机、对讲机等，对信号基站与通信卫星有一定的要求，在缺乏现有所有的无线通讯手段的情况下，实现一种基于安全距离的无线检测电路是一个值得研究的课题。

团队活动成为越来越普遍的活动形式，队员之间的联系甚至安全问题受到的关注也越来越多。此电路可以在一定程度上解决团队活动时的安全问题，有较大的市场需求与研究意义。本电路可以用于团队(如:学校、公司、老年人群体等)旅游队员离队自动提醒，矿井探测时，矿工团队寻呼,对无人设备(如抢险救灾自动探测机器人、无人机等)脱离团队的自动提醒，特别适用于在已有的无线通讯信号缺失或不稳定的条件下的野外工作、探险等活动,其“自动”提醒的特点也使队员在无法发出求救信号的条件下自动告知团队的控制中心，使其不至于失联。

1 系统的总体设计

1.1 系统的组成

系统由一个中心和多个终端组成，中心包括接收解码模块、编码发射模块、时钟模块、地址控制模块和显示模块，如图1所示。终端包括接收解码模块、编码发射模块、比较电路、显示电路等，如图2所示。

图1 控制中心电路框图

图2 终端电路框图

1.2 系统电路基本原理

中心控制电路在时钟的作用下循环改变地址码，通过编码发射模块发射一串由地址码、数据码和同步码组成的信号序列。终端接收到信号后，当其固定的地址码与中心控制电路发射模块的地址码相同时，终端的接收解码模块工作，若终端超出安全距离，即终端接收模块中的放大电路的输出电压信号小于比较电路的基准电压时，终端的编码发射模块会向中心控制电路的接收解码模块发送特定的数据码，表示终端已超出安全距离。反之，若终端未超出安全距离，则向中心控制电路发送不同的数据码表示未超出安全距离。

在具体的电路中，中心控制电路加电后，其PT2262的地址码受时钟电路的控制循环可变，向所有终端的PT2272发射无线信号，任一时刻只有终端的PT2272地址码与中心控制电路PT2262的地址码相同时，该终端才可接收到中心发送的信息。所有终端的PT2272设有不同的固定的地址码。终端接收到的信息同时通过比较电路和解码电路，通过比较电路将接受到的信息与基准电压的幅度进行比较，比较电路的输出为高、低电平既用于区别是否超出安全距离，又用于控制本终端的数据码，该数据码用于判别是否超出安全范围并发送给中心控制电路的接收模块。

1.3 主要芯片介绍

1.3.1 PT2262

PT2262是一款适合红外和无线遥控的集成电路，集载波振荡、编码和传输于一体。PT2262最多有12位三态地址端子引脚(连接到高电平、连接到低电平和悬空)，任何组合都可以提供531441个地址码，并且还有6位数据段引脚。设置的地址码和数据码从17个引脚串行输出。

当按键有效时，PT2262得电工作，其17脚输出串行数据信号，当17脚为高电平期间，315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低电平期间，315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号。

1.3.2 PT2272

PT2272芯片是遥控解码专用电路，常与PT2262配套使用。其工作电压范围宽，数据最多可达6位，地址码最多可达531441种。收到信号后，对PT2272的地址码进行两次比较检查，然后TV引脚输出高电平。同时，相应的数据引脚也输出高电平。PT2272的数据输出可分为“暂存”和“锁存”。 “暂存”是当发射端信号消失时, PT2272对应的数据位输出变成低电平 ;“锁存”是当发射端信号消失时,PT2272的数据位输出保持原有状态, 直到接受新的输入。

PT2272解码从din端发送的信号。收到的波形被翻译成代码，其包含代码地址位、数据位和同步位。解码后的地址码与设定的地址输入进行比较。当PT2272收到编码信号时，它将检查信号是否有效。在连续两次有效接收后，PT2272将在相应的数据输出端输出接收到的数据，并将TV设置为高电平。

2 电路设计及仿真

2.1 中心控制电路设计及仿真

2.1.1 中心控制电路设计思路

中心的接收端和终端的发射端具有相同的地址码，中心的发射端地址码可变，而各个终端的接收端地址码固定，通过时钟控制电路与74LS161的作用，中心发射端地址码会循环变化。

图3 中心控制电路

CP接入中心的发射模块的使能端，同时为计数器74LS161提供时钟。当CP上升沿到来之时，计数器74LS161开始计数。由中心发射模块天线发射，终端接收模块天线接收后，终端的解码模块PT2272进行解码。解码后的信号作为终端发射模块的触发信号，在终端接收结束后，其发射模块开始工作，解码后的信号与确定的基准电压进行幅度比较，得到特定的信号，来判断终端与中心的距离是否超过与基准电压对应的安全距离。当基准电压改变时，安全距离也发生改变。

为了使中心发射与终端接收结束后，终端的发射模块仍能保持当前所接收的信号，需对在进入终端发射前的信号进行锁存处理。终端发射模块将是否离群的信息进行处理编码后，再次向中心的接收模块发送信号。

2.1.2 555时钟电路

时钟信号由555芯片构成的多谐振荡器实现，所用器件参数为R1:68k、R2:68k、C:10μF，电容放电时间为：

电容充电时间：

得到占空比为2:1的周期性矩形波（如图5）。

图5 时钟信号波形图

具体电路连接如图4所示。

图4 555时钟电路图

2.1.3 计数器74LS161

计数器74LS161是4位二进制同步计数器，CLK是时钟信号输入端，MR是异步清零端, LOAD是同步置数控制端,ENP和ENT为计数允许控制端，0D～3D为并行数据输入端,0Q～3Q为数据输出端，RCO为进位输出端。

此电路有保持功能。当MR=1、LOAD=1时，若ENP=ENT=0，则计数器保持原来状态不变。也有计数功能，当MR=1、LOAD=1时，若ENP=ENT=1,则在时钟脉冲CP上升沿的连续作用下,计数器输出

为四位二进制循环变化。

74LS161接入时钟信号后，在上升沿的连续作用下，输出端Q01Q以00，01，10循环输出。

74LS161的连接如图6所示。

图6 74LS161电路图

2.2 终端电路设计及仿真

2.2.1 终端电路设计思路

由接收头接收到的电压信号输入PT2272的使能端14脚，此电压信号还要接入电压比较器74LS741与基准电压做比较。其中，比较器74LS741的8脚悬空，输入脚3脚接电压信号，4脚接基准电压，输出脚为6脚。6脚接D锁存器74LS373的3脚。

PT2272的输出端17脚接非门后接入上升沿触发的单稳态触发器74LS121,其输出端再接非门后接入终端PT2262的使能端14脚，作为它的触发信号。

2.2.2 比较器及D锁存器的仿真

当终端接收信号时，VT为高电平，D锁存器使能端为高电平，0Q=0D，当终端停止接收信号时，TV为低电平，0Q=Q，即锁存电压比较器比较结果。

在实际测量的中心和终端相距S时，设终端接收模块数据输入端的电压为基准电压VREF。当终端与中心距离s时，终端接收模块电压为iV。s＞S时，iV＜VREF，经电压比较器输出为0，输出结果通过D锁存器锁存，此时LED灯不亮；同理，s＜S时，iV＞VREF，经电压比较器输出为1，输出结果通过D锁存器锁存，此时LED灯亮。

2.3 系统工作的时序要求

图7 终端电路

图8 比较器及D锁存器电路图

图9 中心控制电路及终端的时序图

由555构成多谐振荡器，输出周期性方波，即中心控制电路的时钟信号(CP)，当CP上升沿来临时，由74LS161构成的模3计数器开始计数（00→01→10→00）。当时钟处于高电位时，中心控制电路发射模块使能端无效，不发射信息；当时钟处于低电位时，中心控制电路发射模块发射信息。此时依据中心发射模块的地址码，与其地址码相同的终端接收模块开始工作，该终端接收模块TV脚处于高电平。当时钟信号再次处于低电平时，中心发射模块停止发射，相应终端TV脚变为低电平，此时单稳态触发器开始工作，并从¯Q端输出相应负脉冲信号，脉冲信号持续时间tw可调，并略微小于中心发射电路时钟信号高电平持续时间。此负脉冲信号接入终端发射模块使能端，终端发射时长为tw。

在时序的作用下，中心发射模块地址码循环变化，相应终端接收模块轮流接收，并在接收完成后发射信息给中心接收模块。在此过程中，中心控制电路及所有终端只有一个发射模块进行发射，以防止通信阻塞。