畢業(yè)設(shè)計（論文）-紅外遙控電路設(shè)計.doc

四川大學(xué)畢業(yè)設(shè)計論文目錄前言11. 設(shè)計目的12.設(shè)計的任務(wù)及要求1第1章 紅外遙控系統(tǒng)的組成及工作原理21.1紅外遙控系統(tǒng)的組成21.2紅外遙控系統(tǒng)的工作原理2第2章 電源電路52.1電源電路組成52.2 電源電壓器52.3整流部分62.4濾波部分102.5穩(wěn)壓部分11第3章 編碼譯碼電路123.1編碼電路的組成123.1.1 bl9148芯片的應(yīng)用123.1.2 二級放大電路的功能143.2 譯碼電路143.2.1 一體化接收頭143.2.2 nb9149芯片的應(yīng)用15第4章 控制電路174.1微分電路174.2 cd4013觸發(fā)器184.3單穩(wěn)態(tài)電路194.4雙穩(wěn)態(tài)電路204.5方向控制電路21第5章 安裝與調(diào)試22第6章 設(shè)計心得及經(jīng)驗總結(jié)23謝辭24附錄125附錄227參考文獻(xiàn)2821前言紅外輻射俗稱紅外線或紅外光，它是人眼看不見的光線，具有強(qiáng)烈的熱作用，故又稱熱輻射。紅外遙控技術(shù)通過光信號傳遞信息。外的紅外光波的波長遠(yuǎn)小于無線電波的波長，所以紅外遙控不易影響鄰近的無線電設(shè)備及其它電器，也不易受到電磁波的干擾，其頻率的使用也不像無線受到許多的限制，而且通訊的可靠性高。此外由于紅外線為不可見光線，因此對環(huán)境影響很小。它有很強(qiáng)的隱蔽性和保密性，因此在防盜、警戒等安全裝置中得到了廣泛的應(yīng)用。紅外線遙控的缺點是不具有像無線電遙控那樣穿過遮擋物質(zhì)去控制被控對象的能力。因此在許多短距離遙控領(lǐng)域，較多地使用了紅外遙控技術(shù)。1. 設(shè)計目的通過學(xué)習(xí)數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)等課程，結(jié)合實際加深對所學(xué)知識的理解。通過設(shè)計紅外遙控電路，進(jìn)一步掌握數(shù)電模電等理論知識的運用，加深了解電子元器件特別是集成電路（芯片）的結(jié)構(gòu)與功能。同時在設(shè)計過程中增強(qiáng)自己的動手能力以及獨立思考的能力，為將來在社會上立足增加籌碼。2.設(shè)計的任務(wù)及要求（1）任務(wù)：設(shè)計一個紅外遙控電路（2）要求：電路采用紅外線遙控碼分支形式，由紅外線編碼遙控發(fā)射，一體化紅外線遙控接收，用四個按鈕實現(xiàn)對執(zhí)行電路（雙穩(wěn)、單穩(wěn)、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）四中狀態(tài)的紅外遙控操作。第1章 紅外遙控系統(tǒng)的組成及工作原理1.1紅外遙控系統(tǒng)的組成紅外遙控系統(tǒng)主要由紅外編碼遙控發(fā)射器、一體化紅外接收頭、譯碼電路、觸發(fā)電路、穩(wěn)壓電路等組成。其總體框架結(jié)構(gòu)如圖1按照結(jié)構(gòu)框圖我設(shè)計了電路原理圖，見圖21.2紅外遙控系統(tǒng)的工作原理圖2電路原理圖由電路原理圖可見，紅外線編碼遙控發(fā)射電路由ic6(bl9148)及其外圍元件組成，內(nèi)部震蕩頻率設(shè)置為455khz，輸出波形的載波為38khz。紅外遙控發(fā)射電路的功能是對輸入控制指令信號進(jìn)行掃描、產(chǎn)生遙控編碼脈沖、驅(qū)動紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號。接收及信號處理與控制電路由ic1(sj1838)、ic2(bl9149)、ic3(cd4013)、及ic4(moc3021)等組成。紅外遙控接收電路的功能是接收遙控指令信號并將之放大、解調(diào)出編碼脈沖。遙控編碼脈沖是一組組串行二進(jìn)制碼，對于一般的紅外遙控系統(tǒng)此串行碼輸入到微控器由其完成遙控指令的解碼，微控器根據(jù)解出的控制指令，輸出相應(yīng)的控制信號，由輸出控制電路去執(zhí)行對應(yīng)的遙控功能。an3、an4、an5、an6為遙控按鍵，每按一次鍵發(fā)送一次編碼指令，經(jīng)v14、v15放大后由v16（用紅色發(fā)光二極管代替紅外發(fā)射器）發(fā)射輸出。本電路采用四路控制，分別用單發(fā)信號控制雙穩(wěn)態(tài)電路、單穩(wěn)態(tài)電路和用連續(xù)信號控制方向電路，從而控制相應(yīng)器件的通斷，達(dá)到遙控控制的目的。雙穩(wěn)態(tài)輸出可控制電燈等電器的開關(guān)，ic4為雙向可控硅輸出，故可以驅(qū)動交流負(fù)載。單穩(wěn)電路輸出可控制延時電路，如每觸發(fā)一次工作5s，可做成遙控延遲開關(guān)節(jié)能燈。兩路連續(xù)信號輸出可控制方向電路。an1和an2為接收端手動控制按鈕，當(dāng)紅外遙控開關(guān)失靈時可以手動控制執(zhí)行電路。第2章 電源電路人們?nèi)粘Ｓ玫碾娫炊际墙涣麟?，而電子電路幾乎都用到直流電源，各種電子設(shè)備對電源的最基本要求就是電源的輸出電壓或輸出電流要穩(wěn)定，所以直流電源是為電路中的設(shè)備提供穩(wěn)定的電壓，能是正常工作。2.1電源電路組成此電源電路由變壓器降壓、二極管整流電路、電容濾波電路、穩(wěn)壓電路組成，如圖2.1.1。圖2.1.1電源電路 直流穩(wěn)壓電源的組成圖框如圖2.1所示2.2 電源電壓器 電源壓器的作用是將交流電網(wǎng)提供的220v交流電壓變化到電子電路所需要的7.5v*2的交流電。同時還可以起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用。變壓器是電子電路，以及電力系統(tǒng)中非常常見的器件，小到收音機(jī)，大到我們?nèi)粘Ｉ钪写笮碗娋W(wǎng)，用來升壓降壓的電力變壓器，變壓器原理很簡單顧名思義變壓器的主要作用就是變壓，也就是改變電壓。變壓器的原理是電磁感應(yīng)技術(shù),變壓器有兩個分別獨立的共用一個鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級線圈和初級線圈。如圖2.2所示：變壓器的工作原理變壓器初級通上交流電時,變壓器的鐵芯中產(chǎn)生了交變的磁場,（其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。）在次級就感應(yīng)出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級線圈的匝數(shù)比等于電壓比。變壓器只能改變交流電壓,不能改變直流電壓,因為直流電流是不會變化的,電流通過變壓器不會產(chǎn)生交變的磁場，所以次級線圈只能在直接接通的一瞬間產(chǎn)生一個瞬間電流和電壓。電源變壓器工作后得到的電壓如下圖所示：2.3整流部分 經(jīng)過變壓器得到的電壓是交流電，而各種無線電裝置需要用直流電。整流，就是把220v交流電變?yōu)槊}動的直流電的過程。利用具有單向?qū)щ娞匦缘钠骷?，可以把方向和大小交變的電壓變換為脈動的直流電壓，下面介紹利用晶體二極管組成的各種整流電路。一、半波整流電路 圖2.3.1圖2.3.1是最簡單的整流電路。它由電源變壓器、整流二極管d 和負(fù)載電阻rfz 組成。變壓器把市電電壓（多為220伏）變換為所需要的交變電壓e2(7.5v*2)，整流二極管d 再把交流電變換為脈動直流電。下面從圖2.3.2的波形圖上看這二極管是怎樣整流的。變壓器砍級電壓e2，是一個方向和大小都隨時間變化的正弦波電壓，它的波形如圖2.3.2（a）所示。在0時間內(nèi)，e2為正半周即變壓器上端為正、下端為負(fù)。此時二極管承受正向電壓面導(dǎo)通，e2通過它加在負(fù)載電阻rfz上，在2 時間內(nèi)，e2為負(fù)半周，變壓器次級下端為正，上端為負(fù)。這時d承受反向電壓，不導(dǎo)通，rfz，上無電壓。在2時間內(nèi)，重復(fù)0 時間的過程，而在34時間內(nèi)，又重復(fù)2時間的過程這樣反復(fù)下去，交流電的負(fù)半周就被削掉了，只有正半周通過rfz，在rfz上獲得了一個單一右向（上正下負(fù)）的電壓，如圖2.3.2（b）所示，達(dá)到了整流的目的，但是，負(fù)載電壓usc。以及負(fù)載電流的大小還隨時間而變化，因此，通常稱它為脈動直流。這種除去半周、圖下半周的整流方法，叫半波整流。不難看出，半波整說是以犧牲一半交流為代價而換取整流效果的，電流利用率很低（計算表明，整流得出的半波電壓在整個周期內(nèi)的平均值，即負(fù)載上的直流電壓usc =0.45e2 ）因此常用在高電壓、小電流的場合，而在一般無線電裝置中很少采用。二、全波整流電路如果把整流電路的結(jié)構(gòu)作一些調(diào)整，可以得到一種能充分利用電能的全波整流電路。圖2.3.3是全波整流電路的電原理圖。全波整流電路，可以看作是由兩個半波整流電路組合成的。變壓器次級線圈中間需要引出一個抽頭，把次組線圈分成兩個對稱的繞組，從而引出大小相等但極性相反的兩個電壓e2a 、e2b ，構(gòu)成e2a 、d1、rfz與e2b 、d2、rfz ，兩個通電回路。全波整流電路的工作原理，可用圖2.3.4所示的波形圖說明。在0間內(nèi)，e2a 對dl為正向電壓，d1 導(dǎo)通，在rfz 上得到上正下負(fù)的電壓；e2b 對d2為反向電壓，d2 不導(dǎo)通（見圖2.3.4（b）。在-2時間內(nèi)，e2b 對d2為正向電壓，d2導(dǎo)通，在rfz 上得到的仍然是上正下負(fù)的電壓；e2a 對d1為反向電壓，d1 不導(dǎo)通（見圖2.3.4（c）。如此反復(fù)，由于兩個整流元件d1、d2輪流導(dǎo)電，結(jié)果負(fù)載電阻rfz 上在正、負(fù)兩個半周作用期間，都有同一方向的電流通過，如圖2.3.4（d）所示的那樣，因此稱為全波整流，全波整流不僅利用了正半周，而且還巧妙地利用了負(fù)半周，從而大大地提高了整流效率（usc0.9e2，比半波整流時大一倍）。圖2.3.3所示的全波整流電路，需要變壓器有一個使兩端對稱的次級中心抽頭，這給制作上帶來很多的麻煩。另外，這種電路中，每只整流二極管承受的最大反向電壓，是變壓器次級電壓最大值的兩倍，因此需用能承受較高電壓的二極管。二極管作為整流元件，要根據(jù)不同的整流方式和負(fù)載大小加以選擇。如選擇不當(dāng)，則或者不能安全工作，甚至燒了管子；或者大材小用，造成浪費。在高電壓或大電流的情況下，如果手頭沒有承受高電壓或整定大電濾的整流元件，可以把二極管串聯(lián)或并聯(lián)起來使用。由于波半整流整流電路不能充分利用電壓，造成資源浪費，所以在次設(shè)計中我們使用的是全波整流電路。2.4濾波部分 整流電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動成分較大，在一些要求直流電平滑的場合是不適用的，需加上濾波電路，以減小整流后直流電中的脈動成分。最基本的濾波元件是電感、電容。其濾波原理是：利用這些電抗元件在整流二極管導(dǎo)通期間儲存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑；或從另一角度來看，電容、電感對交、直流成分反映出來的阻抗不同，把它們合理地安排在電路中，即可達(dá)到降低交流成分而保留直流成分的目的，體現(xiàn)出濾波作用。常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。其中無源濾波的主要形式有電容濾波，電感濾波和復(fù)式濾波（包括倒l型lc濾波，型lc濾波和型rc濾波等）。有源濾波的主要形式是有源rc濾波。利用儲能元件電感器l的電流不能突變的特點，在整流電路的負(fù)載回路中串聯(lián)一個電感，使輸出電流波形較為平滑。因為電感對直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能夠得到較好的濾波效果而直流損失小。由于電感的直流電阻小，交流阻抗很大，因此直流分量經(jīng)過電感后的損失很小，但是對于交流分量很大一部分交流分量降落在電感上，因而降低了輸出電壓中的脈動成分，所以電感濾波適用于負(fù)載電流比較大且變化比較大的場合。而我們的紅外遙控開關(guān)需要的電壓電流都很小，此電路中使用電容濾波更合適。濾波電路的波形圖見圖2.4圖2.4濾波電路的波形圖2.5穩(wěn)壓部分 將濾波輸出的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以維持輸出電壓的基本穩(wěn)定。由于濾波后輸出的直流電壓受溫度、負(fù)載、電網(wǎng)電壓波動等因素的影響較大，所以要設(shè)置穩(wěn)壓電路。這里我們使用了三端集成穩(wěn)器（7805），它具有輸出電流大，輸出電壓穩(wěn)定，體積小，安裝調(diào)試方便，可靠性高等優(yōu)點，同時具有內(nèi)部過熱保護(hù)、輸出端電流短路保護(hù)和輸出半導(dǎo)體管保護(hù)等保護(hù)功能因此在電子電路中應(yīng)用十分廣泛。三端穩(wěn)壓電路圖見下圖。第3章 編碼譯碼電路3.1編碼電路的組成編碼電路由按鍵開關(guān)an3an6與集成芯片bl9148組成。通過手動按鍵進(jìn)行編碼，把信號傳遞給bl9148，通過芯片功能產(chǎn)生不同的信號組合，達(dá)到控制不同電路。3.1.1 bl9148芯片的應(yīng)用bl9148是一種性能較好的大規(guī)模集成芯片，功能強(qiáng)，應(yīng)用電路多，這里主要介紹以bl9148設(shè)計的紅外線遙控器的典型應(yīng)用電路。圖3.1.1編碼電路由bl9148和少量外圍元件組成的紅外遙控發(fā)射電路如圖3.1所示。圖中3v穩(wěn)壓二極管為芯片提供推薦工作電壓并加到引腳16。為了使振蕩頻率為455khz，特采用外接晶振csb455e，并外接兩個電容100pf旁路到地。圖3.1.1中t1、t2和code分別接一個二極管，目的是為了使用戶碼(c1、c2)為“1”。1、bl9148芯片引腳如下圖：bl9148能與接收芯片nb9149聯(lián)合使用，當(dāng)bl9148與nb9149聯(lián)合使用時t3不接在電路中，可完成10個控制功能；如果與另一種接收芯片nb9150聯(lián)合使用t3腳才使用，則能完成18種功能控制。在實際應(yīng)用中，該芯片能發(fā)射75個指令，其中63個是連續(xù)指令，利用它可組成多鍵操作；另外12個是單發(fā)指令 ，利用它可以組成單鍵操作。使用芯片時要求使用推薦參數(shù)，否則易損壞或使芯片性能遭到破壞。bl9149的工作電壓是3.0v；工作電流是1.0ma(max)；靜態(tài)電流是10a(max)；振蕩頻率：455khz。2、電路中鍵與碼的關(guān)系當(dāng)t1t3與code之間分別接入二極管時，用戶碼(c1c3)為“1”；當(dāng)t1t3引腳不接二極管時，用戶碼為“0”。如果該芯片與bl9150相結(jié)合，則c3引腳必須接入二極管；如果該芯片與bl9149相結(jié)合，則c2必須接二極管，h、s1和s2是代表連續(xù)發(fā)送或單次發(fā)送的碼，且分別與t1、t2和t3列的鍵對應(yīng)。d1d4是發(fā)送的數(shù)據(jù)碼(也是鍵輸入碼)，鍵與碼的關(guān)系如下表所列。3.1.2 二級放大電路的功能多級放大電路通常由二級或二級以上放大電路構(gòu)成,本設(shè)計中由兩只不同類的三極管構(gòu)成了二級放大電路。由于編碼器輸出的信號比較弱,需要二級放大電路將信號放大才能促使發(fā)光二極管發(fā)光，給譯碼電路提供可靠信號源。3.2 譯碼電路譯碼電路由一體化接收頭（sj1838）、二極管v1和芯片nb9149等組成。圖3.2譯碼電路3.2.1 一體化接收頭一體化接收頭的功能接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管,使用時要給紅外接收二極管加反向偏壓,它才能正常工作而獲得高的靈敏度.紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種.由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率較小,紅外接收二極管收到信號較弱,所以接收端就要增加增益放大電路.然而現(xiàn)在無論是業(yè)余制作還是正式的產(chǎn)品，大都采用一體化接收頭。紅外接收頭是集紅外接收、放大、濾波和比較器輸出等的模塊，性能穩(wěn)定、可靠。所以有了一體化接收頭，人們不再制作放大電路，這樣紅外接收電路不僅簡單而且可靠性大大提高。常用紅外接收頭的外形，均有三只引腳，即電源正vcc、電源負(fù)（gnd）和數(shù)據(jù)輸出（out）。接收頭的引腳排列因型號不同而不盡相同。本設(shè)計中發(fā)光二極管發(fā)光時一體化紅外接收頭（sj1838）接收并把其光信號轉(zhuǎn)換為電信號，由于發(fā)光二極管v16發(fā)出的信號微弱最終所得的電信號不能使nb9149芯片正常工作，所以要再經(jīng)v1放大后傳送給譯碼器。3.2.2 nb9149芯片的應(yīng)用nb9149/ nb9150是用于紅外遙控接收器的cmos大規(guī)模集成電路，主要應(yīng)用于空調(diào)、玩具音響等各種設(shè)備的遙控系統(tǒng)中。1、nb9149芯片引腳如下圖2、功能特點譯碼電路的芯片有多種，與bl9148聯(lián)合使用的有nb9149和nb9150。nb9149能并行輸出5種功能，nb9150能并行輸出6種功能，兩者均可輸出單發(fā)脈沖，保持脈沖和周期脈沖三種（周期脈沖僅限于nb9150);外接rc構(gòu)成單端振蕩器；含用戶碼檢測電路，可鑒別不同發(fā)射器發(fā)送的信號碼。nb9149集成電路采用16腳雙列直插式封裝方式，能控制10種功能；nb9150集成電路采用24腳雙列直插式封裝，能控制18種功能。他們使用的條件是不同的，bl9148和nb9150結(jié)合使用時，bl9148的t3腳必須使用且為高電平。3、 工作原理在紅外線遙控系統(tǒng)的接收端采用nb9149對接收到的信號進(jìn)行處理，nb9149的內(nèi)部包含了外信號接收過程所需的全部電路。基于nb149的紅外線接收電路如圖3.2所示。實驗采用ic1(sj1838)作為紅外線的接收組件，它內(nèi)部包含紅外線接收管、前置放大、解調(diào)等幾部分電路。sj1838將接收到的紅外信號經(jīng)v1放大送入nb9149，再由nb9149對收到的信號進(jìn)行判斷，查表確定發(fā)送端的按鍵，最后由對應(yīng)的nb9149輸出引腳輸出。在本設(shè)計中我們只用到了nb91494個輸出引腳，所以能完成4種功能控制。電容c1、c2和電阻r2用于產(chǎn)生38khz的載波頻率，為nb9149提供與nb9148一致的載波頻率。第4章 控制電路在此紅外遙控電路設(shè)計中，其控制電路由微分電路、單穩(wěn)態(tài)電路、雙穩(wěn)態(tài)電路和方向控制電路組成。4.1微分電路在雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)電路之前都有一個微分電路，它由一個二極管、兩個電阻、一個電容組成，如圖4.1.1。圖4.1.1微分電路 微分電路可把矩形波轉(zhuǎn)換為尖脈沖波（如圖4.1.1），此電路的輸出波形只反映輸入波形的突變部分，即只有輸入波形發(fā)生突變的瞬間才有輸出。而對恒定部分則沒有輸出。輸出的尖脈沖波形的寬度與r5*c3有關(guān)（即電路的時間常數(shù)），r5*c3越小，尖脈沖波形越尖，反之則寬。此電路的r5*c3必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于輸入波形的寬度，否則就失去了波形變換的作用，變?yōu)橐话愕膔c耦合電路了，一般r*c少于或等于輸入波形寬度的1/10就可以了。微分電路的在此設(shè)計中的作用是使由cd4013組成的單穩(wěn)態(tài)電路和雙穩(wěn)態(tài)電路得到時鐘脈沖信號，控制輸出狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)。但在微分電路中接有v3，所有正向?qū)?，?fù)脈沖無效，如圖4.1.3. 圖4.1.2 脈沖圖4.1.34.2 cd4013觸發(fā)器cd4013由兩個相同的，相互獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成，如圖4.2.1。圖4.2.1 cd4013的芯片組成在cd4013中每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)、位置、復(fù)位、時鐘輸入、和q及/q輸出。此器件可用作移位寄存器，且通過將/q輸出連續(xù)到數(shù)據(jù)輸入，可用作計數(shù)器和觸發(fā)器，在時鐘上升沿觸發(fā)時，加在d輸入端的邏輯電平傳送到q輸出端。置位和復(fù)位與時鐘無關(guān)，而分別由置位或復(fù)位線上的高電平完成。圖4.2.2由圖4.2.2 cd4013觸發(fā)器為上升沿出發(fā),d=q r為置1端，高電平有效，s為復(fù)位端，高電平有效。4.3單穩(wěn)態(tài)電路1、工作原理圖4.3.1單穩(wěn)態(tài)電路本設(shè)計中采用的4013邊沿觸發(fā)器，其工作原理是當(dāng)clk=0時，這時觸發(fā)器處于等待狀態(tài)，一旦上升沿到來時，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)就會發(fā)生翻轉(zhuǎn)。若d=1時，當(dāng)上升沿到來后，則輸出狀態(tài)為高電平。若d=0時，當(dāng)上升沿到來后，則輸出狀態(tài)為低電平。綜上所述，此種觸發(fā)器只有在上升沿到來時才按照輸入信號的狀態(tài)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，除此外，在clk的任何時刻，觸發(fā)器都將保持狀態(tài)不變。由圖4.3.1看出d端接的是高電平，當(dāng)向clk輸送一個脈沖時，q=d=1，q端的高電平，通過rp3與c7組成的電路向c7充電，當(dāng)c7電壓上升到一定程度時，r端強(qiáng)制清0，q端輸出為0。2 單穩(wěn)態(tài)電路的應(yīng)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可作延遲信號用，也可作定時用。 圖4.3.2是利用單穩(wěn)態(tài)的延遲和定時作用構(gòu)成的一個程序控制電路方框圖。在觸發(fā)信號啟動下，觸發(fā)第一級單穩(wěn)態(tài)電路輸出高電平，經(jīng)t1時間后，再觸發(fā)第二級單穩(wěn)態(tài)電路，就