三通道遙控器設(shè)計(jì)

1、三通道遙控器設(shè)計(jì)摘要：遙控器在日常生活中扮演著很重要的角色，給人們進(jìn)行遠(yuǎn)距離設(shè)備操縱帶來了極大的方便，對(duì)遙控器的設(shè)計(jì)具有很大的實(shí)用價(jià)值，此處三通道遙控器的設(shè)計(jì)，旨在設(shè)計(jì)一個(gè)由三通道頻率控制三種功能，利用紅外線傳送控制信息的簡易無線遙控器。關(guān)鍵詞：遙控發(fā)射；遙控接收；555定時(shí)器1. 遙控器發(fā)射裝置一個(gè)遙控器發(fā)射系統(tǒng)一般由以下三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成：命令輸入命令生成命令發(fā)送圖 1.1 發(fā)射系統(tǒng)組成框圖1.1 命令輸入命令輸入可由鍵盤、按鈕、等一些傳感器來實(shí)現(xiàn)，在本裝置中，單獨(dú)按下圖1.2中的按鍵開關(guān)J1、J2、J3稍長時(shí)間，接通電路，電路中便生成相應(yīng)的脈沖信號(hào)，由此產(chǎn)生命令。1.2 命令生成在多功能的遙控

2、器中，命令生成包含有編碼、串并轉(zhuǎn)換過程，因?yàn)楸狙b置為三通道遙控器，宜用更簡單的電路來生成命令，即用一個(gè)555定時(shí)器產(chǎn)生三種不同頻率的脈沖信號(hào)，再與另一個(gè)555定時(shí)器產(chǎn)生的載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，便得到了待發(fā)送的命令信號(hào)。555定時(shí)器組成的振蕩器有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其一是振蕩頻率調(diào)節(jié)范圍寬，不易停振；其二是輸出功率較大，可以直接驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管；其三是電源電壓范圍寬，可以在515范圍內(nèi)工作。由555定時(shí)器構(gòu)成的產(chǎn)生三種不同頻率脈沖信號(hào)的電路如圖 1.2所示。 圖 1.2 命令生成電路圖中555定時(shí)器LM555CM的4腳為復(fù)位端，當(dāng)該腳輸入為0電平時(shí)，3腳輸出高電平，所以正常工作下4腳應(yīng)常接高電平。7腳為放電端，

3、與內(nèi)部一三極管的集電極相連。5腳為控制電壓端，其電壓是VCC的2/3倍。6腳與2腳相連，共同作為閥值電壓輸入端，該兩端的電壓值通過與1/3VCC和2/3VCC相比較，經(jīng)過內(nèi)部比較器和觸發(fā)器的作用，生成相應(yīng)的輸出波形，這兩端的電壓值是由電容C1的電壓決定的。按下某個(gè)開關(guān)如J3，電源VCC通過R3、R4向電容C1充電，當(dāng)C1充電至1/3VCC之前，定時(shí)器3腳輸出高電平，當(dāng)電容C1電壓在1/3VCC和2/3VCC之間時(shí)，3腳保持原輸出高電平不變，當(dāng)電容C1充電至2/3VCC以上時(shí)，3腳轉(zhuǎn)為輸出低電平，這時(shí)與7腳相連的內(nèi)部三極管導(dǎo)通，電容C1通過R4和該三極管放電，當(dāng)電容C1電壓下降至1/3VCC時(shí)，

4、3腳又轉(zhuǎn)為輸出高電平，電容C1又開始充電，如此循環(huán)。單獨(dú)按下開關(guān)J1時(shí)，電容C1充電時(shí)間： TPH10.7(R1+R4)*C1=0.7(100+3.0k)*100n=0.217ms 電容C1 放電時(shí)間： TPL10.7R4*C1=0.7*3.0k*100n=0.210ms輸出波形周期： T1=TPH1+TPH2=0.427ms 輸出波形頻率： f1=1/T1=2341.9Hz利用虛擬示波器XSC1測(cè)得的仿真輸出波形如圖1.3所示。圖 1.3 按下J1輸出命令波形由虛擬示波器面板讀出該輸出波形周期為427.6微秒，與計(jì)算結(jié)果很接近。單獨(dú)按下開關(guān)J2時(shí)， 電容C1充電時(shí)間： TPH20.7(R2+

5、R4)*C1=0.7(1.0k+3.0k)*100n=0.280ms 電容C1 放電時(shí)間：TPL20.7R4*C1=0.7*3.0k*100n=0.210ms輸出波形周期： T2=TPH2+TPH2=0.490ms輸出波形頻率： f2=1/T2=2040.8HZ利用虛擬示波器XSC1測(cè)得的仿真輸出波形如圖 1.4所示。圖 1.4 按下J2輸出命令波形單獨(dú)按下開關(guān)J3時(shí)，電容C1充電時(shí)間：TPH30.7(R3+R4)*C1=0.7(2.0k+3.0k)*100n=0.350ms電容C1 放電時(shí)間：TPL30.7R4*C1=0.7*3.0k*100n=0.210ms輸出波形周期： T3=TPH3+

6、TPH3=0.560ms 輸出波形頻率： f3=1/T3=1785.7HZ利用虛擬示波器XSC1測(cè)得的仿真輸出波形如圖 1.5所示。由虛擬示波器面板讀出該輸出波形周期為556.9微秒，與計(jì)算結(jié)果很接近。圖1.5按下J3輸出命令波形從圖1.3、圖1.4、圖1.5中可以看出三種波形有比較明顯的頻率區(qū)分度，實(shí)際計(jì)算結(jié)果知，f1與f2約相差301HZ，f2與f3約相差255HZ,保證了足夠的頻率間隔帶寬。由555定時(shí)器構(gòu)成的產(chǎn)生載波的振蕩電路如圖1.6所示，圖1.7是用虛擬示波器測(cè)得的載波仿真波形。電容C3充電時(shí)間 TPH40.7R5*R6/(R5+R6)+R7*C3=0.7*(1.667k+3.0k

7、)*4.700n TPH4=0.015354ms電容C3 放電時(shí)間TPL40.7R7*C3=0.7*3.0k*4.700n=0.00=9. f39870ms載波周期 T4=TPH4+TPH4=0.025224ms載波頻率 f4=1/T4=39.64kHZ圖1.6 載波產(chǎn)生電路 圖1.7 載波波形 圖1.8 發(fā)射系統(tǒng)整體電路圖1.8為遙控發(fā)射裝置的整體電路圖，前級(jí)的555定時(shí)器3腳輸出經(jīng)一非門接后級(jí)555定時(shí)器的4腳復(fù)位端，這樣當(dāng)前級(jí)3腳的輸出波形為低電平時(shí)，后級(jí)3腳也輸出低電平，當(dāng)前級(jí)3腳輸出波形為高電平時(shí)，后級(jí)3腳輸出載波波形，這樣前級(jí)3腳的輸出信號(hào)便調(diào)制在了后級(jí)555定時(shí)器產(chǎn)生的載波上。分

8、別單獨(dú)按下開關(guān)J1、J2、J3，在后級(jí)3腳得到的仿真調(diào)制波形分別如圖1.9、圖1.10、圖1.11所示。前級(jí)555定時(shí)器3腳與后級(jí)555定時(shí)器4腳間接一非門的原因是，當(dāng)不進(jìn)行遙控操作時(shí)，三個(gè)開關(guān)J1、J2、J3自然都是斷開的，這樣電源VCC就不能對(duì)電容C1進(jìn)行充電，前級(jí)555定時(shí)器6腳、2腳的閥值輸入電壓永遠(yuǎn)小于1/3VCC，因此前級(jí)3腳輸出恒為高電平，這時(shí)如果把前級(jí)3腳的輸出直接作為后級(jí)4腳的輸入，那么在不執(zhí)行遙控操作時(shí)，遙控器會(huì)向外一直不停發(fā)射無用的載波，顯然這是對(duì)電源能源的極大浪費(fèi)。所以必須在前級(jí)555定時(shí)器3腳與后級(jí)555定時(shí)器4腳間接一非門。 圖1.9按下J1輸出已調(diào)命令波形圖1.1

9、0按下J2輸出已調(diào)命令波形圖1.11按下J3輸出已調(diào)命令波形1.3 命令發(fā)送紅外線在充滿塵埃的空氣中傳播時(shí)，不易發(fā)生散射，穿透能力較強(qiáng)，還具有不易受干擾，易于產(chǎn)生等優(yōu)點(diǎn)，因此家用電器大多使用紅外線作為遙控信息的傳送載體。紅外發(fā)光二極管是紅外遙控器的重要發(fā)射器件，它可以使用圖1.8中的NPN管來驅(qū)動(dòng)，而三極管又由后級(jí)555定時(shí)器輸出的已調(diào)信號(hào)來控制導(dǎo)通和截止的。三極管在這里作開關(guān)使用，應(yīng)工作在截止和飽和兩種狀態(tài)，其基級(jí)電阻R8和集電極電阻R9的選取是關(guān)鍵。圖1.8中R8取820ohm,R9取20ohm,一般實(shí)際電路中后級(jí)555定時(shí)器輸出高電平約為4.8V，三極管基射級(jí)導(dǎo)通管壓降約為0.7V，那么

10、基級(jí)電流為Ib=（4.8V-0.7V）/820ohm=5mA，三極管電流放大系數(shù)一般在20100之間，現(xiàn)取電流放大系數(shù)為下限值20，若在放大狀態(tài)下，則三極管集電極電流Ic=5mA*20=100mA，電阻R9的電壓降U9=100mA*20ohm=2V，紅外發(fā)光二極管若采用GaAlAs管，其正向壓降一般約為1.35V，由此算得三極管集射級(jí)間壓降Uce=5V-1.35V*2-2V=0.3V，說明三極管已進(jìn)入飽和狀態(tài)。三極管的選取要求集電極最大電流Icm>100mA，圖1.8中2SC945三極管的Icm查閱相關(guān)資料知為250mA。遙控器不僅要求能正常發(fā)射遙控命令信號(hào)，還要求有一定的遙控距離，增加

11、遙控距離的方法大致有三種。其一提高紅外接收頭的接收靈敏度，但靈敏度提高了又會(huì)使接收頭的抗干擾能力下降，兩者相互矛盾，因此一般不采用此法；其二是增加發(fā)射管的發(fā)射工作電流，提高發(fā)射功率，這需要減小限流電阻R9，但三極管集電極飽和電流增加有可能燒壞三極管；第三種方法是增加發(fā)射管的個(gè)數(shù)來提高發(fā)射功率，把兩紅外二極管串聯(lián)，工作電流與單只發(fā)射管電流相比變化很小，只需提高下電源電壓，便可獲得較大的發(fā)射功率，該方法是一種比較好的方法，圖1.8正是采用了此方法。2. 遙控接收裝置遙控接收裝置分為如圖2.1所示的三個(gè)部分，整體電路圖如圖2.2所示。（因?yàn)檫b控命令有三種頻率，包絡(luò)檢波理應(yīng)有三種不同電路，考慮只需對(duì)電

12、路元件參數(shù)稍作修改，在此只畫出一種包絡(luò)檢波電路）命令接收命令還原命令執(zhí)行 圖2.1 接收系統(tǒng)組成框圖2.1 命令接收遙控接收裝置收到的信號(hào)為紅外光信號(hào)，要將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電路可處理的電信號(hào)，可使用紅外接收光電二極管，該光電二極管的響應(yīng)波長應(yīng)與遙控發(fā)射裝置的紅外發(fā)射二極管的發(fā)射波長盡可能接近，這樣能提高信號(hào)接收的靈敏度，而且光電二極管的暗電流指標(biāo)應(yīng)盡可能小，這樣受到自然光的干擾就小。圖2.2中，光電二極管PD把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱的電流后，經(jīng)電阻R10轉(zhuǎn)換成電壓，再送往后級(jí)電路做進(jìn)一步的處理。圖2.2 接收系統(tǒng)整體電路2.2 命令還原為方便仿真，現(xiàn)將光電二極管用正弦普通調(diào)幅波信號(hào)源代替，其

13、中載波頻率設(shè)為1000HZ，基波頻率設(shè)為100HZ，電壓設(shè)為0.2V，如圖2.3所示。2.2.1 信號(hào)放大 接收到的信號(hào)送往集成運(yùn)算放大器LM741H進(jìn)行放大，該運(yùn)放為雙電源運(yùn)放，1腳和5腳接調(diào)零電阻R4，因?yàn)槿魏芜\(yùn)放本身都具有一定的失調(diào)量，再加之光電二極管受自然光照射，有暗電流輸入運(yùn)放，引起輸出誤差，所以在輸入有用信號(hào)為零時(shí)，通過調(diào)節(jié)R4可使輸出也為零。圖2.3 放大和檢波電路圖中運(yùn)放和電阻R1、R2、R3構(gòu)成一個(gè)同相比例運(yùn)算放大器，根據(jù)理想運(yùn)放虛短的概念，運(yùn)放兩輸入端電壓U3U2，根據(jù)虛斷的概念兩輸入端電流I3I20,所以U3近似等于信號(hào)源電壓V1。運(yùn)放的放大倍數(shù)Af=Uo/Ui(R2+R

14、1)/R1=(30+1)/1=31，圖2.4是運(yùn)放輸入輸出的仿真波形，它們?cè)诓ǚ幍碾妷褐捣謩e為0.3974和12.4V，12.4/0.397431.20，與理論計(jì)算結(jié)果相符。2.2.2 包絡(luò)檢波放大后的信號(hào)，經(jīng)過二極管D1進(jìn)行半波整流，二極管具有單向?qū)ㄗ饔?，可以讓輸入信?hào)處于正半周的波形通過，而對(duì)負(fù)半周的波形阻止其通過，因此把信號(hào)由交流電變成了直流電。整流后的信號(hào)再經(jīng)R5、R6、C1組成的濾波電路進(jìn)行包絡(luò)檢波，濾波電路的充電時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)大于放電時(shí)間，相應(yīng)地R5應(yīng)遠(yuǎn)大于R6。充電時(shí)間常數(shù)=(R5|R6|Rin)C1R5*C1=200hom*100nF=20S，放電時(shí)間常數(shù)=R6*C1=10kho

15、m*100nF=1mS，其中Rin為比較器及后繼負(fù)載；仿真得到的包絡(luò)波形是圖2.5中粗糙的正弦半波樣圖形。2.2.3 整形變換包絡(luò)經(jīng)過比較器被變換成脈沖波形，可以用于后繼數(shù)字電路。比較器LM339N為雙電源比較器，輸出為正負(fù)雙極性脈沖波，兩個(gè)二極管D2、D3串聯(lián)接在比較器負(fù)輸入端，使該比較器的閥值電壓鉗制在1.4V，當(dāng)比較器正輸入端輸入的包絡(luò)電壓值在1.4V以上時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)包絡(luò)電壓值在1.4V以下時(shí)，比較器輸出低電平。比較器的輸出仿真波形是圖2.5中所示的脈沖波形。圖2.4 接收信號(hào)放大前、后波形圖2.5 包絡(luò)及整形波形2.4 命令執(zhí)行圖2.2中采用電磁繼電器作為命令執(zhí)行部件。比較

16、器輸出的脈沖波用以控制三極管2N1711的導(dǎo)通與截止，當(dāng)脈沖波為高電平時(shí)三極管導(dǎo)通，繼電器線圈也因而得電，產(chǎn)生磁場(chǎng)，吸動(dòng)銜鐵，使開關(guān)閉合，從而接在交流市電220V端的電器開始工作，當(dāng)脈沖波為低電平時(shí)，三極管截止，繼電器斷電，銜鐵開關(guān)彈開，市電端的電器停止工作。與繼電器并聯(lián)的二極管D4可以阻止繼電器斷電瞬間產(chǎn)生的較大感應(yīng)電流流過三極管，避免三極管燒壞。3. 總結(jié)三通道遙控器的設(shè)計(jì)到這里已告完成，設(shè)計(jì)過程中，通過反復(fù)查閱課本及其他資料，再三仿真與修正，使我的相關(guān)專業(yè)知識(shí)得到鞏固與提升，也使我明白做成一項(xiàng)好的設(shè)計(jì)，不僅知識(shí)要精還要廣，更要有平心靜氣、埋頭鉆研的精神。本次設(shè)計(jì)也有不盡如人意處，比如所使用的multism2001仿真軟件自帶元件庫中缺乏不少元件，致使設(shè)計(jì)思路一改再改，甚至有走彎路之嫌，“工欲善其事，必先利其器”，以后如有設(shè)計(jì)，定當(dāng)找個(gè)好用的軟件，熟練之后，再行設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)：1康華光電子