紅外家電遙控系統(tǒng)

1、測控系統(tǒng)原理與設(shè)計課程設(shè)計課題： 紅外家電遙控系統(tǒng) 班級 測控1111班 學(xué)號 學(xué)生姓名 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 系別 測控系 指導(dǎo)教師 淮陰工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院2014年5月1. 課題介紹本次設(shè)計的主要任務(wù)是利用單片機技術(shù)，并將數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子技術(shù)相結(jié)合，利用紅外接收和發(fā)射模塊并結(jié)合單片機8051，來設(shè)計一個簡單的紅外線家電遙控系統(tǒng)，可以控制市電220V的家電開啟和關(guān)閉。1.1設(shè)計指標(biāo) 1.2功能 （1）利用紅外接收和發(fā)射電路發(fā)射和接收紅外線（2）該遙控系統(tǒng)可以實現(xiàn)220V家電的開啟和關(guān)閉（3）能夠按鍵啟動/停止，使用單片機進行設(shè)計1.3創(chuàng)新點通過調(diào)節(jié)占空比可以實現(xiàn)風(fēng)速的調(diào)整，并可以

2、一通過單片機設(shè)計一種風(fēng)的方式。2.摘要紅外遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。本設(shè)計是基于單片機和紅外線信號的優(yōu)良特性，通過對紅外線編碼和解碼信號實現(xiàn)對多個受控設(shè)備進行狀態(tài)控制。設(shè)計主要使用編碼集成電路和譯碼集成電路完成紅外線信號的編碼和譯碼，用單片機作為發(fā)射端和接收端的核心控制器件，完成了整個設(shè)計的內(nèi)容要求。本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、使用方便；傳輸速率適合于家庭和辦公室使用的網(wǎng)絡(luò)；信號無干擾、傳輸準(zhǔn)確度高；成本低廉，對它的研究具有積極意義。紅外遙控在其它電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，隨著人們生活水平的提高，對產(chǎn)品的追求是使用更方便、更具智能化，紅外遙控技術(shù)正是一個重要的發(fā)展方向。 目錄1. 紅外家電遙控

3、設(shè)計思想1.1紅外遙控技術(shù)簡介1.2現(xiàn)階段紅外遙控技術(shù)的研究現(xiàn)狀和成果1. 紅外家電遙控設(shè)計思想1.1紅外遙控技術(shù)簡介70年代末，隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的發(fā)展，遙控技術(shù)才得到快速的進步。在遙控方式上大體經(jīng)歷了從高成本的有線到成本低廉控制方便的無線控制。無論采用何種方式，準(zhǔn)確無誤傳輸信號，最終達到滿意的控制效果是非常重要的。最初的無線遙控裝置大多采用的是電磁波傳輸信號，現(xiàn)在逐漸采用紅外線的遙控方式取代了超聲波遙控方式，出現(xiàn)了紅外線多功能遙控器，成為當(dāng)今時代的主流。由于紅外線在頻譜上居于可見光之外，所以抗干擾性強，且安全。具有光波的直線傳播特性，不易產(chǎn)生相互間的干擾，是很好的信息傳輸媒體。

4、信息可以直接對紅外光進行調(diào)制傳輸，這就是我們今天看到的大多數(shù)紅外遙控器所采用的方法。紅外遙控技術(shù)在這十年來得到了迅猛發(fā)展。紅外線是波長在760nm至1mm之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人的眼睛看不到的光線。紅外通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在0.76um至3.0um之間。目前廣泛使用的家電遙控器幾乎都是采用的近紅外線傳輸技術(shù)。但作為無線局域網(wǎng)的傳輸方式，紅外線方式的最大優(yōu)點是不受無線電干擾，且它的使用不受國家無線管理委員會的限制，紅外通信協(xié)議將紅外數(shù)據(jù)通信所采用的光波波長的范圍限定在850至900nm之內(nèi)。1.2現(xiàn)階段紅外遙控技術(shù)的研究現(xiàn)狀和成果常用的紅外遙控系統(tǒng)一

5、般分發(fā)射和接收兩個部分。發(fā)射部分的主要元件為紅外發(fā)光二極管。它實際上是一只特殊的發(fā)光二極管；由于其內(nèi)部材料不同于普通發(fā)光二極管，因而在其兩端施加一定電壓時，它便發(fā)出的是紅外線而不是可見光。目前大量的使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940mm左右，外形與普通5發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。紅外發(fā)光二極管一般有黑色、深藍、透明三種顏色。判斷紅外發(fā)光二極管好壞的辦法與判斷普通二極管一樣；用萬用表電阻擋量一下紅外發(fā)光二極管的正、反向電阻即可。接收部分的紅外接收管是一種光敏二極管。在實際應(yīng)用中要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二極管在電路中應(yīng)用時是反向運用，這樣才能獲得較高

6、的靈敏度。紅外發(fā)光二極管一般有圓形和方形兩種。由于紅外一體化接收頭的出現(xiàn)，大大降低了紅外遙控的成本和技術(shù)難度，目前不僅在家電領(lǐng)域，在玩具、安防等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。紅外遙控系統(tǒng)主要由紅外遙控發(fā)射裝置、紅外接收設(shè)備、遙控微處理機等組成。因此，遙控系統(tǒng)是一涉及單片機的數(shù)字系統(tǒng)。目前國內(nèi)紅外遙控電子元器件的競爭很激烈，導(dǎo)致了價格的低廉，表面上有利于消費者，可是長期惡性競爭，互相壓價格，必將導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量的下降，最終損害的只能是消費者。紅外遙控的前景依然看好，不過紅外遙控的現(xiàn)狀不容樂觀。紅外遙控是單工的紅外通信方式，整個通信中，需要一個發(fā)射端和一個接收端。發(fā)送端采用單片機將待發(fā)送的二進制信號編碼調(diào)制為一

7、系列的脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射紅外信號。紅外接收端普遍采用價格便宜，性能可靠的一體化紅外接收頭接收紅外信號，它同時對信號進行放大、檢波、整形，得到TTL電平的編碼信號，再送給單片機，經(jīng)單片機解碼并控制相關(guān)對象。 圖1-1 遙控器原理框圖2 課題的方案設(shè)計與論證2.1 紅外編碼方案紅外編碼有很多種方式，下面列舉兩種實現(xiàn)方案：方案一：脈寬調(diào)制的串行碼。這種遙控碼具有以下特征： 以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進制的“1”。 其相關(guān)的波形圖如圖2-1所示: 圖2-1

8、 串行碼編碼電器0的遙控輸出碼電器1的遙控輸出碼方案二：碼分制。采用脈沖個數(shù)編碼，不同的脈沖個數(shù)代表不同的被控對象，最小為2個脈沖。為了使接收可靠，第一位碼寬為3ms，其余為1ms，遙控碼數(shù)據(jù)幀間隔大于10ms，如圖2-2所示。圖2-2 碼分制編碼波形圖本設(shè)計采用方案二，碼分制編碼編程簡單，在按鍵較少的情況下優(yōu)勢明顯。2.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)2.2.1 手持段遙控器電路框圖：單片機系統(tǒng)由顯示電路、紅外發(fā)射電路以及按鍵電路，穩(wěn)壓電路等組成。其手持段遙控器電路設(shè)計系統(tǒng)框圖如圖2-3所示：AT8051圖2-3手持段遙控器方框圖2.2.2 紅外接收端電路框圖：單片機系統(tǒng)及顯示電路、紅外發(fā)射電路以及按鍵

9、電路，電源電路，控制單元等組成。其紅外接收端設(shè)計原理圖如圖2-4所示：AT89C51 圖2-4 紅外接收端方框圖2.3 系統(tǒng)功能需求本遙控系統(tǒng)要求用單片機作為控制芯片制作一個遙控器，另一個單片機控制系統(tǒng)能被遙控操作。本系統(tǒng)要求遙控器具有多級調(diào)速，開關(guān)，定時，以及自然風(fēng)，睡眠風(fēng)切換等功能。將單片機、控制、鍵盤組合在一起完成了人機對話。 用 AT89C51單片機來作主芯片控制，采用紅外HS0038接收頭，用雙向可控硅MC97A6控制電機開關(guān)，具有紅外遙控功能。自然風(fēng)的處理流程 : 圖3-3 自然風(fēng)的循環(huán)圖睡眠風(fēng)的處理流程 :圖3-4 睡眠風(fēng)的循環(huán)圖正常風(fēng)的處理流程 :圖3-5 正常風(fēng)循環(huán)3 系統(tǒng)的

10、硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 AT89C51系列單片機功能特點3.1.1 主要特性與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 3.1.2 AT89C51的基本操作如圖3-6所示，在X1和X2之間接一只石英振蕩晶體構(gòu)成了單片機的時鐘電路，它還有另一種接法，是把外部振蕩器的信號直接連接到XTAL1端，XTAL2端懸空不用。AT89C51復(fù)位引腳RST/VP通過片內(nèi)一個施密特觸發(fā)器(

11、抑制噪聲作用)與片內(nèi)復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器的輸出在每一個機器周期由復(fù)位電路采樣一次。當(dāng)振蕩電路工作，并且在RST引腳上加一個至少保持2個機器周期的高電平時，就能使AT89C51完成一次復(fù)位。復(fù)位不影響RAM的內(nèi)容。復(fù)位后，PC指向0000H單元，使單片機從起始地址0000H單元開始重新執(zhí)行程序。所以，當(dāng)單片機運行出錯或進入死循環(huán)時，可按復(fù)位鍵重新啟動。MCS-51單片機通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位方式。上電復(fù)位利用電容器充電來實現(xiàn)。按鈕復(fù)位又分為按鈕電平復(fù)位和按鈕脈沖復(fù)位。前者將復(fù)位端通過電阻與Vcc相接；后者利用RC微分電路產(chǎn)生正脈沖來達到復(fù)位目的。復(fù)位電路參數(shù)的選擇應(yīng)能保證復(fù)

12、位高電平持續(xù)時間大于3個機器周期。圖3-6AT89C51基本操作電路3.2 紅外發(fā)射電路本遙控發(fā)射器采用碼分制遙控方式，碼分制紅外遙控就是指令信號產(chǎn)生電路以不同的脈沖編碼（不同的脈沖數(shù)目及組合）代表不同的控制指令。在確定選擇AT89C51作為本設(shè)計發(fā)射電路核心芯片和點觸式開關(guān)作為控制鍵后，加上一個簡單紅外發(fā)射電路和12M晶體震蕩器便可實現(xiàn)紅外發(fā)射。發(fā)射部分的主要元件為紅外發(fā)光二極管。它實際上是一只特殊的發(fā)光二極管，由于其內(nèi)部材料不同于普通發(fā)光二極管，因而在其兩端施加一定電壓時，它發(fā)出的便是紅外線而不是可見光。目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940nm左右，外形與普通5發(fā)光二極管相

13、同，只是顏色不同6。遙控發(fā)射通過鍵盤，每按下一個鍵，即產(chǎn)生具有不同的編碼數(shù)字脈沖，這種代碼指令信號調(diào)制在40KHz的載波上，激勵紅外光二極管產(chǎn)生不同的脈沖，通過空間的傳送到受控機的遙控接收器。P1口作為按鍵部分，P0.7口作為發(fā)射部分。電路圖如圖3-所示圖 3-7 紅外發(fā)射電路3.3 紅外檢測接收電路在接收過程中，脈沖通過光學(xué)濾波器和紅外二極管轉(zhuǎn)換為40KHZ的電信號，此信號經(jīng)過放大，檢波，整形，解調(diào)，送到解碼與接口電路，從而完成相應(yīng)的遙控功能，接收電路如圖3-8所示。通常，紅外遙控器將遙控信號(二進制脈沖碼)調(diào)制在40KHz的載波上，經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管，產(chǎn)生紅外信號發(fā)射出去。將上

14、述的遙控編碼脈沖對頻率為40KHz(周期為26s)的載波信號進行脈幅調(diào)制(PAM )，再經(jīng)緩沖放大后送到紅外發(fā)光管，將遙控信號發(fā)射出去。根據(jù)遙控信號編碼和發(fā)射過程，遙控信號的識別即解碼過程是去除40KHz載波信號后識別出二進制脈沖碼中的0和1。由MCS51 系列單片機AT89C51、一體化紅外接收頭、還原調(diào)制與紅外發(fā)光管驅(qū)動電路組成。接收部分主要元件是紅外接收管，它是一種光敏二極管（實際上是三極管，基極為感光部分）。在實際應(yīng)用中要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二極管在電路中應(yīng)用時是反向運用，這樣才能獲得較高的靈敏度。圖3-8 紅外接收電路3.4 光電耦合控制電路 在控

15、制部分采用了隔離驅(qū)動電路，用光電器件作為隔離元件，利用光耦來隔離強電，以防止強電影響單片機的工作。光電耦合器是把一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管封裝在一個外殼里的器件。外殼有金屬的或塑料的兩種。發(fā)光二極管和光敏三極管之間用透明絕緣體填充，并使發(fā)光管與光敏管對準(zhǔn)，以提高其靈敏度，光電耦合器的電路符號如圖3-10所示。對于數(shù)字量，當(dāng)輸入為低電平“0”時，光敏三極管截止，輸出為高電平“1”；當(dāng)輸入為高電平“1”時，光敏三極管飽和導(dǎo)通，輸出為低電平“0”。圖3-9光電耦合器原理圖輸入信號使用權(quán)發(fā)光二極管發(fā)光，其光線又使光敏三極管產(chǎn)生電信號輸出，從而既完成了信號的傳遞又實現(xiàn)了電氣上的隔離。光電耦合的響應(yīng)時

16、間一般不超過幾個微秒。光電耦合器中光敏三極管的基極有引出和不引出兩種形式。基極引出通常是經(jīng)一個電阻接地。通過接地電阻可以控制耦合的響應(yīng)速度和靈敏度?？偟膩碚f，電阻越小，響應(yīng)速度越高。其控制電路如圖3-10所示。圖3-10光電耦合控制電路3.5 電源電路設(shè)計3.5.1 穩(wěn)壓電路典型應(yīng)用電路如圖3-11所示。圖中C5用于頻率補償，防止自激振蕩和抑制高頻干擾；C6采用電解電容，以減少電源引入的低頻干擾對輸出電壓的影響；D4是保護二極管，當(dāng)輸入端短路時，給C4一個放電的通路，防止C4激穿。圖3-11穩(wěn)壓電路3.5.2 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計直流穩(wěn)壓電源的主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分

17、組成?？驁D如圖3-12所示。圖3-12 直流穩(wěn)壓電源3.6 顯示部分的設(shè)計由LED組成的7段發(fā)光管顯示器是不太復(fù)雜的單片機應(yīng)用系統(tǒng)常用外部設(shè)備之一。在本設(shè)計中使用了四個7段LED顯示器，而多位顯示器連用有兩種其顯示格式如表3.1，其驅(qū)動電路如圖3-13所示圖 3-13 AT89C51基本操作電路表3-1 數(shù)碼管顯示格式數(shù)碼管1數(shù)碼管2風(fēng)速D相應(yīng)數(shù)字模式E相應(yīng)數(shù)字定時A相應(yīng)數(shù)字3.7 鍵盤設(shè)計 發(fā)射端采用矩陣按鍵，其中0，1，2按鍵用于風(fēng)扇的定時，模式，調(diào)速切換。其他按鍵用于擴展控制其他家用電器，如電腦等，也可以用于設(shè)置密碼鎖等功能，其具體事情由用戶自己設(shè)定。而接收端采用獨立按鍵，根據(jù)不同的電器

18、，其具體功能各不相同。本設(shè)計中，P1.0用于定時切換，P1.1用于模式切換，P1.2用于調(diào)速切換。圖3-14 矩陣式鍵盤4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計該系統(tǒng)的控制軟件主要可以分單片機初始化程序、定時服務(wù)程序、紅外發(fā)射編碼和紅外接收解碼程序等模塊。4.1 定時/計數(shù)器應(yīng)用AT89C51單片機內(nèi)部設(shè)有兩個16位可編程的定時/計數(shù)器，簡稱定時器0和定時器1，分別用T0和T1表示。定時計數(shù)器的操作模式：模式1在模式1 工作下，計數(shù)器最多可計數(shù)個數(shù)為 M65536，計時時間最長為 1.085us*6553672ms (4-1)而計數(shù)初值的加載方法為：TL0(65536-C).MOD.256 (4-2)TH0(655

19、36-C)/256 (4-3)其中C為所要計數(shù)的值，計數(shù)時間長度為： 1.085us*C (4-4)模式2模式2有自動重新加載初值的功能，使定時器做更精確的計時。在模式2 工作下，計數(shù)器最多可計數(shù)個數(shù)為M256，計時時間最長為： 1.085us*2560.28ms (4-5)而計數(shù)初值的加載方法為： TH0256-C (4-6)其中C為所要計數(shù)的值，計數(shù)時間長度為： 1.085us*C (4-7)本設(shè)計采用模式2.其具體程序如下：TMOD=0x22; /8位自動重裝模式TH1=0xf3; /40KHZ初值TL1=0xf3;4.2 遙控碼的發(fā)射4.2.1 遙控碼的發(fā)射當(dāng)某個操作按鍵按下時，單片機

20、先讀出鍵值，然后根據(jù)鍵值設(shè)定遙控碼的脈沖個數(shù)，再調(diào)制成40kHz方波由紅外線發(fā)光管發(fā)射出去。通常，紅外遙控是將遙控信號（二進制脈沖碼）調(diào)制在40KHz的載波上，經(jīng)緩沖放大后送至紅外發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)化為紅外信號發(fā)射出去的。為了提高抗干擾性能和降低電源消耗，將上述的遙控編碼脈沖對頻率為40KHz（周期為26us）的載波信號進行脈幅調(diào)制（PAM），再經(jīng)緩沖放大后送到紅外發(fā)光管，將遙控信號發(fā)射出去。紅外信號發(fā)射過程:首先裝入發(fā)射脈沖個數(shù)(發(fā)射時為3ms脈沖,停發(fā)時為1ms脈沖),此時若發(fā)射脈沖個數(shù)為1則返回主程序,若不為1則發(fā)1ms脈沖,然后停發(fā)1ms脈沖,這樣便結(jié)束整個發(fā)射過程.4.2.2 發(fā)射端程序

21、流程圖發(fā)射控制程序由主程序和鍵掃描程序、編碼發(fā)送程序組成，在主程序中，采用鍵掃描子程序完成各個按鍵的功能，遙控發(fā)射主程序的流程圖如圖4-1所示：圖 4-1遙控發(fā)射主程序流程圖圖4-2 遙控發(fā)射器遙控碼發(fā)射程序流程圖4.3 紅外接收 遙控接收部分的主程序及初始化及延時過程如下:首先初始化,然后判斷是否有鍵按下,若有則數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，并發(fā)送相應(yīng)信號,;若無鍵按下，則返回。4.3.1 數(shù)碼幀的接收處理當(dāng)紅外線接收器輸出脈沖幀數(shù)據(jù)時，第一位碼的低電平將啟動中斷程序，實時接收數(shù)據(jù)幀。在數(shù)據(jù)幀接收時，將對第一位（起始位）碼的碼寬進行驗證。若第一位低電平碼的脈寬小于2ms，將作為錯誤碼處理。當(dāng)間隔位的高電平

22、脈寬大于3ms時，結(jié)束接收，然后根據(jù)累加器A中的脈沖個數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)輸出口的操作。圖4-3就是紅外線接收器輸出的一幀遙控碼波形圖。1ms第一位1ms10ms3ms10ms圖4-3 紅外線接收器輸出的一幀遙控碼波形圖4.3.2 接收端程序流程圖圖4-4 遙控接收器主程序流程圖中斷過程:首先判斷低電平脈寬度是否大于2ms,若脈寬不到2ms,則中斷返回;若低電平大于2ms,則接收并地低電平脈沖計數(shù),接下來看判斷高電平脈寬度沖是否大于3ms,若脈寬不到3ms,則返回上一接收計數(shù)過程;若高電平脈寬大于3ms,則按照脈沖個數(shù)至對應(yīng)功能程序.此時中斷返回.圖4-5 遙控接收器中斷程序流程圖4.4 調(diào)速單元本設(shè)

23、計目的在于利用51單片機來實現(xiàn)對風(fēng)扇的紅外遙控，來達到對風(fēng)扇的風(fēng)速控制，以實現(xiàn)自然風(fēng)、睡眠風(fēng)和正常風(fēng)的風(fēng)速控制。脈寬調(diào)制技術(shù)是利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量，PWM控制技術(shù)的理論基礎(chǔ)為：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。4.5 按鍵抖動問題鍵盤一般是由一組機械按鍵按照一定的規(guī)律組合而成，通過按鍵的通、斷作用輸入開關(guān)電壓信號。按鍵由斷開到閉會及由閉合到斷開時，由于機械觸點的彈性作用，按鍵的動作不是立刻完成的，在閉合及打開的瞬間有機械抖動的發(fā)生，抖動時間一般為510ms，表現(xiàn)在輸入電壓信號上為輸入信號是抖動的不穩(wěn)定的電平信號。常用的消抖措施有硬件消抖和軟件消抖兩種。硬件消抖電路解決了鍵抖動問題，但當(dāng)所需按鍵比較多時，硬件消抖電路將變得復(fù)雜，成本也比較高。而這時就可以采用軟件消抖的方法。軟件消抖的基本原理