红外家电遥控系统

《测控系统原理与设计》课程设计课题：红外家电遥控系统

班级测控1111班学号

学生姓名

专业测控技术与仪器

系别测控系

指导教师

淮阴工学院

电子与电气工程学院

2014年5月

1.课题介绍

本次设计的主要任务是利用单片机技术，并将数字电子技术、模拟电子技术相结合，利用红外接收和发射模块并结合单片机8051，来设计一个简单的红外线家电遥控系统，可以控制市电220V的家电开启和关闭。

1.1设计指标

1.2功能

（1）利用红外接收和发射电路发射和接收红外线

（2）该遥控系统可以实现220V家电的开启和关闭

（3）能够按键启动/停止，使用单片机进行设计

1.3创新点

通过调节占空比可以实现风速的调整，并可以一通过单片机设计一种风的方式。

2.摘要

红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。本设计是基于单片机和红外线信号的优良特性，通过对红外线编码和解码信号实现对多个受控设备进行状态控制。设计主要使用编码集成电路和译码集成电路完成红外线信号的编码和译码，用单片机作为发射端和接收端的核心控制器件，完成了整个设计的内容要求。本设计结构简单、使用方便；传输速率适合于家庭和办公室使用的网络；信号无干扰、传输准确度高；成本低廉，对它的研究具有积极意义。红外遥控在其它电子领域得到广泛应用，随着人们生活水平的提高，对产品的追求是使用更方便、更具智能化，红外遥控技术正是一个重要的发展方向。

目录1.红外家电遥控设计思想

1.1红外遥控技术简介

1.2现阶段红外遥控技术的研究现状和成果

1.红外家电遥控设计思想

1.1红外遥控技术简介

70年代末，随着大规模集成电路和计算机技术的发展，遥控技术才得到快速的进步。在遥控方式上大体经历了从高成本的有线到成本低廉控制方便的无线控制。无论采用何种方式，准确无误传输信号，最终达到满意的控制效果是非常重要的。最初的无线遥控装置大多采用的是电磁波传输信号，现在逐渐采用红外线的遥控方式取代了超声波遥控方式，出现了红外线多功能遥控器，成为当今时代的主流。由于红外线在频谱上居于可见光之外，所以抗干扰性强，且安全。具有光波的直线传播特性，不易产生相互间的干扰，是很好的信息传输媒体。信息可以直接对红外光进行调制传输，这就是我们今天看到的大多数红外遥控器所采用的方法。红外遥控技术在这十年来得到了迅猛发展。

红外线是波长在760nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。红外通信一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.76um至3.0um之间。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用的近红外线传输技术。但作为无线局域网的传输方式，红外线方式的最大优点是不受无线电干扰，且它的使用不受国家无线管理委员会的限制，红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850至900nm之内。

1.2现阶段红外遥控技术的研究现状和成果

常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管；由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。目前大量的使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940mm左右，外形与普通φ5发光二极管相同，只是颜色不同。红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样；用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。

接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。红外发光二极管一般有圆形和方形两种。

由于红外一体化接收头的出现，大大降低了红外遥控的成本和技术难度，目

前不仅在家电领域，在玩具、安防等领域也有广泛的应用。红外遥控系统主要由红外遥控发射装置、红外接收设备、遥控微处理机等组成。因此，遥控系统是一涉及单片机的数字系统。

目前国内红外遥控电子元器件的竞争很激烈，导致了价格的低廉，表面上有利于消费者，可是长期恶性竞争，互相压价格，必将导致产品质量的下降，最终损害的只能是消费者。红外遥控的前景依然看好，不过红外遥控的现状不容乐观。

红外遥控是单工的红外通信方式，整个通信中，需要一个发射端和一个接收端。发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外接收端普遍采用价格便宜，性能可靠的一体化红外接收头接收红外信号，它同时对信号进行放大、检波、整形，得到TTL 电平的编码信号，再送给单片机，经单片机解码并控制相关对象。

图1-1 遥控器原理框图

2 课题的方案设计与论证

2.1 红外编码方案

红外编码有很多种方式，下面列举两种实现方案：

方案一：脉宽调制的串行码。这种遥控码具有以下特征：以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。其相关的波形图如图2-1所示:

图2-1 串行码编码

方案二：码分制。采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的被控对象，最小为2个脉冲。为了使接收可靠，第一位码宽为3ms，其余为1ms，遥控码数据帧间隔大于10ms，如图2-2所示。

电器0的遥控输出码

电器1的遥控输出码

图2-2 码分制编码波形图

本设计采用方案二，码分制编码编程简单，在按键较少的情况下优势明显。

2.2 硬件系统设计架构

2.2.1 手持段遥控器电路框图：

单片机系统由显示电路、红外发射电路以及按键电路，稳压电路等组成。其手持段遥控器电路设计系统框图如图2-3所示：

AT8051

图2-3手持段遥控器方框图

2.2.2 红外接收端电路框图：

单片机系统及显示电路、红外发射电路以及按键电路，电源电路，控制单元等组成。其红外接收端设计原理图如图2-4所示：

AT89C51

图2-4 红外接收端方框图

2.3 系统功能需求

本遥控系统要求用单片机作为控制芯片制作一个遥控器，另一个单片机控制系统能被遥控操作。本系统要求遥控器具有多级调速，开关，定时，以及自然风，睡眠风切换等功能。将单片机、控制、键盘组合在一起完成了人机对话。用AT89C51单片机来作主芯片控制，采用红外HS0038接收头，用双向可控硅MC97A6控制电机开关，具有红外遥控功能。

自然风的处理流程:

图3-3 自然风的循环图睡眠风的处理流程:

图3-4 睡眠风的循环图

正常风的处理流程:

图3-5 正常风循环

3 系统的硬件结构设计

3.1 AT89C51系列单片机功能特点

3.1.1 主要特性

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：1000写/擦循环

·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

3.1.2 AT89C51的基本操作

如图3-6所示，在X1和X2之间接一只石英振荡晶体构成了单片机的时钟电路，它还有另一种接法，是把外部振荡器的信号直接连接到XTAL1端，XTAL2端悬空不用。

AT89C51复位引脚RST/VP通过片内一个施密特触发器(抑制噪声作用)与片内复位电路相连，施密特触发器的输出在每一个机器周期由复位电路采样一次。当振荡电路工作，并且在RST引脚上加一个至少保持2个机器周期的高电平时，就能使AT89C51完成一次复位。

复位不影响RAM的内容。复位后，PC指向0000H单元，使单片机从起始地址0000H单元开始重新执行程序。所以，当单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。

MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种复位方式。上电复位利用电容器充电来实现。按钮复位又分为按钮电平复位和按钮脉冲复位。前者将

复位端通过电阻与Vcc相接；后者利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位目的。复位电路参数的选择应能保证复位高电平持续时间大于3个机器周期。

图3-6AT89C51基本操作电路

3.2 红外发射电路

本遥控发射器采用码分制遥控方式，码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。

在确定选择AT89C51作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制

键后，加上一个简单红外发射电路和12M晶体震荡器便可实现红外发射。

发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它发出的便是红外线而不是可见光。目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通Φ5发光二极管相同，只是颜色不同[6]。

遥控发射通过键盘，每按下一个键，即产生具有不同的编码数字脉冲，这种代码指令信号调制在40KHz的载波上，激励红外光二极管产生不同的脉冲，通过空间的传送到受控机的遥控接收器。P1口作为按键部分，P0.7口作为发射部分。电路图如图3-所示

图3-7 红外发射电路

3.3 红外检测接收电路

在接收过程中，脉冲通过光学滤波器和红外二极管转换为40KHZ的电信号，此信号经过放大，检波，整形，解调，送到解码与接口电路，从而完成相应的遥控功能，接收电路如图3-8所示。

通常，红外遥控器将遥控信号(二进制脉冲码)调制在40KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，产生红外信号发射出去。将上述的遥控编码脉冲对频率为40KHz(周期为26μs)的载波信号进行脉幅调制(PAM )，再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。

根据遥控信号编码和发射过程，遥控信号的识别——即解码过程是去除

40KHz载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1。由MCS—51 系列单片机AT89C51、一体化红外接收头、还原调制与红外发光管驱动电路组成。

接收部分主要元件是红外接收管，它是一种光敏二极管（实际上是三极管，基极为感光部分）。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。

图3-8 红外接收电路

3.4 光电耦合控制电路

在控制部分采用了隔离驱动电路，用光电器件作为隔离元件，利用光耦来隔离强电，以防止强电影响单片机的工作。

光电耦合器是把一个发光二极管和一个光敏三极管封装在一个外壳里的器件。外壳有金属的或塑料的两种。发光二极管和光敏三极管之间用透明绝缘体填充，并使发光管与光敏管对准，以提高其灵敏度，光电耦合器的电路符号如图3-10所示。

对于数字量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。

图3-9光电耦合器原理图 输入信号使用权发光二极管发光，其光线又使光敏三极管产生电信号输出，从而既完成了信号的传递又实现了电气上的隔离。光电耦合的响应时间一般不超过几个微秒。

光电耦合器中光敏三极管的基极有引出和不引出两种形式。基极引出通常是经一个电阻接地。

通过接地电阻可以控制耦合的响应速度和灵敏度。总的来说，电阻越小，响

应速度越高。其控制电路如图3-10所示。

图3-10光电耦合控制电路

3.5 电源电路设计

3.5.1 稳压电路

典型应用电路如图3-11所示。图中C5用于频率补偿，防止自激振荡和抑制高频干扰；C6采用电解电容，以减少电源引入的低频干扰对输出电压的影响；D4是保护二极管，当输入端短路时，给C4一个放电的通路，防止C4激穿。

图3-11稳压电路

3.5.2 直流稳压电源的设计

直流稳压电源的主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。框图如图3-12所示。

图3-12 直流稳压电源

3.6 显示部分的设计

由LED组成的7段发光管显示器是不太复杂的单片机应用系统常用外部设备之一。在本设计中使用了四个7段LED显示器，而多位显示器连用有两种其显示格式如表3.1，其驱动电路如图3-13所示

图 3-13 AT89C51基本操作电路

表3-1 数码管显示格式

3.7 键盘设计

发射端采用矩阵按键，其中0，1，2按键用于风扇的定时，模式，调速切换。其他按键用于扩展控制其他家用电器，如电脑等，也可以用于设置密码锁等功能，其具体事情由用户自己设定。而接收端采用独立按键，根据不同的电器，其具体功能各不相同。本设计中，P1.0用于定时切换，P1.1用于模式切换，P1.2用于调速切换。

图3-14 矩阵式键盘

4 系统软件的设计

该系统的控制软件主要可以分单片机初始化程序、定时服务程序、红外发射编码和红外接收解码程序等模块。

4.1 定时/计数器应用

AT89C51单片机内部设有两个16位可编程的定时/计数器，简称定时器0和定时器1，分别用T0和T1表示。

定时计数器的操作模式：

①模式1

2＝65536，计时时间最长在模式1 工作下，计数器最多可计数个数为M＝16

为

1.085us*65536＝72ms

(4-1)

而计数初值的加载方法为：

TL0＝(65536-C).MOD.256 (4-2)

TH0＝(65536-C)/256 (4-3)

其中C为所要计数的值，计数时间长度为：

1.085us*C

(4-4)

②模式2

模式2有自动重新加载初值的功能，使定时器做更精确的计时。在模式2 工作下，计数器最多可计数个数为M＝82＝256，计时时间最长为：

1.085us*256＝0.28ms

(4-5)

而计数初值的加载方法为：

TH0＝256-C

(4-6)

其中C为所要计数的值，计数时间长度为：

1.085us*C

(4-7)

本设计采用模式2.其具体程序如下：

TMOD=0x22; //8位自动重装模式

TH1=0xf3; //40KHZ初值

TL1=0xf3;

4.2 遥控码的发射

4.2.1 遥控码的发射

当某个操作按键按下时，单片机先读出键值，然后根据键值设定遥控码的脉冲个数，再调制成40kHz方波由红外线发光管发射出去。

通常，红外遥控是将遥控信号（二进制脉冲码）调制在40KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去的。为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为40KHz（周期为26us）的载波信号进行脉幅调制（PAM），再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。

红外信号发射过程:首先装入发射脉冲个数(发射时为3ms脉冲,停发时为1ms 脉冲),此时若发射脉冲个数为1则返回主程序,若不为1则发1ms脉冲,然后停发1ms脉冲,这样便结束整个发射过程.

4.2.2 发射端程序流程图

发射控制程序由主程序和键扫描程序、编码发送程序组成，在主程序中，采用键扫描子程序完成各个按键的功能，遥控发射主程序的流程图如图4-1所示：

图 4-1遥控发射主程序流程图

图4-2 遥控发射器遥控码发射程序流程图

4.3 红外接收

遥控接收部分的主程序及初始化及延时过程如下:首先初始化,然后判断是否有键按下,若有则数码管显示数据，并发送相应信号,;若无键按下，则返回。4.3.1 数码帧的接收处理

当红外线接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平将启动中断程序，实时接收数据帧。在数据帧接收时，将对第一位（起始位）码的码宽进行验证。若第一位低电平码的脉宽小于2ms，将作为错误码处理。当间隔位的高电平脉宽大于3ms时，结束接收，然后根据累加器A中的脉冲个数，执行相应输出口的操作。图4-3就是红外线接收器输出的一帧遥控码波形图。

图4-3 红外线接收器输出的一帧遥控码波形图

4.3.2 接收端程序流程图

图4-4 遥控接收器主程序流程图

中断过程:首先判断低电平脉宽度是否大于2ms,若脉宽不到2ms,则中断返回;若低电平大于2ms,则接收并地低电平脉冲计数,接下来看判断高电平脉宽度冲是否大于3ms,若脉宽不到3ms,则返回上一接收计数过程;若高电平脉宽大于3ms,则按照脉冲个数至对应功能程序.此时中断返回.

1ms 第一位 1ms

10ms 3ms 10ms

图4-5 遥控接收器中断程序流程图

4.4 调速单元

本设计目的在于利用51单片机来实现对风扇的红外遥控，来达到对风扇的风速控制，以实现自然风、睡眠风和正常风的风速控制。

脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

4.5 按键抖动问题

键盘一般是由一组机械按键按照一定的规律组合而成，通过按键的通、断作用输入开关电压信号。按键由断开到闭会及由闭合到断开时，由于机械触点的弹性作用，按键的动作不是立刻完成的，在闭合及打开的瞬间有机械抖动的发生，抖动时间一般为5—10ms，表现在输入电压信号上为输入信号是抖动的不稳定的电平信号。

常用的消抖措施有硬件消抖和软件消抖两种。

硬件消抖电路解决了键抖动问题，但当所需按键比较多时，硬件消抖电路将