红外遥感开关实验报告

红外遥感开关实验报告
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一、设计选题：红外遥控开关的设计实现
二、设计任务：设计一款双路红外遥控开关
三、设计要求：
1、能够分别遥控两路负载，可用于控制灯具、电风扇、加湿器等常用家用电器。
2、作用距离大于2m。指向性要求：圆锥角不小于30º。
3、欠压条件下的红外光峰值辐照度：遥控器所用电源电压为额定工作电压的80%时，遥控器的红外光峰值福照度不小于20μW/cm²。指向性要求圆锥角不小于30º
0.25 0.50 1.0
0.004 0.005 0.006
图4 LM567部集成电路
三、元器件选择
R1～R16选用1／4W碳膜电阻器或金属膜电阻器。
RP1和RP2均选用小型实心可变电阻器。
C1、C5～C11均选用独石电容器。
C2选用高频瓷介电容器。
C3和C4均选用耐压值为16V的铝电解电容器。
VD1和VD2均选用1N4001型硅整流二极管。
VL选用SE303A或PH303型红外发光二极管。
V1～V3均选用S9013或3DG9013型硅NPN晶体管。
V4和V5选用C8050或S8050、3DG8050型硅NPN晶体管。
IC1选用CD4011型四与非门集成电路。
IC2选用SFH506．38或BA5302型一体化红外接收头。
IC3和IC4均选用LM567型音频锁相环集成电路。
IC5选用CD4013型双D触发器集成电路c S1和s2均选用微型动合(常开)按钮。
当按下红外发射电路中的控制按钮S2时，3KHZ音频振荡器振荡工作，产生3KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。
IC2将接收到的红外光信号进行放大和解调处理后，得到解调后的指令信号，该信号经IC4译码，V3反相后使A2翻转，V5饱和导通，K2吸合，其常开触头接通，使第二路负载运行工作。再次按动S2后，则A2翻转为第一种状态，使V5截止，K2释放，第二路负载的工作电源被K2的常开触头切断。
K1和K2均选用5V直流继电器.
四、主要器件介绍
（一）CD4011
1、CD4011功能及真值表:
四2输入与非门CMOS芯片
逻辑表达式：Y = A.B
真值表
A=Y.B
X
Y
Q
动作
0
0
?
禁止
0
1
1
设定
1
0
0
重置
1
1
不变
无
(1)当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。如真值表第一列。
当按下红外发射电路中的控制按钮S1时，1KHZ音频振荡器振荡工作，产生1KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。
红外接收头IC2接收到VL发射出的红外指令信号并对其进行放大和解调处理，解调后的指令信号经IC3译码、V2反相后去触发双稳态触发器A1，使A1翻转，V4饱和导通，K1吸合，其常开触头闭合，将第一路负载的工作电源接通。再按动一下S1，A1又翻转为另一种稳态，使V4截止，K1释放，第一路负载的工作电源被K1的常开触头切断。
（3）频分制红外光遥控电路比较简单，调试简单，成本不大，通常应用在遥控通道数目不太多的控制系统中。
方案一：采用频分制多通道红外遥控发射和接收系统。频分制的频率编码一般采用频道编码开关，通过改变振荡电路的参数来改变振荡电路的振荡参数和频率。当按下不同的编码键时，振荡器就会输出不同频率的指令信号。这些指令信号经驱动级放大后对高频载波进行调制，并驱动红外发光管发出红外光脉冲信号。
3、
信号
图3 红外接收系统组成框图
接收器由红外线接收器件、前置放大电路、解调电路、指令信号检出电、记忆及驱动电路、执行电路组成，如图3所示。当红外线接收器件接收到发射器的红外指令信号时，它将红外光信号变为电信号并送入前置放大器进行放大，再经解调后由指令信号检出电路将指令信号检出，最后由记忆及驱动执行电路，实现各种操作。
调RP1和RP2可分别改变1KHZ音频振荡器和3KHZ音频振荡器的工作频率，从而改变遥控的灵敏度。调试时按S1调RP1使K1动作，按S2调RP2使K2动作。
（三）锁相环电路
LM567是一个锁相环集成电路，部包含了相位比较器、压控振荡器，正交相位检测器以及放大等功能，结合少量的外接元件能完成红外遥控的锁相环加密功能。它采用8脚双列直插塑封，其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。⑧脚是逻辑输出端，其部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。LM567的部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。
图4： 方案一的方框图
方案二：采用码分制多通道红外遥控发射和接收系统。码分制的遥控指令信号是由编码脉冲发生器（一般由数字集成电路和少量外围元件组成）产生的。码分指令是用不同的脉冲数目或不同宽度的脉冲组合而成的。
指令编码器由基本脉冲发生电路和指令编码开关组成。当按下S1—Sn中的某个指令键时，指令编码器将产生不同编码的指令信号。该编码信号经调制器调制后变为编码脉冲调制信号，再经驱动电路功率放大后加至红外发射级，驱动红外发射管发出红外编码脉冲光信号。
2A 数据输入端 3Y 数据输出端
2B 数据输入端 3B 数据输入端
VSS 地 3A 数据输入端
3、CD4011部结构框图:
图2 CD4011部逻辑结构图
图3 CD4011部保护网络 图4 CD4011逻辑图
4、CD4011电气特性:
VDD电压围：－０.5V to 18Ｖ
功耗：双列普通封装 700mW
(4)当X=1、Y=1时，因为一个””1不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。
2、CD4011引脚图及引脚功能:
图1 CD4011引脚图
管脚功能：
1A 数据输入端 VDD 电源正
1B 数据输入端 4B 数据输入端
1Y 数据输出端 4A 数据输入端
2Y 数据输出端 4Y 数据输出端
小型封装 500mW
工作温度围：
CD4011BM -55℃ - +125℃
CD4011BC -40℃ - +85℃
Symbol 符号
Parameter 参数
Conditions 测试条件
典型
最大
单位
tPHL
Propagation Delay Time, High-to-Low Level 传播延迟时间，从高到低
图5： 方案二的方框图
五、 系统结构设计
方案选择
频分制红外光遥控电路比较简单，调试简单，成本不大，通常应用在遥控通道数目不太多的控制系统中。这次的设计是两路遥控，所以采用频分制。
1、
发射电路
二、工作原理
图6 发射电路
红外发射电路由1KHZ音频振荡器，3KHZ音频振荡器，40KHZ载波振荡器和驱动输出电路组成如图2所示。1KHZ音频振荡器由四与非门集成电路IC1（D1-D4）部的D1和电阻器R1、R2、电位器RP1、控制按钮S1组成。3KHZ音频振荡器由IC1部的D2和电阻器R3电位器RP2、电容器C1，控制按钮S2组成。40KHZ载波振荡器由IC1部的D3、D4和电阻器R4、R5、电容器C2组成。驱动输出电路由电阻器R6、晶体管V1和红外发光二极管VL组成。当按下红外发射电路中的控制按钮S1时，1KHZ音频振荡器振荡工作，产生1KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。 当按下红外发射电路中的控制按钮S2时，3KHZ音频振荡器振荡工作，产生3KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。
VDD - 5V
VDD - 10V
VDD - 15V
120 50 35
250 100 70
ns
tPLH
Propagation Delay Time, Low-to-High Level 传播延迟时间，从低到高
VDD - 5V
VDD - 10V
VDD - 15V
110 50 35
250 100 70
ns
tTHL,tTLH
Transition Time 过渡期
VDD - 5V
VDD - 10V
VDD - 15V
90 50 40
200 100 80
ns
CIN
Average Input Capacitance 平均输入电容
Any Input
5
7.5
pF
CPD
Power Dissipation Capacity 功耗电容
Any Gate
14
pF
CD4011参数表
Symbol符号
Parameter 参数
Conditions 测试条件
-55℃
+25℃
+125℃
单位
最小
最大
最小
典型
最大
最小
最大
IDD
Quiescent Device Current 静态电流
VDD=5V,VIN=VDD or VSS VDD=10V,VIN=VDD or VSS VDD=15V,VIN=VDD or VSS
4、静态工作电流不大于3μA。
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一、工作原理及设计思路
图1.1红外遥控开关组成框图
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1、红外发射系统：
信号
图1.2 红外发射系统组成框图
红外遥控发射器由指令器、信号产生电路、调制电路、驱动电路及红外线发射器组成，如图1.2所示。当指令键被按下时，指令信号产生电路 便 产生所的控制指令信号。这里的控制指令 信号是以某些不同的特征来区分常用的区分指令信号的特征和码组特征，即用不同的频率或不同编码的电信号代表不同的指令。这些不同 的指令信号由调制电路进行调制后，最后 由驱动电路驱动电路驱支红外线发射器件，发出红外线遥控指令信号。
（二）接收与控制电路的设计
图7接收与控制电路
红外接收控制电路由红外线接收头IC2、音频译码器、反相器、双稳态触发器（A1、A2）和控制执行电路组成，如图3所示。
音频译码器由音频锁相环集成电路IC3、IC4和外围阻容元件组成。反相器由晶体管V2、V3和电阻器R8-R10、R13-R15组成。双稳态触发器由双D触发器集成电路IC5（A1、A2）担任。控制执行电路由电阻器R11、R16、晶体管V4、V5和继电器K1、K2组成。
四、 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方案比较
红外线遥控开关，本身是比较简单的，一共有4种方案。
1、编码区分
2、频率区分
3、脉冲计数
4、幅度区分
经过查阅资料以及多方的考虑，我们最后决定走频率的道路。原因如下：
（1）幅度区分并不适用于这次设计，很明显会受传输距离很大的影响；
（2）尽管在电路控制的开关数较少的情况下，脉冲计数接收简单，不易受干扰，但是我们还是排除了这个方法，主要是考虑到定量脉冲的产生设计有些困难；
(2)当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为”1”，使得NAND-B的两个输入均为”1”，因此NAND-B的输出为”0”，如真值表第二列。
(3)当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为”1”，使得NAND-1的两个输入均为””1，因此NAND-A的输出为”0”，如真值表第三列。
红外接收控制电路的组成框图包括红外接收光电转换器、前置放大器、频率译码电路、驱动级和执行机件等。当红外光电检测器接收到发射器发来的红外编码指令后，光电检测管随即将其转换成相应的电信号，再经过前置电压放大器放大后，加至频率译码电路和选频电路，选出不同指令的频率信号，并加至相应的驱动级及执行机件。对应每一频率的指令信号，应有一个相应的选频电路。 在频分制红外遥控电路中，代表控制指令信号的频率一般为几百赫兹至几十千赫兹。发射电路中的频率编码开关的位号应与接收电路中的选频电路的位号相对应，以选出不同频率的指令信号。 红外接收、译码电路由红外接收器、前置放大器、解调器、指令译码器、记忆和驱动级组成。红外光电二极管将接收到的红外光信号转变成相应的电脉冲信号，再经高倍数电压放大后加至解调器进行解调，然后由指令译码器解码出指令信号。指令译码器是与指令编码器相对应的译码器，用于脉冲指令信号译出。译出的指令信号加至相应的记忆和驱动级，驱动执行机件动作，实现红外光遥控。