家居无线遥控系统的设计与实现

1家居无线遥控系统的设计与实现摘 要: 本设计介绍了一种基于单片机 AT89C51 的多功能红外遥控开关系统，该系统由发射模块和接收模块两部分组成，发射模块包含键盘、指令编码器和红外发光二极管(LED)等部分。当按下不同按键时，编码器将产生与之相应的特定的二进制脉冲码信号。然后通过发光二极管 LED 转换成以 940nm 波长的红外线光发射出去。接收模块由红外线接收器、微控制器、驱动电路等组成。红外线接收器将接收的红外信号，进行相应的处理后，送入微控制器进行识别，解码出遥控信号的内容，并根据控制功能输出相应的控制信号，送往驱动电路做相应的处理。关键词: 遥控电路； 红外发射； 红外接收； AT89C-51 单片机1. 绪论1.1 红外遥控的功能和特点红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟，它是把红外线作为载体的遥控方式。由于红外线的波长远小于无线电波的波长，因此在采用红外遥控方式时，不会干扰其他电器的正常工作，也不会影响邻近的无线电设备。红外遥控是利用波长为 0.76um-1.5um 之间的近红外线来传递信号的。它具有一下特点：1) 由于为不可见光，因此对环境的影响很小。红外线的波长远小于无线电波的波长，所以红外遥控不会干扰其他家用电器，也不会影响邻近的无线电设备。2) 红外线为不可见光，具有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗，警戒等安全保卫装置中也得到广泛应用。3) 红外遥控的遥控距离一般为几米，几十米或者更远一些。4) 红外线遥控具有结构简单，制作方便，成本低廉，抗干扰能力强，工作可靠性高等一系列优点，特别是室内遥控的优先选择。同时由于采用红外遥控器件时，工作电压低，功耗小，外围电路简单，因此它在日常生活中的应用越来越广泛。它在技术上的主要优点是：21) 无需制定特定频率的使用执照；2) 具有移动通信设备必需的体积小，功率低的特点；3) 传输速率适合于家庭和办公室使用的网路；4) 信号无干扰，传输准确度高；它的缺点是：由于它是一种视距传输技术，采用点到点的连接具有方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻隔物；而且通讯距离较短，此外红外 LED 不是一种十分耐用的器件。1.2 红外遥控的发展过程60 年代初，一些发达国家开始研究民用产品的遥控技术，但由于受当时技术条件的限制，遥控技术发展很缓慢。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发展。在遥控方式上大体经历了从有线到无线的超声波、从振动子到红外线、再到使用总线的微机红外遥控这样几个阶段。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采用的是电磁波传输信号，由于电磁波容易产生干扰，也易受干扰，因此逐渐采用超声波和红外线媒介来传输信号。与红外线相比，超声传感器频带窄，所能携带的信息量少，易受干扰而引起误动作。较为理想的是光控方式，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，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，例如，信息直接调制红外光的强弱进行传输，也可以用红外线产生一定频率的载波，再用信息对载波进调制，接收端再去掉载波，取到信息。从信息的可靠传输来说，后一种方法更好，这就是我们今天看到的大多数红外遥控器所采用的方法。由于红外线的波长远小于无线电波的波长，因此在采用红外遥控方式时，不会干扰其他电器的正常工作，也不会影响邻近的无线电设备。同时由于采用红外遥控器件时，工作电压低，功耗小，外围电路简单，因此它在日常生活中的应用越来越广泛。红外遥控技术在这十年来得到了迅猛发展，尤其在家电领域如彩电，DVD，空调等，也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3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点的发展方向。为了提高对红外遥控产品的开发效率以及生产厂家的检测手段等，重点该套红外遥控编码分析仪，它犹如一台示波器，并且利用最先进的电脑技术，对红外遥控信号进行全面的分析，显示详尽的数据，编码，解码信息，使开发人员对编，解码情况一目了然，以便设计人员提高工作效率，增加产品的稳定性，可靠性。红外信号分析仪采用 MCS-51 系列单片机为外部采样处理控制器，并与微机通信完成整个处理过程，并由微机完成作图，数据管理等。由于各生产厂家生产了大量红外遥控专用集成电路，需要时按图索骥即可。因此，现在红外遥控在家用电器，室内近距离遥控中得到了广泛的应用。随着红外光电器的大量出现，红外遥控已经广泛应用到家用电器，安全保卫，及人们的日常生活中的应用就更加广泛了。例如电视机的遥控，音响设备的遥控，录像机的遥控，电风扇的遥控，安全保卫报警器，遥控空调器，自动水龙头，自动门等均可采用红外遥控技术来实现。多路控制的红外发射部分一般有许多按键，代表不同的控制功能。当发射端按下某一按键时，相应的接收端有不同的输出状态。接收端的输出状态大致可分为脉冲，电平，自馈，互锁，数据五种形式。 “脉冲”输出是当按发射端按键时，接收端对应输出端输出一个“有效脉冲” ，宽度一般在 100ms 左右。 “电平”输出是指发射端按下键时，接收端对应输出端输出“有效电平”消失。此处的“有效脉冲”和“有效电平” ，可能是高，也可能是低，取决于相应输出脚的静态状况，如静态时为低，则“高”为有效；如静态时为高，则“低”为有效。大多数情况下“高”为有效。 “自锁”输出是指发射端每按一次某一个键，接收端对应输出端改变一次状态，即原来为高（低）电平变为低（高）电平。此种输出适合用作电源开关，静音控制等。有时亦称这种输出形式为“反相” 。“互锁”输出是指多个输出互相清除，在同一时间内只有一个输出有效。电视机的选台就属此种情况，其他如调光，调速，音响的输入选择等。 “数据”输出是指把一些发射键编上号码，利用接收端的几个输出形成一个二进制数，来代表不同的按键输入。一般情况下，接收端除了几位数据输出外，还应有一位“数据有效”输出端，以便以后适时地来取数据。这种输出形式一般用于与单片机或微机接口。除以上输出形式外，还有“锁存”和“暂存”两种形式。所4谓“锁存”输出是指对发射端每次发的信号，接收端对应输出予以“储存” ，直到收到新的信号为止；“暂存”输出与上述介绍的“电平”输出类似。2. 系统硬件电路设计利用红外遥控开关电路，用单片机制作一个红外电器遥控器，可以分别控制 5个电器的电源开关，和一个电灯开关。红外发射部分结构如下：图 1-1 红外发射部分结构图当按下遥控按钮时，单片机产生相应的控制脉冲，由红外发光二极管发射出去。红外接收部分结构如下：图 1-2 红外接收部分结构图当红外接收器接收到控制脉冲后，经单片机处理由显示设备显示出当前受控电器的序号。综上所述本方案不仅可用控制键实现对电器的控制，而且可对一路电灯进行控制，方便实用。且本设计用到的元器件较少，电路相对简单实用。由于本设计为一红外遥控装置，根据所选择方案将其分为发射和接收两大模块进行设计。2.1 发射电路部分遥 控按 钮单 片 机红 外发 射显 示红外接收单 片 机受控电器电源开关电 灯52.1.1 器件选择1) 单片机的选择本设计所用的单片机可以用 C-31，AT89C-51，羚羊单片机等多种单片机来实现。但是 C-31 没有内部存储器，本设计需要编写程序，要么就要用外部扩展，比较麻烦。本设计所编写的程序比较简单，功能也比较少，如用羚羊单片机过于麻烦，大材小用，本设计所用到的输入输出端口也不是很多，所以我们决定用 AT89C-51 单片机来完成本设计，既方便也实用。下面对 AT89C-51 做一下简单的介绍：AT89C-51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和管脚兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C-51 是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要特性：a) 与 MCS-51 兼容b) 4K 字节闪烁可编程闪烁存储器c) 寿命：1000 写/擦循环d) 数据保留时间：10 年e) 全静态工作：0Hz-24Hzf) 三级程序存储器锁定g) 128*8 位内部 RAMh) 32 可编程 I/O 线i) 两个 16 位定时器/计数器j) 5 个中端源k) 可编程串行通道l) 低功耗的闲置和掉电模式m) 片内振荡器和时钟电路2) 振荡器的选择6XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。该放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。由于输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。AT89C-51 的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在 18 和 19脚外接石英晶体（2-12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取 10p-30p；另外一种是外部时钟方式，即将 XTAL1 接地，外部时钟信号从 ATXL2 脚输入。两种方式分别如下图所示：内部时钟方式 外部时钟方式图 2-1 内部时钟方式和外部时钟方式整个 PEROM 阵列和三个锁定为位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C-51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选得掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止所有其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。由上可见，AT89C-51 芯片的功能强大，其振荡特性能很好的满足本设计的要求，与同类 51 芯片（如 89C2051）相比，其引脚较多，在满足对控制方式的选择的同时，还可加入电灯控制电路，这更能符合本设计的需要。因此本设计决定选用芯片 AT89C-51 作为核心芯片。3) 按键控制选择由于本设计所控制的电器数目较少，所以不用外界扩充键盘，直接使用单8051X1 X2Out时钟源805118XTAL219XTAL17片机上的接口，直接使用 8 个点触式开关即可。4) 频率发生选择可用一 12M 晶体振荡器发生满足要求的频率。2.1.2 电路选择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 AT89C-51 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，加上一个简单红外反射电路和 12M 晶体振荡器可实现红外发射。下图为本红外设计核心部分之一的发射电路原理图：图 2-2 红外发射电路原理图其中芯片端口 P1.0 至 P1.7 接 8 个点触式开关，端口 P1.0 至 P1.4 用来遥控电器电源开关，端口 P1.5 为本遥控器的开关，端口 RST 为单片机的复位脚，采用简单的 RC 上复位电路，端口 P3.5 作为红外线遥控码的输出口，用于输出40Hz 载波编码，端口 XTAL2 和端口 XTAL1 接 12MHz 晶振，晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，本设计采用的是一个 NPN 型的三极管 9013，为了得到更大的放大倍数，采用了类似共射级接法。因此从 P3.5 口出来的为高电平，而8三极管 9013 不能承受此电压，所以采用了一个阻值较大的电阻来起分压作用，从而缓冲了加到三极管上的电压。2.2 接收电路部分图 2-4 红外遥控器接收过程原理图由上述可见，红外遥控系统中的指令信号及检出电路，在码分制系统中由编码电路和解码电路构成，而且要有调制和解调的过程，因为码分制系统编码脉冲的频率极低，为超低频，如果不用调制与解调电路，外界突然的光线变化可能会对接收电路造成干扰，产生误动作，系统的抗干扰能力及可靠性就难以保证。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。当不同的指令键被按下时，指令信号电路产生不同脉冲编码的指令信号，然后经调制电路调制，变为编码编码脉冲调制信号，再由驱动电路驱动红外发射器发射红外光信号。接收器接收下来的信号经过前置放大后，送入解调电路，对解调信号进行解调，再经过指令信号检出电路检出指令信号。这里的指令信号检出电路是与发射器中编码电路相对应的译码电路，它将指令信号译出。2.2.1 器件选择1) 单片机的选择与发射部分一样，本设计所用到的输入输出端口不多，用 AT89C-51 单片机完全可以完成本设计，其方便实用的性能相对其他芯片更适合本设计。2) 显示设备选择在单片机应用系统中，使用的显示器主要有 LED（发光二极管） ，LCD（液晶显示器） 。这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机借口方便。但是它们也是有各有特点的：LED 接口非常简单，不需要专门的驱动程序，在设计程序红 外 接 收前 置 放 大解 调指 令 解 码记 忆 驱 动执 行9时也非常简单；LCD 显示的字比较丰富，也比较清楚，给人的感觉很好，但是接口复杂，且要自己造字库，难度不小。对于本设计遥控器的接收电路来说，在配置一些指示灯的前提下，只显示数字就够了，故没必要采用 LCD，用 LED 就够了。LED 显示器使用发光二极管来显示字段的器件。在单片机应用系统中常用7 段显示器。发光二极管的阳极连在一起称共阳极显示器，阴极连在一起的称共阴极显示器。图 A 中为 7 段显示器的结构。一个显示器由 8 个发光二极管组成，其中7 个发光二极管控制 a-g7 段的亮或暗，另外一个发光二