红外遥感开关实验报告

1 红外遥感开关实验报告 1 设计任务与要求 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 30。 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 20 W/指向性要求圆锥角不小于 30 4、静态工作电流不大于 3 A。 2 2 系统概述 一、工作原理及设计思路 图 计框图 1、 红外发射系统 ： 音频振荡器 载波振荡器 驱动输出电路 红外线接收电路 音频译码器 反相器 双稳态触发器 控制执行电路电路 负载 指令按键 信号产生 调制解调 驱动电路 发射电路 3 信号 图 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 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。 三、 红外接收系统的组成 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。 四、 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 红外接收头 驱动记忆 前置放大 频率选择 被控对象 执行环节 4 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； （ 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。 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。 5 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 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。 图 5： 方案二的方框图 6 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。 3 单元电路设计与分析 一、 单元电路的选型 发射电路 二、工作原理 （一） 发射器电路的设计 0 4 3 3 u 0 0 p 0 u 4 7 0 4 7 发射电路 红外发射电路由 1340所示。 1部的 1、位器 制按钮 32和电阻器 容器 制按钮 403、 4、 容器动输出电路由电阻器 体管 当按下红外发射电路中的控制按钮 1生 1信号经 40通过 当按下红外发射电路中的控制按钮 3生 3接收控制电路 7 信号，该 信号经 40通过 （二）接收与控制电路的设计 2584371 6 258 C 1 u 0 1 u 0 3 3 u A C A A 1 020 610 110 210 410 520 3100 接收与控制电路 红外接收控制电路由红外线接收头 频译码器、反相器、双稳态触发器（ 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 相器由晶体管 3和电阻器 稳态触发器由双 任。控制执行电路由电阻器 体管 1、 当按下红外发射电路中的控制按钮 1生 1信号经 40通过 红外接收头 调后的指令信号经 1，使 常开触头闭合，将第一路负载的工作电源接通。再按动一下 一路负载的工作电源被 当按下红外发射电路中的控 制按钮 3生 3信号经 40通过 到解调后的指令信号，该信号经2翻转， 常开触头接通，使第二路负载运行工作。再次按动 二路负载的工作电源 8 被 调 3荡器的工作频率，从而改变遥控的灵敏 度。调试时按 1动作 ， 按 2动作。 （三）锁相环电路 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、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率 1/、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。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。脚所接电容的容量应至少是脚电容的 2倍。脚是输入端，要求输入信号 25脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为 1009V，工作频率从直流到 500态工作电流约 8里仅将其基本功能概述如下：当 输入幅度 25率在其带宽内的信号时，脚由高电平变成低电平，脚输出经频率 /电压变换的调制信号；如果在器件的脚输入音频信号，则在脚输出受脚输入调制信号调制的调频方波信号。 放大压控振荡器相位比较器正交相位检测器 放大 三、 元器件选择 4W 碳膜 电阻器 或金属膜电阻器。 9 容器 。 4均选用耐压值为 16V 的铝电解电容器。 极管 。 用 光二极管 。 9013或 3体 管 。 5选用 8050、 3体管。 38或 触发器集成电路 c 常开 )按钮。 2均选用 5电器 . 四、主要器件介绍 （一） 、 四 2输入与非门 逻辑表达式： Y = 值表 A= 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 ，违反触发器之功用 ，故禁止使用。如真值表第一列。 (2)当 X=0、 Y=1时，由于 X=1导致 1”，使得 1”，因此 0”，如真值表第二列。 (3)当 X=1、 Y=0时，由于 Y=0导致 1”，使得 1，因此 0”，如真值表第三列。 (4)当 X=1、 Y=1时，因为一个” 1不影响 以两个 真值表第四列。 2、 10 图 1 管脚功能： 1A 数据输入端 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 2A 数据输入端 3Y 数据输出端 2B 数据输入端 3B 数据输入端 3A 数据输入端 3、 图 2 11 图 3 图 4 4、 8 功耗：双列普通封装 700型封装 500作温度范围： 55 - +125 40 - +85 号 数 试条件 典型 最大单位 播延迟时间，从高到低 5V 10V 15V 120503525010070播延迟时间，从低到高 5V 10V 15V 11025012 503510070渡期 5V 10V 15V 90504020010080均输入电容 耗电容 14 数 试条件 +25 +125 单位 最小 最大 最小 典型 最大 最小 最大 V,DD 0V,DD 5 30 A 13 静态电流 5V,DD 出低电平电压 5V 10V 15V l A V 出高电平电压 5V 10V 15V A 5 10 15 V 入 低电平电压 5V, 10V, 15V, 2 4 6 V 14 入高电平电压 5V, 10V, 15V, 3 6 9 V 出低电平电流 5V, 10V, 15V, 出高电平电流 5V, 10V, 15V, 入电流 15V, 0V 15V, 15V A 0（二） 、 概述 67主要用于震荡、调制、解调、和遥控编码、译码电路。 如电力线载波通信，对 15 讲机亚音频译码，遥控等。 67 的基本工作状况有如一个低压电源开关，当其接收到一个位于所选定的窄频带内的输入音调时，其开关就接通。而且通用的 其用作音调控制开关时，所检测的中心频率可以设定于 500间的任意值，检测带宽可以设定在中心频率 14%内的任意值。而且，输出 开关延迟可以通过选择外电阻和电容在一个宽时间范围内任意改变。 2、 管脚 管脚功能是： 1 脚为输出滤波， 2 脚为回路滤波， 3 脚为输入端， 4 脚为正电源端（电压值需最小为 大为 9V）， 5脚为定时电阻端， 6脚为定时电容端， 7脚为接地端， 8脚为输出端。 2所示。 输出滤波回路滤波输入V 定时电阻定时电容地输出相移检波2 3所示。 500 16 5620 C 8 相移检测器 3 管脚功能描述 : 、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。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。脚所接电容的容量应至少是脚电容的 2倍。 脚是输入端，要求输入信号 25 、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率 1 脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为 100 3、 电气参数 : 9V，工作频率从直流到 500态工作电流约 8 片使用 :通用音调译码器，主要用于外界接电阻 20比 1 范围，逻辑兼容输出具有吸收 100流能力。它的技术指标： %至 14%； 500V 至 15V，推荐使用 8V。应用举例：输入端接 104电容，输出端接上拉电阻 10K， 般 104电容， 10K 至 200K。电源电压为 8V。电路如 14 所示。 +12V 17 12 56 74 用图 4、主要参数： 工作温度范围 :0C 70C 度关注物质 ):18封装类型 :源电压 最大 :9V 电源电压 最小 :面安装器件 :表面安装 带座 封装形式 :高频率 :500源电流 :10入电压 最大 :9V 输出数 :1 输出电压 最大 :1V 输出电流 最大 :脚数 :8 18 （三） 、 结构组成 互独立的数据型触发器构成。每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和 输出。此器件可用作移位寄存器，且通过将 用作计数器和触发器。在时钟上升沿触发时，加在 输出端。置位和复位与 时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。 2、 引脚图 1D、 2D：数据输入端 12钟输入端 1Q、 2Q：原码输出端 1 /Q、 2 /Q：反码输出端 12接置位端 12接复位端 源正 3、 真值表 触发器，一个 D 触发器有 6个端子： 2个输出， 4个控制。 4个控制分别是 R、 S、 D。 1） 不能同时为高电平。 2）当 、 时，输出 ，因此 R 可称为复位端。 3）当 、 时，输出 。 4）当 R、 时 ， 体是 Q=D，即若 则 ，若 则 。 位端） 位端） Q（输出端） 1 0 0 0 1 1 0 0 D 1 1 x 4、 工作原理 19 设电路初始状态均在复位状态， 号输入时，由于输入端异或门的作用 (附表是异或门逻辑功能表 )，其输出还受到触发器 2端的反馈控制 (非门 2相同 )。在第 1个 发器 于 使得异或门输出一个很窄的正脉冲，宽度由两级 第 1个 或门输出又立即上跳，使 样在第 1个输入时钟的半个周期内促使 在以后的一个输入时钟的作用下，由于 2端为高电平， 反相或同相 )。本来 在由于异或门及 2端的反馈控制作用，在第 1个 一个周期的脉冲输出，所以实现了每输入一个半时钟脉冲，在 1端取得一个完整周期的输出。 5、 N/2分频电路 图 3是 5/2分频电路。 触发器级联为 8分频电路，电容 C 起滤波作用，输出信号 2端输出。电路中有 图 4工作波形可知，3反馈波形的影响，所以在 A 点仅能形成几百毫微秒宽的脉冲。由于电容 C 的作用， 即一窄脉冲 )被滤除掉，如图 4波形 后在 一个周期，对应于输入信号 频率为 。 图 5是 7/2分频电路。该电路与图 3相似，区别在于电路中一个反馈信号在图 3中是从 图 5是从 号从 路有 于 3反馈的影响，在 A 点仅能形成几百毫微秒宽的窄脉冲，此窄脉冲被电容 C 滤除掉，因此 路实际上只有一个 而使得 应于 入信号的三个半周期，即 频率为 2/7。其工作波形如图 6所示。 上面介绍的 N/2分频电路仅限于 N 7，当 N 7时，可根据分频 N 值的大小，相应增加二分频级数，并恰当引接反馈信号走线，便可得到 N 7的分频电路。下面仅介绍一例 9/2分频电路，如图 7所示。图 8是其工作波形。 触发器组成 16分频电路， 3输出，电路有 工作原理与上述有关分频电路相似，波形图上 A 点虚线脉冲表示为电容 C 滤除掉的 图 8中可知，只要 入四个半周期的 时钟信号 ，就输出一个周期信号 。 从以上几个 N/2分频电路可得到如下几个特性： 第 n 个周期，末级两分频器的输出为高电平时，输入时钟脉冲的上升沿使分频电路工作；在第 n+1个周期，末级两分频器的输出为低电平时，输入时钟脉 20 冲的下降沿使分频电路工作。 触发器的初始状态不会影响到分频的功能。如果要求初始状态为“ 0”状态，可以将 引出，接至复位控制电路。 受到 馈门翻转延迟和电容 C 滤波频率特性的影响，所以应尽可能提高 值。一般情况下，最高工作频率 触发器做的脉冲 4分频器 （四）一体化红外接收头 红外接收电路通常由红外接收二极管与放大电路组成，放大电路通常又由一个集成块及若干电阻电容等元件组成，并且需要封装在一个金属屏蔽盒里，因而电路比较复杂，体积却很小。 外接收电路 ，它将红外接收管与放大电路集成在一体，体积小（大小与一只中功率三极管相当），密封性好，灵敏度高，并且价格低廉，市场售价只有几元钱。它仅有三条管脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在5只要给它接上电源即是一个完整的红外接收放大器，使用十分方便。 21 它的主要功能包括放大 ,选频 ,解调几大部分 ,要求输入信号需是已经被调制的信号。经过它的接收放大和解调会在输出端直接输出原始的信号。从而使电路达到最简化！灵敏度和抗干扰性都非常好，可以说是一个接收红外信号的理想装置。 4 安装调试及测量数据分析 一、据分析安装调试 （一）安装： 1、查件。检查元器件是否完好。 2、规划电路。 3、焊接电路板。 （二） 调试步骤 1、检查发射电路和接收电路是否完整，用万用表 检测线路的导通情况。 2、将发射电路接入电源，用手机相机功能观察红外发光二极管的发光情况。，若能观察到微弱的紫色光，则表明发射电路没有问题。 3、用示波器调节发射电路发射频率。将 管脚接入示波器，调节 2 使示波器显示频率为 1理，将 或 6 管脚接入示波器，调节 示波器显示频率为 3 4、用信号源发生器分别发出 11的信号，检测接收电路。若两次分别使相应的继电器正常相应，则接收电路完好。 5、双路调试。按下 路继电器响应；按下 路继电器响应。 （三）数据测量与分析 测量次数 1 2 3 4 5 平均值 作用距离 /m 向性圆锥角 /度 32 34 28 26 30 30 静态工作电流 /四）出现的问题及解决的方法 1、调试电路时，用手机观察发光二极管而判断电路好坏过于麻烦，因而在红外发光二极管与三极管中间接一个发光二极管和一个 50 欧的电阻 ，并将电源改为 5 2、同理，在接收电路的电源两侧并一发光二极管和一个电阻的串联电路，便于观察接收电路的导通情况。 23 3、调试发射电路频率时，达不到理想值 132、 可用电位器替换）。 4、接收电路中的继电器对发射电路发射的信号没有响应，经多方面检查最终确定为红外接收头是坏的，替换后电路正常。 二、测量仪器 名称 型号 示波器 用表