毕业设计（论文）-编码信息红外发射与接收器.doc

武汉科技大学高职学生毕业设计 摘 要 红外线是事实存在的非可见光。红外通讯技术已被全球范围内的众多软硬件厂商 所支持和采用，目前主流的软件和硬件平台均提供对它的支持。红外技术已被广泛应 用在移动计算和移动通讯的设备中，传感技术的发展使红外无线通讯技术有了庞大的 用户群体。 本设计的硬件系统主要由红外发射电路、红外接收电路、mcs-51 系列单片机组成。 软件系统主要是基于单片机遥控信号的发射与接收，其中包括发射信号的编码与接收 端的解码。在汇编程序的支持下，以单片机为核心的系统基本实现了编码信息红外信 号的发射与接收。全文包括 mcs-51 单片机结构与原理、光电传感器原理、编码原理 和程序设计等。 遥控发射电路的按键部分连接了 8 个按键。由于所使用的 upd6121 集成芯片可连 接 32 个或更多按键，所以该系统可扩展为任意两位数的发射与接收显示。 系统设计硬件演示稳定可靠，遥控接收器可以接收来自不同方向的红外发射信号， 并且完全满足距离和功率的要求。 关键词关键词： mcs-51 单片机； 编码信息； 红外发射与接收 武汉科技大学高职学生毕业设计 abstract infrared is invisible light around us. infrared communication technology has been supported and adopted by many software and hardware corporation in the world, which is supported by the main current software and hardware platform. infrared technology has been widely used in the device of mobile calculation and mobile communication. a great many users have shared infrared wireless communication because of the development of sense technology. the hardware of this system is made up of the circuits of infrared emission and receiving, which is based on the mcs-51(single-chip microcomputer 51). the software of the system is mainly about the encoding and decoding of the signal that is on the base of the single-chip microcomputer, including the encoding of emission signal and the decoding in the receiving ends. under the support of compiling programmer, the emission and receiving of infrared signal are completed by the system on the base of the single-chip microcomputer in the form of code information. it is introduced that the structure and principle of mcs-51, the theory of photo-electricity sensor, the theory of encoding and the design of compiling programmer. there are eight keys in the emission circuit. because the ic upd6121 could be connected 32 or more keys, the keys of the emission circuit can be extended as many as 32 keys. the hardware of the system can be demonstrated steadily. infrared signals could be received from all directions，and the whole systems can satisfy the requirement of length and power completely. keywords: mcs-51(single-chip microcomputer); code information; emission and receiving of infrared 武汉科技大学高职学生毕业设计 目 录 1 绪论 1 1.1 选题的意义 1 1.2 无线红外通信的概念 1 2 mcs-51 单片机及光电传感器原理简介2 2.1 at89s51 单片机原理简介 .2 2.2 光电传感器原理简介 .11 3 系统硬件原理 .15 3.1 红外遥控系统 .15 3.2 红外发射硬件电路 .15 3.3 红外接收硬件电路 .18 4 编码原理 .20 4.1 遥控码的编码格式 .20 4.2 数据帧的译码处理 .21 5 汇编程序设计 .22 5.1 程序框图 .22 5.2 汇编程序设计 .24 6 结果显示与分析 .28 结束语 .29 参考文献 .30 致 谢 .31 附录 a32 武汉科技大学高职学生毕业设计 1 绪论 红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红 外发射和接收系统两部分组成。 红外通信由来已久，但是进入 90 年代，这一通信技术又有新的发展，应用范围更 加广泛。1995 年，一个由部件、计算机系统、外围设备和电信厂商组成的大型集团 红外数据协会 (irda)就红外通信的一套标准达成一致1013。现在约有 120 家以上的 厂商支持红外通信标准。红外数据协会开发的这种新的无线通信标准还得到 pc 机产业 的有力支持。主要的开发厂商，如微软、苹果、东芝和惠普公司，已推出了在计算机 之间采用这种高速红外数据通信的 pc 机、笔记本计算机、打印机和手持式个人数字助 理(pda)设备。 此外，红外通信的连通性已用在大多数新的笔记本计算机中，并成为一种最具成 本效益和便于使用的无线通信技术而问鼎市场。 1.1 选题的意义 由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，在音 响设备、空调机等家用电器中广泛使用，工业设备中在高压、辐射、有毒气体、粉尘 等环境下，采用红外线遥控不仅安全可靠而且能有效地隔离电气干扰。 1.2 无线红外通信的概念 红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离通信。它一般由红外发射和接收系 统两部分组成。发射部分包括编码电路、振荡调制电路、红外发射电路，接收部分包 括接收电路、解码电路、译码电路等。 武汉科技大学高职学生毕业设计 2 mcs-51 单片机及光电传感器原理简介 2.1 at89s51 单片机原理简介 at89s51 为 atmel 所生产的可电气烧录清洗的 8051 相容单芯片，其内部程 序代码容量为 4kb。与 c51 的最大区别在于 s51 支持在线编程15。 2.1.1 at89s51 单片机主要功能 （1） 为一般控制应用的 8 位单芯片； （2） 芯片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至 12mhz） ； （3） 内部程式存储器（rom）为 4kb，内部数据存储器（ram）为 128b； （4） 外部程序存储器可扩充至 64kb，外部数据存储器可扩充至 64kb； （5） 32 条双向输入输出线，且每条均可以单独做 i/o 口的控制； （6） 5 个中断向量源； （7） 2 组独立的 16 位定时器，1 个全双工串行通信端口； （8） 8751 及 8752 单芯片具有数据保密的功能； （1） 芯片提供位逻辑运算指令15 。 2.1.2 at89s51 单片机各引脚功能介绍 at89s51 单片机引脚图如图 2.1 所示。 武汉科技大学高职学生毕业设计 图 2.1 at89s51 单片机引脚图 vcc：at89s51 电源正端输入，+5v。 vss：电源地端。 xtal1：单芯片系统时钟的反相放大器输入端。 xtal2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 xtal1 和 xtal2 上接上一支石英振荡晶体，系统就可以动作了。此外可以在两引脚与地之间加 入一 20pf 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。 reset：at89s51 的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚 电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，at89s51 便能完成系统重置的各 项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址 0000h 处开 始读入程序代码而执行程序。 ea/vpp：“ea“为英文“external access“的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电 平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部 eprom 中）来执行程序。因此在 8031 及 8032 中，ea 引脚必须接低电平，因为其内 部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此 外，在将程序代码烧录至 8751 内部 eprom 时，可以利用此引脚来输入 21v 的烧录高 压（vpp） 。 ale/prog： ale 是英文“address latch enable“的缩写，表示地址锁存器启用信号。at89s51 武汉科技大学高职学生毕业设计 可以利用这支引脚来触发外部的 8 位锁存器（如 74ls373） ，将端口 0 的地址总线 （a0a7）锁进锁存器中，因为 at89s51 是以多工的方式送出地址及数据。平时在 程序执行时 ale 引脚的输出频率约是系统工作频率的 1/6，因此可以用来驱动其他周 边晶片的时基输入。此外在烧录 8751 程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功 能来使用。 psen：此为“program store enable“的缩写，其意为程序储存启用，当 8051 被设成 为读取外部程序代码工作模式时（ea=0） ，会送出此信号以便取得程序代码，通常这 支脚是接到 eprom 的 oe 脚。at89s51 可以利用 psen 及 rd 引脚分别启用存在外部 的 ram 与 eprom，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用 64k 的定址 范围。 port0（p0.0p0.7）：端口 0 是一个 8 位宽的开路极（open drain）双向输入/输 出端口，共有 8 位，p0.0 表示位 0，p0.1 表示位 1，依此类推。其他三个 i/o 端口 （p1、p2、p3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，p0 在当做 i/o 用时可 以推动 8 个 ls 的 ttl 负载。如果当 ea 引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数 据存储器） ，p0 就以多工方式提供地址总线（a0a7）及数据总线（d0d7） 。设计 者必须外加一锁存器将端口 0 送出的地址栓锁住成为 a0a7，再配合端口 2 所送出的 a8a15 合成一完整的 16 位地址总线，而定址到 64k 的外部存储器空间。 port1（p1.0p1.7）：端口 1 也是具有内部提升电路的双向 i/o 端口，其输出缓 冲器可以推动 4 个 ls 的 ttl 负载，同样地若将端口 1 的输出设为高电平，便是由此 端口来输入数据。如果是使用 8052 或是 8032 的话，p1.0 又当做定时器 2 的外部脉冲 输入脚，而 p1.1 可以有 t2ex 功能，可以做外部中断输入的触发脚位。 port2（p2.0p2.7）：端口 2 是具有内部提升电路的双向 i/o 端口，每一个引脚 可以推动 4 个 ls 的 ttl 负载，若将端口 2 的输出设为高电平时，此端口便能当成输 入端口来使用。p2 除了当做一般 i/o 端口使用外，若是在 at89s51 扩充外接程序存储 器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节 a8a15，这个时候 p2 便不能当做 i/o 来使用了。 port3（p3.0p3.7）：端口 3 也具有内部提升电路的双向 i/o 端口，其输出缓冲 器可以推动 4 个 ttl 负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外 部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。 其引脚分配如下： p3.0：rxd，串行通信输入。 p3.1：txd，串行通信输出。 p3.2：int0，外部中断 0 输入。 p3.3：int1，外部中断 1 输入。 p3.4：t0，计时计数器 0 输入。 武汉科技大学高职学生毕业设计 p3.5：t1，计时计数器 1 输入。 p3.6：wr，外部数据存储器的写入信号。 p3.7：rd，外部数据存储器的读取信号1。 2.1.3 at89s51 单片机的中断系统 一、中断的有关概述 （1） 中断 中断是指计算机在执行某一程序的过程中, 由于计算机系统内、 外的某种原因, 而必须中止原程序的执行, 转去执行相应的处理程序, 待处理结束之后, 再回来继续执 行被中止的原程序的过程。 采用了中断技术后的计算机, 可以解决 cpu 与外设之间速度匹配的问题, 使计算 机可以及时处理系统中许多随机的参数和信息, 同时, 它也提高了计算机处理故障与应 变的能力。 （2） 中断源 中断源是指在计算机系统中可以向 cpu 发出中断请求的来源。 通常有 i/o 设备、 实时控制系统中的随机参数和信息故障源等。 （3） 中断优先级 中断优先级越高, 则响应优先权就越高。当 cpu 正在执行中断服务程序时, 又有 中断优先级更高的中断申请产生, 这时 cpu 就会暂停当前的中断服务转而处理高级中 断申请, 待高级中断处理程序完毕再返回原中断程序断点处继续执行, 这一过程称为 “中断嵌套”。 （4） 中断响应的一般过程 . 在每条指令结束后, 系统都自动检测中断请求信号, 如果有中断请求，且 cpu 处于开中断状态下, 则响应中断。 . 保护现场, 在保护现场前, 一般要关中断, 以防止现场被破坏。保护现场一 般是用堆栈指令将原程序中用到的寄存器推入堆栈。 . 中断服务, 即为相应的中断源服务。 . 恢复现场, 用堆栈指令将保护在堆栈中的数据弹出来, 在恢复现场前要关中 断, 以防止现场被破坏。在恢复现场后应及时开中断。 . 返回, 此时 cpu 将推入到堆栈的断点地址弹回到程序计数器, 从而使 cpu 继续执行刚才被中断的程序。 （5） 中断源 at89s51 单片机的中断源有外部中断 0、外部中断 1、定时器 0 中断、定时器 1 中 武汉科技大学高职学生毕业设计 断和串行口中断等，如表 2.1 所示。 表 2.1 at89s51 单片机的中断源 中断源说明 0int p3.2 引脚输入，低电平/负跳变有效，在每个机器周期的 s5p2 采样并建立 ie0 标志。 定时器 0当定时器 t0 产生溢出时，置位内部中断请求标志 tf0，发中 断申请。 1int p3.3 引脚输入，低电平/负跳变有效，在每个机器周期的 s5p2 采样并建立 ie1 标志。 定时器 1 当定时器 t1 产生溢出时，置位内部中断请求标志 tf1，发中 断申请。 串行口当一个串行帧接收/发送完时，使中断请求标志 ri/ti 置位， 发中断请求。 （6） 中断标志（flag）： ie0：外部中断 0 中断标志 tf0：定时器/计数器 0 中断标志 ie1：外部中断 1 中断标志 tf1：定时器/计数器 1 中断标志 ti ：串行口发送中断标志 ri ：串行口接收中断标志 二、中断控制的有关寄存器 （1） 中断允许控制寄存器 mcs-51 单片机有 5 个（8052 有 6 个）中断源, 为了使每个中断源都能独立地被允 许或禁止, 以便用户能灵活使用，cpu 内部在每个中断信号的通道中设置了一个中断 允许触发器, 它控制 cpu 能否响应中断。只有对应的中断允许触发器被使能（置“1”） ， 相应的中断才能得到响应。中断允许控制寄存器如表 2.2 所示。 表 2.2 中断允许控制寄存器 ie （0a8h） ea eset1ex1et0ex0 ex0：外部中断 0 允许位 武汉科技大学高职学生毕业设计 et0：定时器/计数器 0 中断允许位 ex1：外部中断 1 允许位 et1：定时器/计数器 1 中断允许位 es ：串行口中断允许位 ea ：中断允许位 （2） 中断请求标志及外部中断方式选择寄存器 tcon 某中断源有中断请求，该中断标志置 1，无中断请求，该中断标志置 0，外部中断 0 和外部中断 1 中断触发方式若下降沿触发则 it 相应位置 1；若选低电平触发，it 相 应位置 0。中断请求标志及外部中断方式选择寄存器如表 2.3 所示。 表 2.3 中断请求标志及外部中断方式选择寄存器 tcon(88h) tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0 it0：外部中断 0 触发方式选择位 0：低电平触发 1：负跳变触发 ie0：外部中断 0 中断请求标志 it1、ie1 类似 it0、ie0 tr0：定时/计数器 0 运行控制位 0：停止 1：运行 tf1：定时/计数器 0 中断请求标志位 tr1、tf1 类似 tr0、tf0 （3） 中断优先级管理寄存器 ip 五个中断源的优先级别由 ip 寄存器管理，相应位置 1，则该中断源优先级别高， 置 0 的优先级别低，如表 2.4 所示。 表 2.4 中断优先级管理寄存器 ip（b8h） pspt1px1pt0px0 无用位串行口高/低t1高/低 高/低 1 int t0高/低 高/低 0 int px0：外部中断 0 允许位 pt0：定时器/计数器 0 中断允许位 px1：外部中断 1 允许位 pt1：定时器/计数器 1 中断允许位 ps ：串行口中断允许位 中断响应遵循两条规则： . 低优先级中断可以被高优先级中断所中断，反之不能； . 一种中断（不论哪个优先级）一旦得到响应，与它同级的中断不能再中断它。 当同时收到处于同一优先级的多个中断请求时，哪一个中断能得到响应，取决于“内部 武汉科技大学高职学生毕业设计 查询次序”，相当于在每个优先级中，还有一个“内部优先级”，如表 2.5 所示。 表 2.5 中断优先级 中 断 源中 断 标 志 位中断优先级 外部中断 0 定时器 0 溢出中断 外部中断 1 定时器 1 溢出中断 串行口中断 定时器 2 中断 ie0 tf0 ie1 tf1 ri 或 ti tf2 或 exf2 最高 最低 2.1.4 at89s51 单片机的定时计数器、串行接口 在工业检测、控制中，很多场合都要用到计数或者定时功能。例如对外部脉冲进 行计数、产生精确的定时时间、作串行口的波特率发声器等。mcs51 单片机内部有 两个可编程的定时器/计数器，以满足这方面的需要。它们具有两种工作模数（计数器 模式、定时器模式）和四种工作方式（方式 0、方式 1、方式 2、方式 3） ，其控制字均 在相应的特殊功能寄存器（sfr）中，通过对它的 sfr 的编程，可以方便的选择工作模 数和工作方式2。 一、定时器/计数器（ timer/counter） 本质上都是加法计数器，当对固定周期的脉冲信号计数时是定时器，对脉冲长度 不确定的信号计数时是计数器。 每接收到一个计数脉冲，加法计数器的值就加 1，当计满时发生溢出，并从 0 开始 继续计数。 加法计数器的计满溢出信号就是定时/计数器的输出，该信号使 tcon 的某位 （tf0 或 tf1 位）置 1，作为定时器/计数器的溢出中断标志。 定时器/计数器结构图如图 2.2 所示。 武汉科技大学高职学生毕业设计 图 2.2 定时器/计数器结构框图 (1) 定时器方式寄存器 tmod tmod 寄存器为八位寄存器，其高 4 位用于选择 t1的工作方式，低 4 位用于选择 t0的工作方式。定时器方式寄存器如表 2.6 所示。 表 2.6 定时器方式寄存器 tmod（89h） gate tc m1m0gate tc m1m0 门控开/关计数/定时方式选择门控开/关计数/定时方式选择 对 tmod 的各个位的说明： gate 位：门控位。 gate1 时，t0、t1 是否计数要受到外部引脚输入电平的控制，int0 引脚控制 t0，int1 引脚控制 t1。可用于测量在 int0 和 int1 引脚出现的正脉冲的宽度。若 gate0，即不使能门控功能，定时计数器的运行不受外部输入引脚 int0、int1 的 控制。 c/t 位：计数器模式和定时器模式的选择位。 c/t0，为定时器模式，内部计数器对晶振脉冲 12 分频后的脉冲计数，该脉冲周 期等于机器周期，所以可以理解为对机器周期进行计数。从计数值可以求得计数的时 间，所以称为定时器模式。 c/t1，为计数器模式，计数器对外部输入引脚 t0（p3.4）或 t1（p3.5）的外部 脉冲（负跳变）计数，允许的最高计数频率为晶振频率的 1/24。 m0、m1 为工作方式选择位，选择方式如表 2.7 所示。 表 2.7 m1、m0 的四种工作方式的选择位 m1 m0 方式方式说说 明明 武汉科技大学高职学生毕业设计 0 0 013 位定时器(th 的 8 位和 tl 的低 5 位） 0 1 116 位定时器/计数器 1 0 2自动重装入初值的 8 位计数器 1 1 3 t0 分成两个独立的 8 位计数器, t1 在方式 3 时停止工作 (2) 定时器控制寄存器 定时器控制寄存器如表 2.8 所示。 表 2.8 定时器控制寄存器 tcon（88h） tf1tr1tf0tr0ie1it1ie0it0 t1溢出 有/无 t1工作 启/停 t0溢 出有/ 无 t0工 作启/ 停 请求 1 int 有/无 方式下 1 int 沿/低电平 请求 0 int 有/无 方式下 0 int 沿/低电平 tf0、tf1 分别是定时器/计数器 t0、t1 的溢出标志位，加法计数器计满溢出时 置 1, 申请中断，在中断响应后自动复 0。tf 产生的中断申请是否被接受, 还需要由 中断是否开放来决定。 tr1、tr0 分别是定时器/计数器 t1、t0 的运行控制位, 通过软件置 1 后, 定时 器/计数器才开始工作, 在系统复位时被清 0。 二、串行接口 51 系列单片机的串行口是一个可编程的全双工串行通信接口，通过软件编程，它 可以做通用异步接收和发送器 uart（universal asynchronous receiver/transmitter）用， 也可做同步移位寄存器用9。 串行口的控制寄存器： (1) 串行口控制寄存器 scon（98h） 串行口控制寄存器如表 2.9 所示。 表 2.9 串行口控制寄存器 scon（98h） sm0sm1sm2rentb8rb8tiri 方式选择多机控制串行接收允 许/禁止 欲发的 第九位 收到的 第九位 发送中 断有/无 接收终 端有/无 sm0 和 sm1：串行口工作方式选择位 0 0方式 0， 0 1方式 1 武汉科技大学高职学生毕业设计 1 0方式 2， 1 1方式 3 sm2：多机通信使能位 ren: 串行接收允许位 tb8：在方式 2、3 中，tb8 是发送机要发送的第 9 位数据 rb8：在方式 2、3 中，tb8 是接收机接受到的第 9 位数据，该数据来自发送机的 tb8 ti ：串行口发送中断请求标志 ri : 串行口接收中断请求标志 (2) 电源控制寄存器 电源控制寄存器如表 2.10 所示。 表 2.10 电源控制寄存器 pcon（87h） smod * smod：波特率加倍位。 在计算串行方式 1、2、3 的波特率时：0不加倍；1加倍5。 2.2 光电传感器原理简介 利用光电元件特别是光敏二极管，设计红外发射与接收电路，努力满足距离和灵 敏度的要求。在设计过程中充分考虑某些集成元件，尽量减少电路干扰。在此基础上， 利用s51单片机的强大功能，用软件实现信号的发射及接收和显示。 光电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变 化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学 通路和光电元件 3 部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而 且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小8。 2.2.1 光电传感器原理 (1) 光电导效应 光电效应按其原理可分为外光电效应和内光电效应，内光电效应又可分为光电导 效应和光生伏特效应。基于外光电效应制成的光电元件有光电管和光电倍增管；基于 内光电效应的光电元件主要由半导体材料制成的半导体光电元件。 某些半导体材料受到光的照射时，其价带中的电子受到能量大于禁带宽度的光子 的激发，由价带越过禁带而跃迁到导带，增加了载流子数目，从而提高了导电性能使 电阻值降低。另外，当入射辐射的波长很长时，光激发还会改变导带中载流的迁移率， 从而改变了材料的电导率。这种由于光线照射，引起材料内部的载流子密度和迁移率 武汉科技大学高职学生毕业设计 改变，从而导致材料电导率改变的现象称为光电导效应。 (2) 光生伏特效应 半导体在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。根据产 生电动势的机理可分为侧向光生伏特效应、pn 结光生伏特效应、光磁电效应和贝克勒 耳效应。 侧向光生伏特效应就是半导体光电元件的光灵敏面受光照不均匀时，由载流子浓 度梯度而产生的光点效应。 pn结光生伏特效应是光照射到距表面很近的半导体pn结时，pn结及附近半导体 吸收光能。若光子能量大于禁带宽度，则价带电子跃迁到导带成为自由电子，而价带 则相应成为自由空穴。这些电子空穴对在pn结内部电场的作用，电子移向n区外侧， 空穴移向p区外侧，结果p区带正电，n区带负电，形成光电动势4。 2.2.2 光电传感器种类 光电传感器主要有光电二极管、光电晶体管、光敏电阻 cds、集成光电传感器、 光电池和图像传感器等。实际使用时，要选择适宜的传感器才能达到预期的效果。大 致的选用原则是：高速的光检测电路、宽范围照度的照度计、超高速的激光传感器宜 选用光电二极管，几千赫兹简单脉冲光电传感器、简单电路中的低速脉冲光电开关宜 选用光电晶体管、响应速度虽慢，但性能优良的电阻桥式传感器，具有电阻性质的光 电传感器、路灯自动亮灭电路中的光电传感器、随光的强弱成比例变化的可变电阻等 宜选用 cds 和 pbs 光敏元件；旋转编码器、速度传感器、超高速的激光传感器宜选用 集成光电传感器7。 2.2.3 光电传感元件 上文已经叙述了传感器的原理，下面具体介绍几种光电传感元件。 (1) 红外光敏二极管 光敏二极管是一种将光能量变换为电能量的器件，它基于半导体的光生伏特效应 的原理，即在光照射时，半导体材料吸收光子能量使电子激发。若能量大于禁带宽度 的光子照射在 pn 结空间电荷区附近，在结两边产生电子-空穴对。这些光生载流子在 pn 结内建场作用下，各自向相反方向运动，即 p 区的电子穿过 pn 结进入 n 区，n 区 的空穴穿过 pn 结进入 p 区，形成自 n 区向 p 区的光生电流。这样的载流子运动，由 于中和掉部分空间电荷，使内建场势垒降低，从而使正向电流增大。当光生电流和正 向电流相等时，pn 结两端建立起稳定的电势差（p 区相对于 n 区是正的） ，这就是光 生电压。当入射光的强度发生变化，光生载流子的多少也相应发生变化，因而通过光 武汉科技大学高职学生毕业设计 敏二极管的电流也随之变化，于是在光敏二极管的两端的电压也发生变化，光敏二极 管就这样将光信号变为电信号。 光敏二极管的种类很多，主要由 pn 光敏二极管、pin 光敏二极管和雪崩型光敏二 极管等。pn 光敏二极管对紫外线到红外线的宽范围波长的光具有较高的灵敏度，光电 流与入射光强度的线性好，对微弱光也有较高灵敏度，但相应速度比 pin 光敏二极管 慢。pn 光敏二极管主要用于光度计、照度计、摄像机的露点计和频闪光计等。 pin 光敏二极管的响应速度快，但温度特性比 pn 光敏二极管差。主要用于光通信， 激光元件和远距离光控装置等。 雪崩型光敏二极管对光电流具有放大作用，对宽范围波长的光有较高的灵敏度， 暗电流小，响应速度快。主要用于光纤通信等。 无光照时，光敏二极管的特性与普通二极管一样。有光照时，光敏二极管的反向 电流增大，特性曲线沿电流轴向下平移，光照越强，下移越大，下移幅度与光照强度 成正比。入射光强一定时，光敏二极管的反向电流是基本不变的，与反向电压无关。 注意光敏二极管工作在反向电压。 光敏二极管的主要参数：光电流，指在一定电压下，入射光强为某一定值时流 l i 过管子的电流。暗电流，是指在一定反向电压下，无光照时流过管子的电流。反向 d i 工作电压，是指在无光照时，光敏二极管反向电流小于时。允许的最 r uaa3 . 02 . 0 高反向工作电压，一般在10v 左右，最高可达几十伏。峰值波长，是指光敏二极管 p 光谱响应最灵敏的波长范围。硅光敏二极管的峰值波长恰好与砷化镓红外发光二极管 的峰值波长相重合，二者配合使用，具有很高的传输效率。 (2) 光电三极管 光电三极管又称光敏三极管，其光电流可达 ma 数量级，且内部具有很高的光敏 灵敏度。与光电二极管不同，是一种具有内部增益的光敏器件。 光电三极管可以看成在 bc 结上并联了一个光电二极管的晶体三极管。其 bc 结面 积较大，作为受光结，相当于光电二极管。此光电二极管在光照时产生光电流 icb，就 是晶体三极管的基极电流，同样满足放大倍数关系，所以其集电极光电流比较大。其 工作区基本同普通三极管，同样它需要稳定的工作点，工作点由入射光脉冲的平均值 决定。影响光电三极管的频率特性的主要因素是器件的结电容，其指向特性由封装形 式以及管芯与顶面的位置决定。 光电三极管的主要参数有：最大功耗，指光电三极管能够安全工作而不致损坏 m p 的最大耗散功率。击穿电压 ，指管子在无光照条件下，管子 c 、e 之间漏电 brce u 流不超过一定数值时，管子 c 、e 之间所加的最大电压。暗电流，指管子在无光 d i 照时，在 时， c 、e 之间的漏电流。光电流，指管子受到一定强度光 brcece uu l i 照时，在一定工作电压下，c 、e 之间的光电流值。光电三极管的光电流要比光敏二 武汉科技大学高职学生毕业设计 极管的光电流大几十倍到上百倍。 (3) 一体化红外发光二极管光敏三极管组件 一体化组件将红外发光二极管和光敏三极管制作在一起，一般是红外发射及光敏 接收在一个平面上。实际上是将红外发光二极管及光敏器件并排在一起，两器件的引 线分别引出，体积较小。在其前方有障碍物时，反射光照到光敏三极管，适合构成反 射式光电检测器。 光敏二极管光电流较小，但输出特性线性度好，响应时间快；光敏三极管光电流 大，但输出特性线性度差，响应时间慢。 红外传感系统按频率调节来划分有频率可调和不可调之分：按发射和接收可分为 对射式和反射式。其中反射式也有一体式和分离式，采用反射式的红外传感系统3。 (4) sm0038 红外接收头 sm0038是一种用于红外遥控接收或其它方面的小型一体化接收头，中心频率为 38.0khz，可改善自然光的反射干扰.独立的pin二极管同前置放大器集成在同一封装上。 sm0038环氧树脂封装提供一个特殊的红外滤波器，可防止自然光的干扰。 sm0038在抗自然光的干扰方面有极好的性能，可防止无用脉冲输出15。 sm0038红外接收头特性如下： . 光电检测和前置放大器集成在同一封装上； . 内带pcm频率滤波器； . 对于自然光有较强的抗干扰性； . 改进了对电场干扰的防护性； . 电源电压5v，低功耗； . 输出电平兼容ttl，cmos。 武汉科技大学高职学生毕业设计 3 系统硬件原理 3.1 红外遥控系统 通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来 进行控制操作，如图3.1所示。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、led红外发送器； 接收部分包括光电转换放大器、解调、解码电路。 键盘及 其代码 编码脉冲调制 振荡 红外发 射 红外接 收 解码译码控响 1 控响 n 。 。 。 。 图3.1 红外遥控系统框图 3.2 红外发射硬件电路 在发射电路设计中6，选用nec的upd6121g-001红外集成发射芯片15，由于其 价格适中，解码方便，完全满足设计的需要。红外发射硬件电路如图3.2所示。 武汉科技大学高职学生毕业设计 r1 1.5k 2sc2673 led r2 1.5k + c1 47uf +3v c2 100pf c3 100pf y1 lamp out d1 ki0 1 ki1 2 ki2 3 ki3 4 rem 5 vdd 6 sel 7 osco 8 osci 9 vss 10 lmp 11 ki/o7 12 ki/o6 13 ki/o5 14 ki/o4 15 ki/o3 16 ki/o2 17 ki/o2 18 ki/o0 19 ccs 20 upd6121 ki/o4 vcc vcc ki/o4 vcc 图3.2 红外发射电路 用于红外发射的电路有很多种，可以利用ne555外加外围电路产生脉冲调制振荡， 也可利用coms4011外加外围电路实现。之所以选用upd6121g集成芯片，外加外围电 路作为设计的发射电路，是与另外的发射电路比较的结果。现简要分析另外红外发射 电路的优缺点。 在图3.3中，与非门d1、d2构成可控振荡器，振荡器的起振和停振受单片机输出端 控制。当单片机输出为高电平1时，振荡器起振，反之，d2输出为0 。 武汉科技大学高职学生毕业设计 4011 d1 4011 d2 100k r1 5k r2 820p c 10k r3 cs9013 le d vcc 10k rp 单单单 图3.3 基于4011的红外发射电路 tm td 图3.4 基于4011的红外发射电路的发光二极管的发光波形 调制信号经三极管放大，驱动红外发光二极管，二极管发光波形如图3.4所示，只 要改变rp 就可以改变td(td=1.1rpc)的宽度。但是，上述电路的38khz的载波信号不 易产生，以致遥控脉冲信号不能被有效调制，造成遥控信号的失真，使通信无法安全、 可靠、稳定的进行。使遥控信号的解码更不容易进行。 基于ne555的红外发射电路如图3.5所示，在电路中采用驱动能力较强的ne555时 基电路构成振荡频率30khz左右的红外发射电路。ne555时基集成电路内部有2个电压 比较器、1个rs触发器、2个三极管和3个电阻。图中r1、r2和c1是ne555时基电路构 成振荡器的外接定时阻容元件。刚通电时，电容c1上的电压为零，使触发输入端（2脚） 和阈值输入端（6脚）电压也为零，经内部电路作用后，其输出端（3脚）为高电平， 放电端（5脚）截止。于是电源vcc通过（r1+r2）对c1充电，当充电到时，经内vcc 3 2 部电压比较后使其输出端（3脚）变为低电平。同时，内部放电管导通（7脚） ，电容c1 通过r2和内部放电管放电，当c1上电压降至时，经内部另一个电压比较器后使vcc 3 1 输出端（3脚）变为高电平，内部放电管截止（7脚） ，从而c1停止放电。接着，电源又 通过（r1+r2）对c1充电。如此不断重复，形成多谐振荡。振荡过程中，输出端（3脚） 武汉科技大学高职学生毕业设计 信号经三极管放大，驱动红外发光二极管发光7。 r1 100k r2 200 c1 0.1u c2 0.01u gn d r3 1k r4 10k10k v 2sa1015 +c3 100u r6 47 r5 100 le d vcc trig 2 q 3 r 4 cvolt 5 th r 6 dis 7 vcc 8 gnd 1 u? ne 555 图3.5 基于ne555的红外发光电路 6ms2us 图3.6 基于ne555的红外发射电路的发光二极管的发光波形 当元件大小为电路图中所示时，发光二极管发出如图3.6所示波形。通过改变r1与 r2的比例，可以得到占空比不同的脉冲波形。图3.5电路也可以满足红外信号的发射， 只是波形宽度不好调节，而且ne555有较为严格的电压控制，同时考虑到接受端解码 的方便，故选用upd6121集成芯片外加外围电路作为设计的发射电路。 3.3 红外接收硬件电路 在接收电路中，sm0038红外接收头发挥了很大作用。sm0038只要接上电源就是 一完整的接收电路。由其内部电路作用，有调制载波时，输出端输出为高电平，反之， 输出为低电平，恰好为调制信号波形。红外接收硬件电路如图3.7所示。 武汉科技大学高职学生毕业设计 ea /vp 31 x1 19 x2 18 re se t 9 rd 17 wr 16 int 0 12 int 1 13 t0 14 t1 15 p10 1 p11 2 p12 3 p13 4 p14 5 p15 6 p16 7 p17 8 p00 39 p01 38 p02 37 p03 36 p04 35 p05 34 p06 33 p07 32 p20 21 p21 22 p22 23 p23 24 p24 25 p25 26 p26 27 p27 28 psen 29 al e/p 30 tx d 11 rx d 10 80c51a h 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 8*470k 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 8*470k 8*in4001 vcc 10k +0.47u+0.47u vcc 22p 22p + 0.47u 1k 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp 9 gn d a bf c g d e dp vcc 10k 8550 vcc vcc sm 0038sm 0039 图3.7 红外接收电路 武汉科技大学高职学生毕业设计 4 编码原理 遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类：脉冲宽度调制和脉冲 占空比调制。这里使用解码比较容易，运用比较广泛的脉冲宽度调制。 4.1 遥控码的编码格式 使用nec的upd6121g组成发射电路。当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所 按的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征： 如脉冲宽度编码方法中, 表示0的高电平宽度为0. 7ms, 表示1的高电平宽度为1. 4ms, 其波形如图4.1所示14。 10 0.7ms1.4ms 图4.1 脉冲宽度编码的”0” 、 ”1”表示 上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38khz的载频进行二次调制以提高发射效率， 达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射，如图 4.2所示。 9ms 4.5ms 引导码 c0c7 系统码系统码反码 c0c7d0d7 数据码 d0d7 数据码反码 图4.2 红外遥控信号示意图 upd6121g产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码， 能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。该芯片的用户识别码固定为 十六进制01h；后16位为8位操作码（功能码）及其反码。upd6121g最多有128种不同 组合的编码15。 一个完整的红外遥控信号代码一般由引导码、系统码、系统码的反码、数据码、 数据码的反码等几个部分组成，如图4.2所示。引导码是一个代码的起始部分, 由时间 相对较长的一个低电平和一个高电平组成；系统码是通过遥控器的遥控编码芯片的引 脚不同接法设定的, 用以区分不同型号的遥控系统；数据码则是遥控器功能按键的编码 武汉科技大学高职学生毕业设计 2 , 不同的功能按键其代码不相同；系统码的反码和数据码的反码是用来纠错的(不过 有的遥控代码中不包含反码部分)。遥控信号代码总的长度因采用的编码芯片不同而有 所不同, 功能代码与功能代码之间的最短时间间隔一般为80ms120ms 。 遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。一组 码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在4563ms之 间，图4.3为发射波形图。 108ms108ms 图4.3 发射波形代码表示 当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲，这 108ms发射代码由一个起始码（9ms） ，一个结束码（4.5ms） ，低8位地址码 （9ms18ms） ，高8位地址码（9ms18ms） ，8位数据码（9ms18ms）和这8位数据的反 码（9ms18ms）组成。如果按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发代码） 将仅由起始码（9ms）和结束码（2.5ms）组成12。 4.2 数据帧的译码处理 4.2.1 引导码的识别： 遥控接收头无接收信号时, 输出为高电平, 而引导码出现时将有一段时间的低电平 输出(约为9m s) , 其时间宽度是已知的，只要以小于