毕业设计（论文）-远程室内家用电器的智能控制系统的设计.doc

东海科学技术学院本科生毕业论文 I 远程室内家用电器的智能控制系统的设计远程室内家用电器的智能控制系统的设计 摘要摘要 远程室内家用电器的智能控制系统是为了解决家用电器远程无线控制和智能控制的问题。 本设计采用两块 STC89C52 单片机双 CPU 系统, 其中 CPU1 用以处理对家用电器红外线遥控 信号的学习、掉电保存、信号转发等工作， CPU2 用以进行红外线遥控信号的解调、发射， 家用电器设备的智能化控制等工作；红外接收器采用 HS0038 塑封一体化红外线接收器，红 外线发射电路是采用三极管驱动红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；通过电力线载 波芯片 LM1893 对信号进行传输，同时，利用电流互感器对家用电器工作状态进行反馈控制， 并且能够对家用电器工作状态做出准确的声光提示。经调试及多次测试，该控制系统运行可 靠，实现了对家用电器设备的工作状态的智能化控制。通过此次设计，了解到远程室内家用 电器的智能控制系统的最大难点在于遥控码信息数据的处理和远程信息的通信。本设计反应 了远程室内家用电器的智能控制系统在实际应用中所要面临的问题以及探讨了解决这些问题 的相关方法。 关键词关键词：单片机；红外线；电力线载波；智能 全套设计加扣 3012250582 东海科学技术学院本科生毕业论文 II ABSTRACT Remote interior appliances intelligent control system is to solve appliances wireless remote control and intelligent control problem. This design uses two STC89C52 twin CPU chip CPU1 system which used for electrical appliances with infrared remote signal of learning, and power forward, etc., CPU2 signal to the infrared remote signal demodulation, emission, household appliances equipment; the intelligent control etc. HS0038 using infrared receiver, infrared receiver encapsulation integration infrared transmission circuit is driven by infrared light emitting diode transistor to send through the infrared light modulation, Through the power line carrier-current chip LM1893 to signal transmission, and at the same time, using the current transformer for household appliances work state feedback control of household appliances, and can make accurate sound working condition. The commissioning and several tests, the control system run reliably, realize the household appliances equipment working condition of intelligent control. Through the design, understanding to the remote interior household appliances intelligent control system is the biggest difficulty lies in the remote information data processing and remote information communication. This design reflects remote interior appliances intelligent control system in actual applications to problems faced and discusses the relevant methods to solve these problems. KeywordsKeywords: : Single-chip；Infrared；Lines carrier；Intelligent 东海科学技术学院本科生毕业论文 III 东海科学技术学院本科生毕业论文 IV 目录 前言 .1 第 1 章 绪论 .4 1.1 系统框架设计总方案 .4 1.2 系统组成模块方案 .4 1.2.1 电源方案 .4 1.2.3 红外线信号传输方案 .5 第 2 章 智能公交车系统电路原理 .5 2.1 电源模块电路设计 .5 2.2 显示电路设计 .6 2.3 红外线遥控学习电路设计 .7 2.3.1 单片机电路作用 .7 2.3.2 单片机电路组成 .8 2.3.3 HS0038 红外线接收器 .8 2.3.4 红外线遥控学习的电路.8 2.4 电力线载波通信电路 .9 2.4.1 信号耦合变压器参数设计 .11 2.4.2 谐振电路设计 .11 2.5 家用电器工作状态信号反馈电路设计 .12 第 3 章 远程室内家用电器的智能控制系统应用控制 .12 3.1 红外线及其遥控原理 .13 3.2 红外线遥控信号掉电保存的控制 .14 第 4 章 软件系统设计与实现 .15 4.1 红外线遥控信号的学习控制 .15 第 5 章 开发工具、制作调试过程 .17 5.1 软件开发平台 KEIL UVISION2.17 5.1.1 外围接口 .17 5.1.2 性能分析 .17 5.1.3 变量来源浏览 .17 5.1.4 代码作用范围分析 .18 5.2 制作调试过程 .18 5.2.1 PCB 板制作 .18 5.2.2 元器件焊接 .18 5.2.3 电路调试 .18 5.2.4 硬件结构组装 .19 5.2.5 软件系统编写调试 .19 结 论 .20 鸣 谢 .20 参考文献 .21 东海科学技术学院本科生毕业论文 V 附录 A 远程室内家用电器的智能控制系统实物图.22 附录 B 系统软件程序.24 东海科学技术学院本科生毕业论文 1 前言前言 20 世纪 80 年代，一些经济比较发达的国家提出了“智能家庭住宅”的概念，住宅智能化 是智能家居先导，智能控制是住宅智能化的核心。那么达到一个什么样的标准才可以称之为 智能化家庭呢?智能化家庭与智能大厦的概念与定义一样，至今尚没有取得一致的认同。美国 电子工业协会于 1988 年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即：家庭自动化 系统与通讯标准，也有称之为家庭总线系统标准(HBS)；我国也从 1997 年初开始制定小 康住宅电气设计(标准)导则。在“导则”中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以 下的要求：高度的安全性；舒适的生活环境；便利的通讯方式：综合的信息服务；家庭智能 化系统。目前有两个经典的“家庭智能化”模型系统，一个是 1998 年 5 月在新加坡举办的 “未来之家”家庭智能化系统，另一个是 Echelon 公司推出的 Lonworks“网络化家庭”演示系 统。智能家居是以住宅为平台，兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化，集系统、结 构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家居可以定义为 一个过程或者一个系统。利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居 生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、 有效。与普通家居相比，由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具，提供全方位的 信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通。智能家居强调人的主观能动性，要求重 视人与居住环境的协调，能够随心所欲地控制室内居住环境。由此可见，智能家居是一个系 统层次概念，它涵盖了在建筑环境层次能够影响人们生活的诸多方面。智能家居是一个多功 能的技术系统，随着人类应用需求和家居智能化的不断发展，智能家居系统将拥有更加丰富 的内容，系统配置也越来越复杂。智能家居随住户的个性不同会有所差异，但一般应具备以 下基本功能： （1）照明度控制功能：包括照明灯具及家庭背景音乐就地控制、场景朋颐序控制、远程 控制及自动控制；全模式控制：度假模式控制；百叶窗窗帘的开、关和调整。在较大的户型 (如别墅、层、跃层)中安装背景音响系统及灯光集中控制系统，可以营造家庭气氛。 （2）安防控制功能：包括侵入报警(门禁系统)、火灾自动报警、煤气泄漏报警、漏电报警、 漏水报警。例如： a)家庭防盗报警系统：防盗探头一般有红外线探头、磁性探头、微波探头等。目前应用于 家庭的有被动式室内单(双)鉴红外线(微波)探头，安装在客厅、过道和楼梯的墙面或吊顶 处，只要有人走动就能探测到；还有主动式单(多)光束红外线探头，警戒距离为 15m250m。还可收、发两探头配对为一组，室内应用于门窗等处，室外应用于围墙上、 阳台外、窗外等处，如有人非法侵入就会探测到。门磁、窗磁探头安装于门、窗闭合处， 一旦门、窗被打开，就会探测到，并即时报警。另外，作为完善的防盗系统，还可选用 高速照相机或摄像机，一旦发生报警，将自动对现场照相或录像。 b)家庭防灾报警系统：防灾探头有煤气泄漏探头，感温、感烟探头。当发生可燃性气体泄 漏时，就会发出报警信号，并将该信号传到信息接入箱主机上，同时开启屋内排气扇排 除有害气体。当所探测范围内温度升高或烟雾弥漫，火灾探测器就会探测到并即时报警 (声光报警或通信报警)。如有消防喷淋系统，则会自动进行喷淋。 c)视对讲系统：在门厅、书房等处安装可视对讲门铃。来访客人必须经住户同意，由住户 遥控开启单元防盗门方可进入。单元门 151 主机也可以通过网络与管理中心主机相连， 将来访者输入的信号同时传到管理主机上，便于值班人员掌握客人来访情况。 （3）能源控制功能：包括控制热水的温度与水量、家用电器控制、在用电高峰时可自动 切断次要设备，以免超过额定负荷、计量和显示各种能源消耗。 （4）三表(四表)远程抄收系统：将带电子采集器的煤气表、电表、水表、暖气表等从户 东海科学技术学院本科生毕业论文 2 内布线通过家庭信息接入箱引到户外的系统采集总线，与小区的物业管理中心连接，在管理 中心主机上可随时用人工或自动的方式抄录三表的读数。输入当地水、电、气的价格，就可 自动计算费用，并打印出读数、计费的情况。 （5）健康与医疗功能：包括健康设备监控、远程检诊、老人病人异常监视。例如： 家庭闭路监控系统：家庭监控主要用于家中有老人、小孩等生活不能自理、需要照顾的情况。 在上述这些人员所在的环境安装摄像头，可通过网络远程观察需照顾人的状况。 （6）网络信息家用电器控制系统：智能化家居最实用的功能之一便是电话远程控制家 用电器。今后的家用电器都会有数据接口，可以通过数据网络实现远程遥控。可以在需要网 络远程遥控的家用电器(如微波炉、电饭煲、热水器、空调器、洗衣机等)的电源插座旁，设 置数据信息插座。随着信息家电的兴起，更使远程控制家用电器成为可能。信息家电应该是 一种操作简便、实用性强、带有 PC 主要功能的家电产品。信息家电把 PC 的某些功能分解出 来，设计成应用性更强、更家电化的产品，信息家电的出现将推动家庭网络市场的兴起，同 时家庭网络市场的发展又反过来推动信息家电的普及和深人应用。 智能家居在国外的发展情况智能家居在国外的发展情况 自从 20 世纪 70 年代中期智能家居技术在美国诞生以来，美国、加拿大、欧洲、澳大利 亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居方案。1984 年世界上第一个智能 建筑在美国康倪迪格州出现口。德国弗劳恩霍研究会与 11 家公司联手合作，建成世界上第 一座智能家居样板房，向人们展示了未来住宅的发展前景。在日本，网络家电开发已取得了 重大进展。日本的主要家电厂家制定了网络家电的发展战略，希望依靠网络家电建立起一个 新的家电王国。 智能家居在我国的发展情况智能家居在我国的发展情况 在我国将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。这必然促使智能化从智能大 厦建设向智能化住宅小区，乃至向家居智能化方向发展。建设部要求“到 2010 年，大中城 市中 60的住宅要实现智能化”。到 2010 年，我国超过 70的家庭将有互联网入网设备， 50以上家庭会有多台上网设备。 1999 年，我国经贸委牵头，成立了家庭信息网络技术委员会。该委员会制订了关于将家 庭信息网络技术的体系研究和产品开发方面的国家技术创新专项计划。进入二十一世纪后， 中国加快了网络家庭发展的步伐，许多厂商纷纷推出了数字家庭的样板间设想。自从 2000 年 LG 电子推出了世界上第一台通过互联网相连的“互联网冰箱”后，国内电子厂家纷纷跟 进，推进了网络家电的进程，已成为行业内关注的焦点。 智能家居未来发展趋势智能家居未来发展趋势 人类在追求高度物质文明的同时，更加追求环境绿色化、生活信息化，安全、舒适、方 便、现代的家居环境已成为 21 世纪居家生活的象征。进入 21 世纪，A 新月异的现代科技的 力量，打破了传统的时空界限，计算机网络和层出不穷的信息技术，改变了人类的生产、生 活方式，科技正以超乎想象的速度深刻地影响着人类的思维模式和生存状态。 住宅作为人类生存的物质基础，必将受到信息技术的冲击和影响，传统住宅己不能满足 现代社会对其使用功能及其所能提供的环境的更高要求，未来住宅应是高科技与传统技术的 有机融合体：不仅功能齐全、居住舒适、使用方便、而且安全节能，有益人类健康和自然生 态环境。 智能家居是家居技术创新的必然趋势。20 世纪 80 年代，信息技术飞速发展，特别是计 算机互联 V 目(INTERNET)技术、计算机集成制造技术(ClMS)更是得到了惊人的发展，人类 从此开始进入知识经济时代。从智能家居的发展进程看，它经历了单一专用系统、多功能系 统、部分集成系统、一体化的集成管理系统等几个阶段，每个阶段都是技术创新的成果。 东海科学技术学院本科生毕业论文 3 智能家居建设是我国可持续发展战略的组成部分。我国人口众多，地大而物不博，以快 速竭尽自然资源和恶化生态环境为代价的粗放型产业经济发展模式已不符合知 识经济时代的要求。中国 21 世纪议程提出了我国人居环境可持续发展的总方向。 在保持住宅产业高速增长的前提下，实现资源的综合利用和环境质量的不断改善，实现住宅 产业可持续发展。智能家居酋先着眼于人居环境的所有社会功能，着眼于现实与未来的平衡， 在可持续发展方面起先导和示范作用；节约能源，节省建材和配套器材等消耗型资源；以人 为本，创造人与环境的和谐空间。 目前家用电器远程控制的基本方式目前家用电器远程控制的基本方式 远程控制是通过一定的手段对被控物体实施一定距离的控制。常用家电远程控制式有无 线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。无线电遥控是利用无线电信对被控物体实施 远距离控制。无线电遥控不可避免的须占用一定的无线电频率资源，成电磁污染，但控制比 较灵活方便，控制范围较大。而红外线、超声波遥控则受距离限，控制范围有限。基于无线 寻呼的遥控方式利用了有的寻呼频率资源，不需占用额外的频谱，其遥控的距离基本不受限 制。但该方式的控方动作滞后于控制方的操作，不具备实时性，可靠性不高，而且目前寻呼 网已所剩几。当前，国内外远程遥控技术的发展趋势有如下几个方面： 1、基于蜂窝系统的手机远程遥控 2、基于计算机网络的远程遥控 3、基于蓝牙(Bluetooth)技术的远程遥控 4、基于公众电话交换网(PSTN)的远程遥控 目前智能化住宅最实用的功能之一便是电话远程控制家用电器(如电视机、空调等)。它 的主要特点是通过家庭中心控制器和现成的户外电话网络，在任何地点拨打家中电话，在控 制器的语音提示下实现对近端电器设备的远程控制，给用户提供极大的方便。这种控制方式 的特点是方便、实用、实现的技术难度不大、比较容易实现控制设计。由于目前电话遥控家 用电器的技术已经比较完善，所以本设计主要研究室内家用电器遥控和信号传输方式的解决 等问题。 东海科学技术学院本科生毕业论文 4 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 系统框架设计总方案系统框架设计总方案 考虑到远程室内家用电器的智能控制系统要处理对家用电器红外线遥控信号的学习、掉 电保存、红外线遥控信号调制、解调，家用电器设备的智能化控制等多项工作。本设计采用 两块 STC89C52 单片机双 CPU 系统, 其中 CPU1 用以处理对家用电器红外线遥控信号的学习、 掉电保存、信号调制发射等工作， CPU2 用以进行红外线遥控信号的解调、学习，红外线遥 控信号发射，家用电器设备的智能化控制等工作。红外接收器采用 HS0038 塑封一体化红外 线接收器，红外线发射二极管采用普通遥控器中使用的器件。由于家里各电器分布比较分散， 距离较远，单靠红外线直接控制，遥控信号很难到达，本设计通过电力线载波通信对信号进 行传输。同时，利用电流互感器对家用电器工作状态进行反馈控制，并且能够对家用电器工 作状态做出准确的声光提示。远程室内家用电器的智能控制系统组成框图如图 1.1。 图 1.1 远程室内家用电器的智能控制系统组成框图 1.21.2 系统组成模块方案系统组成模块方案 1.2.11.2.1 电源方案电源方案 电源是整个系统正常工作的基础，由于本系统中不同电路模块所需要的工作电压和电流 容量各不相同，因此系统中包含了多个稳压电路。电源系统主要有为单片机、红外信号学习 电路以及数码管驱动显示电路、LM1893 电力载波芯片电源，可选择的方案有： 方案一：采用集成多路输出电源模块。集成多路输出电源模块具有制作简单，使用方便 等特点，但临时短时间内要购买比较困难，而且价格较贵，电源组合方式固定不易选择。 方案二：采用单独三端稳压集成块具有组合灵活、价格便宜等特点，本次电源采用多块 低压差三端稳压块组成电源系统。 红外学习电路 键盘驱动 扫描驱动 STC89C52 副控制器 信号发射/接收反馈电路 红外发射射路 显示电路 STC89C52 主控制器 电源模块电源模块 信号接收/发射 东海科学技术学院本科生毕业论文 5 1.2.31.2.3 红外线信号传输方案红外线信号传输方案 方案一：采用红外线数据直接传输方案，虽然它的方向性能比较好，比较简单，但是红 外通信较适用于室内静止或慢速移动中的点对点直线通信，且距离较短。 方案二：采用采用无线电的通信方式来实现，即无线电作为一个中转站：红外线一无线 电发射一无线电接收一红外线。这样可以避免单纯利用红外线通信所受的空间限制和单纯利 用无线通信与现有红外线控制的电器设备不兼容的问题，使系统控制更加灵活，但是是成本 高，容易受外部环境的干扰，还会产生磁辐射，且传输速率慢。 方案三：采用有线方式实现。即通过自己布线，经有线传输继来控制电器设备。这种控 制方式由于电器设备的分散性，需要布线，成本增加且不够灵活，对于目前大多红外遥控家 电，不能精确控制家电的工作状态。 方案四：采用电力线载波通信中。传输方便，因为低压电力线(220V 或 380V 交流供电 线路)家里随处可见，利用现成的低压电力线来传输信号具有有线通信的优点， ，抗干扰性强， 误码率低，而又无需再另行架杆、拉线、凿墙，可以充分利用已有的线路资源，降低通信成 本。 第第 2 2 章章 智能公交车系统电路原理智能公交车系统电路原理 2.12.1 电源模块电路设计电源模块电路设计 此系统所用电源模块是三端稳压器件 7805 和三端集成稳压器 LM317。 7805 三端稳压器件是最常用的线性降压型 DC/DC 转换器， 简单易用、价格低廉。78xx 系 列在降压电路中应注意以下事项： 1、输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； 2、输出电流不 能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或 热击穿； 3、输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 图 2.1 7805 电路原理图 图 2.2 7805 三端稳压器件 LM317 是三端可调正稳压器集成电路。它的输出电压范围是 1.2V 至 37V，负载电流最大 东海科学技术学院本科生毕业论文 6 为 1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负 载调整率也比标准的固定稳压器好。 图 2.3 三端集成稳压器 LM317 电路 7805 电路原理图 图 2.4 LM317 三端集成稳压 器 2.22.2 显示显示电路设计电路设计 本设计显示路采用四位共阳 LED 数码管， 从 P1 口输出段码，列扫描用八同相三态缓冲 器/线驱动器 74HC244 芯片来实现。它主要用 于 数据的缓冲。如图 2.5 是 74HC244 芯片的引脚 图。引出端符号说明： 1A11A4,2A12A4 输入端 1Y11Y4,2Y12Y4 输出端 本设计的遥控器还具有自动定时控制开、 关功能，实现对控制对象的定时开、关，工作 状态之间的切换等操作功能，同时它还具有基 本的时钟功能，能准确显示北京时间。 其时钟显示电路图原理图如图 2.6。 图 2.5 74HC244 芯片的引脚图 东海科学技术学院本科生毕业论文 7 图 2.6 时钟显示电路图原理图 2.32.3 红外线遥控学习电路设计红外线遥控学习电路设计 为了实现家用电器红外线遥控学习码的学习记忆功能，系统还需要具有红外线接收解码， 红外线调至发射、操作按键、断电不掉码等功能，因此由于主要功能定位学习、保存遥控功 能，因此采用 STC89C52 单片机作为主要控制器，STC89C52 单片机中具有 1288 位的内部 RAM,两个 16 位定时器/计数器，5 个中断源，直接 LED 驱动输出，并且还有 8 个扇区的 EEPROM 空间，可学习存储较大的遥控码脉宽的数据。红外线遥控学习的实现方案图如图 2.7 所示。 图 2.7 红外线遥控学习的实现方案图 2.3.12.3.1 单片机电路作用单片机电路作用 单片机作为整个控制装置的核心，负责指挥协调各单元模块的工作，其地位相当重 要，它主要完成的功能有： (1) 责红外线遥控信号的学习、掉电保存 (2) 红外遥控信号的学习和发射 STC89C52 副控制器 反馈电路 红外发射射路电源模块 信号接收/发射 红外学习电路 键盘驱动 扫描驱动 信号发射/接收 显示电路 STC89C52 主控制器 电源模块 东海科学技术学院本科生毕业论文 8 (3) LM1893 收发状态的控制 (3) 红外线遥控信号调制、解调 (4) 时钟、定时电路的显示控制 (5) 用电器设备工作状态检测 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8KB 在统可编程 Flash 程 序存储器和 256B 数据存储器。它使用高密度非易失性储器技术制造，与工业 80C51 产品指 令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片 上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统 提供高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 IO 口线，看门 狗，定时器，2 个数据指针，二个 16 位定时器计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工 串口，片内晶振及时钟电路。 2.3.22.3.2 单片机电路组成单片机电路组成 单片机电路如图 2.8 所示，使用 STC89C52 单片机，40 脚 VCC 和 31 脚接+5V 直流电源， 20 脚 VSS 接地。9 脚 RST 为单片机的复位端，高电平复位，正常工作时为低电平，复位电 路由 3R3 和 3C1 组成。18 和 19 脚外接 6MHz 石英晶体振荡器和两个 30pF 的电容，它们和 单元片机内部振荡电路组成单片机的时钟电路。接两个 30pF 的电容的目的有三个：一是加 快上电后的起振速度；二是保证起振后能够持续平稳的振荡，不至于出现停振；三是可以通 过改变两个电容的容量，微调振荡频率。电解电容的作用是滤除来自电源的低频干扰，由于 电解电容的高频特性不好，它只能滤除来自电源的低频干扰，而不能滤除来自电源的高频干 扰。因此再加一个瓷片电容，它的作用是滤除来自电源的高频干扰。电解电容和瓷片电容在 电路板上一定连接在单片机电源脚附近才会有更好的效果。 2.3.32.3.3 HS0038HS0038 红外线接收器红外线接收器 红外接收电路采用 HS0038 塑封一体化红 外线接收器。HS0038 是集红外接收、放大、 检波、整形、解调几个过程于一体的集成电路， 不需要任何外接元件，就能完成从红外 线接收到输出的所有工作并与 TTL 电平信号 兼容，没有红外信号时为高电平，收到红 外信号时为低电平，体积和普通的塑封三一极 管大小相当，适用于各种红外遥控和红外 数据传输。HS0038 引脚 如图 28 所示， 引脚 l ：接地 引脚 2 ：接电源 引脚 3 ：为信号输出 东海科学技术学院本科生毕业论文 9 图 2.8 HS0038 引脚图 2.3.42.3.4 红外线遥控学习的电路红外线遥控学习的电路 红外线遥控学习的电路原理图如图 2.8 所示。P1.6 口做状态指示，灯亮代表学习状态， 灯灭代表码以学习并保存。P1.7 口做遥控键的操作指示，闪烁时代表遥控码正在发射之中。 第 9 脚作为单片机的复位脚，采用简单的 RC 上电复位电路；12 脚为单片机中断输入口，用 于工作方式的转换控制，当 12 脚为低电平时，系统进入学习状态；14 脚用于红外线接收解 码器的输出信号输入；15 脚作为遥控码红外调制信号的输出口；18、19 脚接 12MHz 晶振； 31 脚接高电平，使用片内程序存储器。 图 2.9 红外线遥控学习的电路原理 图 本设计还采用行列式操作键盘，行列式操作键盘又称作矩阵式键盘。用 I/O 线组成行、 列结构，按键设置在行列的交点上，行列线分别连接到按键开关的两端，键盘中有无按键按 下是由列线送入扫描、行线读入行线状态来判断。更好的提高了 CPU 效率，同时也节约的电 源的能量，遥控器采用按键中断方式，无键按下是处于低功耗待机模式，有键按下时触发外 部中断实现查询和发射键功能程序。 信号反馈声光提示电路采用简单的蜂鸣器和 LED 指示， 当单片机接收到电器设备工作状态信号时， LED 灯点亮， 同时蜂鸣器发出提示声音，提醒操作者家用电器设备所处的 工作状态。例如：被控电器设备处于工作状态时，则 LED 闪 烁 2 次，蜂鸣器发出嘀嘀两声提示音；被控电器设备处 于关机状态时，则 LED 闪烁 1 次，蜂鸣器发出嘀一声提示 音。 声光提示电路原理图如图 2.9 所示。 图 2.10 声光提示电路原理图 2.42.4 电力线载波通信电路电力线载波通信电路 本设计电子载波芯片采用 LM1893，LMl893 是美国国家半导体公司生产的电力线调制解 调芯片，可实现串行数据的半双工通信，具有发送和接收数据的全部功能。采用 18 脚双列 直插式，其引脚图如图 2.10 所示。它的主要引脚为：5 脚(发送接收控制端)、10 脚(载波信号 的收发端)、12 脚(解调数据输出端)和 17 脚(调制数据输入端)。它由发送电路和接收电路两部 分构成。芯片的工作状态由 5 脚控制。 东海科学技术学院本科生毕业论文 10 其特点有：1、抗噪声 FSK 调制 2、 用户选定的脉冲噪声滤波 3、高达 4.8 kBaud 的数据传输速率 4、串 0 或 1 的数 据允许 5、正弦线驱动器的低射频干扰 6、输出功率很容易提高 10 倍 7、50 至 300 kHz 载波频率的选择 8、TTL 和 MOS 兼容数字水平 9、稳压电源电压的逻辑 10、所有常规电力线路驱动器 其一般应用： 1、能源管理系统 2、 家庭方便控制 3、办公室间的通信 4、 家 电控制 5、火灾报警系统 6、安全系统 7、 遥测 8、 计算机终端接口 当为高电平时,芯片处于发送状态； 反之，则处于接收状态。发送电路部分由 FsK 调制器、电流控制振荡器、正弦波形 成器、输出放大器和自动电平控制电路 (ALC)构成。单片机将数据从 17 脚输入，由此输入 图 2.11 LM1893 引脚图 的数据经 FSK 调制后形成开关控制电流，驱动电流控制振荡器产生三角波，再由正弦波形成 器形成已调正弦波信号，由输出放大器放大后，送 10 脚输出到电力线上。ALC 则用以控制 输出信号的幅值。18 脚为外接电阻端，用以调节载波频率。通过调节 5kQ 的可调电阻， LMl893 的中心频率可以在 50300kHz 的范围内选择。8、9 脚用于外接放大管的射级和基极 以提高发射功率。接收电路部分则由限幅放大器、锁相环解调器、RC 滤波器、直流偏置消 除电路和脉冲噪声滤波电路构成。载波信号由 10 脚输入，经限幅放大器放大后，送锁相环 解调器(PLL)解调，解调输出通过 RC 滤波器、直流偏置消除电路滤掉直流信号和高频信号， 最后经脉冲噪声滤波电路滤除信号中的脉冲干扰，从 12 脚输出解调后的数据信号。 其典型应用电路如下图 2.11。 图 2.12 LM1893 应用电路 表 2-1 LM1893 引脚功能列表 管脚符号功 能 说 明 东海科学技术学院本科生毕业论文 11 1电流控制振荡器控制电流振荡器的振荡频 2外接电容端控制电流振荡器的振荡频率 3锁相环外接电容端决定锁相环的锁定频率，捕捉范围，锁定带宽 4锁相环外接电容端决定锁相环的锁定频率，捕捉范围，锁定带宽 5发送/接收控制端发送/接收 6保持电容引出端为直流消除电路提供合适电压 7ALC 稳定控制控制 ALC 电路的动态特性 8外接提升管射极如需提高发射功率, 可从该端外接放大管,也可不接 9外接提升管射极如需提高发射功率, 可从该端外接放大管,也可不接 10载波 输出/输入载波信号的收发端口 115.6V 电压输出TTL 电平转换 12数据输出解调数据输出端 13积分电容引出端脉中消除电路外接积分电容, 消除脉冲干扰 14地地 15电源电源 16限幅放大器滤波电容抑制线路工频干扰 17数据输入数据输入 18载波频率调节调节电流控制振荡器的控制电流,从而调节载波频率 2.4.12.4.1 信号耦合变压器参数设计信号耦合变压器参数设计 在电力线载波电路中，信号耦合变压器既要保证有用信号的正确耦合，又要隔离电网杂 波。因此其参数选择是数据准确传输的关键。以下讨论此信号耦合变压器参数选择。 变比 N 选择的依据为负载 ZL。可能的最低值 ZLN。为了在满足信号时驱动 ZN。N 应该尽可 能大些。可以选择一个偏高的 N 值，然后进行检测。在 LMl893 芯片资料中推荐使用的变压 器副边抽头的 N 有三个值，分别为 707，lO 和 141。理论上分别驱动的 ZLN为 14 欧姆， 7 欧姆和 3.5 欧姆，根据实际需要本系统 N 为 10。标准的工作时其自感阻抗比负载阻抗要大 得多，因此耦合变压器需要相适应的 L 和 Q 。 由于本设计采用的谐振频率 F=200K，选择合适的变压器磁心就可以计算出原边绕组匝 数。 谐振频率 FQ=Fo，需要最小化的带宽，即最大化的 Q 值来确保信号在满负载时能够通过。取 BW=11.5%Fo (1) 1 1 12L Q BWR 变压器原边电感 (2) 1 1 0211.5% R L F 由(2)式可得 L1=49.11uH。求出了 Ll 的值，选择合适的变压磁心就可以计算出原边绕组匝数。 本系统采用中轴的的高频铁氧体磁心，其磁导率 A=285nHN2, 原边匝数为： 1 1 1 13.13 L T A (3) 东海科学技术学院本科生毕业论文 12 据原边与副边匝比 N=10。容易得出其副边绕组匝数为 1. 31。如此少的匝数会影响变压器的 精度。实际应用中，可以在压器中适当增加气隙。从而可以适当增加绕组匝数。本系统采此 方法将初级和次级绕组的匝数加倍。即初级匝数取 26. 3 匝。次级匝数取 2.6 匝。 2.4.22.4.2 谐振电路设计谐振电路设计 信号耦合是通过接口电路中谐振电容与变压器初级电感的谐振实现的，因此谐振频率 必须与载波信号频率相同。 (4)0 10 1 2 QFF L C (4)中谐振频率 Fo=125kHz，L1=49.11uH，从而可以求出 Co=33nF。此谐振电路允许芯片发送 的 125 kHz 的载波信号耦合到电力线上，同时允许电力线上同频率的载波信号传人芯片进行 解调，这就滤除了其他高频信号的干扰。然而，电网中负载的变化对信号传输有很大影 响因此应根据应用条件的不同适当改变匝比以保证载波信号传输的可靠性。 另一关键性器件是 LMl893 的 Pin8 与 Pin9 之间的功率放大三极管LMl893 芯片资料推 荐使用 NPN 型晶体管 2N2222但在实际应用中我们发现使用同为 NPN 型晶体管的 N2655 效果更好，其发热比前者有显著减少，有利于整个系统降低损耗，提高效率。 LM1893 电力线载波应用电路如图 2.12 图 2.13 电力线载波应用电路 东海科学技术学院本科生毕业论文 13 2.52.5 家用电器工作状态信号反馈电路设计家用电器工作状态信号反馈电路设计 家用电器工作状态信号反馈电路采用电流互感器检测家用电器是否工作，然后利用单片 机对感应信号的判断来进行控制。 电流互感器其工作原理：电流互感器起到变流和电气隔离作用。便于二次仪表测量需要 转换为比较统一的电流，避免直接测量线路的危险。电流互感器是升压(降流)变压器，它是 电力系统中测量仪表、继电保护等二次设备获取电气一次回路电流信息的传感器，电流互感 器将高电流按比例转换成低电流，电流互感器一次侧接在被控制电器设备上，二次测通过电 路连接到单片机上，然后利用单片机对感应信号的判断来进行控制。 第第 3 3 章章 远程室内家用电器的智能控制系统应用控制远程室内家用电器的智能控制系统应用控制 这一章将针对远程室内家用电器的智能控制系统的控制部分进行分析，对相应的硬件及 软件控制方面作详尽的阐述。远程室内家用电器的智能控制系统的控制部分可分为红外线遥 控信号的学习控制、遥控码掉电保存控制、红外信号转发控制、LM1893 载波芯片数据通信 工作状态控制、家用电器信号反馈控制等五个方面。五个控制部分既是独立的，又是密切相 关的。在远程室内家用电器的智能控制系统中，这五个方面都发挥着积极重要的作用。它们 相互构成一个整体，为远程室内家用电器的智能控制系统的正常可靠运行提供了必要的因素。 尤其是红外线遥控信号的学习控制和 LM1893 载波芯片数据通信工作状态控制部分，更是整 个系统得以运行的基础。因此，这一章将是整篇设计论文的重点，了解这一章的内容，对了 解整个系统的构成和研究都将起到很大的作用。 3.13.1 红外线及其遥控原理红外线及其遥控原理 红外线又称红外光波，在电磁波谱中，光波的波长范围为 0.01us0.01um。根据波长的 不同分为可见光和不可见光，波长为 0.38um0.76um 的光波为可见光,依次为红、橙、 黄、 绿、 青、 蓝、 紫七种颜色。波长为 0.01us0.38us 的光波为紫外光 （线）波长为 0.76 um1000um 的光波为红外光 （线） ，红外光按波长范围分为近红外、中红外、远红外、极 远红外 4 类。红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的，波长为 0.76 um1.5um。用近红 外光作为遥控光源，是因为目前红外发射器件（红外发光管）与红外接收器件（光敏二极管、 三极管及光电池）的发光与受光峰值波长一般为 0.8 um0.94um，在近红外光波段内，二 者的光谱正好重合，能够很好地匹配，可获得较高的传输效率及较高的可靠性。 红外遥控的基本原理：红外遥控的基本原理框图与遥控系统原理图一致，只是发射电路 是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波， 如图（）所示。红外接收电路由红外 接收二极管、三极管或硅光电池组成。它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号， 再送再置放大器。如图（）所示。 红外遥控的应用范围：红外光波的特点和特性决定了红外线遥控有广泛的应范围。由于 红外线为不可见光， 因此对环境影响很小。再由红外光波的波长远小于无线电波的波长， 所以红外线遥控不会影响其它家用电器，也不会影响邻近的无线电设备。另外，波长小于的 东海科学技术学院本科生毕业论文 14 1.5um 近红外光， 在透明大气中的传输特性要比可见光好得多， 而且由于它靠近可见光的 红光边缘，其直线传播、反射、折射和被物质吸收等物理特性与可见光非常相似。因此，它 可以使用与可见光类似的聚焦透镜等光学装置。由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿 过障碍物去控制被控制对象的能力，所以，在设计家用电器的红外线遥控器时，不必要像无 线电遥控那样，每一套（发射器和接收器）要有不同的遥控频率或编码（否则，就会隔墙控 制或干扰邻居的家用电器） ，所有同类产品的红外线遥控器，以有相同的遥控频率或编码， 而不会出现遥控信号“串门”的情况。这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控 提供了极大的方便。红外线为不可见光线，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了广泛地应用。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，是近距离遥控、特别是室内遥控的优选遥控方 式。 遥控系统又分为单通道遥控和多通道遥控。只有一个指令信号传送通道的称为单通道遥 控系统；具有两个以上指令信号传送通道的称为多通道遥控系统。单通道遥控比较简单，一 般来说，发射器仅有一