光电遥控开关设计论文.doc

天津工业大学理学院-光电设计说明书 光电课程设计设计说明书设计名称:光电多路遥控开关姓 名学 院 _专 业 光信息科学与技术 指导教师 _ _2012年6月28第一章 序言1.1 课题来源随着国际竞争的不断加大,科学技术迅猛发展,电子信息、无线通讯和自动化等技术已经广泛应用于人民的生活和工作中。遥控技术作为无线信息传输的一种方式,已经成熟地应用于各个领域,其中以无线遥控为主,又包含红外遥控、高频无线遥控、蓝牙技术等等,而后面的几种技术也在近几年越来越成熟。在现在红外遥控是当前使用最为广泛的通信和控制手段之一, 红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低， 成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用 到计算机系统中。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，因此红外线的遥控方式逐取代了超声遥控方式， 出现了红外线多功能遥控器， 成为当今时代的主流。由于其结构简单,体积小,功耗低,抗干扰能力强,可靠性高及成本低等优点而广泛应用于家用电器、工业自动化控制、信息通信、环境检测、安全防范、国防工业,以及日常生活和工作中常见的智能仪器系统等等各个方面。例如,卫生间的自动水阀、宾馆的自动门、电视机、数字音像设备、空调机和电风扇等,都采用了红外遥控装置。本次设计是基于无线远程控制的遥控开关,具有很典型的实用价值和参考意义。1.2 本次设计简介本次我的目的是设计一个光电多路遥控开关,其分两部分:遥控发射器和接收执行器,发射器与四路开关相连,而接收控制器接收信号并控制四只LED的亮灭。并且实现两种控制方式:第一种控制方式:闭合遥控开关时LED亮,放开时LED灭(设计三路,共控制三支LED);第二种控制方式:第一次按下时LED亮,第二次按下时LED灭,即开关开闭一次,LED的状态便转换一次.(设计一路,控制一只LED)。第二章 设计要求 本次设计的遥控系统,发射和接收部分均采用5V电源供电,要求在10m之内能有效的完成遥控功能.为了减少干扰,增加传播距离,发射端采用555振荡器产生42KHZ的载波,将编码信号由红外发射管以红外线形式发出.在接收端,我们选择采用CX20106对红外接收管采集到的已调信号进行解调后,送入解码器进行解码,最后将开关量输出,以LED的亮与灭来表征开关的作用.第三章 主要元件选择与功能介绍3.1 编码芯片与解码芯片编码和解码模块由三态编解芯片MC145026和MC145027组成，本组芯片是摩托罗拉公司生产的用于通信配对使用的最新芯片。MC145026可对9位输入信息进行编码,并以脉冲形式串行发出,MC145027则可以对接收到的脉冲进行译码,转换为并行的输出信息.1),编码芯片MC145026 图3.1 mc145026引脚图编码芯片MC145026是三态编码芯片,其引脚如图3.1所示.该芯片可以对9位输入信息（其中包括地址位A1A5，数据位D6D9）进行编码，其中每个输入端都可以有三种状态,即高电平,低电平,开路.TE脚为编码输出使能端,低电平有效,此引脚上每个脉冲都会使芯片将编码信号串行发出.当TE脚保持低电平时,编码数据将会连续发送.当期为高电平时,不发送数据.而当改引脚是开路状态时,片内的振荡器将停止震荡,这时的芯片处于一种功耗很低的状态.每个数据位用两个脉冲表示：“1”编码为两个宽脉冲；“0”编码为两个窄脉冲；“开路”编码为一宽脉冲和一窄脉冲交叉。当TE端输入脉冲上升沿时，编码后的数据流开始由D0串行输出。对于每9位数据信息，可以看作是一个数据字，为了提高通信的安全性，编解码芯片对每个数据字发送两次,在第一次与第二次发送之间有三个脉冲的间隔.如图3.2 图3.2DO脚为编码信息输出脚.RS,R,C分别接电阻,电容,构成振荡器,以控制芯片串行发送的频率。2).解码芯片MC135027图3.3MC145027是与MC145026配套的解码芯片，其引脚分布如图3.3所示。MC145027 通过 RC 积分电路来完成宽窄脉冲的识别 ,定时元件 R1、 C1 决定对宽窄脉冲的识别。 R2、C2 是用于整个发送周期的辨别。当编码信号从数据输入端输入时,该信号经 R1、C1 积分电路积分后送至数据提取电路,数据提取电路在输入信号的每一个上升沿通过检测输入脚的状态来判断输入的是宽脉冲还是窄脉冲。假定数据输入端输入的是“开路”编码（即一个宽脉冲和一个窄脉冲）,宽脉 冲开始于 t0 时刻,结束于 t1 时刻,窄脉冲开始于 t2 时刻,结束于 t3 时刻,整个编 码于 t4 时刻结束。那么,在 t1 时刻,7 脚的电压为：在此时刻,数据提取电路检测到的 7 脚电平为高电平,说明上一个脉冲为宽脉冲;此后窄脉冲通过 R1 给 C1 充电,在窄 脉冲结束时的 t3 时刻,7 脚的电压为 0.74Vcc,在此后的一段时间里 C1 通过 R1 放电,在编码结束的 t4 时刻,7 脚的电压为 0.1Vcc。此时数据提取电路检测到 7 脚的电平为低电平,说明上一个脉冲为窄脉冲。 由此可见 MC145027 并不是对接收 到的脉冲信号直接进行解码,而是将输入信号积分后进行解码,由于积分电路能 滤除瞬间的尖脉冲干扰,因此 MC145027 接收的编码信号即使受到某种程序的干 扰,MC145027 依然能够进行正确的解码,这一点对于芯片能应用于环境复杂的工业现场特别重要。3).关于编码解码器的振荡频率 MC145026/7集成度高，功能强。在进行编码和译码的设计时，所需要的外部元件非常少。对于振荡频率Fosc在1-400KHZ之间的编码、译码电路，其频率与外围元件的关系如下： 译码器中的阻容元件，一般都是在编码器中的电阻Rtc,Rs,电容Ctc等选定后，根据上式进行计算后确定的。 下表列出了一组振荡频率Fosc与阻容元件参数间的关系：图3.43.2 NE555构成多谐振荡器利用振荡器调制的功能是为了提高传输信号的抗干扰能力,将编码信号调制在较高频率的载波上发射。根据本课题芯片使用的特定要求和成熟的模块电路,我们决定采用NE555 芯片搭建载波频率为42KHz的脉冲调制振荡电路。555电路组成多谐振荡器,主要产生矩形波脉冲,这种脉冲可用于数字程序控制电路的时钟脉冲信号源、电源变换器的交流信号源、定时器和载波信号源等。图3.5由555 定时器组成的多谐振荡器如图3.6所示,其中R1、R2 和电容C 为外接元件。其工作波如图3.6所示。图3.6 3.3 红外线/超声波接收专用芯片CX20106 索尼公司的生产的CX20106红外线接收专用集成电路是广泛用于彩色电视机等电器中的红外线遥控接收的前置放大器。由于功能强，性能优越，成本低，故已在各种红外线遥控系统中得到广泛的应用。CX20106的内部结构如图3.7它由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。其中的电平自动控制电路可以保证在输入弱信号时前置放大器有较高增益，在输入强信号时前置放大器不会过载，可以保证在一定遥控距离（约m）内工作可靠。其内部设置的滤波器中心频率f0由其脚外接电阻调节，范围可从KHzKHz。CX20106的主要参数如下：电源电压典型值为，最大。电源电流.mA(典型值为1.8mA)。输出低电平。电压增益d。输入阻抗。滤波器中心频率zz。允许功耗.。图3.7 其工作过程大致如下:其中的前置放大器将外接红外接收管产生的脉冲电压进行放大,电压增益约77-79dB。然后将信号送限幅放大器,使其变为矩形脉冲,再由滤波器进行频率选择,滤除干扰信号,由检波器滤掉载频检出指令信号,再经整形后,由7脚输出指令信号。实际上,CX20106 的功能用一句话概括,就是当接收到与CX20106 滤波器中心频率相符的红外光信号时,其输出端7脚就输出低电平。3.4 红外接收和发射管 我们在设计中选择了红外发射管SE303与红外接收管PH302配套使用。 第四章 具体电路设计与参数计算4.1 总体设计框图本设计的原理框图如图4.1 所示,主要由编码电路,振荡电路,红外线发射端,红外线接收端、解调电路、译码电路,LED 控制电路等组成。在红外线遥控发射端,编码器MC145026按照按键产生编码信号,输出振荡频率约2kHz 的编码信号,用以调制振荡频率为约42kHZ的载波信号,产生编码调制信号,之后驱动红外发光二极管发射信号。在接收端,红外线专用接收器CX20106 接收调制信号并进行放大,滤波,解调并整形输出编码信号,编码信号又被送入译码器MC145027 中,经过译码的信号通过LED 控制电路进行处理后,形成2种方式多通道的LED 驱动电路,实现了遥控功能。 图4.14.2 开关及编码电路开关及编码电路如图4.2所示。 图4.2我们将MC145026的A1-A5均置为低电平，即地址位均为0.同时把TE脚接地，当此引脚保持低电平时，串行编码数据会保持连续发送的状态。因为考虑到最后采用高频载波搭载信号，我们将MC145026参数选择为Rs=50 Rtc=100 Ctc=5100pF,代入公式计算后，可以确定Fosc为1.71KHz，基本满足我们的要求。4.3 振荡电路参数选择 由NE555 设计的多谢振荡器电路4.3，主要将编码器MC145026 的信号进行载波处理。其振荡周期T=T1+T2。T1 为电容充电时间,T2 为电容放电时间。(1)充电时间T1=ln2R12C10.7R12C1;(2)放电时间T2=ln2R1C10.7R1C1;(3)矩形波的振荡周期T=T1+T2=T1=ln2R12C1+ln2R1C1;(4)占空比q=(脉宽tw)/(周期T),tw 指输出一个周期内高电平所占的时间。图所示电路输出矩形波的占空比q=T1/(T1+T2)=R12/(R12+R1);(5)振荡频率f=1/T。因此改变R12、R1 和电容C1 的值,便可改变矩形波的周期和频率。对于本电路,我们取R12=R1=1.2K,C1=0.01uF,所以可得振荡频率f=1/T=41.6KHz 的矩形波,与CX20106的红外接收频率42KHz 基本匹配。此外,此处加了连个二极管,使其占空比q=1/2,输出的是方波,增大了其发射的功率,满足了设计的需要。 图4.3 4.4 接收电路部分1）cx20106部分如图CX20106 是专为红外遥控电路制作的专用集成电路,最大接收距离10m。外围器件R1、C1 的参数决定放大器的增益,当R9=10O,C2=1uF时,电压增益约79dB,R9 增大、C2 减小则会使增益降低。R3确定带通滤波器的中心频率,调节R3 使f0变化范围为30KHz-60KHz,此处选择R3为200K,使其中心频率为42KHz。C2是检波电容,一般取值为2.2uF-4.7uF。R2是上拉电阻,一般取值为22KO。 图4.42）MC145027部分 NC145027的外接电容和电阻可以根据MC145026与Mc145027外接电容电阻的关系得出： R1C1=3.95RTC.CTCR2C2=77 RTC.CTC 所以最后选择R1=50,R2=200 C1=0.02UF,C2=0.1uf. 同时，我们在D6脚后加了一个74LS74以此实现D6每翻转一次，改变此次LED的状态。第五章 总结心得体会两周的光电课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我们所学习的知识，也培养了我们如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程.“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我们深深体会到这句千古名言的真正含义.我们今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次光电设计，大家在多方面都有所提高。通过这次光电设计设计，综合运用了我们所学的电路知识，元器件知识，用PRTEUS软件将我们设计的电路图规划出来，我们试图用元器件将我们所设计的电路焊接起来，但是由于市场上销售的元器件不能满足电路的要求，所以我们这一想法没能实现，这对我