单片机的红外通信系统设计

科科 研研 训训 练练 题题 目 单片机的红外通信系统设计目 单片机的红外通信系统设计 指导教师 指导教师 学生姓名 学生姓名 班级学号 班级学号 评语和成绩 摘要 摘要 本文索要介绍的内容就是如何利用单片机 结合红外线器件设计构建出一 套简易的红外通信系统 以实现在中短距离内的红外无线通信的功能 与一般 红外遥控器不同的是本文通过单片机的编 解码程序来实现红外信号的发收 从而实现红外遥控通信功能 此通信系统经过一定的拓展 完全可以实现通信 和各种红外遥控器的功能 关键字关键字 单片机 红外通信 发射 接收 遥控 接口 Abstract This paper introduced the content of that how to use for SCM combined with the infrared device design to construct a simple infrared communication system in order to realize the infrared wireless communication in short distance within the function Unlike the general infrared remote control is based on single chip encoding decoding process to achieve the infrared signal sending and receiving so as to realize the infrared remote control function This communication system after a certain development can achieve communication and various kinds of infrared remote control function Keywords single chip infrared communication emission reception remote control interface 1 红外线通信原理红外线通信原理 红外数据通信指的是两台设备之间通过红外线进行无线数据传输的一种数 据传输方式 一般采用红外波段内的近红外线 波长在 0 75 m 至 25 m 之间 红外数据协会 IrDA 成立后 为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信 效果 将红外数 据通信所采用的光波波长的范围限定在 850nm 至 900nm 之间 红外通信的最大特点在于它替代了设备与设备之间传统的线缆连接 进而摆脱 了不同平台设备连接时对于特制接口的要求 使得跨平台设备间的数据交换简 单到只需彼此相对 1 1 红外通信技术的特点 它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术 被众多的硬件和软件 平台所支持 通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据收发 主要用来取代点对点的线缆连接 新的通讯标准兼容早期的通讯标准 小角度 30 以内 短距离 点对点直线数据传输 保密性强 传输速率较高 目前 4M 速率的 FIR 技术已被广泛使用 16M 速率的 VFIR 技 术已经发布 1 2 红外通信技术的缺点 通信距离短 通讯过程中不能移动 遇障碍物通信中断 目前广泛使用的 SIR 标准通信速率较低 115 2kbit s 主要用于取代线缆连接进行无线数据传输 功能单一 扩展性差 2 系统的总体构成系统的总体构成 系统整体结构如图 1 所示 2 1 红外发射器的结构 红外发射器的关键是红外发光二极管和响应的驱动电路 红外发光耳机光 首先要满足其调制带宽大于信号的频谱宽度 保证通信线路畅通 此外发光二极 管的发射波长应与接收端的光电探测器 选用硅光二极管 的峰值响应相匹配 最大程度地抑制背景杂散光干扰 现阶段一般选用 780nm 950nm 的红外波段进 行数字信号传输 由于红外无线通信系统的信噪比与发射功率的平方成正比 所 以适当提高红外发射器的发射功率 并采用空间分集 全息漫射片等可使发射 端的光功率在空间均匀分布的措施来降低误码率 提高 通信质量 其原理图如图 2 所示 图 2 1 红外发射器原理框图 2 2 红外接收器的结构 红外接收器先进行光电转换 将红外脉冲信号变为电信号 经过适当的频域 均衡后进行码元判决 码元判决电路是接收器设计的核心部分 由于信号采用红 外无线进行穿社 其电平变化范围较大 所以码元判决电路必须是自适应的 接收 的信号经自适应码元判决后变成数字信号 再进行适当的解码转换为差分信号 进入计算机网卡的信号输入端 红外接收器包括红外接收部分以及后续的信号 采滤波 判决 量化 均衡和解码等其原理框图如图 3 所示 图 2 2 红外接收器原理框图 3 红外系统硬件电路部分的设计红外系统硬件电路部分的设计 红外线通信主从模块所使 用的单片机为 c8501f350 该单片机是 siliconLab 公司生产的增强型 51 系列单片机 速度可以达到 50MIPS 集成有 UART IIC SPI ADC DAC 和 TIMER 等功能单元电路带有 PGA 的 8 路 24 位 ADC 能够完成高精度模拟量采集 路电流输出 DAC 用于模拟量输出 异 步串行接口 UART 用于主节点与上位机通信 具有 4 个定时器和 PCA 电路用定 时器 产生 UART 时钟信号 定时器 4 产生红外线发射的 38KHz 调制脉冲信号 定时器 3 用于红外线接收定 时 红外线发送通过 P1 4 引脚驱动晶体管 9013 实现晶体管连接的电阻 R1 为 510R2 为 10 红外线发射管市售的大多数产品都可以红外线接收器采用一体化接 收头 TOP8138 只要将它的信号输出端接到单片机的 P1 5 即可红外线发射与接 收电路的连接如图 3 1 所示 图 3 1C8051F350 单片机的红外线 发射与接收电路 3 1 红外发射电路的设计 单片机通过 I O 端口控制整个发射过程 其中 红外载波信号采用频率为 38KHz的方波 由 PIC18F248的 CCP模块的PWM功能实现 并由CCP1 端口传输到三 极管T2的基极 待发送到数据由单片机的 TX 端口以串行方式送出并驱动三 极管 Q1 当 TX 为 0 时使Q1 管导通 通过 Q2 管采用脉宽调制 PWM 方式调制成38KHz 的载 波信号 并由红外发射管D1 以光脉冲的形式向外发送 当TX 为 1 时使Q1 管截止 Q2 管 也截止 连接Q1和 Q2 的两个上拉电阻 R1和 R3把三极管的基极拉成高电平 分别保 证两个三极管可靠截止 红外发射管 D1不发射红外光 因此通过待发送数据的 0 或 1 就可控制调制后两个脉冲串之间的时间间隔 即调制PWM的占空比 比如若传送 数据的波特率为1200bps 则每个数位 0 就对应32 个载波脉冲调制信号 红外发射管D1采 用 TSAL6200 红外发射二极管 其实现将电信号转变成一定频率的红外光信号 它 发射一 种时断时续的高频红外脉冲信号 由于脉冲串时间长度是恒定的 根据脉冲串之 间的间隔大 小就可以确定传输的数据是 0 还是 1 图 3 2 红外发射电路 3 2 红外接收电路设计 当接收到载波频率为 38KHz 的脉冲调制信号时 首先 HS0038B 内的红外 敏感元件将脉冲调制红外光信号转换成电信号 再由前置放大器和自动 增益控制电 路进行放大处理 然后通过带通滤波器进行滤波 滤波后的信号由解调电路进行解调 最后由输出电路进行反向放大并输出低电平 未接收到载波信号时 电路则输出高电 平 这样就可以将断断续续的红外光信号解调成一定周期的连续方波信号 并通过单 片机的串口输入单片机 由单片机处理后便可以恢复出原始数据信号 红外接收电路主要采用 Vishay 公司的专用红外接收模块 HS0038B 接收电路 及 HS0038B 内部结构如下 图 3 3 红外接收电路 3 3 用户接口电路的设计 用户接口包括用户的输入和系统的可观察输出 在本系统中 主要指用户 键盘输入与系统相关指示显示 即串口通信 这是遥控控制及人机交互的平台 在通信系 统里特 别的重要 1 按键输入电路 2 考虑到用户的需要 同时考虑系统的体积限制 我们设计了关闭 编号 0 9 的数 字键 共计 11 个控制按键 按键电路设计如图 3 6 所示 图 3 4 按键输入电路 若要使用户在需要的时候能够给予及时的反馈信息 出于同样的考虑 我 们还可以在每个按键的旁边设置一个指示灯 以便用户能够正确的识别按键信 息 电路设计如图 3 5 所示 图 3 5 指示显示电路 4 红外通信系统的软件设计红外通信系统的软件设计 软件的设计 要求准确无误的实现红外遥控器的控制功能 并要求系统具 有高的可靠性 快的反应速度 以及低的系统功耗 本系统的控制功能主要 包括发射端的键盘按键输入 按键信息的编码输出 接收端 的译码显示以及 报响控制等功能 下面是对红外发射与红外接收软件程序设计的具体阐述 4 1 红外遥控发射程序 该红外遥控反射器的编码原理设定为 以接收端为准 以 9000us 的 L 加 4500us 的 H 位码头 起始信号 紧接着从低到高的顺序发出 8 位的识别码 01001011B 然后是 4 位的数据码和 4 位的数据反码 先低后高 最后以 2000us 的 L 结束一串编码信号 其中以 565us 的 L 加 560us 的 H 表示 0 以 565us 的 L 加 1685us 的 H 表示 1 注意发射与接收的电平恰好相反 即要使接 收端接到 L 则发送 H 反之亦然 这种遥控码具有以下特征 采用脉宽的串行码 以脉宽位 0 565ms 间隔 0 56ms 周期为 1 125ms 的 组合表示二进制的 0 以脉宽位 0565ms 间隔 1 685ms 周期 2 25ms 的组合 表示二进制的 1 见图 4 1 上述 0 和 1 组成的 16 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 本课题设计的遥控器产生的遥控编码是连续的 16 位二进制码组 其中前 8 位为用户识别码 能区别不同的红外遥控设备 防止不同机种遥控码互相干 扰 本处采用的 8 位识别码设定为 01001011B 后 8 位为 4 位的操作码和 4 位 的操作反码用于核对数据是否接收准确 当遥控器上任意一个按键按下超过 18ms 时 单片机的振荡器使芯片激活 将发射一个特定的同步码头 对于接收端而言就是一个 9ms 的低电平 和一个 4 5ms 的高电平 这个同步码头可以使程序知道从这个同步码头以后可以开始 接收数据 红外遥控发射程序流程图如下图 4 3 所示 图 4 3 红外遥控发射程序流程图 4 2 接口驱动 接口驱动程序是整个系统的关键部分 本文设计的接口电路主要功能是由单 片机通过软件控制来实现 设计要达到的目标是 异步半双工 8 位数据格式 MAX3100 接口速率达到 62 500 bps 红外载波速率为 38 kHz 3 1 串口功能 设置 AT89S52 内部集成了一个 UART 模块 支持 4 种工作方式 如表 1 4 所 示 工作方式由位寻址寄存器 SCON 的 SM0 和 SM1 设定 由于 MAX3100 的支持速率为 2 4 115 2 kb s 为了设定可变的波特率 我们采用工作方式 1 并针对 T1 产生的波特率 其波特率计算公式为 波特率 SMOD 1 f OSC 32 12 28 X 1 式中 SMOD 是串行通信波特率倍增位 X 为 TH1 和 TL1 预置的初值 比如要得到波特率为 62 500bps 单片机时钟频率为 12 MHz SMOD 1 T1 的初值为 0FFH 代入公式 1 中得到的波特率为 62500 bps 串 口功能设置完成 AT89S52 单片机内置 3 个 16 位定时器 计数器 其中 T2 是一个 16 位 的具有重载和捕获能力的定时 计数器 它的操作类型由特殊功能寄存器 T2CON 的 C T2 位决定 C T2 0 时 选择 T2 为定时器方式 C T2 1 时 选择 T2 为计数器方式 T2 有 3 种操作方式 捕获 重载 波特率产生器 由特殊功 能寄存器 T2CON 位决定 如表 2 所示 4 3 载波发生器的设置 T2CON 的首地址为 0C8H 捕捉比较寄存器改变 PWM 输出信号的占空比 为了获得可变的输出频率 采用定时器 2 工作在 16 位自动重载方式 重载值为 0FEBDH 由于系统时钟设为 12 MHz 根据公式 2 求出输出载波频率为 38 04 kHz 输出频率 系统频率 65 536 重载值 2 当 PWM 使能后 计数器 T2 载入计数初值为 M 开始计数 计数值不断地和 占空比值进行比较 经过 216 M 个机器周期 T2 溢出一次 PWM 引脚输出 电平翻转 计数器继续计数 直到再次溢出 此时一个周期的方波输出完成 PWM 的占空比计算公式为 占空比 65 536 初值 65 536 3 本设计是占空比为 50 的方波 初值为 8000 H 4 4 红外通信流程 考虑到红外光反射的因素 在全双工方式下发送的信号可能会被本身接收 因此红外通信需采用异步半双工方式 保证发送时不接受 接收时不发送 5 程 序流程如图 4 4 所示 图 4 4 红外通信流程图 5 电路的调试与测试电路的调试与测试 系统的调试与测试是系统设计的必须过程 是其中一个重要的组成部分 一个稳定可靠的系统 必然是能经受系列严格的测试与考验的 对于单片机红外 遥控器 为简单起见 在实际测试过程中 我们其实只需要测试硬件部分电路的收发就 可以达到测试的目的了 因为在单片机应用系统中 硬件部分电路和软件控制是紧 密相连的 对系统硬件电路的测试 就已经包含了对软件控制功能的测试 如果硬件 尚未测试 就将软件移 置到系统中进行综合测试 那将是难以想象的 因为这样