51单片机控制的智能窗的设计 精品.doc

基于51单片机控制的智能窗的设计引言:当今世界建筑正朝着智能化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会的文明程度在一定历史时期的体现。但现在使用的窗户大多数是单纯的推拉式或平移式的，并且与自动控制毫不沾边,更不用说智能化了。如果使窗户具有一定的智能,如下雨则自动关、室内有害气体超标则自动开、有盗贼入内则自动报警等,就会给人们的居家生活带来诸多方便,从而进一步提高人们的生活质量。再者，这给在楼层高的住户擦拭玻璃带来很大困难。沿着这样的思路,我们设计了以AT89S51单片机为中央控制器的智能窗。该智能窗能通过其数据检测传感电路不断循环检测室内湿度、有害气体(如媒气)浓度等信号，经处理后传入单片机。单片机对信号进行运算，然后与由预先设置的参数临界值相比较,从而作出开/关窗 的判断,再结合窗状态检测电路所检测到的当前窗状态,再输出脉冲信号调整步进电机，完成下雨刮风自动关窗、室内有害气体超标自动开窗等。1 总体方案的设计1.1 本设计的主要任务和内容1、自动开关窗：阳光明媚的早上光敏晶体管感光通过单片机控制板自动打开窗户，更新室内空气；傍晚太阳落下时窗子自动关闭；2、自动防风：当风速超过8m/s时，风速传感器检测信号，单片机控制板使窗户自动关闭。即使主人不在家，照样将其看管得无微不至，为您营造一个干干净净的环境。3、自动防雨：平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，湿敏传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机动作，窗门自动关闭，使您的家用设备遭雨水侵袭，解除您的后顾之忧。此功能特别适合高楼住户。4、防盗：如遇上小偷触碰窗户，振动传感器检测到振动信号后，单片机控制板控制窗户上的喇叭播放“抓贼了，在单元号”的报警声，接着电动机动作，关闭窗户，避免造成财产及安全损失。5、防可燃性气体泄漏： 当室内的液化气、天然气等可燃气体发生泄漏时，传感器检测到气体信号时，单片机控制板控制报警蜂鸣器立即发出报警声，接着电动机动作，打开窗户将有毒气体排到窗外，这样既有效地防止人中毒，也能避免火灾、爆炸事故的发生。6、独特旋转功能：窗扇可实现180旋转，便于高层住户擦拭玻璃。1.2 智能窗的总体构成本智能窗主要机械传动部分和自动控制系统组成。其中，机械传动部分要由窗框、窗扇、齿轮齿条等。自动控制系统主要包括AT89S51单片机组成的中央控制器,数据检测传感电路, A/D转换器,窗驱动控制接口电路、窗驱动电路、步进电机等组成。其整体结构如图1-1所示。 图1-1 整体结构图1-窗框 2-窗扇 3-窗扇2 4-护罩 5-齿条 6-电机固定座上 7-滑槽块 8-电机固定座下 9-电机滑移螺栓 10-固定螺母 11-固定螺栓 12-行程开关 13-煤气传感器 14-风速传感器 15-湿度传感器 16-人体热释红外传感器 17-光敏传感器 18-步进电机图1-2 控制系统架构图2 机械结构的设计2.1 自动开关窗机械传动形式设计2.1.1 自动开关窗任务分析 智能窗的传动任务是由动力源通过传动机构带动窗扇在滑移槽内来回滑动，任务简单，但要求精确度较高。通过学习机械设计知道，齿轮齿条传动传动较为准确、可靠，并且机械效率高18，因此，选定齿轮齿条传动能满足智能窗传动任务的要求。传动形式见图2-1。图21 齿轮齿条传动2.1.2 齿轮齿条参数选择 由于此传动所带负载不是很大，故齿轮齿条参数选取较为宽松，根据具体需要确定其主要参数为：齿轮：m=1.5 Z=20d=mz=30mm=20P=m=3.141.5=4.7mm齿条：m=1.5=20P=m=3.141.5=4.7mm2.2 窗框与窗扇的结构设计2.2.1 窗框结构设计 此窗框是在常规窗框的基础上进行的更改设计，在窗框上下两侧各开一道滑移槽，使窗扇开关窗时在滑移槽内滑动实现关窗。同时为实现窗扇的旋转在滑移槽一侧各设计一转轴槽。其具体设计见图1-3窗框结构图。图2-2 窗框结构图2.2.2 窗扇结构设计 窗扇在常规窗扇的基础上进行部分改进，在窗扇一侧加一旋转轴，同时在旋转轴上安装滑动轮。具体设计见图2-3。 图2-3 窗扇结构图2.2.3 步进电机滑槽设计为实现窗扇的180旋转，特别将电机卡座设计成可上下移动的形式。具体设计见图2-4滑移槽设计图与2-5步进电机滑槽设计装配局部图。图2-4滑移槽设计图 图2-5步进电机滑槽设计装配局部图2.3 180旋转工作流程示意图1、窗户开闭状态图 2、拿下防护罩状态图本设计窗扇可以具有180旋转功能，此设计解决了楼层高的住户擦拭玻璃困难的问题。绘制了其工作流程示意图加以说明，见图2-6。3、齿轮与齿条离合状态图4、旋转后状态图图2-6 180旋转工作流程示意图3 自动控制系统主要硬件的设计3.1 单片机选型3.1.1 单片机发展过程 单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个既小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。其诞生于20世纪70年代末，主要经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。1）SCM即单片微型计算机（Single Chip Microputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。2） MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。3)MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。4)单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统4。3.1.2 单片机发展趋势 （1）CMOS化 近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。（2）高性能化 主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。（3）低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。（4）低功耗化 单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3至6V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化（5）大容量化 以往单片机内的ROM为1KB至4KB，RAM为64B至128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB（6）低电压化 几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3至6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1至2V。目前0.8V供电的单片机已经问世5。3.1.3 AT89S51单片机简介 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能更强。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS 51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51系列单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51系列可能最终形成事实上的标准MCU芯片6。本设计采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机AT89S51。其片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数：（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器（3）1000次擦写周期（4）4.0-5.5V的工作电压范围（5）全静态工作模式：0HZ-33MHZ（6）三级程序加密锁（7）128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线（8）2个16位定时/计数器（9）6个中断源（10）全双工串行UART通道（11）低功耗空闲和掉电模式（12）中断可从空闲模式唤醒系统（13）看门狗（WDT）及双数据指针（14）掉电标示和快速编程特性（15）灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）3.2 数据检测传感器的选择3.2.1 数据检测传感模块组成 根据该设计的功能要求数据检测传感系统由四个部分组成： 1)光度传感电路； 2)风速传感电路；3）湿度传感电路；4)有害气体传感电路；5)红外防盗传感器。3.2.2 传感器选型及电路 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节9。1、光度传感器光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、太阳能电池、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。其中最简单的光敏传感器是光敏电阻，本设计中采用光敏电阻与驱动电路来构成光敏传感电路。电路图如图2-1所示。图3-1 光敏传感器驱动电路图3-1中，当外界环境光照强时，光敏电阻R2阻值较小，则A点电平较低；当外界环境光照弱时，光敏电阻R2阻值较大，则A点电平较高，将此电平送到单片机，由程序控制是否驱动电机开关窗。2、风速传感器风速传感器是将空气的流动速度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。风速传感器种类有采用毕托管测风速、热线热膜测风速、机械式传感器测风速、超声波测风速和三杯式风速传感器测风速。在本设计中采用风杯式YH12X风速传感器，产品见图3-2。图3-2 YH12X风速传感器YH12X风速传感器工作原理：当风杯随着气流的运动而转动时，风速轴带动码盘与风杯成正比地转动，从而输出电脉冲信号，将机械转动信号转换成电信号。风向测量采用进口红外光电管,格雷码盘等器件。当风向标随着气流的运动而转动时，风向轴带动格雷码盘同时转动,从而输出七位格雷码信号，将机械位置信号转换成光电脉冲信号，通过微处理器CPU记录每秒种的产生的光电脉冲的个数，快速运算处理后即可的出气流的运动速度。计算原理如下：每秒种产生光电脉冲的个数：n齿轮的圆周半径 ： R (m)齿轮的总个数： N风杯轴承的传动系数：风杯的线速度 : V1(m/s)风速：V （m/s）风速的计算公式为： (3-1)风杯的转动线速度： (3-2)可通过转换处理将数据以其他形式输出，传递给其他智能设备。YH42X风速显示器工作原理：风速显示器对接收到的风速信息进行处理,换算转化成实际风速风级显示到对应的显示器中,风速显示器还可以针对预先设定的报警参数,当风速超过其参数时触发关窗信号，单片机接到信号处理后，通过驱动电路驱动电机，完成关窗动作。2、湿度传感器Honeywell公司的HIH3610湿度传感器是为大批量OEM设计，具有湿度仪表级测量性能，低成本，SIP封装。线形放大电压输出，驱动电流200微安，器件一致性好3。特点：湿度传感器HIH3610主要性能： （1）热固性聚合物电容湿度传感器，带集成信号处理电路 （2）3针可焊塑封 （3）宽量程：0100RH非凝结，宽工作温度范围4085（4）高精度：2RH，极好的线形输出（5）5VDC恒压供电，0.8-3.9VDC放大线形电压输出（6）低功耗设计200微安驱动电流（7）激光修正互换性 （8）快速响应15秒（9）稳定性好，低温漂，抗化学腐蚀性能其引脚如图3-2所示：图3-2 HIH3610引脚图3、有害气体传感器MY1000系列电化学式一氧化碳气体传感器是由广州市中敏仪器有限公司生产的产品,它是一种定电位电解式电流型传感器。该产品具有结构紧凑，体积小，功耗低，测量精度高，稳定性好，寿命长等优点。其性能和可靠性达到国内或国外同类产品的水平，属于气体传感器整机的核心部件3。（1）检测原理：本传感器元件采用的是定电位电解原理，组成主要由三个电极组成，电极材料是贵金属催化剂，主要是铂黑，其中各电极的作用如下：工作电极（W）：一氧化碳气体的氧化，对电极（C）：氧气的还原，对电极（R）：为工作电极提供恒定电位。当一氧化碳接触到工作电极时，即发生氧化反应，生成二氧化碳和氢离子，并产生电子，氢离子发生离子迁移，在对电极上接受电子，并与氧气发生还原发应，生成水。电极反应如下;工作电极：CO+H2OCO2+2H+2e 对电极： 1/2O2+2H+2eH2O总反应： 2 COO22 CO2由反应式可知产生的电流大小与一氧化碳的浓度成正比，因此可以通过测量产生的电流的大小就可以检测出一氧化碳的浓度。（2）技术指标：表3-1 MY1000技术性指标 范围参数检测范围0至1000ppm相对误差5压力范围86-106 Kappa先好衰减%2/月温度系数1.5%相对湿度%30至95%响应时间10s零点漂移2Fimax（1）由于A/D转换需要一定的时间，所以在每次采样结束后，应保持采样电压在一段时间内不变，直到下一次采样的开始。实际中采样-保持是做成一个电路。（2）量化与编码 模拟信号经采样-保持电路后，得到了连续模拟信号的样值脉冲，他们是连续模拟信号在给定时刻上的瞬时值，并不是数字信号。还要把每个样值脉冲转换成与它幅值成正比的数字量。以上为A/D转换的一般步骤，在本电路中由ADC0809芯片完成2.ADC0809内部结构及主要性能ADC0809八位逐次逼近式AD转换器是一种单片CMOS器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接连通8个单端模拟信号中的任何一个。其内部结构如图2-6所示。图3-6 ADC0809内部结构图ADC0809主要性能：（1）逐次比较型（2）CMOS工艺制造（3）单电源供电（4）无需零点和满刻度调整（5）具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容（6）易与各种微控制器接口（7）具有锁存控制的8路模拟开关（8）分辨率：8位（9）功耗：15mW（10）最大不可调误差小于1LSB（最低有效位）（11）转换时间128微秒（12）转换精度：0.4% ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为101280kHz。典型时钟频率为640kHz3.引脚排列及各引脚的功能，引脚排列如图3-7所示。图3-7 ADC0809引脚图IN0IN7：8个通道的模拟量输入端，可输入05V待转换的模拟电压。D0D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输入；当CBA=111时，IN7输入。ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把ABC的状态锁存到内部的多路开关的地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下降沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。EOC：转换结束信号输出端。启动A/D转换时它自动变为低电平。OE：输出允许端。CLK：时钟输入端。ADC0809的典型时钟频率为640kHz，转换时间约为100s。REF(-)、REF(+)：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为5V。VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用5V单一电源供电。当ALE为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存，并译码。在START上升沿时，所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进行A/D转换，此期间START应保持低电平。在START下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，EOC为低电平时，表示正在转换，为高电平时，表示转换结束。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平时，允许转换结果输出。3.3.3 A/D转换器与单片机接口电路的设计 ADC0809与8051单片机的硬件接口有3种形式，分别是查询方式、中断方式和延时等待方式，本设计中选用中断接口方式。由于ADC0809无片内时钟，时钟信号可由单片机的ALE信号经D触发器二分频后获得。ALE引脚得脉冲频率是8051时钟频率的1/6。该题目中单片机时钟频率采用6MHz, 二分频后为500Hz,符合ADC0809对频率的要求。由于ADC0809内部设通道基本地址为0000H0007H。其对应关系如下表所示。有地址锁存器，所以通道地址由P0口的低3位直接与ADC0809的A、B、C相连。表3-3 地址通道对应关系地址码输入通道ABCIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111控制信号：将P2.7作为片选信号，在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和启动转换。由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换。在读取转换结果时，用单片机的读信号和P2.7引脚经或非门后，产生正脉冲作为OE信号，用一打开三态输出锁存器。其接口电路如图3-8所示。图3-8 ADC0809与AT89S51单片机接口电路3.4 语音报警电路的设计3.4.1 语音录放电路的设计 ISD1420是美国ISD公司出品的新型单片优质语音录放电路，较之以往所有的语音电路，具有专利技术的模拟处理存储方式，使录放音质极佳，没有常见的的背景噪音，且电路断电后语音内容仍不丢失。电路内部由振荡器、语音存储单元、前置放大器、自动增益控制电路、抗干扰滤波器、输出放大器组成。一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按钮、一个电源、少数电阻电容组成。10特性：（1）使用简单的单片录放音电路（2）高保真语音/音频处理（3）开关接口放音可以是脉冲触发或电平触发（4）录放周期为16和20秒（5）自动功率节约模式（6）当一个录音或放音周期结束后自动进入掉电状态（7）掉电状态的典型电流为0.5uA（8）零功率存储（9）不需要电池备份电路（10）处理复杂信息可使用地址操作（11）100年信息保存典型（12）片上时钟（13）不需要编程器和开发系统（14）+5V供电（15）提供裸片DIP SOIC封装（16）提供工业级别温度型号（-40到85）系统的语音录放电路如图3-9所示。电路中采用AT89S51作为CPU，用它的P1.0P1.5与ISD1420相接。在设计电路时ISD1420的所有地址端、控制端必须可靠接高电平或低电平而不能悬空，否则可能出现停止播放的情况。话筒信号耦合电容与连接MICREF端到模拟地的电容要相同。要特别注意的是ISD1420芯片的SP+、SP-端一定不要直接接地，只能接扬声器或者悬空。外接功放器时，采用单端输出，另一端接10F到地或悬空，否则ISD器件会损坏。图3-9 语音录放电路3.4.2 扬声器驱动电路的设计 通常ISD1420的驱动能力有限（0.5W），直接接到扬声器上效果不太理想，若接1W以上的扬声器将发生失真。通常1W以下的扬声器可用LM386、D2283、D2822、MC34119及TA7368等芯片驱动。若选用1W以下的扬声器，用低电压通用集成功率放大器LM386作为扬声器的驱动芯片，其电路如图3-10所示。1W至10W的扬声器用TDA20XX芯片驱动。选用TDA20XX作为扬声器驱动芯片的电路如图3-11所示。图3-10 以LM386为驱动芯片的电路图3-11 以TDA20XX为驱动芯片的电路3.5 行程开关 为了判断窗子是否闭合，需要使用行程开关。利用单片机自带的硬件中断资源，设计了接触式的中断行程开关。当窗体闭合时引发中断，停止运行，进入节电待机状态17。4 红外线遥控开关的设计4.1 红外线简介红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。红外线由德国天文学家威廉赫歇耳于1800年发现，又称为红外热辐射，是太阳光线中众多不可见光线中的一种，人的眼睛能看到的波长最长的光是红光，从广义来讲，红外线是一种电磁波，电磁波家族按波长顺序是这样排列的：长波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线等。其中长波的波长最长，顺序越来越短，X射线的波长一般不超过1nm。红外线波长在无线电波与可见光波之间，约为0.751000m之间，是一种肉眼看不到这种光线，但利用红外线发送和接收装置却可以发送和接收红外线信号4。在近红外区，它和可见光相邻，因此具有可见光的某些特性，如直线传播、反射、折射、衍射、可被某些物体吸收以及可以通过透镜将其聚焦等。在远红外区，由于它邻近微波区，因此它具有微波的某些特性，如有较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。自然界中，不论任何物体，也不论其本身是否发光（指可见光），只要其温度高于绝对零度(-273)，都会一刻不停地向周围辐射红外线。只不过是温度高的物体辐射的红外线较强，温度较低的物体辐射的红外线较弱。红外线摄像、红外线夜视、热释电红外探测以及某些导弹的瞄准等就是利用红外线的这一特性工作的。它具有以下特点：(1)由于为不可见光，因此，对环境影响很小。红外线的波长远小于无线电波的波长，所以，红外遥控不会干扰其它家用电器，也不会影响近邻的无线电设备。同时，由于红外线不能穿透墙壁，所以不同的电器可以使用通用的遥控器而不会互相干扰，这是无线电遥控所不能做到的。(2)红外线为不可见光，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的应用。(3)红外线遥控的遥控距离一般为几米至几十米或更远一点。(4)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，特别是室内遥控的优先遥控方式。同时，由于采用红外线遥控器件时，工作电压低，功耗小，外围电路简单，因此它在日常工作生活中的应用越来越广泛。它在技术上的主要优点是：(1)无需专门申请特定频率的使用执照；(2)具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点；(3)传输速率适合于家庭和办公室使用的网络；(4)信号无干扰，传输准确度高；(5)编解码容易，可进行多路遥控。它的缺点是：由于它是一种视距传输技术，采用点到点的连接具有方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物；而且通讯距离较短，此外红管LED不是一种十分耐用的器件4.2 遥控方案设计使用由常规数字集成电路组成的红外遥控电路。这种遥控电路使用配套的专用编译码器，因此制作起来比较方便。红外线发射、接收系统组成框图如图4-1所示。图4-1 红外线发射、接受系统组成框图 4.3 成品红外接收头由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100mW左右），所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱，PH302、PH303的最大接收距离一般在5m。当要求更长的遥控距离时，要增加高增益放大电路。前些年常用PC1373H、CX20XX6A等红外接收专用放大电路，最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多采用成品红外接收头。所以本设计也采用成品红外接收头。成品红外接收头的封装大致有两种：一种采用铁皮屏蔽，一种是塑料封装。均有三个引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO和OUT）。红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，需参考厂家的使用说明。成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用起来如同一只三极管，非常方便。但使用时需注意成品红外接收头的载波频率。本设计中用到的成品红外接收头是FPS-4091。FPS-4901高灵敏红外线接收器，外形尺寸：13.5mm14.4mm16.3mm。该红外线接收器内含一个红外线接收管（PH302）和一个放大电路（CX20XX6），红外线接收管产生的光电流有前置放大器放大。该接收器可以直接和红外线发射管配合组合成各种遥控系统FPS-4091主要光电参数见表4-1所示表4-1 FPS-4901主要光电参数 类别参数名称最小值典型值最大值工作电压3.74.7至5.36.3遥控距离6.58.510高电平脉冲宽度290540790低电平脉冲宽度410660910工作环境温度-10至+60-10至+60-10至+60图4-2是FPS-4901接收器的内部电路图。该电路功耗低，Vcc=5V时，PCM =9mW；工作电压为4.5至17V，建议使用5V；工作温度-20至+75。其中第2脚外接电阻与电容决定前置放大器的放大倍数，当第2脚外接电阻由4.7减少到0时，灵敏度最高，遥控距离可达12m，但易受干扰。第5脚外接决定接收的中心频率fo。CX-20XX6可用KA2184直接代换，功能完全一样。图4-3是电路的工作波形图。由图4-3分析可知，FPS-4091接收器在红外接收电路中起转换、放大和解调信号的作用。此接收器内部电路也可用分立组件代替，但体积较大，不宜配套使用，所以本设计直接使用成品红外线接收头FPS-4091。图4-2 FPS-4901接收器的内部电路图图4-3 FPS-4901工作波形图4.4 编码器和译码器的选择PT2262、2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262、2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平），可以组合成531441个不同的地址码；PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出。PT2262为编码芯片，PT2262外形图如图4-4所示。工作电源范围为2.6V15V，A0A11为地址管脚，其中A6A11既可以作为地址也可以作数据使用，它们按三态即“0”、“1”、高阻态（悬空、开路）三种状态编码，输出数据有效电平为高电平。TE为编码、输出启动，低电平时17脚送出编码数据。OSC1、OSC2为内部振荡电路输入、输出端，外接电阻确定振荡频率。17脚DOUT为串行数据输出端，平时为低电平。表4-2为PT2262的极限参数。图4-4 PT2262引脚图表4-2 PT2262的极限参数 类别参数符号参数范围单位电源电压Vcc2至15V输入电压Vi-0.3至Vcc+0.3V输出电压Vo-0.3至Vcc+0.3V最大功耗Pa300mW工作温度Topr-20至+70储存温度Tstg-40至+125PT2272是与PT2262配对的译码电路，PT2272外形图如图4-5所示。工作电源为+5V。A0A11的功能同PT2262。PT2272的A0A11必须与PT2262的A0A11完全相同，PT2272才输出解码数据，否则不输出。PT2272一旦解码成功，VT端就会输出一个“解码有效”的正脉冲作为标志，同时D0-D5端送出与PT2262的D0-D5端相同的数据。表3-3为PT2272的极限参数。图4-5 PT2272引脚图表4-3 PT2272的极限参数表 类别参数符号参数范围单位电源电压Vcc-0.3至15V输入电压Vi-0.3至Vcc+0.3V输出电压Vo-0.3至Vcc+0.3V最大功耗Pa300mW工作温度Topr-20至+70储存温度Tstg-40至+125编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100的调幅。在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第18脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的18脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。设置地址码的原则是：同一个系统地址码必须一致；不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，否则接收距离会变近甚至无法接收4.5 红外遥控发射电路的设计图4-6为红外遥控发射电路原理图，主要由编码芯片PT2262、四2输入与非门7400、编码开关SW-DIP8、红外线发射器PH303、电阻、三极管、电容、极性电容、按键SB组成。图4-3中门电路U2-U4构成中心频率为40KHZ的方波振荡，用于调制从PT2262第17脚输出的编码信号及控制信号。控制信号（数据）由PT2262的D1D4管脚提供，调制后的信号由红外发射管PH303发射出去。要发射信号时，按下发射键SB。按键期间， PH303会不断发射红外信号15。图4-6 红外遥控发射电路原理图4.6 红外遥控接收电路设计图3-7红外遥控接收电路原理图，主要由译码芯片PT2272、编码开关、双稳继电器、红外接收头FPS-4091、5V电源电路等组成.图4-7 红外遥控接收电路原理图图4-7中的红外接收组件FPS-4091接收到中心频率为40KHZ的红外信号后，从载波中解调出编码信号，经放大后从2脚输出，输进PT2272解码器输入端14脚，如果两机地址码相同，则PT2272进行解码，并把PT2262的控制信号锁存在PT2272的第1013引脚上，同时在第17脚上输出一个正脉冲，用于双稳电路的控制。PT2272解码器数据输出端第1013脚具有记忆保持功能，当有数据输出时，此数据会保持直至电源关断。PT2272第17脚“总线”输出端，当发、收两机地址码相同，正确译码时，输出转为高电平，而当发射机不发射信号时，则回落到低电平，没有记忆功能。在PT2272的第17脚接一个有双稳态继电器和其驱动电路组成的双稳电路，双稳电路原理图如图4-8所示。图4-8 双稳电路的电路图有上述可知，接收器在得电后收到第一个信号之前，PT2272第17脚输出为低电平时，VT2截止，继电器J1(JMX-94F)释放，其触点是断开状态，负载不工作。遥控器的发射键SB按下后，接收器收到信号，PT2272第17脚输出为高电平时，VT2导通，继电器J1(JMX-94F)励磁吸合其触点动作，带动负载工作，从而实现了红外遥控的目的。4.7 电源电路的设