红外遥控电子开关设计

编号毕业设计论文说明书课题红外遥控电子开关院（系）通信与信息工程系专业通信工程学生姓名学号姓名职称助教题目类型理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发2005年6月28日摘要红外遥控技术现在广泛应用在现实生活中，由于红外无线解决了有线连接的许多不便,因此大大方便了人们的生活。随着电子技术的飞速发展，各种体积小、功能强的便携式产品不断涌现。红外遥控技术在生活中随处可见，例如通过红外遥控来控制小型玩具汽车，红外测量体温、红外遥控DVD或VCD等。本次设计实现了红外遥控电子开关的设计，它包括六个部分红外发射、红外接收、继电器、光耦合、蜂鸣器和数码显示管。它工作的主要过程是这样的，通过通用遥控器发射信号，接收部分通过红外接收头接收信号，用AT89C51单片机来控制电灯的开关和定时以及数码管的显示。功能实现以后，可以在数码管上正确的显示所选灯的开关和定时。并且可以通过红外遥控调整时间或切换显示。该系统实用、功能灵活多样,不但具有电源开关功能并且对被遥控对象的状态进行远距离调整以及控制,可以广泛应用于家居室内家电。关键词红外发射；红外接收；红外遥控；单片机；数码显示；蜂鸣器；光耦合；继电器；ABSTRACTINFRAREDREMOTECONTROLISONEKINDTRANSMITWHICHISWIDELYUSEDINDAILYLIFETHEINFRAREDWIRELESSTECHNOLOGYHASSOLVEDALOTOFINCONVENIENCEINTHEWIREDCONNECTION,SOITPROVIDESALOTOFCONVENIENCEINOURLIVESWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFELECTRONICTECHNOLOGY,VARIOUSKINDSOFSMALLPORTABLEPRODUCTSWITHSTRONGFUNCTIONEMERGECONSTANTLYFOREXAMPLE,ITCOULDBEUSEDFORCONTROLLINGTHETOYOFSMALLSCALEAUTOMOBILE,EXAMININGBODYTEMPERATURE,INFRAREDREMOTECONTROLLINGDVDORVCDANDETCTHISDESIGNHASREALIZEDTHEDESIGNOFINFRAREDREMOTECONTROLELECTRONICSWITCHINGITINCLUDESFIVEPARTSINFRAREDEMISSION,INFRAREDRECEIVING,BUZZER,LIGHTCOUPLINGANDDIGITALDISPLAYTUBETHEESSENTIALPRINCIPLESOFTHISSYSTEMISTHATUSETHECURRENCYREMOTEDEVICETOTRANSMITINFRAREDRAYSIGNAL,ANDEMITTINGTHESIGNALTOTHEINFRAREDRECEIVERDIODEINFRAREDEMISSIONTHENCONTROLLEDTHESWITCHANDTIMEOFTHEELECTRICLIGHTWITHTHEAT89C51ONECHIPCOMPUTERAFTERTHEFUNCTIONISREALIZED,ITCANDISPLAYTIMEONTHENUMBERSHOWINGCORRECTLY,ANDCANADJUSTTIMETHROUGHTHEINFRAREDCONTROLLINGTHISSYSTEMISPRACTICALANDHASMANYKINDSOFFLEXIBLEFUNCTIONSITNOTONLYHASTHEFUNCTIONOFSWITCHOFTHEPOWERSUPPLY,BUTALSOCANCONTROLANDADJUSTTHESTATEOFTHECONTROLLEDOBJECTSINTHELONGDISTANCE,ANDCANBEWIDELYUSEDINVARIOUSKINDSOFSWITCHOFTHEPOWERSUPPLYININDOORWIRINGKEYWORDSINFRAREDEMISSION；INFRAREDRECEIVE；CODE；DECODE；INFRAREDREMOTECONTROL；DUALTONEMULTIFREQUENCY；ONECHIPCOMPUTER；THENUMBERSHOWING；POWERSUPPLYBUZZERRAYCOINCIDENCE目录引言11硬件电路的原理以及制作111遥控的基本概念1111射频遥控的介绍21111射频收发芯片NRF401的介绍和应用2112超声波遥控的介绍4113红外遥控系统的介绍412红外遥控的组成5121遥控器的编码5122利用单片机进行红外线编、解码遥控5123红外接收原理91231红外接收头的介绍91232红外接收头的外观10124红外接收电路的应用10125红外接收部分在本次设计中的应用1113设计原理11131红外遥控电源开关的结构原理11132继电器部分12133蜂鸣器部分13134发光二极管14135光耦合部分14136电源部分1514红外接收电路原理图16141红外遥控电源开关的特点1615数码管的工作原理17151数码管的特征17152数码管的构成17153设计中数码管的作用172软件设计以及相关芯片的介绍1821单片机模块18211单片机的说明18212MCS51的芯片引脚20213单片机的中断222224C02芯片的介绍2222124C02芯片的特征22222管脚设定和芯片外观23223EEPROM概述23224EEPROM在本次设计中的应用和连接243PROTEL99的使用及电路板的制作2531电路板设计步骤2532PCB板的制作254电路的调试以及软件编程2741红外遥控硬件电路的调试27411电路板的调试27412程序流程图和程序说明285结论33谢辞34参考文献35附录36引言随着科技的不断发展和人们生活水平的提高，电子产品日新月异。人们对电子产品的需求不仅仅停留在“能用”的水平。使用，方便，舒适越来越受到人们的推崇。例如无线键盘、无线鼠标等方便实用的产品，无线的时代正在迈进。遥控技术是通过一定的手段对被控物体实施一定距离的控制，常用的方式有无线电遥控、有线遥控、红外线和超声波遥控等。在许多基于单片机的应用系统中，系统需要实现遥控功能，而红外遥控则是被采用较多的一种方法。红外遥控是通过红外管发送红外遥控编码对其设备进行控制的,不同设备的遥控发送的红外遥控编码都是不同的。同样地，若控制台要控制这些遥控设备，就必须发送与其遥控发送的完全一样的红外遥控码。由于红外无线解决了有线连接的许多不便，因而受到了家电设备厂商、电脑外围设备商、以及通信设备厂商的高度重视。目前，彩电和VCD已经走进了千家万户，而其所带的红外遥控器给这些家电的操作带来了极大的方便。对于单片机爱好者来说，若能知道家电遥控器的原理并将其运用到单片机制作中，将是一件非常美妙的事情，比如家里常有几个遥控器，操作起来还是有点麻烦，能不能用单片机将这几个遥控器合起来甚至拿遥控器来做单片机系统的无线键盘答案是肯定的。本次设计所涉及到的就是一个利用单片机控制的小型接收系统，根据基本的红外无线的基本原理。单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能好，价格不高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。目前的无线技术也是发展的日新月异，红外遥控同样是花样百出，但这些都离不开最基本的红外发射和接收原理。1硬件电路的原理以及制作本次设计包括六个部分红外发射部分、红外接收、单片机部分、数码管、继电器和光偶合、蜂鸣器。11遥控的基本概念所谓遥控，就是指对被控对象，按照所预定的意图对其内部参数、工作状态等进行远距离操纵。遥控技术公现代工农业生产、科研、国防等领域均有非常广泛的应用，随着现代科技的发展，它们的应用也越来越普遍。现代遥控技术也十分普遍地应用于各类家电中，例如电视遥控、电灯遥控、电风扇遥控、空调遥控等。这类应用提高了家电的功能和档次，更重要的是给使用者带来极大的方便。设有遥控的电视，使用者不必离开座位，只需要使用手持红外遥控器就可以进行节目切换，以及对音量、对比度、亮度等的调节。遥控的种类很多，若以遥控信息传送方式来区分，可以分为有线遥控和无线遥控两大类，而无线遥控又包含了红外遥控、超声波遥控和无线电遥控三类。有线遥控和无线遥控可以达到很远的距离，而红外遥控和超声波遥控只能在十几米之内，因此多用于家电方面。111射频遥控的介绍射频遥控是使用无线电射频为载体来载送命令信息。所谓射频，就是具有较强辐射能力的无线电频率，一般在几百KHZ以上，通常也称为“高频”。使用无线电射频遥控传送遥控命令与红外遥控有所不同。红外遥控的距离较近，而且具有方向性，不能跨越墙壁的阻挡，因此只能在小范围内、同一个房间内实现遥控操作，多用于家电的遥控。而射频遥控距离远。无线电射频可以向四周辐射，难以被墙壁阻挡，因此容易引起相互干扰。此外，射频遥控发射装置所发射的无线电射频也会对其他设备诸如收音机、电视机等无线电设备造成干扰。对于业余制作，因为缺乏设备条件，频率高时制作调试困难，因此一般采用较低频率，例如27MHZ频段。1111射频收发芯片NRF401的介绍和应用NRF401是NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体的芯片，采用蓝牙核心技术设计，在一个20脚芯片中包含了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换，是目前集成最高的无线数传产品。以往设计无线数传产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备，传统的电路方案不是电路繁琐就是调试困难，令人望而却步，影响了用户的使用和新产品的开发，NRF401的出现使人们摆脱了无线产品设计的困难，NRF401采用抗干扰能力强的FSK调制方式，工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，适合于便携及手持产品的设计，由于采用了低发射功率，高接收灵敏度的设计，满足无线管制要求，无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择，可广泛用于遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、无线数字语音、数字图像传输等。（1）芯片功能工作频率为国际通用的数传频段433MHZ；FSK调制，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场所灵敏度高；功耗小，接收待机状态仅为8微安；最大发射功率达10DBM；低工作电压（27V），可满足低功耗设备的要求；具有多个频道，可方便到切换工作，特别满足需要多信道工作的特殊场合；工作速率最高可达到20KBIT/S；仅外接一个晶体管和几个阻容、电感元件，基本无需调试；由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可以达到1000米。（2）芯片内部框图图11射频收发芯片NRF401的内部框图（3）芯片典型应用NRF401在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便，例如NRF401可以直接接单片机串口发送接收数据，而无需对数据进行曼彻斯特编码，其他的单片RF收发芯片一般都需要对数据进行进行曼彻斯特编码后才能发送，采用曼彻斯特编码不仅增加了编程的复杂性，而且传输效率低，实际速率仅为标称的一半，不能满足实时传输的需要。NRF401是目前外接元件最少的单片RF收发芯片之一，在为用户考虑方面做得很好，例如采用易于获得的4MHZ晶振，大大降低了/成本并增加了使用的灵活性；把成本较高且不易调试的变容二极管集成在芯片内部。图12射频收发芯片NRF401的典型应用以上是NRF401的典型应用原理图，可直接用于232串口异步传输。图中可以看到，外围元件很少，包括一个基准晶体及几个无源器件，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。图12中L1电感需要用高Q高精度的贴片绕线高频电感（Q45），晶体X1需要用高稳定晶体，电容元件应选用高稳定贴片元件如NPO高稳定电容，以确保性能。NRF401非常适合用于无线数据传输；另外NRF401也可以用来传输数字语音以及数字图像，此时需与A/D、D/A配合。图12所示的应用中即是采用高增益天线来达到远距离无线通信的设计。单片机采用AVR的FLASH单片机AVR2313，这是一个高速、低功耗的单片机，在许多设计上得到采用。高频电路采用单端天线接口，并配以高增益天线。采用15V电池供电，由于系统供电为3V，因此由一个DC/DC变换器完成电源的转换，为了避免DC/DC转换电源的噪声对通信造成影响，采用LC滤波，并用特性较好的钽电容。由于无线通信环境的不确定性，预测各种环境下的传输效果是不可能的，取决于以下因素的影响路径损耗,建筑物影响,人体影响,外界干扰，多径现象，周围环境的吸收等。我们只能在一个给定的条件下进行测试和评估。在我们的测试中，两端均离地面15M高时，开阔地通信距离可达1600M。（4）芯片电气性能表11射频收发芯片NRF401的电气性能参数指标备注频率信道1/信道243392MHZ/43433MHZ调制方式FSK最大输出功率10DBM4003V接收灵敏度105DBM400BR20KBIT/S工作电压27525接收电流10MA发射电流8MA30MA待机电流8UA112超声波遥控的介绍超声波遥控是近距离遥控中的一种实用方法。人耳能够听到的声音频率大约是20HZ30KHZ（20KHZ）。低于20HZ和高于20KHZ的超声波是一种机械振动波，可以在气体、液体和固体中传播，在空气中的传播速度为340M/S，与光波、电磁波相比是非常缓慢的。超声波具有方向性，即传播的能量比较集中，这一点与可见的声波不同。另外超声波在传播途径中若遇到不同的媒介，大部分能量会被反射。超声波遥控的原理与红外遥控大体相似，仅是遥控的命令的载体不同以及由此而引起的某些部分的电路不同。在超声波遥控中，以超声波为载体，发射和接收器件是超声波发生器和超声波接收器。113红外遥控系统的介绍红外遥控是以红外线作为载体来传送遥控命令的。红外线的波长介于红光和微波之间，0773M为近红外区，330M为中红外区，301000M为远红外区。红外线在通过云雾尘埃等充满悬浮粒子的物质时不易发生散射，有较强的穿透力，还具有不易受干扰，易于产生等优点，因此被广泛用语遥控装置。相比较前面两种遥控装置来看，红外遥控具有以下优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1通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发；2主要是用来取代点对点的线缆连接；3新的通讯标准兼容早期的通讯标准；4小角度，短距离，点对点直线数据传输，保密性强；5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；6不影响周边环境、不干扰其它电器设备。由于其无法穿透墙壁，所以不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。12红外遥控的组成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。121遥控器的编码下图是WRT遥控器编码图，WRT遥控器符合1913红外线编码格式。引导码宽度高电平为9MS，低电平为45MS；客户码为2字节，后字节宽度为前字节取反重复；数据码为2字节，后字节宽度为前字节取反重复。表12WRT遥控器编码表1000000002100000003010000004001000005101000006011000007000100008100100009010100000011000001011000001110000EXIT00001000ADD10001000CALL01001000122利用单片机进行红外线编、解码遥控这里只介绍彩电、VCD遥控器常用的编码方式，而空调的遥控器由于带有温度值和时间参数，码元非常长，这里不作介绍。通过利用红外线读码仪检测了大量的彩电、VCD遥控器的编码，发现大概有以下两种编码格式（FORMAT）。第一种格式为1913、9012、1621格式；第二种格式为3010格式。其中尤以第一种格式用得最多。要识别一个遥控器的格式很简单，只要把遥控器拆开，看它所用的集成块型号就知道，比如UPD1621、SAA3010，其格式就是1621、3010格式。下面分别介绍这两种编码格式。第一种格式以1621为例，当按下遥控器的某个按键时，遥控器将发射出一帧数据，帧数据的编码格式由但部分组成；引导码（LEADCODE）、客户码CUSTOMCODE、数据码DATACODE,见下图10。对于一个遥控器来说，每个按键所发射的帧数据的客户码总是一样的，有区别的是数据码。其中9012和9013、1621格式的唯一区别就是引导码的高电平宽度不一样，9012格式为45，9013和1621的格式为9。帧结构MSMS中的客户码和数据码各有两个字节，第一个字节和第二个字节互为按位取反，其中客户码的高4位和低4位又互为按位取反，如帧结构FF0AA55。0码和1码的结构见下图11，0码由056高电平和0565低电平组合而成，1码由056SS高电平和169低电平组合而成。码元的高电平信号采用38KHZ矩形波（载波）MSMS调制发射，载波占空比（）为1/3，低电平无信号发射。DUTY图131621格式帧可格式图141621码元格式第二种格式3010与第一种格式截然不同，它是以信号脉冲的上升沿和下降沿来分别表示1码和0码的。其帧格式见下图12，每一帧由起始位（STARTBIT）、扩展位（ENLARGEDBIT）、翻转位（TOGGLEBIT）、系统位（SYSTEMBIT）和数据位（DATABIT）组成。其位码结构见图。码元高电平也是采用38KHZ载波调制发射。前面我们了解了遥控器的编码格式，那么我们用单片机来进行编、解码就是一个怎样来写程序的问题，而硬件电路很简单。我们以1621格式为例看看怎样用单片机来模拟它以及程序调试的一些技巧。单片机使用AT89C2051，晶振为12MHZ，电路如图16所示056MS1125MS0码056MS225MS1码S4S3S2S1S0D5D4D3D2D1D0系统位数据位起始位扩展位翻转位14位23466MS图153010帧结构1D2C3DDCFVAB图16红外线发射、接收电路图173010码元格式这里只用了单片机的一个I/O口，且不必加任何驱动电路。当要发射信号比如0码，事实上P30口上的电平状态如图5所示，码元的高电平时就是载波信号，码元的低电平时P30口为高电平，不发射信号。38KHZ载波的周期为263微秒，由于单片机最多只能精确到1微秒，载波周期取27微秒时发射信号最稳定，发射距离大于8米。编程时关键是如何准确地在P30口上产生38KHZ载波。对于用C51编的程序，由于不知道其汇编代码，很难精确地取得周期为微秒的信号，即使是用定时器，进出中断程序以及重装计数初值都要耗费一定的时间，也很难精确到微秒。我们采用循环延时的方法产生载波，用断点法来调试。通常事业KEILC编译器都有程序调试功能，调试程序时启动定时器0，并设定为1，不必开放中断，在产生载波的循环子程序里设置一个断点，当程序第一次运行到断点时又记下计数器的值，两值相减就是载波周期了，反复改变延时时间直到载波周期为27微秒。当我们没有测量仪器时，这种方法不失为测量信号周期的一种好方法。当然，码元的宽度亦可采用这种方法调试。下面是参考程序INCLUDE/晶振为12MHZSBITLEDP30SBITKEYP37/帧数据放数组DATA里UNSIGNEDCHARDATA40X00,0XFF,0X1F,0XE0VOIDTRANSMITINTC1,INTC2/发射子程序下面是主程序MAINUNSIGNEDCHARI,J0839MS1674MS1674MS0839MS0码1码WHERE1WHEREKEY/没按键下，等待TRANSMIT340,565/发射引导码FORI0IJ/1码ELSETRANSMIT19,70/0码TRANSMIT19,17WHILEKEY/等待释放按键/下面是发射子程序VOIDTRANSMITINTC1,INTC2/C1为高电平宽度UNSIGNEDCHARI/C2为低电平宽度DOLED1/产生38KHZ载波FORI8I0I/延时18微秒LED0WHILEC1LED1WHILEC2利用单片机对红外线信号进行解码也很简单，电路如图6B，一体化红外接收头内部集成有解调、信号放大和整形等电路，要注意的是在没有红外信号时，其输出端为高电平，有信号时为低电平，故其输出信号电平正好与发射端相反。因而接收头输出的码元信号电平有区别的是高电平宽度不一样，0码高电平宽度为0565毫秒，1码为169毫秒。本例程就是测量高电平宽度来识别码元的，程序取帧数据的最后一个字节就可以识别不同的按键，客户码和数据码的第一个字节舍弃掉，最后将数据输出到P1口。通过对红外遥控器各按键发送脉冲的波形的分析可以识别码型，从而为软件解码提供依据。程序如下INCLUDE/晶振为12MHZSBITRECP31UNSIGNEDCHARI,CHUNSIGNEDINTTMAINTMOD0X01TR01WHILE1WHILEREC/等待接收信号TTH0400DEFINEBEEPTIMERTHTH1DEFINEBEEPTIMERTLTL1DEFINEBEEPTIMERSWTR1SBITBEEPIOP37STATICCHARTIMERCOUNTERSTATICUNSIGNEDCHARKEYTIMERTHBUFFER,KEYBITCNT,KEYREGSTATICBITBITSHIFTBITNEWKEYUNSIGNEDCHARKEYBUFFER4VOIDKEYINT_INITIALIZATIONVOIDINTTRMODEEDGETRIG/TCON0X04TMODTMOD/TMOD0X11TMODTMOD/初始化红外线键盘接收定时器/BEEPTIMERTH0X4CBEEPTIMERTL0X2E/IE0X8E1000,1110KEYEXINT1KEYTIMERINT1BEEPTIMERINT1EA1KEYTIMERSW0BEEPTIMERSW0VOIDBEEP_INTVOIDINTERRUPT3USING3/USINGTIMER1BEEPTIMERSW0IFTIMERCOUNTER0BEEPIO1ELSETIMERCOUNTERBEEPTIMERTH0X4CBEEPTIMERTL0X2EBEEPTIMERSW1VOIDKEY_TIMERVOIDINTERRUPT1USING1/USINGTIMER0TR00TH00TL00VOIDBEEPCHARCOUNTER/EVERYTIMESLOTIS50MS/TIMERCOUNTERCOUNTERBEEPTIMERTH0X4CBEEPTIMERTL0X1EBEEPTIMERSW1BEEPIO0/红外线脉冲的下降延出发中断/VOIDKEYBOARDINTVOIDINTERRUPT2USING2/USINGEXTERNALINTERRUPTION1KEYTIMERSW0KEYTIMERTHBUFFERKEYTIMERTHKEYTIMERTH0XE8KEYTIMERTL0X8FKEYTIMERSW1/引导码起始下降延产生中断/IFKEYTIMERTHBUFFER0XFE/引导码结束下降延产生中断，客户码开始/ELSEIFKEYTIMERTHBUFFER0XF9KEYBITCNT0BITSHIFT0KEYBUFFER00KEYBUFFER10KEYBUFFER20KEYBUFFER30/0码下降延产生中断，客户码开始/ELSEIFKEYTIMERTHBUFFER0XEFKEYREGKEYREGBITSHIFT1KEYBITCNT/1码下降延产生中断，客户码开始/ELSEIFKEYTIMERTHBUFFER0XEBKEYREGKEYREG|0X80BITSHIFT1KEYBITCNTIFKEYBITCNT8KEYBUFFER0KEYREGELSEIFKEYBITCNT16KEYBUFFER1KEYREGELSEIFKEYBITCNT24KEYBUFFER2KEYREGELSEIFKEYBITCNT32KEYEXINT0KEYBUFFER3KEYREGIFKEYBUFFER0CONTROLERIDNEWKEY1KEYBITCNT0IFBITSHIFTKEYREGKEYREG1BITSHIFT0实验板程序ORG0000HAJMPMAINORG000BHMAINSETBP25SETBP22SETBP23SETBP24SETBP13SETBP14MOVA,60MOVR1,00HMOVR2,00HMOVR3,00HMOVR4,00HMOVR5,00HMOV20H,00HMOV21H,60HMOV22H,210HMOVP0,10100000BHAHAJNBP11,CP1ACALLOFFJIAN2JNBP12,CP2ACALLOFFJNBP10,JINRACALLOFFAJMPHAHACP1CLRP20ACALLDELAYSETBP20ACALLDELAYCPLP13AJMPJIAN2CP2CLRP20ACALLDELAYSETBP20ACALLDELAYCPLP14AJMPHAHAJINRCLRP20ACALLDELAYSETBP20ACALLD