本科生综合试验

1、安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验本科生综合试验基于单片机红外遥控开关的设计The Design of the Infrared-controller Based on SCM学 生 姓 名专 业测控技术与仪器学 号指 导 教 师学 院机械与汽车工程学院 2014 年 12 月 安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验 摘要摘要红外遥控技术的出现，不仅大大提高了劳动生产率，降低了成本，而且减轻了人们的劳动强度，改善了劳动条件。而微机技术的出现，则使现代科学研究得到了质的飞跃，给现代工业测控领域带来了一次新的革命。红外线遥控器具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点从而成为了当今非常流行的

2、一种控制方式红外遥控器是一种利用红外遥控系统来控制被控对象的系统.整个系统由数字电路和模拟电路两个部分组成。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED 红外发送器；接收部分包括 LED 红外光发射、解调、解码电路。1通过对设计要求地认真分析和研究，拿出了几种可行方案，最终选定了一个最佳方案。该方案是采用先进的单片机技术实现遥控的主要手段。我们所设计的遥控器能控制 5 个电器的电源开关，并且可对一路电灯进行亮度的调节。关键字：遥控电路，红外发射，红外接收AbstractInfrared remote control technology, not only greatly improved labo

3、r productivity, reduced costs, and reduce the peoples labor intensity and improve the working conditions. And the emergence of computer technology, the modern scientific research has been to make a qualitative leap in the field of modern industrial monitoring and control has brought a new revolution

4、. Infrared remote control has a small size, low power consumption, functionality, and low cost in order to become a very popular present-day control.The infrared remote control is one kind of use infrared remote control system controls is controlled the object the department green overall system is

5、composed by the digital circuit and the analogous circuit two parts. Launches partially including the keyboard matrix, the coded modulation, the LED infrared transmitter; Receives partially including the LED infrared light launch, the demodulation, decodes the electric circuit.After analyzing and re

6、searching on the request of the design, we take several blue print and we selected the best one in the end. The project make use of advanced SCM to realize the remote control. Remote controller we designed can dominate 5 electrical source switches and adjust the brightness of one light.keyword：Remot

7、e controlling circuit Infrared emission Infrared receiving, SCM安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验目目 录录第一章 绪 论.11.1 红外遥控技术的研究和成果 .11.2 多功能红外遥控器国内外现状和发展趋势 .21.3 本设计的方案和比较 .3第二章 红外遥控控制原理.5第三章 红外遥控器的硬件系统设计.73.1 电路设计.73.1.1 红外遥控发射器遥控方式.73.1.2 发射电路的设计 .8第四章 红外遥控器的调试.10第五章 结论.11致谢.12参考文献.13安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验0第一章第一章 绪绪

8、 论论目前市面上的遥控器铺天盖地，对于家电设备的控制，首选的就是红外遥控器，然而技术和经济的发展使得家庭数字化趋势越来越强烈，一对一遥控器（即一个遥控器只能控制一种类型的家电设备）已经不能满足用户要求。多功能红外遥控器就是在普通红外遥控器的基础上，应市场需求而产生的，它能控制不同种类的设备，并且操作方便，深受顾客的欢迎，这也决定了多功能遥控器具有广阔的应用前景。1.11.1 红外遥控技术的研究和成果红外遥控技术的研究和成果常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管；由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时

9、，它便发出的是红外线而不是可见光。目前大量的使用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm 左右，外形与普通 5 发光二极管相同，只是颜色不同。红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样；用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可2。红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉锯法来粗略判判定。接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。红外发光二极管一般有圆形和方形两种。由于红外

10、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，因此就要增加高增益放大电路。前些年常用pc1373H、CX20106A 等红外接收专用放大集成电路。最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多都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。均有三只引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO 或 OUT）。红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，可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。但在使用时注意成品红外接收头的载波频率。红外遥控常

11、用的载波频率为 38kHz 这是由发射端所使用的 455kHz 晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取 12，所以 455kHz1237.9kHz38kHz。也有一些遥控系统安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验1采用 36 kHz、40 kHz、56 kHz 等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。红外遥控的特点是不影响周边环境的、不干扰其他电器设备。由于其无法穿透墙壁，故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。2由于各生产厂家生产了大量红外遥控专用集成电路，需

12、要时按图索骥即可。因此，现在红外遥控在加用电器、室内近距离（小于 10 米）遥控中得到了广泛的应用3。多路控制的红外发射部分一般有许多按键，代表不同的控制功能。当发射端按下某一按键时，相应地接收端有不同地输出状态。接收端地输出状态大致可分为脉冲、电平、自馈、互锁、数据五种形式。“脉冲”输出是当按发射端按键时，接收端对应输出端输出一个“有效脉冲”，宽度一般在 100ms 左右。“电平”输出是指发射端按下键时，接收端对应输出端输出“有效电平”消失。此处的“有效脉冲”和“有效电平”，可能是高、也可能是低，取决于相应输出脚的静态状况，如静态时为低，则“高”为有效；如静态时为高，则“低”为有效。大多数情

13、况下“高”为有效。“自锁”输出是指发射端每按一次某一个键，接收端对应输出端改变一次状态，即原来为高电平变为低电平，原来低电平变为高电平。此种输出适合用作电源开关、静音控制等。有时亦称这种输出形式为“反相”。“互锁”输出是指多个输出互相清除，在同一时间内只有一个输出有效。电视机的选台就属此种情况，其他如调光、调速、音响的输入选择等。“数据”输出是指把一些发射键编上号码，利用接收端的几个输出形成一个二进制数，来代表不同的按键输入。一般情况下，接收端除了几位数据输出外，还应有一位“数据有效”输出端，以便以后适时地来取数据。这种输出形式一般用于与单片机或微机接口3。 除以上输出形式外，还有“锁存”和“

14、暂存”两种形式。所谓“锁存”输出是指对发射端每次发的信号，接收端对应输出予以“储存”，直至收到新的信号为止；“暂存”输出与上述介绍的“电平”输出类似。1.21.2 多功能红外遥控器国内外现状和发展趋势多功能红外遥控器国内外现状和发展趋势目前国外（主要是欧美市场）的遥控器几乎都是多功能遥控器，它们能够控制全球的绝大部分的视频设备甚至包括空调器。这些遥控器一般由 MCU 进行控制，其价格一般都比较贵，达上百美金。值得一提的是，目前全球的遥控器的 80%是由中国大陆代工贴牌生产的，但关键芯片是别人的。国外的遥控器主要通过超市等渠道进行销售，消费者可以根据自己的需要进行选择，其发展趋势是根据家庭的需要

15、遥控器拥有更多的功能和更人性化的设计。而在国内市场，遥控器绝大部分是单一型的遥控器，也就是一个遥控器控安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验2制一个视频设备，这与我国经济状况和消费习惯有关。多功能（所谓万能）遥控器只是单一型的遥控器的补充，在一般的主流渠道是没有多功能遥控器销售的，许多消费者也就不知道有或者如何购买多功能遥控器，因此多功能遥控器的销量是相对很少的。也缘于此多功能遥控器的质量是参差不齐的，大部分使用不方便，或者名为多功能遥控器但对很多设备却难以控制。但正如西方的情况，我国也会经历从使用单一型遥控器走向多功能遥控器，尤其是在信息化迅速发展的情况下，多功能遥控器有着广阔的需求和发展

16、空间。启动这一块市场的关键是使多功能遥控器确实好用，能够完全替代单一型遥控器的功能以及有效的市场推广。安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验3第二章第二章 红外遥控控制原理红外遥控控制原理红外遥控就是把红外线作为载体的遥控方式。由于红外线的波长远小于无线电波的波长，因此在采用 红外遥控方式时，不会干扰其他电器的正常工作，也不会影响临近的无线电设备。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。常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。遥控发射具有键盘矩阵，每按下一个键，即产生具有不同的编

17、码数字脉冲，这种代码指令信号调制在38kHz 的截波上，激励红外光二级管产生具有脉冲串的红外波，通过空间的传送到受控机内的遥控接收器。在接收过程中，红外波信号通过光电二级管转换为 38kHz 的电信号，此信号经过放大、检波、整形、解调、送到解码与接口电路，从而完成相应的遥控功能。编码和调制键盘放大解调解码单片机红外遥控器一体化红外接收头图 2.1 红外遥控原理图发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管；由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。目前大量的使用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm 左右，外形

18、与普通 5 发光二极管相同，只是颜色不同（如图 2.1）。红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样；用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉锯法来粗略判判定2。安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验4图 2.2 红外发光二极管接收部分的红外接收管是一种光敏二极管（如图 2.2）。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。红外发光二极管一般有圆形和方形两种2。图 2.3

19、红外接收二极管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，因此就要增加高增益放大电路。前些年常用pc1373H、CX20106A 等红外接收专用放大集成电路。最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多都采用成品红外接收头。成品红外接收头的封装大致有安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验5两种：一种采用铁皮屏蔽；一种是塑料封装。均有三只引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO 或 OUT）。红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，可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

20、管，非常方便。但在使用时注意成品红外接收头的载波频率。红外遥控常用的载波频率为 38kHz 这是由发射端所使用的 455kHz 晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取 12，所以 455kHz1237.9kHz38kHz。也有一些遥控系统采用 36 kHz、40 kHz、56 kHz 等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。红外通信是利用 950nm 近红外波段的红外线作为传递信息的媒体 ，即通信信道。红外通信的基本原理是发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制 PWM（Pulse-width m

21、odulation）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制 PTM(Pulse-time modulation)两种方法 。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。通常发送端采用脉时调制（PTM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出 。对于发送端来说，当无红外脉冲发射时，发送的是二进制数据 1；而有红外脉冲发射时发送的是二进制数 0。而对于

22、接收端来说，没有接收到红外光，则认为是 1；接收到则认为是 0。相比之下，96 年发布的 FIR 不再依托 UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器），其最高通讯速率有了质的飞跃，可达到 4Mbps 的水平 。FIR 采用了全新的 4PTM 调制解调，即通过分析脉冲的相位来辨别所传输的数据信息，每 2 个二进制数据位有 4 种状态，把每个位分为 4 个相，脉冲出现不同的相位上表示两位数据的不同状态。4安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验6第三章第三章 红外遥控器的硬件系统红外遥控器的硬件系统设计设计3.13.1 电路设

23、计电路设计3.1.13.1.1 红外遥控发射器遥控方式红外遥控发射器遥控方式 图 2-97 是红外线发射机的电路图。由图可见，它是用较少元件组成的多谐振荡电路，输出频率由 R2（100K 可调电阻）控制。这些元件使输出信号的占空比值约为 1：1。换句话说，红外发射二极管的导通时间大约等于关断时间。 电阻 R4 控制着 PH303 发射二极管的输出电流，并且把这电流调在稍低于 100mA。由于 PH303 二极管有 50%的时间是断电，所以二极管平均电流低于 50mA。安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验73.1.23.1.2 发射电路的设计发射电路的设计 图 2-98 是接收机电路图，PH

24、302 为红外线接收二极管，它以反向偏压的方式工作，由R1 提供反向偏压，通常，流经 PH302 的电流只是微弱的电流。不过，每逢它接收到来自发射机的每个红外辐射脉冲时，就有一个增强电流的脉冲流经该电路。这个脉冲就在 R1和 PH302 的连接点产生小电压脉冲，然后由 C2 耦合到第一级放大器的输入端。 事实上，当使用遥控系统，距离、范围接近最大界限时，电压脉冲几乎峰至峰（Vp-p）值低于 1mV。故此，需要有相当大的放大倍数，才可把信号电平提升到可以控制继电器的水平。 全部都属共射极放大器、VT1、VT2、VT3 提供超过 40dB 的电压增益，VT2 只有较低的增益，这是因 R0 引入了负

25、回路之故。 信号经 VT2 放大后，输出信号经二极管 VD1、VD2 整流，并由 C5 平滑而产生安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验8DC（直流）信号，使 VT3 导通。 选择元件时，关键是红外线发射、接收二极管。发射管 PH303 有窄角度和广角度两种规格：窄角度红外线发射二极管指其管芯制作时反射锥体（抛物面）角度很小，但它有很强的方向性，作用距离也较远；反之，宽（广）角度红外发射二极管作用距离较近，但作用面积较大。 其他元件按图示选用即可。安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验9安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验10第第 4 章章 红外遥控器的调试红外遥控器的调试 调试比较简

26、单，两机同时通电后，按下发射机控制开关 S 键，电路起振工作，微调 R2电阻器，同时将 PH303 大致对着接收机中 PH302 接收管方向。调节 R2 时，听到继电器吸合声就行了。由于接收机对发射频率没有特别要求，所以稍微调节 R2 就可使接收机中的继电器吸合。最简单的红外线遥控器 - 离别不分早晚时 - 2009 末了，我的博客更新了.: 两机正常工作情况下，使用窄角度红外发射管时，遥控距离大于 8m，角度小于 30 度。 此遥控器可用在儿童玩具、照相机快门遥控及家电遥控等。缺点是稳定性较差，易受其他连续光源干扰。安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验11第五章第五章 结论结论 本篇设计

27、详细介绍了基于单片机的红外遥控开关的工作原理、基本结构；分析了红外遥控技术的原理，清晰的总结出红外发射电路和接收电路的工作原理和技术要求。并针对其特点，采用脉冲个数编码方法，通过设定码宽和遥控码数据帧间隔，成功解决了数据帧接收时的可靠问题。其次，本设计在对现有红外遥控技术的大量文献调研的基础上，提出了运用先进的单片机系统制作多功能红外遥控器，使其在原有控制多个电器开关的基础上，增加了对电灯进行亮度的调光控制的功能，使得本次设计的红外遥控开关更加的有实用性。通过实验表明，在有效距离（8m 以内）里我们成功的对 5 个发光二极管进行了开关控制，LED 上的显示随着受控开关变化正常。由于先前进行了严

28、格的器件的挑选，整个红外遥控器系统的灵敏度、测量精度、稳定性都有不错的表现，达到了本次设计的要求。当然，由于时间和本人水平的制约，本设计可能还存在着某些 Bug 或不足之处！希望各位专家、学者和同学们给予指正。安徽工程大学综合试验安徽工程大学综合试验12致谢致谢经过一个星期的努力，我们在王老师的耐心帮助和自己的努力下终于完成了此次设计，并按设计要求实现了遥控器的各项功能。通过这次设计使我们从中学到到了很多课本上学不到的知识，了解了红外遥控器的现状和发展趋势，并学会了用单片机开发产品的完整的过程，明白了设计的概念。通过自己亲自去动手和调试我明白的实践的重要性，明白了理论结合实践的含义，同时也大大的提高了自己的动手能力和团队合作能力，这在我以后的工作中都是非常有用的