红外收发器设计

1、目 录前言- 1 -第一章 系统分析- 2 -1.1设计要求- 2 -1.2总体设计方案- 2 -1.2.1 方案论证- 2 -1.2.2方案的可行性论证- 4 -1.3 总体设计框图- 4 -第二章 设计硬件- 6 -2.1单片机及其硬件电路的设计- 6 -2.1.1单片机的介绍- 6 -2.1.2 时钟电路及RC复位电路- 7 -2.2单片机红外发射器的电路设计- 8 -2.2.1矩阵键盘电路- 9 -2.2.2 红外发射电路- 9 -2.3 单片机红外接收器电路的设计- 12 -2.3.1 红外接收电路- 12 -2.3.2电源电路的设计- 14 -2.3.3八路LED开关电路- 15

2、-2.3.4电磁式继电器- 15 -2.3.5 LCD1602液晶显示电路- 16 -第三章 实习小结- 17 -参考文献- 18 -附录 1- 19 -前言近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。传统的遥控器大多数采用了无线电遥控技术，但是随着科技的进步，红外线遥控技术的成熟，红外也成为了一种被广泛应用的通信和遥控手段。继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。由于红外线抗干扰能

3、力强，且不会对周围的无线电设备产生干扰电波，同时红外发射接收范围窄，安全性较高。红外遥控虽然被广泛应用，但各产商的遥控器不能相互兼容。当今市场上的红外线遥控装置一般采用专用的遥控编码及解码集成电路，由于其灵活性较低，应用范围有限。所以采用单片机进行遥控系统的应用设计，遥控装置将同时具有编程灵活、控制范围广、体积小、功耗低、功能强、成本低、可靠性高等特点，因此采用单片机的红外遥控技术具有广阔的发展前景。本设计主要研究并设计一个基于单片机的红外接收系统，并实现对八路开关的控制。控制系统主要是由MCS-51和52系列单片机、电源电路、红外发射电路、红外接收电路、LCD显示电路等部分组成，单片机编码发

4、射遥控信号经红外接收处理传送给单片机，单片机根据不同的信息码控制八路LED发光二极管各个状态，并完成相应的状态指示。红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其它电器设备。由于其无法穿透墙壁，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。信息可以直接通过红外光进行调制传输，例如，信息直接调制红外光的强弱进行传输，也可以用红外线产生一定频率的载波，再用信息对载波进行调制，接收端去掉载波，取到信息。从信息的可靠传输来说，这就是我们今天看到的大多数红外遥控器所采用的方法。第一章 系统分析1.1设计

5、要求 1.遥控距离不小于5m，即红外遥控发射机与红外接收机之间的距离不小于5m；2.遥控路数为8路，即可对8个受控设备同时进行开关控制； 3.单片机定时器精确产生38KHz红外载波， 红外发射和接收的载频为38KHz； 4.接收端可显示受控状态，根据控制系统要求能对红外控制指令信号精确编码迅速发送。5.精确接收红外信号，并对所接收信号进行解码、放大、整形、解调等处理，后输出TTL电平信号6.整个系统的安装、操作简单，维护方便,抗干扰能力强,总体设计成本低，能承受大电流冲击。1.2总体设计方案1.2.1 方案论证（一）单片机控制器模块方案一：采用目前比较通用的51系列单片机。此单片机的运算能力强

6、，软件编程灵活，自由度大，市场上比较多见价格便宜且技术比较成熟容易实现。方案二：采用凌阳16 位单片机SPCE061A 作为控制核心。与51单片机相比，SPCE061A具有更加丰富的资源，有32个可编程的I/O口，14个中断源。但考虑到本设计没有用到如此多资源且价格贵，市场比较少见，技术不稳定。综合分析考虑，选择方案一。（二）38KHz载波实现利用载波对信号进行调制从而减少信号传输过程中的光波干扰,提高数据传输效率。以下是对产生38KHz载波的单片机软件与硬件电路进行比较。方案一：单片机T0定时产生38KHz载波 电路原理:STC89C52RC定时器T0产生周期性的26.3us的矩形脉冲,即每

7、隔13us，定时器T0产生中断输出一个相反的信号使输出端产生周期的38KHz脉冲信号。方案二：硬件晶振电路产生38KHz载波电路分析: 晶振Y1，电容C1、C2、U1A、R2 、R3组成38KHz载波振荡电路，MC14011是逻辑与非门。U1B对38KHz的振荡信号取反，同时隔离前后级的信号干扰。如图2-1所示。P11属于单片机P1口用于单片机对受控对象控制信号处理后的数据输出口，数据与38KHz信号与P11端数据逻辑或非门输出，完成信号的调制。 图1-1 脉冲产生的硬件电路图 对于产生38KHz脉冲信号的软、硬件电路的实现进行比较选择，软件实现经济有利于产品开发使用，加密性强，电路板元件少，

8、经济实用，便于产品的推广。因而采用方案一，即用软件定时产生38KHz的载波信号。（三）红外解码电路的比较方案一：采用单片机加专用解码芯片其优点是软件设计简单，但增加了外围电路的设计，使得单片机的IO口减少不利于多路开关电路的扩展。 方案二：采用单片机软件解码其外围电路简洁，空出的IO口多，利于单片机扩展多路开关电路的设计，而编程就会复杂些。根据实际情况进行选择，采用方案二。（四）驱动与开关方案一：采用晶闸管直接驱动。其优点是体积小，电路简单，外围元件少。但控制电流小，大电流晶闸管成本高，并且隔离性能差。方案二：采用三极管驱动继电器。其体积大，外围元件多。优点是控制电流大，隔离性能好。根据实际情

9、况，拟采用方案二。1.2.2方案的可行性论证本系统具有实时性、灵活性、稳定性、以及多功能同时控制等优点，方便用户对多个设备进行控制。单片机对数据进行处理，定时器产生38KHz的载波对红外信号调制，采用一体红外接收头对红外信号放大、解码、电平转换。实现以现有的单一红外信号，同时对任意红外遥控家用电器进行控制，由于节约了实现控制功能的多个遥控硬件，从而减少了用户的投资。1.3 总体设计框图 经过上述方案的分析选择，得出系统硬件由以下几部分组成：红外数据发射电路，键盘采用矩阵键盘，4×4矩阵键盘中P1.0-P1.3为采集数据入口，P1.4-P1.7采集数据出口。整体设计思路为：根据扫描到不

10、同的按键值转至相对应的ROM表读取数据。确认设备及菜单选择键后AT89C2051将从ROM读取出来的值，按照数据处理要求从P2.5输出控制脉冲与T0产生的38KHz的载波（周期是26.3us）进行调制，经NPN三极管对信号放大驱动红外发光管将控制信号发送出去。红外数据接收则是采用LT0038一体化红外接收头，内部集成红外接收、数据采集、解码的功能，只要在接收端INT0检测头信号低电平的到来，就可完成对整个串行的信号进行分析得出当前控制指令的功能。然后根据所得的指令去操作相应的用电器件工作，如图1-2所示。红外传输89C2051单片机红外发射电路4*4矩阵键盘红外接收电路STC89C52RC单片

11、机设备控制电路图1-2 电路设计整体框图第二章 设计硬件2.1单片机及其硬件电路的设计2.1.1单片机的介绍STC89C52RC单片机STC89C52RC系列单片机是有超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟机器周期和6时钟机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。特点：1、增强型6时钟机器周期，12时钟机器周期8051 CPU；2、工作电压：5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V - 2.0V（3V单片机）；3、工作频率范围:0-40MHz，相当于普通8051的080MHz.实际工作频率可达48MHz；4、用户应用程序空间4K

12、/8K/16K/20K/32K/64K字节；5、片上集成1280字节/512字节 RAM；6、通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻；7、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器、仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成；8、EEPROM 功能；9、内部集成MAX810专用复位电路（D版本），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路。10、共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可当成2个8

13、位定时器使用；11、外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；12、通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART；AT89C2051单片机89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机。95年出现在中国市场。其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。89C2051共有20条引脚，2051继承了8031最重要引脚：P1口共8脚，准双向端口。P3.0P3.6共7脚，准双向端口，并且保留了全部的P3

14、的第二功能，如P3.0、P3.1的串行通讯功能，P3.2、P3.3的中断输入功能，P3.4、P3.5的定时器输入功能。在引脚的驱动能力上面，89C2051具有很强的下拉能力，P1，P3口的下拉能力均可达到20mA.相比之下，89C51/87C51的端口下拉能力每脚最大为15mA。但是限定9脚电流之和小于71mA.这样，引脚的平均电流只有9mA。89C2051驱动能力的增强，使得它可以直接驱动LED数码管，如图2-1所示。 图2-1 89C2051引脚图2.1.2 时钟电路及RC复位电路STC89C52RC芯片内部有一高增益反相放大器，用于构成振荡器.反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XT

15、AL2。在XTAL1、XTAL2（第19、18引脚）两端跨接一个石英晶体振荡器，和两个电容就构成了稳定自激谐振电路。晶振频率为11.0592MHz。C12，C13是两个瓷片电容，与晶振Y2构成了自激谐振电路。其电容的作用主要是对频率进行微调，一般取30-45PF左右。使用该电路可产生稳定的11.0592MHZ频率，受外界的环境的干扰影响非常小。其接法如图2-2所示：图2-2 晶振电路复位是单片机初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。复位操

16、作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。本设计采用了按键手动复位方式。该复位电路如图2-3所示。图2-3复位电路图 2.2单片机红外发射器的电路设计硬件电路组成: 4X4矩阵键盘电路、红外发射电路、红外接收电路、电源电路。2.2.1矩阵键盘电路 (1)4×4矩阵键盘的工作原理:矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。这样键盘中按键的个数是4×4个。这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。行线接P1.4-P1.7，列线接P1.0-P1.3。(2)键值得读取: 首先从

17、P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。然后再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码(3)按键功能说明:设备1-3是用电器件的选择按键，按下时则相应的用电器件被选中，如果长按下超过5秒钟，则会关断对应的用电器件；S1-12是用电器件的功能选择按键；OFF是LED指示灯和所有用电器件的总关断按键，OFF按键按下时会使LED指示灭二达到节能的目的，如果长按超过5秒钟，则会关掉所有的用电器件。以控制八路LED开关电路控制为例，首先按下设备3按键，然后再按下要哪个LED要亮或者灭的

18、对应的按键（第一次按下为亮，第二次就会灭），则单片机就会把相应的红外控制信号发射出去控制相应的电路工作。2.2.2 红外发射电路 (1)红外线遥控制系统的原理框图：将指令脉冲编码信号调制在载波振荡器产生的载波上（也称脉码调制），然后用这脉码调制信号去驱动红外发光二极管，以发出经过调制的红外光波，其红外遥控系统电路如图2-4所示。AT89C2051(指令编码)38KHZ载波驱动电路调制红外发射控制盘图2-4红外遥控系统电路框图(2)红外编码原理: 通常，红外遥控器将遥控信号(二进制脉冲码)调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去。二进制脉冲码的形式有多种，

19、其中最为常用的是PWM码(脉冲宽度调制码)和PPM码(脉冲位置调制码）。前者以宽脉冲表示1，窄脉冲表示0。后者脉冲宽度一样，但是码位的宽度不一样，码位宽的代表1，码位窄的代表0。脉宽为0.56ms、间隔0.565ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.56ms、间隔1.69ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。如图2-5示。本课题是以PPM码（脉冲位置调制码）对红外数据的发送进行论证。图2-5 指令脉冲图遥控编码脉冲信号由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号组成。引导码也叫起始码，由宽度为9ms的高电平和宽度为4.5ms的低电平组成（不同的红外家

20、用设备在高低电平的宽度上有一定区别），用来标志遥控编码脉冲信号的开始。系统码也叫识别码，它用来指示遥控系统的种类，以区别其它遥控系统，防止各遥控系统的误动作功能码也叫指令码，它代表了相应的控制功能，接收机中的可根据功能码的数值完成各种功能操作。系统反码与功能反码分别是系统码与功能码的反码，反码的加入是为了能在接收端校对传输过程中数据是否产生差错。脉冲位置表示的“0”和“1”组成的32位二进制码前16位控制指令，控制不同的红外遥控设备。而不同的红外家用电器又有不同的脉冲调控方式，后16位分别是8位的功能码和8位的功能反码。串行数据码时序图如2-6所示。图2-6 串行数据码时序图将要发送的指令脉冲

21、编码信号调制在38KHz的载波上，可以增加信号的抗干扰能力，提高信号传输效率。信号调制时序如2-7所示。图2-7 信号调制图(3)红外发射二极管的主要技术参数:SIR333是GaAlAs红外发射二极管，其特点是体积小、功耗低、高发射强度、高可靠性、发射角度45°、SIR333管子直径5mm。广泛应用于仪器、仪表、电气设备近距离红外数据传输、电视机、空调机等家用电器红外遥控信号发射其红外发射距离为8-10米。(4)红外数据发射电路的设计:在红外数据发射过程中，由于发送信号时的最大平均电流需几十mA（对应mW级发射功率），所以需要三极管放大后去驱动红外光发射二极管（又称电光二极管）。软件

22、编程将数据从P3口第6脚（P37）将数据输出。T0定时产生38KHz载波信号。红外数据射发射电路图如2-8所示。图2-8 红外数据发射电路2.3 单片机红外接收器电路的设计硬件电路组成有: 红外接收电路、电源电路、用电器控制电路、八路开关电路。2.3.1 红外接收电路 LT0038是用于红外遥控接收的小型一体化接收头，集成红外线的接收、放大、解调，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输，中心频率38.0kHz。接收器对外只有3个引脚：OUT、GND、VCC与单片机接口非常方便，如图2

23、-9所示。图2-9 LT0038外型图1脚接电源（+VCC），2脚GND接系统的地线（0V），3脚脉冲信号输出，经非门U6缓冲与P24的判断信号进行逻辑与使得进入INT0的信号恰好是红外数据发射电路输出端P25的相反相信号，只要检测到INT0信号下降沿从而测出控制指令的功能。LT0038内部结构框图如图2-10图2-10 LT0038内部结构工作流程LT0038接收原理红外线接收是把遥制发送的数据(已调信号)转换成一定格式的控制指令脉冲(调制信号、基带信号)，是完成红外线的接收、放大、解调，还原成发射格式（高、低电位刚好相反）的脉冲信号。这些工作通常由一体化的接收头来完成，输出TTL兼容电平。

24、最后通过解码把脉冲信号转换成数据，从而实现数据的传输。图 2-11是一个红外线接收电路框图。八路开关放大电路调制电路红外接收STC89C52RC(指令译码)图2-11红外接收及控制电路框图 本课题的核心部分在于红外发射、接收及八路开关功能演示。其中红线数据接收是对红外二进制脉冲的宽度进行测量，从而获得红外遥控的脉冲信息。怎样才能实时、准确地对红外二进制脉冲波形进行测量呢？采用外部中断成为了理所当然的选择，外部中断只有低电平和下降沿触发两种方式，这就使得单片机只能一次性对脉冲的高电平或低电平进行测量，而一连串的脉冲是不可能分开多次测量的，因此，为了解决这一问题，本人将从接收头出来的红外二进制脉冲

25、信号与标志位（P24）进行逻辑或非，然后再输入到INT0（P3.2）引脚，使得输入INT0的信号恰好是红外数据发射电路输出端P25的信号，只要检测到INT0信号下降沿到上升沿的这段时间。如果相邻的两个中断间隔的时间长度为1.125ms，说明接收到的是“0”；时间长度是2.25ms则为“1”。因此，脉冲电平的每一次跳变都会形成一次中断，在中断服务子程中即可实现一次性对一连串连续波形的测量，在测量后对0和1的个数据统计从而测出控制指令的功能。硬件或非门的反应速度是纳秒级的，满足实时要求。2.3.2电源电路的设计由于本设计不需要高功率电源，所以采用三端稳压器足以满足要求，如图2-12所示。图2-12

26、 电源电路2.3.3八路LED开关电路八路开关电路的实现是本次设计的重点，通过八路开关的功能演示来体现本次多功能红外遥控器的设计思想，其电路图2-13所示。图2-13 八路LED开关电路K4是八路开关电路的总开关，只要接收到八路开关电路工作的红外控制信号，则K4就会闭合，LED灯才能进入演示功能。LED1亮表明该路电路接通，灭则表明电路电路断开，其他LED灯功能类同。2.3.4电磁式继电器电磁继电器是一种常见的以电控电的交流继电器。电磁继电器的工作原理是，当继电器线圈通电后，线圈中的铁芯产生强大的电磁力，吸动衔铁带动簧片，使触点1、2断开，1、3接通。当线圈断电后，弹簧使簧片复位，使触点1、2

27、接通，1、3断开。我们只要把需要控制的电路接在触点1、2间（1、2称为常闭触点）或触点1、3间（称为常开触点），就可以利用继电器达到控制红外线辐射区域设备的目的。在设计本论文的电磁继电器次端的工额定工作要求大于250伏，触点间允许通过的电流大于30安培，继电器的原边控制电流为几十毫安培，电压为3 - 5V。在本论文的设计中电磁式继电器的作用是在继电器原边用微（弱）电来控制次边强电，使得整个红外信号接收处理控制系统在侦察到红外信号后电磁继电器开关动作被控设备处于待机状态，其控制电路如下图2-14所示。图2-14 电磁式继电器2.3.5 LCD1602液晶显示电路LCD1602液晶显示器是一种低功

28、耗，体积小，显示内容丰富、超薄轻巧、高可靠性的理想显示模块。它内置192 种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）具有64个字节的自定义字符RAM，可自定义8个5×8点阵字符或四个5×11点阵字符。利用单片机驱动LCD1602液晶显示器的电路如图2-15所示。图2-15 LCD1602显示电路图第三章 实习小结本次实习由于是在企业中实习，所以很大提高了实践能力，实习的主要内容就是无线电遥控器。在实习过程中将平时所学的一些专业基础知识进行了巩固，通过上网查阅资料，对遥控器的发展趋势及工作原理有了更深层次的掌握，特别是设计模块中的一些单元电路

29、如：单片机的广泛应用，直流稳压电源的设计等。设计出一个产品不仅要从多方面考虑，还要求设计者必须细心、谨慎，加强自己的动手能力，注重团队之间的合作。 在本次设计中发射模块采用AT89C2051单片机作为控制核心，硬件电路组成: 4X4矩阵键盘电路、红外发射电路、红外接收电路、电源电路。遥控编码脉冲信号由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号组成。以PPM码（脉冲位置调制码）对红外数据调制在38KHz的载波上。接收模块采用STC89S52单片机作为控制核心。硬件电路组成:采用LT0038小型一体化红外接收头、电源电路、八路LED开关电路、LCD1602显示电路。在调试时由于设计包括硬件及

30、软件的设计，在指导老师的指导下，顺利的完成了此次实习，并得到了指导老师的肯定及赞扬。参考文献1迟荣强:单片机原理及接口技术M，高等教育出版社。2刘文涛:单片机语言C51典型应用设计M，人民邮电出版社3童长飞:C8051F系列单片机开发编程M，航空航天大学出版社。4何立民:单片机应用技术选编M,北京航空航天大学出版社。5杨素行:模拟电子技术基础M,高等教育出版社。6张龙三:C语言控制与应用M,清华大学出版社。7胡宴如:高频电子线路M,高等教育出版社。8沙占友:单片机外围电路设计M，电子工业出版社。9张立科:单片机典型模块设计实例导航M，人民邮电出版社。10刘国永：陈杰平：单片机控制步进电机系统设计J，高等教育出版社。 11赵 健：实用声光及无线电遥控电路300例M,中国电力出版社出版。12姚金生、刘小利：元器件M,北京电子工业出版社。13黄继昌：电子元器件应用手册 M,北京人民邮电出版社。14张伟、王力、赵晶：电子设计与制版Protel DXP入门与提高 M,北京人民邮电出版社。15姜立东、姜雪：Protel DXP原理图与PCB设计 M,北京邮电大学出版社。 16梁延贵:现代集成电路实用手册 M,北京科学技术文献出版