红外遥控开关设计.docx
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红外遥控开关设计
一、设计任务书
红外线是在人的正常视觉范围之外的光线，利用红外线可以进行信息的传输。
红外线的常见用途之一就是近距离遥控，像许多家电，例如电视机，VCD机，空调等都是使用红外线的方式进行控制的。
本设计要求采用红外信号的发送与接收组件，加上触发器电路以及大功率电子开关或继电气开关实现对家用电器的电源控制。
在给定直流电源电压和交流电源电压条件下，设计并制作一个红外遥控开关。
1、实验目的：
（1）掌握电子电路设计的基本方法；
（2）掌握各种红外收发器件；
（3）掌握红外遥控的收发方式；
（4）掌握红外遥控的编码解码方式；
（5）掌握开关量信号对强电设备的控制方式。
2、实验设计方案选择：
发射部分：
（1）方案一：
应用BA5104芯片对输入信号进行编码，通过放大器进行输入信号放大，通过红外信号发射器发射给接收不分。
（2）方案二：
应用单片机对信号进行编码，然后接放大与发射器件，实现信号的编码发射。
总结：
结合自身对基本原理的掌握与熟练程度，我们组选择了方案一以实现信号的编码与发射。
接收部分：
（1）方案一：
用芯片BA5204对接收端所接收信号进行应用解码，芯片CD4013实现信号的保存，信号通过放大部分的放大传入继电器部分，以实现弱电控制强电的功能。
（2）方案二：
用芯片SM5032实现对接收端接收信号进行解码，应用芯片74LS74D触发器实现信号的保存，信号通过放大部分的放大传入继电器部分，以实现弱电控制强电的功能。
总结：
由于芯片BA5204与芯片CD4013在市场上已很少见，购买是价格过于昂贵，并且由于此类芯片已停产，现有产品都积压已久，性能与可靠性上都难以保证，所以选择了SM5032与CD4013进行替代。
3、设计要求及技术指标：
基础部分：
（1）红外遥控器采用现成的家用电器的红外遥控器；
（2）遥控距离不小于5米；遥控开关接收端的工作电源为220V交流电；
（3）遥控开关使用发光二极管指示有无220V交流电源及遥控开关的开关状态；
（4）遥控开关能够控制台灯、电扇等家用电器，输出功率不超过200W。
发挥部分：
（1）自制红外遥控器，包括至少8路遥控按键；
（2）遥控开关能够控制至少8路家用电器。
4、设计任务：
（1）设计，安装、调试所设计的电路；
（2）画出完整的电路图，详细说明电路原理，写出设计总结报告。
二、设计框图及电路系统概述
根据设计要求及制作目的，我们确定了设计总体方案。
由于频分制红外遥控电路在控制通道数目较多时电路过于复杂，且各频道间容易相互干扰造成误控，我们决定使用码分制红外遥控系统。
系统框图如下：
指令编码器由基本脉冲发射电路和指令编码开关组成。
当按下某个指令按键时，指令编码器将产生不同编码的指令信号。
该编码信号经调制器调制后变为编码脉冲调制信号，再经驱动电路功率放大后加至红外发射级，驱动红外发射管发出红外编码脉冲光信号。
红外接收，译码由红外接收器，前置放大器、解调器、指令译码器、记忆和驱动级等组成。
红外光电二极管（或光敏三极管）将接收到的红外光信号转变为相应的电脉冲信号，再经高倍电压放大后加至解调器进行解调，然后由指令译码器解码出指令信号。
指令译码器是与指令编码器相对应的译码器，用于脉冲指令信号译出。
译出的指令信号加至相应的记忆和驱动级，驱动执行机件（如继电器、可控硅、音频电路等）动作，实现红外光遥控。
三、各单元电路的设计方案及原理说明
经过我们大量的查阅与市场调查，联系该课程设计的要求及基本原理，我们决定采用下图所示的电路：
1、整体电路图：
发射电路：
接收电路：
图
（2）
2、各单元电路的设计方案：
（1）指令编码及调制单元
（2）驱动及红外发射单元
图（4）
（3）红外接收及解调单元
图（5）
（4）前置放大单元
图（6）
（5）指令译码单元
图（7）
（6）记忆驱动单元
图（8）
（7）执行单元
图（9）
3、主要芯片管脚图（编码器BA5104与解码器BA5204）：
图（10）
4、BA5104部分资料：
工作特性：
表
（1）
（1）管脚说明：
表
（2）
（2）BA5104键输出码表：
表（3）
（3）BA5104的主要特点：
1）BA5104采用38KHZ载波红外信号编码发射输出，具有定向性好，抗干扰能力强，遥控距离远的特点。
2）BA5104采用按键起振的省电模式，具有功耗小的特点;
3）BA5104具有8个输入通道工用户选择，因此，它有32种不同的组合，可生产32种不同的编码输出供用户选择，具有功能强大的特点。
4）采用先进的CMOS工艺，既有工作电压范围宽的特点。
5）设计了防静电（ESD）电路，具有安全可靠的特点。
5、电路工作原理：
发射电路：
它由发射和接收两部分电BA5104（IC1）专用编码IC。
IC1的①、②脚为客户码选择端，此两端要求和接收电路的BA5204（IC2）解码IC的11、12脚对应悬空或接地。
IC1的12、13脚外路组成，发射电路（如图1）采用接455kHz的陶瓷晶振，③～⑦脚、⑨～11脚接8个控制按键，按某一键，可使IC2相应脚电平发生变化。
14脚为发射指示端。
编码信号从15脚输出，经2Vl和2V2组成的复合管放大后由2VD2红外发射管变成光信号发射出去。
图（11）
接收电路：
接收电路原理如图2所示，IC2的工作电压为5V。
13脚为内部振荡器定时端，外接R4和C1网络；③～⑩脚为控制输出端。
其③～⑧脚的6个端口为非保持端，IC3电路的红外接收头（三端），它接收放大和解调信号，把遥控器发出的红外信号还原成解码BA5204能识别的脉冲码。
BA5204的③～⑨脚输出的信号分别经三极管V2～V8放大，驱动相应的继电器，实现控制功能。
6、具体工作流程：
当按下8个控制按键的任一键时（例如K1）即3管脚，则3管脚的电平由原来的高电平跳变为低电平，BA5104开始进行工作，即发射相应的编码信号制接收电路，当端子为高电平时，则发射停止；K7,K8为单次电平控制端，接低时，BA5104能够发射一次信号。
OSC1与OSC2接出来的晶振电路可使红外遥控的载波频率为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455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。
则BA5104编的码可载在38KHZ的载波上通过15管脚DO（编码信号发生器输出端）。
从DO出来的编码信号经过NPN三极管（8050）放大后，可将编码信号经由集电极的红外发射管转变成光信号发射出去。
在接收端，红外接收头（三端）接收由发射电路发射的光信号并将把遥控器发出的红外信号解调还原成解码器BA5204能够识别的脉冲码。
由光电三极管OUT端出来的脉冲码（信号）经过功率三极管（3DG6C）放大足够的倍数（60～80）使原来微弱的脉冲信号能够被BA5204识别并进行解码过程。
被放大的脉冲信号经2管脚DI输入，经BA5204解码使得与发射电路已按按键相应的输出端输出高电平，使得双稳态触发器CD4013。
当CD4013的CP端加一正向脉冲时，则输出端Q1端输出宽度一定的整形脉冲。
当CD4013的CP端有数据输入且由低电平变为高电平（或由高电平变为低电平）时，CD4013的输出状态发生翻转，其Q端由低电平转呈高电平（低电平），使得功率三极管3DG12D（此时起到开关作用）饱和导通，继电器K1通电，吸合，其触点将相应电器或时序控制节点接通（实验中用发光二极管替代），则用电器开始工作（发光二极管亮光）。
再按一下按键，CD4013又接收到一正向脉冲，此时其Q端由高电平转呈低电平，功率三极管3DG12D截止断开，继电器断开，用电器不工作（发光二极管熄灭）。
从而达到控制的效果，且各路的用电器相互独立，类似自锁效果。
四、调试过程及结果分析
电路调试过程：
本电路的调试过程较为顺利。
在电路板的安装完成后，初次接电源后接收端不能控制继电器吸合。
在检查电路连接无误后，我们开始从发射电路测量检查。
发射电路中作为指示遥控开关的开关状态的发光二极管工作正常，说明编码芯片BA5104的工作状态正常。
于是我们使用示波器从BA5104的输出端15管脚测量输出波形，输出信号频率为37.9KHz，较为稳定，发射电路的指令编码器单元和调制器单元工作正常。
我们又将示波器接在红外发光二极管的正极和地之间测量发射信号，信号通过作为驱动电路单元的三极管8050，已被放大，频率为发生变化。
由此我们确定发射电路部分工作正常。
接下来我们检查接收电路。
首先用示波器测量光电三极管接受的信号，所使用的光电三极管具有信号接收、放大、解调的功能。
将测得的脉冲信号与发射端编码芯片所发出的脉冲信号进行比对，脉冲码完全一致，红外接收单元工作正常。
将示波器接在芯片BA5204的信号输入端2管脚，测得脉冲编码。
在给芯片输入脉冲信号的同时我们用万用表分别接在BA5204的输出端3~7、9~11管脚，但均未测得一高电平的跳变，由此我们推断电路未能正常工作是因为解码芯片没有正常解码造成的。
我们估计可能的原因有两个：
1、解码芯片已损坏；2、接收电路的前置放大单元的电流传输系数不够，造成芯片无法正常解码。
鉴于解决第一种原因需要重新购买芯片，耗时较多，因此我们决定先按照第二种可能原因解决问题。
我们将开始使用的作为前置放大单元的3CG15C型三极管更换为电流传输系数和最大功率值更大的3DG6C型三极管。
更换元件后，重新接入电源，电路已可以正常工作。
由此说明我们估计的第二种故障原因是对的。
结果分析：
由于所用的电路板大小限制，而且由于所设计电路的八路控制通道工作原理完全一致，因此我们决定只在电路板上实现两路。
从安全性和电路简洁角度考虑，我们设计用发光二极管充当执行机件以显示继电器是否吸合。
后经指导老师建议，又焊接一路控制电路，控制220V交流电源，用台灯作为执行机件。
我们的三路控制电路从分别从BA5204的4，6，9管脚引出，分别对应遥控电路中的1，3，5号按键。
实验结果显示，在距离6.5米处分别按下遥控电路的1，3，5号按键时，4，9管脚通道所控制的发光二极管和6管脚通道所控制的台灯分别点亮，再次按下同一按键时相应机件熄灭。
对于未接控制电路的其他各通道，在发射端按下相应按键时可在解码芯片的对应输出管脚检测到一高电频跳变，且各控制通道工作稳定，无相互干扰。
由此可以说明我们制作的红外遥控开关发射和接收电路已可以实现遥控8路220V交流电源开关的功能，控制距离已超过5米，且工作性能稳定，安全。
我们的设计已达到实验设计要求。
五、设计、安装及调试中的体会
六、参考文献
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北方交通大学出版社，2003年
[7]路勇.电子电路实验及仿真【M】.北京:
北方交通大学出版社,2004年
附：
元件清单
序列号
元件
数量
序列号
元件
数量
1
BA5104
1
17
电阻22
2
2
SM5032
1
18
电阻1k
7
3
CD4013
3
19
电阻20k
1
4
红外发射管
1
20
电阻43k
1
5
光电三极管
1
21
电阻100k
3
6
陶瓷晶振
1
22
继电器
3
7
三极管3DG6C
1
23
按键
6
8
三极管9016
3
24
电路板
3
9
三极管8050
1
25
插座
1
10
发光二极管
3
26
干电池
2
11
二极管4003
2
27
电池座
1
12
二极管4048
3
28
导线
若干
13
电容100P
2
14
电解电容47u
1
15
电容1000p
1
16
电容0.033u
3
表（4）
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