东北石油大学单片机课程设计红外遥控器.docx

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东北石油大学单片机课程设计红外遥控器

东北石油大学

课程设计

课程单片机的控制系统课程设计

题目红外遥控开关

学院电气信息工程学院

专业班级自动化

学生姓名

学生学号

指导教师

年月日

东北石油大学课程设计任务书

课程单片机的控制系统课程设计

题目红外遥控开关

专业自动化姓名学号

主要内容、基本要求、主要参考资料等

主要内容：

设计一个红外遥控开关控制电路。

基本要求：

（1）采用红外遥控发射和接收；

（2）遥控距离要大于6米；

（3）采用锁相环等实现红外遥控操作的加密；

（4）输出负载可以为日光灯、白炽灯。

主要参考资料：

[1]牛昱光.单片机原理与接口技术[M].北京:

电子工业出版社,2009.

[2]杨文龙.单片机技术及其应用[M].北京:

电子工业出版社,2008.

[3]王德彪.MCS-51单片机原理及接口技术[M].北京:

电子工业出版社,2005.

[4]戴佳，戴卫恒.51单片机C语言程序设计实例精选[M].北京:

电子工业出版社,2006.

完成期限

指导教师

专业负责人

年月日

第1章绪论

现在社会上已经设计出了各种各样的控制开关，其中包括红外遥控开关，红外遥控是目前家用电器中用的较多的遥控方式我们这个设计既具有红外遥控的一般通用特性，也设计了一种具有自己独特性能的部分，让人们更好的使用家用电器，以下介绍红外遥控的特点：

它不影响周边环境的、不干扰其他电器设备。

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。

他们能更深刻的把握电器性能好坏，相信通过这个设计大家也能对红外遥控开关的工作原理有进一步的了解。

1.1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，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φ5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。

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Μpc1373H、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455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。

也有一些遥控系统采用36kHz、40kHz、56kHz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。

由于各生产厂家生产了大量红外遥控专用集成电路，需要时按图索骥即可。

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。

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。

除以上输出形式外，还有“锁存”和“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。

1.2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。

1.3红外遥控开关设计要求

（1）采用红外遥控发射和接收；

（2）遥控距离要大于6米；

（3）采用锁相环等实现红外遥控操作的加密；

（4）输出负载可以为日光灯、白炽灯。

第2章系统结构及主要元器件

2.1系统结构

AT89C51

红外遥控开关，跟其他传统开关相比，它主要可以实现一键场景，一对一遥控及分区灯光全开全关等管理，就是对住宅内的各种家用电器进行智能管理与控制的开关。

锁相环电路

晶振电路

数码管

并可

红外感光电路

复位电路

图2-1红外遥控电路框图

以用多种控制方式实现以上功能，最主要的控制方式为无线遥控、定时控制、集中控制、甚至远程控制等，从而创造舒适、节能、方便、安全、环保的居住灯光效果。

红外遥控系统一般分为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，555定时器组成的多谐振荡器来充当方波信号发生器。

接收部分的红外接收管是一种光敏二极管，因电路设计要求实现加密功能，因此需要使用LM567构成的锁相环电路，同时还有光电耦合器组成的隔离电路，主要进行高低压隔离保护。

首先需要了解红外信号编码的特点，红外信号有几种不同的编码方式，例如可以使用不同的脉冲宽度代表0和1，也可以使用信号沿的变化代表0和1，但是红外遥控信号总是由一串脉冲所组成的。

按下红外遥控器不同的按键之后发出的编码不同。

如果将脉冲串进行单稳整形，就可以得到一个脉冲，用它来控制一个触发器就可以实现一个单路的遥控开关

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，接收部分的红外接收管是一种光敏二极管，如果需要其具有加密功能，这就需要使用锁相环路。

（1）发射器电路由3V电源供电。

低频信号、40KHZ的载波形成皆用与非门加外部元件实现，具有较高的稳定性，这部分电路用到了一个与非门集成电路。

（2）接收器电路又有几部分组成。

使用了LM567集成块实现锁相环加密功能，用双稳态电路对继电器进行控制，利用继电器的开关对负载实现控制。

2.2主要元器件

2.2.1AT89C51单片机及硬件结构

（1）微处理器（CPU）：

一个8位的CPU，与通常的CPU基本相同，同样还包括了运算器和控制器两部分，只是增加了面向控制的出路功能，不仅可以处理字节数据还可以进行变量的处理。

（2）数据存储器（RAM）：

片内为128B，片外最多可以外扩64KB。

片内的128B的RAM以告诉RAM形式集成在单片机内。

可以加快但单片机的运行速度，而且这种结果的RAM可以降低功耗。

（3）程序存储器（ROM/EPROM）：

用来存储程序，8031没有此部件，8051为4KB的ROM；8751为4KB的EPROM。

片外最多可以扩至64KB。

（4）4个8位并行I/O口（P0、P1、P2、P3）

（5）1个串行口：

1个全双工的串行口，具有4种工作方式。

可以用来进行串行通信，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连接构成多机系统，从而使单片机的功能更加强且应用更广。

（6）2个16位定时器/计数器。

（7）中断系统：

具有5个中断源，2级中断优先权。

（8）特殊功能寄存器（SFR）：

共有21个、用于CPU对片内各功能部件进行管理、控制、监视。

是一些控制器和状态寄存器，具有特殊功能的RAM区。

AT89C51是一种低功耗、高性能、内含4KB闪速存储器（FlashMemory）的8位CMOS控制器。

这种器件系以ATMEL高密度不挥发存储技术制造，与工业标准MCS——51指令系统和引脚完全兼容。

片内闪速存储器的程序代码或数据可以在线写入,亦可通过常规的编程器编程。

例如MP——100这样的经济型编程器，它支持痛哟个EPROM等各种存储器、PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）以及Intel，ATMEL和Philips等公司全系列51单片机的编程。

ME5103和ME5105仿真器支持AT89系列所有器件的调试、仿真和编程。

AT89C51芯片内部具有下列硬件资源：

4KB闪速存储器、128个字节RAM、32条I/O线，两个16位定时/计数器、五源两级终端结构、全双工串行口、片内振荡器及时钟电路等。

正是由于AT89C51具有以上优点，所以我选择了它作为系统硬件所选单片机类型。

红外发射电路由1KHZ音频振荡器，3KHZ音频振荡器，40KHZ载波振荡器和驱动输出电路组成如图2所示。

1KHZ音频振荡器由四与非门集成电路IC1（D1-D4）内部的D1和电阻器R1、R2、电位器RP1、控制按钮S1组成。

3KHZ音频振荡器由IC1内部的D2和电阻器R3电位器RP2、电容器C1，控制按钮S2组成。

40KHZ载波振荡器由IC1内部的D3、D4和电阻器R4、R5、电容器C2组成。

驱动输出电路由电阻器R6、晶体管V1和红外发光二极管VL组成。

当按下红外发射电路中的控制按钮S1时，1KHZ音频振荡器振荡工作，产生1KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。

当按下红外发射电路中的控制按钮S2时，3KHZ音频振荡器振荡工作，产生3KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。

刚接通电源时来不及充电2,6端均为低电平,输出为高电平,二极管截止,这是电源经过R1R2对C1充电,C1呈指数规律上升,当到达（3\2）Vcc时3端输出低电平,发光二极管导通发射,其振荡频率为f由R和C就可以确定它的振荡频率，从而控制其发射距离。

此电路的载波频率为35khz。

图2-289c51单片机引脚图

红外接收电路主要由光电信号转换电路，前置放大器，译码电路，高低压保护电路，继电器，以及电源电路组成，如图二所示。

Led以及R1构成了光电信号转换电路，R2R3以及4069构成了前置放大，用于放大音频信号，而lm567构成了译码电路，光电耦合器，R4R5R6构成了高低压隔离电路，JDQA，4007，vt1构成了驱动电路，r，s，c8构成了负载电路，T，D2，7805以及外围电容构成了供电电路。

当接收端接收到光信号的时候，led开始工作，将其接收到的光信号转换为相应的电信号，由于信号比较微弱，所以送至前置放大器，对信号进行放大，然后送给lm567的3脚，当送给lm567的频率与其内部的频率一致时，其内部电路工作，将想要的信号解调出来，然后经光电耦合器送给继电器，从而驱动负载工作。

供电电源部分，经过220V的整流滤波之后，输出12V的直流电压送给驱动端，再由经7805输出5V的直流电压，加至隔离保护端。

红外接收控制电路由红外线接收头IC2、音频译码器、反相器、双稳态触发器（A1、A2）和控制执行电路组成。

音频译码器由音频锁相环集成电路IC3、IC4和外围阻容元件组成。

反相器由晶体管V2、V3和电阻器R8-R10、R13-R15组成。

双稳态触发器由双D触发器集成电路IC5（A1、A2）担任。

控制执行电路由电阻器R11、R16、晶体管V4、V5和继电器K1、K2组成。

当按下红外发射电路中的控制按钮S1时，1KHZ音频振荡器振荡工作，产生1KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。

红外接收头IC2接收到VL发射出的红外指令信号并对其进行放大和解调处理，解调后的指令信号经IC3译码、V2反相后去触发双稳态触发器A1，使A1翻转，V4饱和导通，K1吸合，其常开触头闭合，将第一路负载的工作电源接通。

再按动一下S1，A1又翻转为另一种稳态，使V4截止，K1释放，第一路负载的工作电源被K1的常开触头切断。

当按下红外发射电路中的控制按钮S2时，3KHZ音频振荡器振荡工作，产生3KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。

IC2将接收到的红外光信号进行放大和解调处理后，得到解调后的指令信号，该信号经IC4译码，V3反相后使A2翻转，V5饱和导通，K2吸合，其常开触头接通，使第二路负载运行工作。

再次按动S2后，则A2翻转为第一种状态，使V5截止，K2释放，第二路负载的工作电源被K2的常开触头切断。

调RP1和RP2可分别改变1KHZ音频振荡器和3KHZ音频振荡器的工作频率，从而改变遥控的灵敏度。

调试时按S1调RP1使K1动作，按S2调RP2使K2动作。

第3章硬件设计

本文所设计的基于红外感光传感器的红外遥控系统由，晶振电路，复位电路，锁相环电路，红外感光电路以及数码管组成，通过这几个部分组成的电路实现了利用红外传感器来实现对小灯的控制。

3.1晶振电路与复位电路设计

晶振电路与复位电路又被称为单片机最小系统，晶振系统主要是为单片机提供时钟的，单片机工作的最小时间计量单位就是由电路中的晶振系统决定的，而复位系统则是让单片机程序从最初开始重新进行运行。

图3-1晶振电路与复位电路设计图

接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。

充电回路按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。

是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡。

3.2红外接受电路设计

红外接收管应与发射管配对选用。

BG1和IC2构成红外接收放大器，它可以对接收到的电信号进行放大，限幅，选频，检波及整形处理。

音频电路采用具有锁相环中的音频码集成电路LM567，锁相环音频译码电路在可以接收到一定的频率输出端输出的一低电平触发信号，他要求可靠解码时的输入信号不小于25mV，故采用了集成功率放大器LM386，获得足够的增益。

LM567的中心频率由R5和C7决定。

即F=1/1.1R5C7。

调节发生器的W，使收发频率一致时，其内部电路工作，将想要的信号解调出来，然后经光电耦合器送给继电器，从而驱动负载工作，供电电源部分，经过220V的整流滤波之后，输出12V的直流电压送给驱动端，再经由7805输出5V的直流电压，加至隔离保护端。

其中光电耦合器，R2、R6、R8构成了高低压隔离电路，JDQA、4007、Q1构成了驱动电路，R4、S1、C4构成负载电路,T、D3、7805以及外围电容构成供电电路。

红外线接收组件一般由菲涅耳透镜、热释电红外传感器、放大及电平转换电路组成。

菲涅耳透镜实际上是一个透镜组，每一个透镜单元只有一个不大的视场，相邻视场既不连续也不相交，之间均相隔一个盲区，当移动的红外线射入透镜时便产生一个交替的盲区和高灵敏区，这相当于红外线射入一个视场后又越过这个视场，在进去另一个视场，如此进行下去使热释电元件的温度不断的快速变化，因输出信号强弱取决于敏感元件温度变化的快慢，所以输出信号幅度将极大的增强。

这样做的优点可以提高组件的接受灵敏度，增大接受距离。

红外接收组件的仿真图如下图所示。

接收波长：

接收头接收红外光曲线，接收的范围是750-1150，在940NM的左右的波长段是接收效果最好的，因此遥控器的发射管波长是940nm。

图3-2红外接收设计图

3.3数码管显示电路设计

LM016L液晶模块采用HD44780控制器hd44780具有简单而功能较强的指令集可以实现字符移动闪烁等功能LM016L与单片机MCU通讯可采用8位或4位并行传输两种方式hd44780控制器由两个8位寄存器，指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）忙标志（BF）显示数RAM（DDRAM）字符发生器ROMA（CGOROM）字符发生器RAM（CGRAM）地址计数器RAM（AC）。

液晶模块如下图所示。

图3-3数码管显示电路设计

LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：

当LM567的3脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，8脚由高电平变为低电平，2脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的2脚输入音频信号，则在5脚输出受2脚输入调制信号调制的调频方波信号。

3.4锁相环电路

上述接收电路中的LM567是一个锁相环集成电路，内部包含了相位比较器、压控振荡器，正交相位检测器以及放大等功能，结合少量的外接元件能完成红外遥控的锁相环加密功能。

即只有当输入信号的频率和电路自身的振荡频率相一致时，电路输出低电平，否则输出高电平LM567为锁相环音频译码电路。

它在电路中的作用是作选频用，即只有当输入信号的频率和电路自身的振荡频率相一致时，电路输出低电平，否则输出高电平。

它采用8脚双列直插封装，其5、6脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率F,F=1/1.1R5C7。

其1、2脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络。

2脚所接电容的容量应至少是2脚电容的二倍。

3脚是输入端，要求输入信号大于或等于25mV。

8脚是逻辑输出端，其内部是是一个集电极开路的三极管，允许最大管电流为100mA。

LM567的工作电压为4.75~9V，工作频率从直流到500kHz,静态工作电流为8M。

LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：

当LM567的3脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，8脚由高电平变为低电平，2脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的2脚输入音频信号，则在5脚输出受2脚输入调制信号调制的调频方波信号。

图3-4锁相环电路设计

3.5总体电路图设计

LM016L液晶模块采用HD44780控制器HD44780具有简单而功能较强的指令集可以实现字符移动闪烁等功能。

图3-5总体电路设计

第4章软件设计

4.1遥控发射主程序流程图

系统首先进行初始化然后通过光感电路获取红外信号，之后再对红外信号进行光电转换，进行控制，遥控发射流程图与遥控接受流程图如下。

图4-1遥控发射主程序

4.2红外发射子程序流程图

红外信号发射过程：

首先装入发射脉冲个数（发射时为3ms脉冲，停发时为1ms脉冲），此时若发射脉冲个数为1则返回主程序，若不为1则发1ms脉冲，然后停发1ms脉冲，这样便结束整个发射过程。

在实践中，采用红外线遥控方式时，由于受遥控距离，角度等影响，使用效果不是很好，如采用调频或调幅发射接收码，可提高遥控距离，并且没有角度影响。

Y

N

图4-2红外信号发射程序

4.3遥控接收主程序流程图

控接收部分的主程序及初始化及延时过程如上：

首先初始化，然后按照显示数据设定控制脉冲延时值，看P3.1口的脉冲是否为0，若不为0则调入延时程序，此时P2.7口输出控制脉冲然后返回；若为0则直接返回。

N

Y

图4-3遥控接收部分主程序

4.4中断程序流程图

中断开始时，当低电平脉宽大于2ms是进行接收并对低电平脉冲计数，之后测量出高电平脉宽是否大于3ms，如果大于则按脉冲个数至对应的功能程序如果小于等于3ms则返回低电平脉宽重新进行。

N

Y

N

Y

图4.5

图4-4中断过程程序图

第5章系统仿真与试调

5.1程序试调

在试调过程中，出现了数码管无法显示的情况，经过讨论原因是数码管由于共阴极驱动，而设计的程序却是共阳极驱动的。

应该是Px0-A,Px1-B,Px2-C,Px3-D,Px4-E,Px5-F,Px6-G,Px7-H。

图5-1数码管未显示

由于电源电压未设置proteus无法仿真，解决办法为将电源电压设置为+5V即可进行仿真。

5.2系统仿真

在经过调整之后以及调整电压之后，可以达到预期的效果，仿真效果如下：

图5-2接收部分仿真图

总结

在这次实习中，我抽到的设计题目是红外遥控开关。

在日常生活中，我接触红外遥控开关也挺多的，像家里电视机、空调等的遥控器都采用的是红外遥控开关，但自己对它的工作原理，及其电路组成可以说是一概不知。

这次实习让我们走进生活，了解生活中的一些家用电器工作的原理，是实习的目的之一。

在实习过程中，需要把电路的每一个环节搞懂，就必须充实自己的知识，我也在学校图书馆接了基本相关书籍进行查阅，同时在电子网站查阅相关芯片资料以及软件、原件的功能作用为做设计电路准备。

通过查阅资料，开阔了我的视野，拓展了我的思路，也使我意识到细节的重要性。

实习中，加强了我对本专业的了解，把以前遗忘的或者不会的知识从新得到巩固和了解，在实习过程中，发觉自己对本专业的知识了解