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摘要

在很多实际的单片机系统中，常常使用非电信号（如光信号、超声波信号等）来传送控制信息和数据信息，以实现控制功能，其中红外通信是目前使用最广泛的一种通信控制手段。

由于红外线通信具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线通信技术。

工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线通信技术不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。

而单片机是目前设计应用中用得比较广泛的器件，它可以通过软件编程来达到不同的效果，实现各种各样不同的功能，具有灵活性强、可靠性高，可扩展性好等优点。

本文所要介绍的内容就是如何利用单片机，结合红外线器件设计构造出一套简易的红外线通信系统，以实现在中短距离内的红外无线通信的功能。

与一般通用的红外遥控器不同的是它不是利用专用的编解码芯片来实现发收端的编解码,而是应用C51单片机,通过单片机的编、解码程序来实现红外信号的发收,从而实现红外遥控通信功能。

由89C51单片机的数据采集系统和红外通信系统组成，结合了红外发射管，LT1838红外接收模块，NE555定时器，以及LED发光二极管和4位七段数码管等器件，实现了系统的发射、接收以及数据显示功能。

关键词：

单片机；红外通信；红外发射；红外接收

Abstract

InmanypracticalSCMsystem,oftenusingnon-electricalsignals（suchasopticalsignals,ultrasonicsignals,etc.）totransmitcontrolinformationanddatainformationinordertoachievecontrolfunctions,includinginfraredcommunicationisthemostwidelyusedmeansofacommunicationcontrol.

Becausetheinfraredraycommunicationhasthecharacteristicsofthephysicalvolumesmall,thepowerconsumeslow,thefunctionisstrong,thecostlow,andsoon.Asaresult,aftercolortelevision,videorecorder,equippingintheothersmallscaledelectricappliancessuchastaperecorder,stereosetequipments,theairconditionmachineandtoyetc.arealsoadopttheinfraredraycommunicationtechniqueinsuccession.Intheindustryequipments,intheenvironmentofthehighpressure,radiation,poisonousair,dustandsoon,adoptioninfraredraycommunicationtechniquenotonlycompletecredibilityandcaninsulatetheelectricityinterferenceavailably.

Andthemicrocontrolleristhedevicethatusesextensivelyinthedesignsapplicationcurrently,itcanattainthedifferentresultbythesoftwarecompile,carryingoutdifferentkindsoffunctions,haveadvantagesofgooddexterity,highcredibility,canexpandgoodandsoon.

Thistextwantstointroduceawayhowtofabricateasimplesystemofinfraredraycommunicationuseofthemicrocontroller,combiningainfrareddevice,sothatitcanachievethefunctionhowtocommunicatefortheinfraredrayinashortdistance.DifferentfromthegeneralInfraredremotecontroller,itisnotusethespecialcodinganddecodingchiptorealizethecodesandthedecodesinthepartofthesendsandreceives,butusestheC51Microcontroller,throughtheprogramsofcodesanddecodesoftheMicrocontroller,sothatrealizesinfraredsignalsendingandreceiving,thusrealizesthecommunicationfunctionofinfraredremotecontrol.Thiscommunicationssystempassesthroughsomenecessaryexpansions,definitelymayrealizegeneralandeachkindofspecial-purposeinfraredremotecontrolfunction.

89C51microcontrollerbyadataacquisitionsystemandinfraredcommunicationsystemcomponents,combinedwiththeinfraredemissioncontrol,PC3388infraredreceivermodule,NE555timer,andLEDlight-emittingdiodeand4-segmentdigitalpipesandotherdevices,toachievethesystem'stransmitterandreceiver,andDatadisplay.

Keywords:

Microcontroller;InfraredCommunication;InfraredTransmit;InfraredReceive

引言

红外数据通信，顾名思义，就是通过红外线传输数据，它是一种使用红外线作为传播介质的数据传输方式。

在电脑技术发展早期，数据都是通过线缆传输的，线缆传输连线麻烦，需要特制接口，颇为不便。

于是后来就有了红外、蓝牙、802.11等无线数据传输技术。

红外线是波长在750nm~1mm之间的电磁波，是人眼看不到的光线。

红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75μm~25μm。

红外数据协会成立后，为了保证不同厂商的红外产品能获得最佳的通信效果，限定所有红外波长在850nm~900nm。

红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。

红外通信是目前比较常用的一种无线数据传输手段，其具有无污染、信息传输稳定、信号安全性高以及安装使用方便等优点，并且可以在很多场合应用，如家电产品、工业控制、娱乐设施等领域。

红外通信有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。

其可用于许多需要短距离及非接触式传输数据的场合，实现了主机及从机双方非接触式的数据传输。

实现单片机系统红外通信系统的关键在于红外接口电路的设计以及驱动程序的设计。

常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φ5mm发光二极管相同，只是颜色不同。

一般有透明、黑色和深蓝色等三种。

判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。

单只红外发光二极管的发射功率约100mW。

红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定，而业余条件下，只能凭经验用拉距法进行粗略判定。

接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。

红外接收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较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。

然而现在不论是业余制作或正式的产品，大都采用成品的一体化接收头。

红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定、可靠。

所以，有了一体化接收头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高。

红外传输的距离在几厘米到几十米之间，发射角度通常在0°~15°，发射强度与接收灵敏度因不同器件，不同应用设计而强弱不一。

考虑到红外光反射的原因，在全双工方式下发送的信号也可能会被本身接收，因此红外通信需要采用异步半双工方式，既通信的某一方发送和接收是交替进行的。

1系统设计

本课题研究的是通过红外光的传播来实现双端通信，即红外通信系统。

电路板分为两块，分别都可以实现红外的发射和接收，所以通信方式采用异步半双工通信。

该系统中有发射模块、接收模块、显示模块、按键模块等。

本系统能正确收发数据信息，当一边有键按下时，另一边以数字的形式在数码管上显示出相应的数字信息，双方交换工作，效果如此。

如果在通信过程中因外界干扰造成通信错误，数码管以显示“F”来提示错误。

重新发送数据信息，恢复正常通信。

任务要求

（1）选择合适的红外器件，并完成单片机和器件之间的接口电路

（2）单片机和红外器件的通信及其控制

（3）划分系统的功能模块

（4）各个功能模块之间设计好接口电路

（5）构建整个红外数据通信系统并调试

（6）实现半双工通信并调试

总体设计

图1-1列出了红外通信系统的构成，它主要由3个部分组成：

通信信道、红外发射模块、红外接收模块。

红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为载体，来进行通信。

发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数调制成某一频率的脉冲序列，并利用该脉冲序列驱动红外线发射管以光脉冲的形式向外发射红外光；而接收端将接收到的光脉冲信号转换成电信号，在进行放大、滤波、解调处理后还原成二进制电信号，通过数码管显示出来。

在红外线通信系统中，由于红外发射器的发射功率较小，而且信号采用红外线进行传输，易受外界环境的影响，这些因素导致了红外接收器的信号很弱，并且电平变化范围较大。

因此，低噪声的前置放大器设计和自适应的码元判决电路是必须的。

但是使用一体化的红外接收器就不用这些麻烦的处理，器件内部可以完成相应的功能，方便使用。

图1-1系统硬件构成框图

2方案论证

单片机选用方案

单片机型号的选择

方案1：

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，软件编程灵活，自由度高，市场上比较多见，价格便宜且技术比较成熟容易实现功能。

方案2：

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这么多的资源，且价格偏贵，市场比较少见，技术不稳定。

在校期间一直学习与接触的都只有51单片机，所以对此单片机系统有较深刻的了解。

在遇到困难时，可以与同学共同讨论解决，也可以寻找老师帮助。

相较于凌阳单片机，更有把握运用51单片机来完成本课题的研究。

故本设计采用方案1实现。

38KHz载波实现方案

方案1：

软件产生载波

用程序编程实现载波的产生。

借助单片机的内部定时器来产生一定周期的方波也是可以实现的，但是这样一来就占用了单片机的内部资源，可能会影响后面的源代码编写。

方案2：

硬件产生载波

采用NE555构成多谐振荡器，产生38KHz的方波，作为红外的载波信号，实现电路如图2-1所示。

为了使载波频率更为接近38KHz，在电路中加了一个精调电位器，可以通过改变电位器的大小，实现输出波的频率。

在电源端也加上了滤波电容，尽可能的排除电源中的干扰，进一步确保产生波准确。

图2-1NE555构成的38KHz振荡电路图

本系统采用的是方案2的设计，用硬件电路产生载波，即便在原理上多些研究也要避免程序编译的不熟悉和繁杂。

硬件电路虽然简单但是要确定具体数值就必须准确的计算相应电子器件的数值，尽可能的接近理论值。

还有就是实际环境中存在很多不可预料到的干扰，所以更需要细心钻研载波原理。

红外通信系统的基本原理

红外通信发射系统的基本原理

单片机本身并不具备红外通信接口，可以利用单片机的串行接口与外围的红外发射电路和接收电路，组成应用于单片机系统的红外串行通信接口。

红外发射电路包括脉冲振荡器、红外发射管和滤波电容等部分组成。

其中脉冲振荡器由NE555定时器、电容和电阻组成，用以产生38KHz的脉冲序列作为载波信号；发射部分的主要元器件为红外发光二极管。

红外发射电路的工作原理为：

由单片机的串行口输出端输出的串行数据去调制脉冲振荡器NE555发出的载波信号，然后用载波信号驱动红外发射管以脉冲的形式向外发送。

其中，为了保证红外接收模块能够接收的准确性，要求发送端载波信号的频率应该尽可能接近38KHz，因此在设计脉冲振荡器时，要选用精密元件并保证电源电压稳定。

红外通信接收系统的基本原理

红外接收电路主要元器件是一种集红外线接收、放大、整形于一体化的红外接收器，在实际应用中用来接收950nm的红外光束。

红外接收电路的工作原理为：

首先红外光敏元件将接收到的载波频率为38KHz的脉冲调制红外信号转化为电信号，再转化成数字基带信号，并通过RXD端口接收数据传输给单片机。

单片机在解码，通过连接在一起的数码管把传送的数据信息显示出来，当显示信息与发送信息一致，则发送，接收成功。

单片机及其外围电路

显示器接口电路

对于数字显示电路，通常采用液晶显示或者数码管显示。

液晶显示对单片机的接口要求较高，占用资源多。

51单片机本身无专门的液晶驱动接口。

而数码管作为一种主动显示器件，具有高亮度、快速响应、稳定性好、温度特性佳、价格便宜、方便购买等优点。

因此，本设计的显示接口电路采用四位共阳数码管作为显示器。

数码管显示器的显示方法有静态和动态两种方法。

显示器位数较少时，采用静态显示的方法较为合适。

当位数较多时，用静态显示所需的I/O口太多，一般采用动态显示方法。

动态显示时一位一位轮流地点亮各位数码管，这种逐位的点亮显示器的方式称为位扫描。

通常各位数码管的段选线相应的并连在一起，由8位的I/O口控制；各位的公共阳极位选线由另外的I/O口线控制相连。

动态方式显示时，各个数码管分时轮流选通，要使其稳定显示必须采用扫描方式，即是在某一时刻只选通一位数码管，并送出相应的段码，在另外一时刻选通另一位数码管，并送出相应的段码，以此类推，这样就可以让各位数码管显示将要显示的数据信息，虽然这些数据信息是在不同时刻显示的，但是由于人眼的视觉暂留效应，只要每位显示的时间间隔足够短就可以给人同时显示的假象。

显示器接口电路如图2-2所示。

LED数码管的4个位选管脚分别接三极管NPN，对电流进行放大后更好的驱动数码管，段选管脚直接与单片机相连。

其中P0.0~P0.7为段码驱动端，P1.0~P1.3为位码驱动端，缺省时显示0。

图2-2显示器接口电路图

键盘接口电路

键盘采用独立式键盘直接与AT89S52的P2.0~P2.7和P3.6、P3.7口相接。

接口线路如图2-3所示。

S3~S12分别赋予不同的键值，用于发送和修改LED数码管上显示的数据。

图2-3键盘接口电路图

复位电路

复位电路如图2-4所示，采用手动复位的方式。

上电复位电路在接通电源时，因电容C5的充电作用在RST端产生一个尖的正脉冲，只要脉冲高电平超出2个机器周期持续时间，就能实现复位。

手动复位用按键S1完成。

图2-4复位电路图

系统时钟电路

单片机的时钟信号由两种电路产生：

内振荡电路和外振荡电路。

在任一时刻，只需要一种振荡电路便能使单片机正常工作。

使用内振荡电路提供时钟脉冲，需要在XTAL1和XTAL2之间外接石英晶体振荡器，这时的内部振荡电路仅相当于一个高增益放大器，和晶振接在一起形成一个正反馈的自激振荡，再经整形和分频形成单片机内各逻辑部件所需要的时钟脉冲。

内部振荡电路所得的时钟信号比较稳定，使用电路中使用比较多，如图2-5所示。

图中电容C11、C12起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般为5~33pF。

本系统中采用大小是22pF的电容和11.0592MHz的晶振。

图2-5内振荡电路图

3红外通信系统中的主要器件

AT89S52单片机芯片简介

AT89S52如图3-1所示，是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图3-1AT89S52管脚图

C51单片机的主要特性

（1）兼容MCS-51系列产品；

（2）8KB的在系统可编程FlashROM，可以达到1000次擦写周期；

（3）4.0V~5.5V的工作电压；

（4）全静态操作：

0~33MHz；

（5）三态存储器锁定；

（6）256*8b内部RAM；

（7）32个可编程I/O口；

（8）三个可编程定时、计数器；

（9）8个中断源；

（10）全双工串行口；

（11）可节省电能的省电及掉电模式；

（12）掉电模式可由中断唤醒；

（13）看门狗定时器；

（14）双数据指针；

（15）具有掉电标志。

C51单片机的管脚说明

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位，在给出地址“1”时，它是利用内部上拉优势。

当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C52的一些特殊功能口，介绍如下：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（计时器0外部输入）

P3.5T1（计时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令对ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

NE555时基电路芯片简介

NE555时基电路封形式有两种，一是DIP双列直插8脚封装，另一种是SOP-8小型（SMD）封装形式。

NE555属于CMOS工艺制造，图3-2所示是NE555的外形图。

NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的管脚功能及运用是相容的。

555是一个用途很广泛并且普遍的计时IC，只需要少数的电阻和电容，便可以产生数位电路说需要的各种不同频率的脉冲信号。

3.2.1NE555芯片的主要特性

（1）只需要简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。

其延时范围广泛，可由几微秒到几小时之久；

（2）它的操作电源电压范围极大，可与TTL、COMS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位和输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合；

（3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载；

（4）它的计时准确度高、温度稳定性好、价格便宜；

（5）静态电流最大值VCC=5V,RL=6mA;VCC=15V,RL=∞=15mA。

3.2.2NE555芯片的管脚说明

（1）Pin1（接地）：

地线，通常被连接到电路共同接地。

（2）Pin2（触发点