基于单片机的红外遥控开关设计.docx

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基于单片机的红外遥控开关设计

（2012届）

本科毕业设计（论文）

学院（部）：

_____电气与信息工程学院____

专业：

_____电气工程及其自动化____

学生姓名：

___________张立磊__________

班级：

电自081

学号0840*******

指导教师姓名：

龙晓薇

职称____讲师____

最终评定成绩:

___________________________

2012年6

摘要

红外遥控技术已经成为人类日常生活以及工业、航空航天等各领域不可或缺的一部分，给人们带来了极大方便，研究红外遥控技术具有较强的现实意义，但是通常的红外遥控技术的实现需要专用芯片来完成，而不能进行芯片互换，因此本设计采用简单的单片机系统实现红外遥控解码并完成其相应的控制功能。

本设计介绍了一种由普通遥控器作为信号控制器的红外遥控电源开关，采用USB接口对整个控制系统进行适配供电，利用一体化红外线接收头接收遥控器信号并由单片机STC90C516RD+进行解码处理，并对多路电源继电器进行驱动，最终实现了对后置电路电源开关的功能性控制。

论文简单介绍了红外解码原理、STC90C516RD+单片机以及红外解码程序的编写思路和结构，同时对设计过程中有关继电器的驱动问题进行了详细分析，并提出了几种可行的解决方案。

由于本设计采用一体化红外接收头以及USB接口对整个系统进行供电，使得本设计电路更为简单实效且具有较强的抗干扰性，同时对设计成本实现了最大减缩。

关键词：

单片机，红外接收头，USB电源接口线

ABSTRACT

Becauseinfraredremotecontrolhasbecomeahumanlifeandrelatedindustrialfieldindispensablepartofbringingpeopleitisconvenient,sotheinfraredremotecontroltechnologywithstrongpracticalsignificance,butusuallyofinfraredremotecontroltechnologytorealizethespecialchiptocomplete,andnotforchipinterchangeable,sothisdesigntothesimplicityofsingle-chipmicrocomputersystemtorealizetheinfraredremotecontrolandcompleteitscorrespondingdecodingcontrolfunction.

Thisdesignisintroducedbyageneralremotecontrolasasignalcontrollerofinfraredremotecontrolthepowerswitch,theUSBinterfacetothecontrolsystemofpoweradapter,usingtheintegratedinfraredreceiverreceiveremotecontrolsignalandheadofmicrocomputerSTC90C516RD+decodingprocessing,tomorepowerrelaydrivenway,andfinallyachievetherearcircuitofthefunctionalsexofthepowerswitchcontrol.Thispaperbrieflyintroducedtheprincipleofinfrareddecodingandthesingle-chipmicrocomputerSTC90C516RD+andinfrareddecodingthewritingoftheideasandstructureoftheprogram,andthedesignprocessoftherelaydriverproblemcarriedonthedetailedanalysis,andputforwardsomefeasiblesolutions.

BecauseofthisdesignusestheintegratedinfraredsensorandUSBinterfacetothewholesystempowersupply,sothecircuitdesignmoresimplecircuiteffectandhasstronganti-interference,atthesametimefordesigncostformaximumreduced.

Keywords:

Singlechipmicrocomputer,Infraredsensor,USBpowersourceline

第一章绪论

1.1课题背景及其意义

随着电子技术的发展和人们生活水平的不断提高，越来越多的电子产品走进人们的日常生活，而这些电器，绝大多数是采用红外遥控方式，遥控器的使用给人们的日常生活和生产带来了极大的便利。

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安全可靠而且能有效地隔离电气干扰。

红外遥控不影响周边环境、不干扰电气设备；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，在室内近距离遥控中得到了广泛的应用；而采用单片机进行遥控开关的设计，具有编程灵活多样，操作个数可以随意设定等优点。

目前，市场上一般设备系统均采用专用的遥控编码及解码集成电路，但是由于功能受到特定的限制，只适合于某一专用电器产品的应用，应用范围受到限制。

本设计正是应用红外遥控系统上述特点，实现了对多路开关的控制。

1.2遥控技术的发展与现状

遥控技术是在自动控制技术和通信技术基础上发展起来的。

遥控系统既可传送离散的控制信息（例如开关的通断），也可传送连续的控制信息（例如汽车油门的大小）。

最早的遥控器之一，是一个叫尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）（1856—1943）的发明家在1898年时开发出来的（美国专利613809号）。

到了六十年代初，一些发达国家开始研究民用产品的遥控技术，但由于当时技术条件限制，遥控技术发展很缓慢。

七十年代末，随着大规模集成电路和计算机技术的发展，遥控技术才得到快速发展。

在遥控方式上大体经历了从有线到无线的超声波、从振动子到红外线、再到使用总线的微机红外遥控这样几个阶段。

无论采用何种方式，准确无误地传输信号，最终达到满意的控制效果是非常重要的，最初的无线遥控装置采用的是电磁波传输信号，由于电磁波容易产生干扰，也容易受干扰，因此逐渐采用超声波和红外线媒介来传输信号。

与红外线相比，超声波传感器频带窄，所能携带的信息量少，易受干扰而引起误动作，较为理想的是光控制方式，采用红外线的遥控方式逐渐取代了超声波遥控方式，出现了红外线多功能遥控器，并且成为当今时代的主流。

而从各国将遥控技术在航天、工业等方面得到广泛应用和发展后，遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。

尤其是红外遥控技术在这十年得到了迅猛发展，在家电和其他电子领域都得到了广泛应用，随着生活水平的提高，人们对产品的追求是使用更方便、更智能化，红外线遥控技术正是一个重点发展方向。

1.3单片机的概念与发展

单片机在一块半导体硅片上集成了计算机的所有基本功能部件，包括中央处理器、存储器、输入输出接口电路、中断系统、定时器计数器和串行通信接口电路等，因此，单片机只需要与适当的软件及适当的外部设备相结合，就可以构成一个完整的计算机应用系统。

单片机诞生于20世纪70年代，作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段：

（1）第一阶段（1976-1978）：

单片机探索阶段

（2）第二阶段（1978-1982）：

单片机完善阶段

（3）第三阶段（1982-1990）：

微控制器形成阶段

（4）第四阶段（1990至今）：

微控制器全面发展阶段

随着单片机的各个领域全面深入的发展和应用，导致单片机的发展趋势是向CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。

1.4研究的目标及内容

由于在工业、航空以及仪器仪表等红外控制当中通常需要使用专用的配对编、解码芯片,组成红外发射和接收电路,完成对设备或电器的远程控制。

使用专用的配对编、解码芯片来组成红外发射电路和红外接收电路,在控制路数较少时矛盾并不突出。

但是当控制路数较多时,其接口的设计和实现就显得比较繁琐。

此外编、解码芯片通常是专用配对使用的,即某种解码芯片只能识别某种编码芯片的编码,对其他型号的编码芯片的编码则不能识别。

因此,不同的编、解码芯片几乎没有互换性。

为了解决上述专用编解码芯片配对的局限性，本文意在研究一种基于基于单片机的红外解码控制系统，实现对红线外解码并完成后置继电器电路的开关控制功能。

设计一个多路红外遥控开关，利用市售遥控器发送遥控器键盘数字信号，通过以STC90C516RD+单片机为核心的控制器接受数字信号并解码，然后通过控制器控制相应的继电器通断，使得后置电路工作并实现各自相关功能，本文所涉及研究内容如下：

（1）红外解码思路及红外解码原理的分析。

（2）设计相关控制电路、接收电路、以及被控功能电路。

（3）采用C程序语言进行相关程序的模块化编程并调试。

（4）通过电路设计图进行实物焊接并调试，实现红外开关控制功能。

第2章系统硬件部分设计

2.1系统硬件设计原理及要求

在进行系统硬件设计时，首先需要保证的便是整个系统的功能性与稳定性，将各个硬件电路模块进行认真仔细的分析，在通电之前，需要排除断路与短路现象的存在，以保证系统调试安全性，避免上述问题造成的硬件系统损坏等的不良结果，同时还需考虑到成本的客观因素，以使本设计简单易懂而又经济实用。

2.1.1系统工作原理

遥控器发出的红外遥控信号经红外接收器PC838接收转化成TTL信号后送给STC90C516RD+的中断口1，单片机采集到这些数据后产生外部中断，进入解码程序，对其进行红外解码处理并获得对后置电路所需的控制信息，这些控制信息可直接从I/O口输出，当I/O输出高电平是，使得本设计电路中的三极管9013导通，继电器线圈导通形成磁场，吸住弹片，常闭断开，常开闭合，连通后置电路中的供电电源。

值得注意的是，由于继电器的控制线圈有电感，在关断的瞬间会产生较大的反电势，因此需要在继电器线圈上反向并联一个二极管，以保护驱动三极管不被击穿，该设计采用的二极管是IN4007，系统框图如图2.1所示：

图2.1系统框架原理图

遥控发射模块：

在本设计中应用到的是普通的成品遥控发射器，用来发射含有键码值的红外线，供红外接收头接收。

红外接收模块：

接收遥控器发射含有键码值信息的红外线，经过接收、放大、整形之后转化成可供单片机识别的TTL电平信号，并送往单片机并被单片机解码。

单片机解码模块：

单片机对红外接收头传递来的TTL电平信号进行解码处理，得到遥控器的键码值，从而执行后置继电器电路的控制功能。

继电器控制模块：

单片机驱动继电器的通断工作，从而对后置电路中的供电电源实现开关通断功能控制。

2.1.2红外遥控的基本原理

红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波，红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器。

发射机一般由指令键（或操作杆）、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。

当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。

接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路（机构）等几部分组成。

接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。

指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制（机构）。

如图2.2所示发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器，接收部分包括光电转换放大、解调、解码电路，而整个接收部分将完全由上述的PC838红外一体化收头来完成，本设计的发射部分采用成品遥控器来发送控制信号。

图2.2红外遥控系统框图

2.1.3遥控发射器及其编码

遥控发射器专用芯片很多，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的一类来加以说明，现以WD6122遥控发射器专用芯片组成发射电路为例说明编码原理，该芯片类型的遥控发射器成品键码值如图2.3所示。

图2.3本设计使用的成品遥控器键码图

当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。

这种遥控码具有以下特征：

采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图2.4所示。

图2.4遥控编码的“0”和“1”

上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。

然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射。

WD6122产生的遥控编码是连续的32位二进制码组，所发射的一帧码含有一个引导码，16位用户编码和八位数据编码，数据编码的反码也同时被传送，编码结构如图2.5所示：

图2.5遥控器发射的32位码组图

引导码由一个9ms的载波波形和一个4.5ms的关断时间构成，它作为随后发射码的引导码，这样当接收系统是由微处理器构成的时候，能更有效的处理码的接受与检测及其他各项控制之间的时序关系。

编码采用脉冲位置调制方式（PPM），利用脉冲之间的时间间隔来区分“0”和“1”。

每次8位的码被传送之后，他的反码也被传送，减少了系统的误码率，这也为后续的解码程序的编写提供了自行检测是否误码的手段。

2.1.4红外解码思路

遥控器将按键信息进行编码后调制到红外线的某个频率通过发光二极管发射出去，红外接收管接收到发射管发出的红外信号后对该信号进行解调原始编码信息，红外遥控接收头解调出的编码是串行二进制码，包含着遥控按键信息，但它还不便于CPU读取识别，因此需要先对这些二进制码进行解码。

当遥控器上任意一个按键按下超过36ms时，控制芯片的振荡器使芯片激活，将发射一个特定的同步码头，对于接收端而言就是一个9ms的低电平,和一个4.5ms的高电平，这个同步码头可以使程序知道从这个同步码头以后可以开始接收数据。

解码的关键是如何识别“0”和“1”，从位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同，“0”为0.56ms,“1”为1.68ms,所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。

如果从0.56ms低电平过后，开始延时，0.56ms以后，若读到的电平为低，说明该位为“0”，反之则为“1”，为了可靠起见，延时必须比0.56ms长些，但又不能超过1.12ms,否则如果该位为“0”，读到的已是下一位的高电平，因此取（1.12ms+0.56ms）/2=0.84ms最为可靠，一般取0.84ms左右即可。

根据红外编码的格式，程序应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码。

单片机把解码所得的二进制存入相应的存储单元，这样就完成了某一按键的红外解码操作，同样地，按此可以实现其它按键的红外解码，最后形成遥控器按键相应的键值表。

就这样单片机程序就可以识别遥控器相应的功能键，通过遥控器向单片机发出相应的命令，单片机接收到命令后通过驱动电路使继电器动作从而实现用电设备的开关。

2.2相关器件简介

本章将对设计中所涉及到的单片机STC90C516RD+、红外遥控接收头PC838、MAX232、USB接口线以及电磁继电器进行简单介绍。

2.2.1单片机STC90C516RD+

STC90C516RD+单片机是宏晶科技推出的新一代超/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，内部集成MAX810专用复位电路，时钟频率在12MHz以下时，复位脚可直接接地。

（1）STC90C516RD+的特点

增强型12时钟/机器周期8051CPU；

工作电压：

5.5V-3.8V（5V单片机）；

工作频率范围：

0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz；

用户应用程序空间61K；

片上集成1280字节RAM；

通用I/O口32个，复位后为:

P1/P2/P3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；

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3-5秒即可完成一片；

EEPROM功能；

看门狗；

内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体12M以下时，可省外部复位电路，复位脚可直接接地；

共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用；

外部中断4路，下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒；

通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；

工作温度范围：

0-75℃（商业级）；

（2）STC90C516RD+的DIP封装40引脚分布

STC90C516RD+单片机的DIP封装拥有40个引脚，其中P0\P1\P2\P3四组I/0口，总共32个I/O口引脚，另外包括一个电源VCC引脚，两个晶振引脚一个接地端引脚，一个复位引脚，以及EA引脚、ALE引脚、PSEN引脚，总共40个引脚，引脚分布如图2.6所示。

图2.6单片机STC90C516RD+DIP封装引脚图

2.2.2红外接收头PC838

红外接收电路一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别的TTL信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，方便使用。

在本设计中采用红外一体化接收头PC838，在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达15m。

它能与TTL、COMS电路兼容，接收红外信号频率为38kHz,同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL电平的编码信号。

三个管脚分别是地（GND）、＋5V电源（VCC）、解调信号输出端（接单片机外部中断）。

红外一体化接收头的测试：

可以在PC838的电源端与信号输出端之间接上一只二极管及一只发光二极管后，再配上规定的工作电源（为＋5V），当手拿遥控器对着接收头按任意键时，发光二极管会闪烁，说明红外接收头和遥控器工作都正常；如果发光二极管不闪烁发光，说明红外接收头和遥控器至少有一个损坏。

只要确保遥控器工作正常，很容易判断红外接收头的优劣。

由于供电电源存在干扰，应该对电源端进行滤波处理，处理方法为：

电源端与接地端之间连接一个100Ω左右的电阻以及一个47uF左右的电容，本设计采用0.1uF电容滤波同样能够满足设计要求。

PC838的经典应用原理图如图2.7所示：

OUTPUT单片机I/O口

GNDC1

VCC（+5V）

R2

图2.7PC838的经典应用电路

2.2.3MAX232

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电，RS232接口为异步传输标准接口，因此一般用于20m以内的通信，其引脚分布如图2.8所示：

图2.8MAX232引脚分布图

（1）引脚介绍

第一部分是电荷泵电路。

由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。

功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。

由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。

15脚GND、16脚VCC（+5v）。

（2）MAX232的主要特性

符合所有的RS-232C技术标准

只需要单一的+5V电源供电

片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V-

功耗低，典型供电电流5mA

内部集成2个RS-232C驱动器

高集成度，片外最低只需4个电容即可工作。

（3）MAX232的标准应用电路

其中C1、C2、C3、C4四个电容按下图方式连接用来产生+12V以及-12V两个电源，供RS-232串口电平的需要，而电容C5用来滤除MAX232的+5V供电电源的噪声干扰，其连接电路如图2.9所示。

图2.9MAX232标准应用电路

2.2.4USB接口

本设计采用的是USB接口来对整个遥控系统进行适配供电，从而使得本设计的电源部分稳定且对电路实现了最大简化，相比较的单片机传统供电系统来说更为节能，成本更节约。

（1）USB接口的简介

USB是英文UniversalSerialBUS（通用串行总线）的缩写，而其中文简称为“通串线，是一个外部总线标准，用于规范电脑与外部设备的连接和通讯。

是应用在PC领域的接口技术。

USB接口支持设备的即插即用和热插拔功能。

USB是在1994年底由英特尔、康柏、IBM、Microsoft等多家公司联合提出的，引脚分布如图2.10所示：

图2.10USB接口引脚分布图

（2）选择USB接口为本设计供电的原因及注意事项

由于USB供电可以提供每个U口最大为500MA的电流，供电电压为5V，与单片机的供电系统相适配，能满足本设计绝大部分元器件的供电要求，而且本设计过程中并不存在大功率元器件，所以本设计选用USB作为整个红外遥控系统的供电电源，但是为了防止电路上短路烧坏电脑的USB接口，USB接口应加自恢复保险。

本设计只需要利用USB的VCC电源端（+5V），以及GND（接地端）对设计中所涉及的元器件进行供电，而其余两脚为数据传送端口无需利用，因此空置便可，在设计过程中需要先用万用表电压档测量USB接口的VCC端以及GND端口，避免连接电路时候将电源极性接反而造成不必要的后果。

（3）