红外线空调智能控制器的设计.docx
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红外线空调智能控制器的设计
引言
单片机是一种特殊的计算机，它是在一块半导体芯片上集成了CPU，存储器RAM，ROM以及输入输出借口电路，由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它的体积小，重量轻，能耗低价格便宜，可靠性高，抗干扰能力强和使用方便等独特优点，使单片机迅速得到了推广运用，目前已成为测量控制应用系统中的优选机种和新电子产品的关键部件。
红外遥控技术在这十年中也得到了迅猛的发展，尤其是在家电领域如彩电、VCD、空调等地方，在其它电子领域也得到了广泛应用。
随着人们生活水平的提高，对新产品的追求是方便且智能化，红外遥控技术正是这一重点的开发向。
随着空调器普及率的提高，空调遥控器的品种和产量不断上升，如何为空调搭配方便好用操作稳定的空调遥控器,使它能够满足短的设计和生产周期，能够在大批量生产时有较强的价格竞争力的空调遥控器是众多遥控器设计和生产厂商面临到的一个问题，本课题通过单片机红外线遥控发射技术,实现对空调实现控制空调制冷、温度、制热等功能的实现,从而达到遥控器的体积小、功耗低、功能强、成本低的目的。
1系统设计的总概括
1.1系统设计思路
本设计利用AT89S52进行总体控制，接收和处理系统设计的几个模块的遥控器信息并与PC机进行通信；利用C语言编程完成整个系统的对市内温度控制模式。
使遥控完成空调器空调模式运用、在自动情况下,如果室内温度小于所设的下限值,空调关。
如果室内温度大于所设上限值,强制开空调。
手动设置温度上下限，并用LMC1602显示当前运行模式、工作状态和当前室温等。
1.2系统软硬件方案的提出
1.2.1硬件方案的提出
本系统以实现模拟空调机的红外遥控器的操作。
该控制器在预先设置空调启动时间，空调启动的温度最低和最高温度阈值等参数后，一旦满足操作条件，控制器将自动启动空调机。
本设计最初的设计是基于红外发射电路，存储电路模块电路，RS232通信模块电路，时钟模块电路，数字温度传感模块电路，液晶显示模块电路，复位电路，按键部分，系统电源电路9个模块组成（系统总硬件电路图如附录1）。
（1）红外发射电路
根据设计电路要实现的功能对红外进行编码，当按压功能指令键盘时，产生经过调制的串行编码，通过激励电路，驱动红外发光二极管发光，发射给接收端。
（2）存储电路模块
本模块主要由AT24C02与单片机连接。
用于模拟I2C接口，用于存储本设计中的红外编码的数据信息，以防止系统掉电后数据丢失，保证数据的可靠性。
且足够的存储空间可用于以后的扩展功能指令存储。
（3）RS232通信模块电路
本模块主要由RS232与PC、单片机连接，完成PC机和单片机的数据通信功能。
作为日后系统功能扩展，以满足家居，办公等PC通信控制温度的系统完善运用参考。
（4）数字温度传感模块电路
由数字温度传感器DS18B20与单片机连接组成，用于测试采集温度数据。
（5）时钟模块电路
本模块由DS1302与单片机连接，使系统具有实时性，由时钟芯片DS1302给系统提供时钟信号（年，月，日，时，分，秒），并通过I/O口连接方式，对DS1302写入数据和读取数据。
（6）液晶显示模块电路
本模块使用了LMC1602液晶显示与单片机连接，用于读取显示设计中要求显示的各项数据（年，月，日，时，分，秒，上下限温度，现时温度，定时时间），并与按键一起用于系统运行参数的设定（包括分辨力、上限和下限超限报警等）及运行状态与测温结果（包括读出64位ROM码和各点测温值）的显示。
（7）复位电路
本系统的复位电路上电后或按下开关系统复位，使处于随机状态的内部各寄存器数据复位为原值。
（8）按键部分
用于存储后功能操作，作为人机交互接口的信息输入，输出。
（9）系统电源电路
由三端稳压7805稳压和在输入和输出两端各接100UF电容组成，用于系统电源稳定。
1.2.2软件方案的提出
本系统软件编程采用的是C语言编程，运用KeiluVision3平台进行编程，进行编程查错，再通过编程器下载程序（系统总设计程序如附录2）。
针对硬件设计模块，软件部分也采取分模块编程，再通过主程序调用实现系统功能。
使用模块化结构形式是为了使程序的组装、调试及控制系统方案变的方便，也为了便于推广到其他过程控制对象。
控制程序共有5部分子程序，分别为遥控发射程序、测温控制程序、液晶显示程序和扩展功能RS-232通信控制部分。
主程序在初始化完成后，依次循环执行上述子程序，分别实现其相应功能。
此外，还有三个中断服务程序，分别是时钟中断程序，24C02驱动中断程序和红外发射中断程序。
2系统硬件部分理论分析及设计
2.1单片机应用及ATMEL89S52芯片结构
2.1.1单片机应用
在一个应用系统中，只使用一个单片机，这是目前应用最多的方式。
单片机应用的主要领域有：
（1）智能产品
单片机与传统机械产品相结合，使传统机械产品结构简化，控制智能化，结构成新一代机电一体化产品。
目前，利用单片机构成的智能产品已广泛应用于家用电器，办公设备，数控机床，纺织机械，工业设备等行业。
（2）智能仪表
目前各种传感器，变送器，控制仪表已经普遍采用单片机应用系统。
它集测量，处理，控制功能于一体，具有各种智能化功能，如存储，数据处理，查找，判断，联网和语音功能。
单片机构成的职能仪表，能使仪表具有数字化，智能化，多功能化，综合化，柔性化等特点，赋予测量仪表以崭新的面貌，使传统的仪器，仪表发生根本性的变革，它代表了仪器仪表的发展趋势。
（3）测控系统
用单片机构成的各种工业控制系统中的数据采集系统具有工作稳定可靠，抗干扰能力强等特点，如炉温控制系统，电镀生产自动控制系统等。
（4）智能接口
由于单片机可对接口信息进行加工处理，可以大量降低接口界面的通信密度，极大地提高接口控制管理水平。
在一些通用计算机外部设备上，已实现了单片机的键盘管理等。
2.1.2单片机系统的扩展和本系统配置
单片机加上适当的外围器件和应用程序，构成了应用系统称为最小系统。
这种采用“单片”形式构成的应用系统主要用于家电类产品和简单的仪器仪表中。
随着单片机应用的深入和发展，特别是近年来比较复杂的测控系统和高科技的应用，单片机本体上集成的功能元件已经满足不了需求。
为了使测控系统覆盖更宽的应用范围，一般不得不在单片机的基础上扩展存储器和I/O接口。
因此，利用单片机构成一个完整的智能空调控制系统，必须考虑单片机的系统扩展和系统配置。
（1）系统扩展
指单片机内部的基本单元不能满足系统要求时，在片外扩展相应的电路或器件。
不同类型的单片机，其扩展方法各异。
某些类型的单片机，则采用片内串行总线进行扩展，如I2C，SPI等总线扩展，主要扩展存储器和I/O接口。
还有一些单片机，如Intel8-51和8096系列，为了满足单片机的系统扩展要求，设置有可供外部扩展电路使用的三态总线（DB，AB，CB）结构。
例如，MCS-51系列单片机由P0口构成8位数据总线，P2+P0构成的16位地址总线，以供外部分别扩展程序存储器与数据存储器。
（2）系统配置
系统配置是指为了满足系统功能要求而配置的各种接口电路。
例如在本设计中，为构成温度采集系统，必须配置传感器接口等；为构成伺服系统必须配置伺服控制接口以及满足对话人-机接口和用于构成多机或网络系统的相互通信接口（如系统的RS232）等。
系统配置与控制对象和操作要求密切相关。
用单片机构成一个能够满足对象测控功能要求的应用系统，在硬件系统设计上包括两层次的任务：
一是由单片机最小系统通过系统扩展构成能满足测控任务处理要求的计算机基本系统（或平台系统）；二是根据用户及对象的技术要求，通过系统配置，为单片机系统配置各种接口电路，以构成与对象相匹配的系统，则称为单片机应用系统。
由此，本设计由单片机构成的应用系统如下图2-1：
图2-1总应用系统图
2.1.3ATMEL89S52芯片结构介绍
（1）89S52芯片结构介绍
ATMEL89系列单片机与8051系列单片机兼容，这个系统对于以8051系列为基础的系统来说，十分容易进行取代。
同时，对那些熟悉8051的用户来说。
用ATMEL公司的89系列单片机来取代8051进行系统的设计也是轻而易举的事。
本系统采用的ATMEL89系列单片机中的AT89S8252型号．AT89S8252采用ATMEL的高密度非易失性存储器技术制造，与工业上标准的80C51的指令系统及引脚兼容．内可向下装Flash．允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用通用的非易失性存储器编程器改写。
通过把通用的8位CPU与可向下装载的Flash集成在一个芯片上，AT89S8252便成为一个高效的微型计算机。
AT89S8252型单片机除了具备一般的单片机性能之外还具备如下的特点：
·兼容MCS一51TM系列。
·8kB可下载编程的FIASH存储器
可循环写人／擦除l000砍。
·2kB的EEPROM存储器，
可循环写人／擦除100000次。
·4．0h6．0V的工作电压。
·全静态设计：
0～24MHz。
·256×8位的内部RAM。
·三级程序加密，
·32个可编程1／O口。
·3个16位定时器。
·9个中断源。
·可编程“看门狗定时器。
·通用UART串行通道。
·SPI串行接口。
·低功耗空闲和省电模式。
引脚及其功能：
AT89S8252提供有PDIP、PLCC、PQFP／TQFP3种封装形式，引脚与89C51的引脚完全相
同（如图2-2）。
AT89S52的I／O口。
P0、P1、P2、P3口除具有与89C51相同的一些性能和用途外，P1还提供有新的附加功能，，P1．0和P1．1可配置为定时器／计数器2的外部输入（P1．o／T2）和触发输入（P1．I／T2EX）。
此外，P1.4、P1．5、P1．6、P1．7可配置串行编程端口选择，数据输入／输出，时钟输入／输出端，详见表2-1。
表2-1P1端口功能表
端口号
附加功能
P1.0
T2时钟输出（定时器／计数器2外部计数输入）
P1.1
T2EX（定时器／计数器2触发输入和方向控制）
P1.4
SS（从端口选择输入）
P1.5
MOSI（串行编程主数据输出，从数据输入）
P1.6
MISO（串行编程主数据输入，从数据输出）
P1.7
CK（串行编程主时钟输出，从时钟输入）
表2-1
图2-2AT89S52引脚图
（2）芯片选择优点
在本系统设计中，对单片机作为主控核心是因为单片机具有以下突出特点
①体积小，价格低，应用广。
由于计算机的主要器件集成在一块芯片上，而且适合大规模生产，因此在体积、重量、价格上具有优势，便于在中小设备、廉价设备上使用，从而使计算机深入到过去无法进入的领域，拓展了微型计算机的应用范围。
2通用性、灵活性强。
在改变单片机的控制对象时，可以基本上不动硬件，而只需改变程序。
另外，可以很方便的对其进行扩展。
3可靠性高、抗干扰能力强。
单片机的高集成度，避免了功能器件之间的连线焊接、插接，缩短了系统内部的信息传送距离，从而提高了可靠性和减少了外部干扰的影响，能够适用于工作环境较恶劣的场合。
4实时控制能力强。
实时控制又称过程控制，是指及时的检测设备、采集数据信息，并按最佳方案对设备进行自动调节和控制。
单片机具有很强的逻辑操作、位处理和判断转移功能，运行速度快，特别适合于工业系统实时控制。
5应用开发周期短。
单片机结构简单，硬件组合、软件编程都很方便，又容易进行模拟试验，因此付诸实际应用快。
2.2红外发射模块电路设计分析
2.2.1红外无线通信原理
（1）红外无线通信组成结构
红外无线通信以红外线作为通信载体，利用红外技术实现两点间的近距离通信和信息转发。
红外无线通信系统采用光传输及无线工作机制，其组成结构包括:
发射器部分，信道部分，终端部分。
其工作原理如图2-3所示.
图2-3红外无线通信示意图
（2）红外无线通信的特点
无线通信的方式有很多种，利用红外光进行通信具有以下特点:
①频率高，波长短，所发射的能量集中;
②红外线是人的肉眼看不见的光线，保密性强，选用它作为信息载体，装置工作时不存在视觉污染，对人体没有伤害;
③传播范围不受局限，不存在频率干扰问题，与无线电波方式相比，不必就频谱资源问题向有关部门进行请和登记，易于实施:
④具有良好的指向性，当传送设备和红外接收端口排成直线，左右偏差不超过15度的时候，红外装置运行效果最好;
⑤红外线不能穿过或绕过人和物体，在数据传输时，不能阻断光路;
⑥目前产生和接收红外信号的技术已经比较成熟，元件体积小，成本低;
⑦空间传播时的衰减系数小，可保证信号的有效传送;
⑧制作简单、易于产生和调制等优势
2.2.2红外遥控信号编码及发射原理
通常，红外遥控器是将遥控信号（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的。
二进制脉冲码的形式有多种，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，如图2-4所示。
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。
如图2-5所示。
图2-4PWM码
图2-5PPM码
遥控编码脉冲信号（以PPM码为例）通常由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号组成，如图3-4所示。
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（不同的遥控系统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，接收机中的微控制器可根据功能码的数值去完成各种功能操作。
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是否产生差错。
为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz（周期为26.3us）的载波信号进行脉幅调制（PAM），再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。
图2-6遥控编码脉冲信号
2.2.3红外发射硬件接口电路
（1）红外发射电路设计原理：
本系统在红外设计方面主要用一个红外发射头接一个驱动电路再与单片机连接既可。
实际设计电路如图2-7：
图2-7红外发射部分电路图
（2）电路功能：
红外发射电路主要是当单片机扫描按键，按压功能指令键盘时或温度达到上下限设置时，产生经过调制的串行编码，通过激励电路，驱动红外发光二极管发光，发射给接收端，对空调实行开机，关机，制冷和制热的遥控。
2.3存储模块电路分析
2.3.1I2C总线的结构及运用原理
I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。
它通过SDA（串行数据线）及SCL（串行时钟线）两根线在连到总线上的器件之间传送信息，并根据地址识别每个器件：
不管是单片机、存储器、LCD驱动器还是键盘接口。
在系统设计中，选用的AT24C02将利用I2C总线传输数据，所以对I2C总线的原理知识有必要掌握。
（1）I2C总线的基本结构
采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。
CPU不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。
I2C总线接口电路结构如图2-8所示。
图2-8I2C总线接口电路结构图
（2）双向传输的接口特性
传统的单片机串行接口的发送和接收一般都各用一条线，如MCS51系列的TXD和RXD，而I2C总线则根据器件的功能通过软件程序使其可工作于发送或接收方式。
，它就是发送器（也叫主器件），而当其从总线上接收信息时，又成为接收器（也叫从器件）。
主器件用于启动总线上传送数据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。
I2C总线的控制完全由挂接在总线上的主器件送出的地址和数据决定。
在总线上，既没有中心机，也没有优先机。
总线上主和从（即发送和接收）的关系不是一成不变的，而是取决于此时数据传送的方向。
SDA和SCL均为双向I/O线，通过上拉电阻接正电源。
当总线空闲时，两根线都是高电平。
连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。
I2C总线的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。
（3）I2C总线上的时钟信号
在I2C总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL时钟线上的所有器件的逻辑“与”完成的。
SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时钟信号下跳为低电平，将使SCL线一直保持低电平，使SCL线上的所有器件开始低电平期。
此时，低电平周期短的器件的时钟由低至高的跳变并不能影响SCL线的状态，于是这些器件将进入高电平等待的状态。
当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。
其后，第一个结束高电平期的器件又将SCL线拉成低电平。
这样就在SCL线上产生一个同步时钟。
可见，时钟低电平时间由时钟低电平期最长的器件确定，而时钟高电平时间由时钟高电平期最短的器件确定。
（4）数据的传送
在数据传送过程中，必须确认数据传送的开始和结束。
在I2C总线技术规范中，开始和结束信号（也称启动和停止信号）的定义如图如图2-9所示。
当时钟线SCL为高电平时，数据线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCL线为高电平时，SDA线发生低电平到高电平的跳变为“结束”信号。
开始和结束信号都是由主器件产生。
在开始信号以后，总线即被认为处于忙状态；在结束信号以后的一段时间内，总线被认为是空闲的。
图2-9数据传送时序图
I2C总线的数据传送格式是：
在I2C总线开始信号后，送出的第一个字节数据是用来选择从器件地址的，其中前7位为地址码，第8位为方向位（R/W）。
方向位为“0”表示发送，即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为“1”表示主器件将从从器件读信息。
开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，如果与主器件发送到总线上的地址一致，则该器件即为被主器件寻址的器件，其接收信息还是发送信息则由第8位（R/W）确定。
在I2C总线上每次传送的数据字节数不限，但每一个字节必须为8位，而且每个传送的字节后面必须跟一个认可位（第9位），也叫应答位（ACK）。
数据的传送过程如图2-10所示。
每次都是先传最高位，通常从器件在接收到每个字节后都会作出响应，即释放SCL线返回高电平，准备接收下一个数据字节，主器件可继续传送。
如果从器件正在处理一个实时事件而不能接收数据时，（例如正在处理一个内部中断，在这个中断处理完之前就不能接收I2C总线上的数据字节）可以使时钟SCL线保持低电平，从器件必须使SDA保持高电平，此时主器件产生1个结束信号，使传送异常结束，迫使主器件处于等待状态。
当从器件处理完毕时将释放SCL线，主器件继续传送。
图2-10数据传送过程
当主器件发送完一个字节的数据后，接着发出对应于SCL线上的一个时钟（ACK）认可位，在此时钟内主器件释放SDA线，一个字节传送结束，而从器件的响应信号将SDA线拉成低电平，使SDA在该时钟的高电平期间为稳定的低电平。
从器件的响应信号结束后，SDA线返回高电平，进入下一个传送周期。
I2C总线还具有广播呼叫地址用于寻址总线上所有器件的功能。
若一个器件不需要广播呼叫寻址中所提供的任何数据，则可以忽略该地址不作响应。
如果该器件需要广播呼叫寻址中提供的数据，则应对地址作出响应，其表现为一个接收器。
（5）总线竞争的仲裁
总线上可能挂接有多个器件，有时会发生两个或多个主器件同时想占用总线的情况。
例如，多单片机系统中，可能在某一时刻有两个单片机要同时向总线发送数据，这种情况叫做总线竞争。
I2C总线具有多主控能力，可以对发生在SDA线上的总线竞争进行仲裁，其仲裁原则是这样的：
当多个主器件同时想占用总线时，如果某个主器件发送高电平，而另一个主器件发送低电平，则发送电平与此时SDA总线电平不符的那个器件将自动关闭其输出级。
总线竞争的仲裁是在两个层次上进行的。
首先是地址位的比较，如果主器件寻址同一个从器件，则进入数据位的比较，从而确保了竞争仲裁的可靠性。
由于是利用I2C总线上的信息进行仲裁，因此不会造成信息的丢失。
（6）I2C总线接口器件
目前在视频处理、移动通信等领域采用I2C总线接口器件已经比较普遍。
另外，通用的I2C总线接口器件，如带I2C总线的单片机、RAM、ROM、A/D、D/A、LCD驱动器等器件，也越来越多地应用于计算机及自动控制系统中。
2.3.2AT24C02芯片结构及接口电路
（1）AT24C02芯片结构及工作原理
①AT24C02芯片结构如图
表2-2引脚功能表
引号
符号
名称及功能
1，2，3
A0，A2，A3
地址输入
5
SDA
数据输入
6
SCL
时钟输入
7
WP
写保护
8
VCC
电源
图2-11AT24C02引脚图
②工作原理
AT24C02具有256×8（2K）bit的存储容量，页写入字节数为8。
通常EEPROM器件写入时总需要一定的时间（5ms~10ms），因此在写入程序中无法连续写入多个数据字节。
一次写入EEPROM的字节数不大于器件的页写入字节数时，可按通常RAM的写入速度将数据装入EEPROM的数据寄存器中，随后启动自动写入定时控制逻辑，经过5ms~10mS的时间，自动将数据寄存器中的数据同步写入EEPROM的指定单元。
这样只要一次写入的字节数不多于页写入容量，总线对EEPROM的操作可视为对静态RAM的操作，但要求下次数据写入操作在5ms~10ms之后进行。
AT24C02器件地址格式如图2-12所示。
其中DA3到DA0位为器件固有地址编码，由工厂给定，为1010，不能更改。
A2到A03位引脚地址用于相同地址器件的识别。
本电路为000。
R/W为数据传送方向。
R/W=1时，主机接（读）；R/W=0时，主机发送（写）。
图2-12AT24C02器件地址格式
（2）AT24C02芯片在设计中的实际硬件电路
①设计实际接口电路
AT24C02的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。
在设计电路中它们都接地，第8脚和第4脚分别为正、负电源。
第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送，在所设计的电路中与单片机的P1.4连接。
第6脚SCL为串行时钟输入线，在本设计中与单片机的P1.5连接。
SDA和SCL都需要和正电源间各接一个5.1K的电阻上拉。
第7脚需要接地。
实际电路连接如图2-13：
②电路功能
系统中外部AT24C02扩展了串行的Ｅ２ＰＲＯＭ电路，用来保存识别出来的遥控信号的高电平与低电平脉宽数据。
图2-13AT24C02与单片机接口图
③电路及其芯片选择优点
该芯片不占用任何数据总线，连接简单且节约大量系统资源。
并且防止系统掉电后数据丢失，保证数据的可靠性。
2.4RS-232C通信模块电路设计分析
2.4.1RS-232C芯片结构及工作原理
（1）RS-232C芯片的内部结构
RS-232C通信接口是一种标准化的串行接口，是为远程通信连接数据终端设备与
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