基于红外遥控的电风扇控制系统.docx

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基于红外遥控的电风扇控制系统

河南科技学院新科学院

2013届本科毕业论文

基于红外遥控的电风扇控制系统

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所在系别：

电气工程系

所学专业：

电气工程及其自动化

导师姓名：

张伟

完成时间：

2013年4月

摘要

为了让电风扇使用起来更方便，能达到在远处即可控制电风扇运行状态的目的。

本系统采用AT89C51单片机为控制核心进行设计。

系统分为信号发送和信号接收两大部分，信号发送部分由时钟电路，键盘电路，显示电路和数据发送模块组成；信号接收部分由数据接收模块和电机控制电路组成。

实现了无线遥控控制风扇工作模式的切换，这种电风扇具有操作方便、成本低廉等特点,可以让人们在酷暑之中享受夏日的清凉。

关键字：

遥控，编码，AT89C51

Theelectricfancontrolsystembasedontheinfraredremotecontrol

ABSTRACT

Inordertomaketheelectricfanismoreconvenienttouse,canachieveinthedistanceyoucancontroltheoperationstateoftheelectricfan.ThesystemusestheAT89C51MCUasthecontrolcore.Systemisdividedintosignalsendingandreceivingsignaloftwoparts,signaltransmittingpartiscomposedofaclockcircuit,keyboardcircuit,displaycircuitandadatatransmissionmodule;thesignalreceivingpartcomprisesadatareceivingmoduleandamotorcontrolcircuit.Theswitchingwirelessremotecontrolfanworkingmode,theelectricfanhasthecharacteristicsofconvenientoperation,lowcost,canletpeopleenjoythecoolintheheatofsummer.

Keywords:

Remotecontrol,code,AT89C51

1绪论

遥控电风扇是九十年代初期在广东珠江三角洲地区做大量的研发和生产，在炎热的夏天，人们离不开可以降温的家电，虽然在城市生活中空调已经非常普遍，但是电风扇引起便宜的价格、小巧的体积、摆放方便等优点仍然占领着中小城市和农村家庭的大部分市场，而且技术也越来越成熟，功能越来越完善。

本文提出了一种可以通过红外遥控器实现定时调速控制风扇的设计方案，整个系统是以单片机为核心控制器来实现智能化的。

目前，单片机以其高可靠性、高性能价格比，在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到极为广泛的应用，到处都可见到单片机的踪影。

因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。

1.1电风扇的发展历史

电风扇是利用电机驱动扇叶旋转以使空气加速流通来实现结束清凉的目的的，它起源于1830年，一名叫詹姆斯·拜伦的人从钟表的结构中受到启发发明了可以固定在天花板上的机械风扇，这种风扇利用发条驱动，但是要得到清凉的风需要爬到天花板高度上发条，使用很麻烦。

1872年，法国人约瑟夫研制出靠发条涡轮启动、利用齿轮链条转动的机械风扇。

到了1880年，美国人舒乐将扇叶直接装在电动机上，接上电源，利用电能控制风扇，这就是真正意义上的电风扇。

1908年，美国的埃克发动机电气公司研制出了齿轮左右摇头的电风扇，防止了电风扇不必要的三百六十度转头送风问题。

此后，电风扇的种类开始越来越丰富，台扇、吊扇、地扇、壁扇等，可以根据场合的需求选择种类，而且控制方式也开始改进，从旋钮、按钮的控制方式发展为触摸式、遥控式控制方式，后来又出现了可以定时、自动换挡的智能型风扇。

1.2红外遥控电风扇的现状

中国的第一台电风扇生产于1916年，发明者杨济川在上海四川路开办了生产变压器的工厂，以“中华民族更少”之意，取名为华生电器制造厂，至1925年华生电扇正式投产，很快成为著名品牌。

在此之后，随着我国科学技术的发展和人民生活水平的迅速提高，电风扇的品种也开始日益丰富。

台扇、地扇、吊扇、壁扇，根据不同的场合的需要，电风扇不仅从外形到控制方式都有了不少的改变。

从最开始的旋钮、按钮控制方式到之后的触摸式操作。

扇叶材质也从最开始的金属材质换成了塑料材质。

如今，电风扇是夏季家庭必备的电器设备之一，在家电市场上，各种规格、样式的电风扇一直是广大消费者十分关注的商品。

近几年，电风扇的发展迅速，随着电子技术与传感技术的发展，电风扇不断向高档次，电子控制及能产生模拟自然风方向发展。

现在的电风扇的用途太多了，比如在车库可以用来排风，在厨房可以用来排油烟。

特别是炎热的夏季，可以给人们带来一阵阵凉风，使人们在舒适的环境下安心工作。

目前风扇的品种较多，有落地扇、坐式、壁式、吊式等，从控制方式上可以分为档位式、按键式、红外遥控式等。

但不管那种方式都各有各的好处。

随着社会的不断发展，科技的不断进步、人民生活水平的不断提高，先前的产品还存在有很多的不足已经不能够满足人们的需求，那么就迫切的要求新产品的问世，为解决上述问题，本论文开发了红外遥控电风扇控制电路的课题，即采用红外遥控来控制电风扇。

红外遥控电风扇控制电路是利用红外发射器发射的红外信号通过译码电路，由控制电路来进行有效地功能控制。

该装置与红外遥控传统产品比较具有控制好灵敏度高等特点。

随着科技的发展，人们生活节奏也越来越快，随之人们对方便、快捷的要求也不断提高。

遥控器的出现，在一定程度上也满足了人们这个要求。

遥控器是由高产的发明家robertadler在五十年代发明的。

而红外遥控是20世纪70年代也才开始发展起来的一种远程控制技术，其原理是利用红外线传来的控制信号而接收器接受下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远程控制。

1.3红外遥控电风扇的发展前景

随着空调的普遍使用，传统家用电器电风扇的市场受到了严重冲击。

传统的手动开/关、调速功能已经不能满足市场的需求，人们希望电风扇在体积小、工作方便的基础上拥有更多的功能，而红外遥控电风扇的广泛应用及单片机技术的成熟，使得红外遥控系统成为了电风扇的发展趋势。

红外遥控具有独立性、物理特性与可见光相似性、无穿透的能力及较强的隐蔽性等特点。

随着红外遥控技术的开发和迅速发展，很多电器都应用了红外遥控，电风扇也不例外。

从单纯的在电风扇面板上通过按钮控制，到短距离的遥控，虽然变化不大，但其带来的便利无疑巨大。

而红外遥控技术的成熟也使得遥控电风扇变的设计简单，价格低廉。

作为老牌电器，电风扇具有价格便宜，摆放方便，体积轻巧等特点。

虽然空调在城市中已经相当普及，并有代替电风扇的趋势，但由于大部分家庭的消费水平限制，电风扇作为一个成熟的家庭成员。

尤其在中小城市，以及在乡村将来的一段时间内仍将占有一大部分市场份额。

市场的需求促使电风扇的发展。

随着“智能化”的兴起，电风扇的功能也越来越多，越来越贴近人们的生活。

因此，对于电风扇的开发和设计依然有着较大的使用价值。

现有市场上多功能遥控电风扇的基础上，人们提出了一种新型的智能电风扇，相对于过去的电风扇，智能电风扇添加了很多人性化设计，如安全保护，倾倒保护，智能照明等功能，使电风扇更加人性化。

而本设计就是以电风扇为对象，通过红外遥控对电风扇几种功能的控制，相对于传统机械电风扇，体现了更加方便快捷的特点

2红外遥控电风扇控制系统的简要概述

2.1系统总体设计理论

基于红外线遥控发射、接收系统的原理，给出了以AT89C51作为遥控器的主控芯片加上外围电路组成的发射器和89C51作为遥控接收系统解码器的一种巧妙实现方法，给出了详细的发射部分信号的编码原理和接收部分的信号的解码方式，以及完整的51汇编程序代码。

包括发射、接收的原理图及其编程的主程序、发送程序、接收程序、定时中断程序的流程过程，从而完成此设计的要点，参考流程方框图的构思过程，可以编写应用软件。

以上用一种简单的方法实现了红外遥控系统由发射和接收，实现了红外遥控信号的编/解码，发射部分包括了键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括了光、电转换放大器、解调、解码电路。

2.2控制系统基本结构

本系统以AT89C51单片机为控制器，通过红外遥控器实现遥控功能，接收端采用红外接收三极管接收红外信号并将其送至单片机，单片机根据不同编码确定不同按键，进而根据按键功能控制系统的工作状态。

红外遥控电风扇系统控制框图如图1所示。

图1红外遥控电风扇控制系统结构框图

3红外遥控电风扇控制系统中各模块的设计

3.1红外遥控各模块工作原理

3.1.1红外遥控模块

为了能远离距的控制电风扇，采用了红外遥控器。

通常红外遥控器由发射和接收两部分组成，发射部分由单片机89C51等构成。

红外发射器由指令键、指令信号产生电路、调制电路、驱动电路及红外发射器组成。

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。

89C51的P1口构成矩阵式键盘，当有按键按下超过36ms时，振荡器电路使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲，同时单片机的INT0产生定时中断，驱动89C51的P3.3口产生一个38K的方波，作为红外线的调制基波，发射的周期为108ms的编码脉冲是由“0”和“1”组成的32位二进制码，此脉冲经38KHZ的载频进行二次调制，提高发射效率，将这些按键指令信号由调制电路调制成38kHz的信号，作为红外线的调制基波。

将发送的数据和P3.0进行逻辑与后，经过CD40106缓冲整形，用三极管放大驱动红外发射管发射红外遥控信号。

3.1.2红外遥控电源部分介绍

图2电源部分电路

电源采用电池来提供电源，并用一个二极管（IN4148）进行降压，降压后经滤波电路输出电压接近+5V提供整个遥控器的电源。

如图2所示。

3.1.3红外遥控调制

采用CD40106进行缓冲放大并整形.发送的数字信号与38K的载波进行相与，将其调制在一起,整形并缓冲放大,经过三极管8050进行放大驱动红外发射管,使其发射红外光。

3.1.4红外发射电路

红外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，外形与普通发光二极管相同，只是颜色不同。

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。

红外接收二极管一般有圆形和方形两种。

发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。

为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值电流，就能增加红外光的发射距离。

提高峰值电流的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度。

减小冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。

要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。

如下图3是红外发射原理框图。

图3遥控器原理框图

常用的红外发光二极管（如SE303·PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93μm）。

管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。

为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。

如下图4是红外遥控发射电路。

图4红外发射电路

3.2红外遥控组成部分功能介绍

3.2.1AT89C51单片机

AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器PEROM和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS—51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，功能强大。

此单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。

AT89C51提供以下标准功能：

2K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个向量两级中断结构，一个全双工串行通讯口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路，同时AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的工作模式，空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作，并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.2.2CD40106简介

CD40106是六施密特触发器，芯片CD40106内部含有施密特触发器，可将输出脉冲整形，以消除“抖动”信号的干扰。

经过整形后其2脚得到的信号应为整形后的方波。

该施密特触发器还有一个反相的作用。

施密特触发器的用途很广，其典型的应用有：

波形的整形和变换，整形通常是由测量装置来的信号，经放大后可能是不规则的波形，必须经密特触发器整形。

作为整形电路时，如果要求输出和输入同相，则可在上述集成施密特反相器后在加一级反相器；幅度鉴别：

利用施密特触发器输出状态取决于V1幅度的工作特点，可以用它来作为幅度鉴别电路；多谐震荡器：

利用施密特触发器也可以构成多谐震荡器。

对于CD40106而言，施密特触发器具有上限阈值电压V2、下限阈值电压V1的特性，且受电源

限制。

当

=5V时，下限阈值电压V1=1.4V，上限阈值电压V2=3.6V。

3.3红外遥控发射过程介绍

发射部分包括键盘矩阵、编码调制、红外发送器。

使用89C51芯片将按键信号调制在38KHz的载波信号上通过三极管放大后发射出去。

红外编码为：

全码=引导码+系统码+系统反码+数据码+数据反码。

89C51的P1口构成矩阵式键盘，用INT0产生定时中断，驱动P3.3产生一个38K的方波，作为红外线的调制基波。

将发送的数据和P3.0进行逻辑与后，经过40106整形，用三极管驱动红外发射管发射。

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，相应地在接收端有不同的输出状态。

接收端的输出状态大致可分为脉冲、电平、自锁、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”，发射端松开键时，接收端“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，原来为低电平变为高电平。

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。

K1低档、中档、高档，相应的指示灯亮，键值为01H

K2控制彩灯，键值为02H

K3风扇速度调整开关，实现自然风、睡眠风、正常风手动控制，值03H

K4每按动一次可分别设定30分钟，1小时，2小时，4小时的累计定时。

并由相应的指示灯点亮，键值为04H

K5具有开机功能和关机功能，它能切断风扇功能和已经设定的30分钟，1小时，2小时，4小时的累计定时，键值为05H

当无键按下时，延时10秒后进入待机状态，系统处于低功耗模式。

当有按键按下时，INT0中断产生中断，同时唤醒CPU进行工作状态。

3.4电风扇部分组成元件简介

T1838是一种用于红外遥控接收或其它方面的小型一体化接收头，中心频率为37.9kHz,可改善自然光的反射干扰。

独立的PIN二极管同前置放大器集成在同一封装上。

光电检测和前置放大器集成在同一封装上。

内带PCM频率滤波器。

对于自然光有较强的抗干扰性。

改进了对电场干扰的防护性。

电源电压5V，低功耗。

输出电平兼容TTL，CMOS。

电源电压5V，低功耗。

输出电平兼容TTL，CMOS。

电源电压，Vcc：

5，工作温度Topr：

-10~+60℃储存温度Tstg：

-20～75℃，焊接温度Tsd：

260℃，最长时间5秒

消耗电流Icc5.0mA，无信号的情况下波幅λP：

940nm，调谐频率f0：

37.9KHz，高电平输出电压Voh：

4.2V，低电平输出电压Vol：

0.5V，高电平输出脉宽Twh：

400，800μs，低电平输出脉宽Twh：

400，800μs发射器和检测器之间的距离L：

10.0m，半角Δθ：

±45deg，水平方向

无外加压力时储存和使用或运输不会引起质量的改变。

无腐蚀气体或盐分的天气储存和使用。

不可以在极度湿度的环境下储存和使用。

在定值条件下焊接管脚。

焊接后不可以加高压。

该接收头不可以洗。

可用软布轻轻地擦拭二极管边上污垢。

也可用溶剂溶解，只可用甲醇、乙醇、丙烯。

前置放大器可确保人体的防静电感应损坏，且在使用前必须焊接铁制品接地。

不要在电源和地之间放成对的接收头，以减少因电源线所引起的噪声。

遥控器的性能取决于外界环境和外围元器件的性能。

客户应根据在各种条件下来评价整体性能。

该器件由指令、宏指令和接收模式三部分组成。

3.5红外遥控电路设计原理图

图5遥控器电路原理图

3.6电风扇单元中接受部分工作原理

红外接收部分包括光电转换放大器、解调、解码电路。

CPU板将单片机、控制、键盘组合在一起完成了人机对话。

用AT89C51单片机来作主芯片控制，采用红外T1838接收头，用双向可控硅MC97A6控制电机档位，具有红外遥控功能。

3.6.1电风扇单元中控制部分

图6电机引线图

K1：

低、中、高档，相应的指示灯亮。

K2：

控制彩灯，相应的指示灯亮。

K3：

风扇速度调整开关，实现自然风、睡眠风、正常风手动控制。

K4:

每按动一次可分别设定30分钟，1小时，2小时，4小时的累计定时。

并由相应的指示灯点亮。

K5：

具有开机功能和关机功能，它能切断风扇功能和已经设定的30分钟，1小时，2小时，4小时的累计定时。

图7定时循环图

3.6.2电风扇风类的设计

自然风的处理流程:

睡眠风的处理流程:

正常风的处理流程:

图8自然风睡眠风正常风循环

自然风的处理流程：

停--->开低档--->延时6秒--->开中档-->延时6秒--->开高档--->循环。

睡眠风的处理流程：

停6S--->开低档10S--->停延时10S-->开中档10S-->停延时10S-->开高档10S--->循环。

正常风的处理流程：

开低档10S-->开中档10S-->开高档10S--->循环。

4系统软件设计部分

4.1红外遥控软件设计

采用中断的处理程序完成整个系统的操作，INT0中断处理完成键盘扫描以及发送。

初始化系统寄存器：

这是上电之后进入的第一个程序模块，同时也是RESET进入的程序模块。

在这个程序模块中，系统首先对系统寄存器进行了初始设置，包括：

开中断，中断服务寄存器清零，TM0和BTM初始设置，定义PORTA为输入口、PORTB为输出口，定义PA1为38K载波红外发射口并对PSG进行红外发射初始化。

接着初始化用户寄存器，大部分用户寄存器初始值为00H，但也有少部分寄存器要设置初始值。

程序流程图如下所示：

图9遥控器软件主程序流程图

4.2红外发射的编码方式

遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，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，现以日本NEC的uPD6121G组成发射电路为例说明编码原理。

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”。

“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发射。

遥控编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。

该芯片的用户识别码固定为十六进制0FFH；后16位为8位操作码（功能码）及其反码，UPD6121G最多有128种不同组合的编码。

遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。

一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45～63ms之间。

  当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲,这108ms发射代码由一个起始码（9ms）,一个结果码（4.5ms）,低8位地址码（9ms～18ms）,高8位地址码（9ms～18ms）,8位数据码（9ms～18ms）和这8位数据的反码（9ms～18ms）组成。

如果在键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发代码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.5ms）组成。

代码格式（以接收代码为准，接收代码与发射代码反向）

16位地址码的最短宽度：

1.12×16=18ms16位地址码的最长宽度：

2.24ms×16=36ms，易知8位数据代码及其8位反代码的宽度和不变：

（1.12ms+2.24ms）×8=27ms所以32位代码的宽度为（18ms+27ms）—（36ms+27ms）。

其相关的波形图如图11所示：

图10遥控编码

4.3红外遥控程序设计

4.3.1红外解码程序设计

用89C51单片机来作主芯片控制，采用红外1838接收头,可控硅采用MC97A6，可自动控制电风扇，实现其各风种的流程：

自然风的处理流程：

停--->开低档--->延时6秒--->开中档-->延时6秒--->开高档--->循环；睡眠风的处理流程：

停6S--->开低档10S--->停延时10S-->开中档10S-->;停延时10S-->开高档10S--->循环;正常风的处理流程：

开低档10S-->开中档10S-->开高档10S--->循环。

红外解码程序主要工作为等待红外线信号出现，并跳过引导信号，开始收集连续32位的表面数据，存入内存的连续空间。

位信号解码的原则是：

以判断各个位的波宽信号来决定高低信号。

位解码原理如下：

1.解码为0：

低电平的宽度0.56ms+高电平的宽度0.56ms。

2.解码为1：

低电平的宽度1.68ms+高电平的宽度0.56ms。

程序中必须设计一个精确的0.1ms延时时间作为基础时间，以计数实际的波形宽度，若读数为5表示波形宽度为0.5ms，若读数为16表示波形宽度为1.6ms，以此类推。

高电平的