家用电器遥控器的设计.docx

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家用电器遥控器的设计

编号：

毕业设计说明书

题目：

家用电器遥控器的设计

院（系）：

电子工程与自动化学院

专业：

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：

副教授

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

题目类型：

2013年5月20日

摘要

红外线遥控器是现在使用最广泛的一种通信和遥控方式。

由于其结构简单、体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因此广泛应用于彩电、空调、CD/VCD、录像机、家用电器设备及工业控制。

随着现在人们的生活中家电日益增加的需要。

使用红外线遥控器也越来越频繁。

在家用电器中广泛使用，所以设计一种可以在不同家用电器上使用的遥控器很有必要。

红外遥控器是工作在38KHz的载波上的，结合单片机的知识，用单片机完全可以实现。

所以系统采用单片机作为控制器，载波用555定时器产生，用单片机去控制555定时器是否产生方波，从而将信号加载到载波上，然后去驱动红外发射管。

完成红外遥控功能。

接受部分用红外一体化接受头，可直接输出TTL电平，接单片机的IO口。

系统主要应用了AT89S52单片机作为核心，综合应用了单片机中断系统、定时器、等知识，应用红外光的优点。

制作了一个可以发射任意编码的红外遥控器，可以再不同的家用电器上使用。

首先介绍了红外遥控的基本原理和应用范围，再对AT89S52单片机的结构和性能给出简单的说明，接着给出了遥控器的编码格式，及遥控发射器，遥控接受器的电路设计。

对于遥控操作的不同，遥控发射器通过对红外光发射编码的控制来区别不同的操作；遥控接收器通过对红外光接收编码的识别，判断出控制操作，来完成整个红外遥控发射、接收过程。

最后分别详细介绍遥控系统的发射部分和接收部分的工作流程。

关键词：

单片机；红外遥控；编码；解码；

Abstract

Infraredremotecontrolisthemostwidelyusedmeansofacommunicationandremotecontrol,duetoitssimplestructure,smallsize,lowpowerconsumption,strongfunction,lowcost,andthereforewidelyusedincolorTV,airconditioning,CD/VCD,VCRhouseholdappliancesandindustrialcontrolequipment.Withpeoplenowlivinginthegrowingneedforhomeappliances,useinfraredremotecontrolisalsoincreasingfrequent.Becauseofvariousdifferentencodingformatinfraredremotecontrol,makingallkindsofinfraredremotecontrolcannotbecompatible.

Infraredremotecontrolisworkingat38KHzcarrier,combinedwiththeMCUknowledge,usingMCUcanachieve.SothesystemusesMCUasthecontroller,thecarrierwith555timer,timer555tocontrolwhetherthesquarewavegeneratedbyMCU,whichwillbeloadedontoacarriersignal,andthentodrivetheinfraredemissiontube.Completethefunctionofinfraredremotecontrol.Someacceptheadwithinfraredintegration,canbedirectlyoutputTTLlevel,thentheMCUIOport.

ThedesignhasusedAT89S52microprocessorascore,intergratelyapplytheinterruptivesystem,timer,counter,etc.mainlytodesignoriginallyandalsotaketheadvantageoftheinfraredlight.Firstly，thefundamentalprincipleandapplicationrangesofinfraredremotecontrolareintroduced．Secondly，thestructureandperformanceofAT89S52singlechiparesimplygivenout．Next，thecodeformofremotecontrollerisgivenhere．Theremotecontrollauncherdistinguishesdifferentoperationthroughthecontrolonfrequencyofinfraredemissionoflight.Theremotecontrolreceiverjudgescontroloperationbyadoptingthediscernedfrequencyofthereceivedinfraredlighttofinishthewholelaunchingandreceivingcourse.Itsadvantageisthatthehardwarecircuitissimple,thesoftwareiswithperfectfunction,havecertainuseandreferencevalue.Lastly,boththetransmittingandreceivingpartsareexplained,includingparticularcircuitandprogramflowchartrespectively．

Keywords：

Single-ChipMicrocomputer；InfraredRemoteControl;Encoding;Decoding

引言

红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。

由于红外线遥控装置具有体积小、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遥控。

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完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。

从光学的角度而言，红外光是频率低于红色光的不可见光，在无线光谱的整个频率中占有很小一个频率段，波长为0.75—100微米之间，其中0.75—3微米之间的红外光称为近红外，3—30微米之间的红外光称为中红外，30—100微米之间的称为远红外。

红外光就其性质而言很简单，与普通光线的频率特性没有很大的区别，但是，由于任何有热量的物体均有能量产生，所以红外的利用非常广泛，而且不可取代，能否检测红外、能测到多少红外或者红外检测的技术是否可以应用于任何自然的或想象的场合是红外应用技术的关键。

当今红外技术的一个重要分支是红外通信技术的应用，这个应用的发展非常迅速，尤其是红外通信应用于计算机设备中，近几年的发展已经表现出其非常成熟的特性。

红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。

它是把红外线作为载体的遥控方式。

由于红外线的波长远小于无线电波的波长，因此在采用红外遥控方式时，不会干扰其他电器的正常工作，也不会影响临近的无线电设备。

红外遥控是利用波长为0.76μm-1.5μm之间的近红外线来传递控制信号的。

它有以下特点：

1．由于为不可见光，因此，对环境影响很小。

红外线的波长远小于无线电波的波长，所以，红外遥控不会干扰其它家用电器，也不会影响近邻的无线电设备。

2．红外线为不可见光，具有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗，警戒等安全保卫装置中也得到了广泛的应用。

3．红外线遥控的遥控距离一般为几米至几十米或更远一点。

4．红外线遥控具有结构简单，制作方便，成本低廉，抗干扰能力强，工作可靠性高等一系列优点，特别是室内遥控的优先遥控方式。

同时，由于采用红外线遥控器件时，工作电压低，功耗小，外围电路简单，因此它在日常工作生活中的应用越来越广泛。

它在技术上的主要优点是：

1．无需专门申请特定频率的使用执照；

2．具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点；

3．传输速率适合于家庭和办公室使用的网络；

4．信号无干扰，传输准确度高；

它的缺点是：

由于它是一种视距传输技术，采用点到点的连接具有方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物;而且通讯距离较短，此外红外LED不是一种十分耐用的器件。

1设计任务及要求

设计任务：

家用电器要控制是通过红外通讯技术，通过编码实现对多路信号进行遥控的电子装置，在家用电器中广泛应用，方便家用电器的操作。

设计制作以单片机为核心，结合相关的元器件，配以相应的软件，制作一个简易的家用电器遥控器系统。

设计要求：

（1）.确定出系统设计方案

（2）.确定出系统测试方案

（3）.采用红外遥控

（4）.可至少控制15路

（5）.遥控距离不小于4米

（6）.操作时有指示灯闪烁

2方案论证与器件选择

系统框图

2.1.1发射部分系统框图

根据题目设计要求，所设计的电路包括两部分，发射电路和接受电路。

发射部分如下所示：

图2.1发射电路的系统框图

单片机红外遥控发射器主要有单片机、行列式键盘、独立按键、555方波多谐振荡器、红外管发射电路以及单片机的一些电源、复位、时钟子电路组成。

对发射电路，当遥控器的某一按键被按下以后，查询键盘按下的是哪一个按键，当确认按键后，控制软件启动定时器T0作为发射时间控制器，T0定时溢出时使控制555产生38KHz的端口电平翻转，红外管接口是否产生38KHz的红外信号，按照红外编码格式发送32位数据。

2.1.2接收部分系统框图

图2.2接收电路的系统框图

单片机红外遥控接收器主要有单片机、红外遥控一体化接收头、1602显示电路以及单片机的一些外围电路组成。

对接收电路，利用单片机中的T0作为红外脉冲计数器，红外一体化接收头输出的TTL电平接外部中断0管脚。

当有中断来时，启动T1计数器，把所记得的时间保存，然后转换为0或1的数据。

从而解码出所发送的数据。

控制电路对所控制的负载进行开或关。

器件的方案选择

根据设计要求，查阅资料了解到。

红外遥控是工作在38kHz载波上的控制信号，周期为26uS左右。

结合学过单片机知识，指令周期为1uS，所以用单片机完全可以实现所有功能。

控制器采用单片机。

载波为38kHz的方波，555定时器最高可以产生500kHz的方波，所以可以产生38kHz的方波。

另外555芯片的4号管脚可以用单片机去控制是否产生方波，作为控制端。

555输出端经三极管放大驱动红外二极管。

接受部分用市场上常用的一体化红外接受头，接受头是经过放大整流后的，可直接输出TTL电平，连接单片机的外部中断管脚。

显示部分用1602显示。

单片机的选择

单片计算机外接一些功能器件，如时钟电路、复位电路、片外ROM/EPROM，就能构成一个最小系统。

用AT89S52单片机构成最小系统，只需外接时钟电路和复位电路即可。

而且AT89S52功耗低、性价比高、内设8K可编程Flash存储器，内置3个定时/计数器，完全符合本次设计要求，可以选择AT89S52作为本次设计的单片机控制器。

显示器件选择

传统的显示器件可以选择8段数码管或者是液晶显示器。

用数码管作显示电路有着显示醒目，价格低廉的优点，但是它显示的对比度较差、显示内容单一，一只数码管只能显示一个字母或者数字，而且数码管耗电量比液晶要多，如果显示内容较多，就得用到许多数码管，而且单片机要显示多个数码管还必须外接驱动电路，加大了电路的复杂性。

液晶显示屏具有轻薄短小，耗电量低，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强和显示形式灵活等优点。

系统需要显示内容较多，所以选用LCD1602作为显示器件较为合理。

38KHz载波的选择

根据红外发射管本身的物理特性，必须要有载波信号与即将发射的信号相“与”，然后将相“与”后的信号送发射管，才能进行红外信号的发射传送，而在频率为38KHz的载波信号下，发射管的性能最好，发射距离最远，所以系统采用38KHz的载波信号，与发射信号进行逻辑“与”运算后，通过三极管的功率驱动到红外发光二极管上。

方案一：

用单片机的定时器可以产生38KHz的信号，因为单片机的晶振为12MHz，一个机器周期为1微秒，38KHz周期大约为26微秒。

所以用单片机完全可以产生38K的载波。

如果用这种方法需要用两个定时器，如果执行主程序，对载波影响误差很大。

方案二：

用38KHz的晶振产生，这种方法产生的载波频率稳定，但价格较高。

方案三：

用555多谐震荡器产生38KHz的载波，用555最高可以产生500KHz的信号，所以可以用来产生38KHz的载波信号，通过控制555的复位4管脚来开启或关闭载波的产生，从而将信号叠加在载波上，这种方法较容易实现，电路也简单。

以上几种方案均符合本次设计对载波的要求。

鉴于方便操作，并体现所学知识的应用，所以系统采用方案三。

红外接收头的选择

系统采用一体化红外接收透，这种方法电路可靠简单，HS0038是用于红外遥控接收的小型一体化接收头，集成红外线的接收、放大、解调，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输，中心频率38.0kHz。

接收器对外只有3个引脚：

OUT、GND、VCC与单片机接口非常方便。

1脚接电源（+VCC），2脚GND是地线（0V），3脚脉冲信号输出。

当接收到有38KHz的红外信号时输出低电平，没有红外信号时输出高电平。

图2.3HS0038内部结构工作流程

HS0038接收原理：

红外线接收是把遥控器发送的数据（已调信号）转换成一定格式的控制指令脉冲（调制信号、基带信号），是完成红外线的接收、放大、解调，还原成发射格式（高、低电位刚好相反）的脉冲信号。

这些工作通常由一体化的接收头来完成，输出TTL兼容电平。

最后通过解码把脉冲信号转换成数据，从而实现数据的传输。

3红外遥控编码与解码

通常，红外遥控器将遥控信号（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。

通过红外接收头转换为高低电平，从而解码出所发射的信号。

图3.1红外发射与接收简图

红外发射编码简介

无论何种红外编码格式，都需要在红外信号中包含数字信号“0”和“1”，现有的红外遥控包括两种方式：

PWM（脉冲宽度调制）和PPM（脉冲位置调制）。

   PWM（脉冲宽度调制）：

以发射红外信号的占空比代表“0”和“1”。

为了节省能量，一般情况下，发射红外载波的时间固定，通过改变不发射载波的时间来改变占空比。

      PPM（脉冲位置调制）：

以发射红外信号的位置表示“0”和“1”。

从发射载波到不发射载波为“0”，从不发射载波到发射载波为“1”。

其发射载波和不发射载波的时间相同，都为0.68ms，也就是每位的时间是固定的。

    在发射红外信号时，红外二极管的电流在100mA左右，对于使用电池供电的遥控器来说，电量消耗过大，一般使用占空比为1/3的38KHz载波信号进行调制。

占空比的选择会影响到通信距离与功率消耗，一般选择1/3，由于ZC-ADK使用的是直流电源或USB供电，占空比可适当调大，已获得较远的通信距离。

至于载波频率的选择，范围较广，32.75KHz~56.8KHz均有，国内以38KHz最常见。

常见的红外编码标准有NEC与RC5两种，系统采用NEC编码。

NEC标准：

以脉冲宽度调制表示“0”和“1”，此标准下的发射端所发射的一帧码含有一个引导码、8位用户码、8位用户反码，8位键数据码、8位键数据反码。

引导码由一个9ms的高电平和4.5ms的低电平组成。

在NEC编码中0和1的表示如下图所示：

图3.2NEC编码中0和1的表示

每一个编码数据是由一个引导码和后面的32为数据组成的，8位用户码、8位用户反码，8位键数据码、8位键数据反码如图所示：

图3.3NEC编码数据格式

红外接收解码简介

根据红外发射的编码格式，从而解码出编码的0和1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”。

上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频信号，当一体化接收头检测到红外信号时输出脚会产生低电平。

所以把输出脚直接接在外部中断0管脚上即可。

只要检测到INT0信号下降沿到上升沿的这段时间。

如果相邻的两个中断间隔的时间长度为1.125ms，说明接收到的是“0”；时间长度是2.25ms则为“1”。

因此，脉冲电平的每一次跳变都会形成一次中断，在中断服务子程中即可实现一次性对一连串连续波形的测量，在测量后对0和1的各数据统计从而测出控制指令的功能。

硬件或非门的反应速度是纳秒级的，满足实时要求。

红外接收电路连接图如图2-14所示。

图3.4红外接收电路图

4硬件电路设计

单片机最小系统

时钟电路设计：

石英晶体振荡电路结构简单、频率稳定度高，通常选用它作为单片机的时钟电路，电路通过晶振并联两个小电容构成。

电容的作用是帮助晶振起振和对晶振频率进行微调，两个电容大小约为30PF，晶振频率选用12MHz。

时钟电路如图4.1。

图4.1时钟电路图4.2复位电路图4.3电源输入电路

复位电路设计：

单片机复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

上电自动复位虽然电路结构简单，但是不受人为控制，复位不灵活。

按键复位又分为电平复位和脉冲复位，前者复位端通过电阻与Vcc相接，后者利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位目的。

从电路的简易性来考虑，前者优于后者，所以选择按钮电平复位方式。

12MHz单片机的机器周期为1uS，而复位端高电平保持时间T应大于2个机器周期，但实际应用中为了保证复位可靠性，T必须有足够的余量。

取R=4.7K，C=10uF，则T=R*C=47mS，符合设计要求。

复位电路如图4.2所示。

电源输入电路设计：

7805是稳压芯片，输出为固定5V，输入5-10V，单片机需要的是直流工作电压Vcc=5V，但考虑到直流电可能存在交流成分以及纹波太多的情况，会导致单片机工作不稳定，所以在电压输入端并联两个电容，以保证系统的稳定性。

电容通交阻直，470uF的电容可以滤除低频交流成分，0.1uF电容用于滤除高频成分。

另外，电源端可以并联一个放光二极管，作为上电指示灯。

电源接口电路如图4.3所示。

图4.4电源设计图

红外发射电路设计

单片机红外遥控发射器主要有单片机、行列式键盘、独立按键、555多谐振荡器、信号发射指示灯、电源部分和一些单片机子电路组成。

图4.5红外发射原理框图

4.2.1单片机的键盘

独立式按键是指直接用I/O线构成的单个按键电路，每个独立式按键占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，其结构简单，但I/O口线浪费较大。

独立式按键配置灵活，软件结构简单，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平，其电路原理图如图4-4：

图4.6独立式按键电路

矩阵式按键是行列式形式的，每个按键都有它的行值和列值，行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。

矩阵的行线和列线分别通过两并行接口和CPU通信。

键盘处理程序的任务是：

确定有无键按下，判断哪一个键按下，键的功能是什么?

还要消除按键在闭合或断开时的抖动。

两个并行口中，一个输出扫描码，使按键逐行动态接地;另一个并行口输入按键状态，由行扫描值和回馈信号共同形成键编码而识别按键，通过软件查表，查出该键的功能。

图4.7行列式按键电路

按键消抖

通常的按键所用开关为机械弹性开关,当机械触点断开、闭合时,电压信号小型如下图。

由于机械触点的弹性作用,一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通,在断开时也不会一下子断开。

因而在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动,如下图。

抖动时间的长短由按键的机械特性决定,一般为5ms～10ms。

这是一个很重要的时间参数,在很多场合都要用到。

图4.8按键按下波形

 按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的,一般为零点几秒至数秒。

键抖动会引起一次按键被误读多次。

为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理,必须去除键抖动。

在键闭合稳定时读取键的状态,并且必须判别到键释放稳定后再作处理。

按键的抖动,可用硬件或软件两种方法。

软件消抖较为简单所以使用软件消抖。

4.2.2用555产生38KHz的载波信号

555定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成器件，它性能优良，适用范围很广，外部加接少量的阻容元件可以很方便地组成单稳态触发器和多谐振荡器，以及不需外接元件就可组成施密特触发器。

因此集成555定时被广泛应用于脉冲波形的产生与变换、测量与控制等方面。

555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。

一般用双极性工艺制作的称为555，555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。

555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器的内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压VCC/3和2VCC/3。

图4.9由555定时器组成的多谐振荡器

利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。

用555定时器组成的多谐振荡器如图3所示。

接通电源后，电容C2被充电，当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C2通过R3、Rp放电，Vc下降。

当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。

电容器C2放电所需的时间为

tpL=（R3+Rp）C2ln2（3-1）当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为

tpH=（R1+R3+Rp）C2ln2