红外遥感开关实验报告.docx
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红外遥感开关实验报告
摘要：
该设计是一种双路红外遥控开关，它能分别控制两路负载，可用于控制灯具、电风扇、排风扇等家用电器，设计介绍了可控制1KHZ和3KHZ的红外遥控开关，除具有一般红外遥控的发射、接收及控制外，还特别设计了利用锁相环实现加密的功能。
另外，由于使用的器件以及电路的性能都较好，它的抗干扰性也是很好的，特别适用于对发射和接收要求高的场合。
关键词：
发射器；接收器；锁相环电路；红外遥控开关
目录
§1设计任务与要求3
一、设计选题3
二、设计任务3
二、设计要求3
§2系统概述4
一、工作原理及设计思路4
二、设计框图4
三、红外接收系统的组成5
四、方案比较5
五、系统结构设计8
§3单元电路设计与分析8
一、单元电路的选型8
二、工作原理8
（一）发射器电路的设计8
（二）接收与控制电路的设计9
（三）锁相环电路10
三、元器件选择11
四、主要器件介绍11
（一）CD401111
（二）LM56716
（三）CD401320
（四）一体化红外接收头22
§4安装调试及测量数据分析23
一、据分析安装调试23
（一）安装23
（二）调试步骤23
（三）数据测量与分析24
（四）出现的问题及解决的方法24
二、软件调试25
§5结束语26
附录一27
附录二28
§1设计任务与要求
一、设计选题：
红外遥控开关的设计实现
二、设计任务：
设计一款双路红外遥控开关
三、设计要求：
1、能够分别遥控两路负载，可用于控制灯具、电风扇、加湿器等常用家用电器。
2、作用距离大于2m。
指向性要求：
圆锥角不小于30º。
3、欠压条件下的红外光峰值辐照度：
遥控器所用电源电压为额定工作电压的80%时，遥控器的红外光峰值福照度不小于20μW/cm²。
指向性要求圆锥角不小于30º
4、静态工作电流不大于3μA。
§2系统概述
一、工作原理及设计思路
图1.1红外遥控开关组成框图
.二、设计框图
1、红外发射系统：
信号
图1.2红外发射系统组成框图
红外遥控发射器由指令器、信号产生电路、调制电路、驱动电路及红外线发射器组成，如图1.2所示。
当指令键被按下时，指令信号产生电路便产生所的控制指令信号。
这里的控制指令信号是以某些不同的特征来区分常用的区分指令信号的特征和码组特征，即用不同的频率或不同编码的电信号代表不同的指令。
这些不同的指令信号由调制电路进行调制后，最后由驱动电路驱动电路驱支红外线发射器件，发出红外线遥控指令信号。
3、红外接收系统的组成
信号
图3红外接收系统组成框图
接收器由红外线接收器件、前置放大电路、解调电路、指令信号检出电、记忆及驱动电路、执行电路组成，如图3所示。
当红外线接收器件接收到发射器的红外指令信号时，它将红外光信号变为电信号并送入前置放大器进行放大，再经解调后由指令信号检出电路将指令信号检出，最后由记忆及驱动执行电路，实现各种操作。
四、方案比较
红外线遥控开关，本身是比较简单的，一共有4种方案。
1、编码区分
2、频率区分
3、脉冲计数
4、幅度区分
经过查阅资料以及多方的考虑，我们最后决定走频率的道路。
原因如下：
（1）幅度区分并不适用于这次设计，很明显会受传输距离很大的影响；
（2）尽管在电路控制的开关数较少的情况下，脉冲计数接收简单，不易受干扰，但是我们还是排除了这个方法，主要是考虑到定量脉冲的产生设计有些困难；
（3）频分制红外光遥控电路比较简单，调试简单，成本不大，通常应用在遥控通道数目不太多的控制系统中。
方案一：
采用频分制多通道红外遥控发射和接收系统。
频分制的频率编码一般采用频道编码开关，通过改变振荡电路的参数来改变振荡电路的振荡参数和频率。
当按下不同的编码键时，振荡器就会输出不同频率的指令信号。
这些指令信号经驱动级放大后对高频载波进行调制，并驱动红外发光管发出红外光脉冲信号。
红外接收控制电路的组成框图包括红外接收光电转换器、前置放大器、频率译码电路、驱动级和执行机件等。
当红外光电检测器接收到发射器发来的红外编码指令后，光电检测管随即将其转换成相应的电信号，再经过前置电压放大器放大后，加至频率译码电路和选频电路，选出不同指令的频率信号，并加至相应的驱动级及执行机件。
对应每一频率的指令信号，应有一个相应的选频电路。
在频分制红外遥控电路中，代表控制指令信号的频率一般为几百赫兹至几十千赫兹。
发射电路中的频率编码开关的位号应与接收电路中的选频电路的位号相对应，以选出不同频率的指令信号。
红外接收、译码电路由红外接收器、前置放大器、解调器、指令译码器、记忆和驱动级组成。
红外光电二极管将接收到的红外光信号转变成相应的电脉冲信号，再经高倍数电压放大后加至解调器进行解调，然后由指令译码器解码出指令信号。
指令译码器是与指令编码器相对应的译码器，用于脉冲指令信号译出。
译出的指令信号加至相应的记忆和驱动级，驱动执行机件动作，实现红外光遥控。
图4：
方案一的方框图
方案二：
采用码分制多通道红外遥控发射和接收系统。
码分制的遥控指令信号是由编码脉冲发生器（一般由数字集成电路和少量外围元件组成）产生的。
码分指令是用不同的脉冲数目或不同宽度的脉冲组合而成的。
指令编码器由基本脉冲发生电路和指令编码开关组成。
当按下S1—Sn中的某个指令键时，指令编码器将产生不同编码的指令信号。
该编码信号经调制器调制后变为编码脉冲调制信号，再经驱动电路功率放大后加至红外发射级，驱动红外发射管发出红外编码脉冲光信号。
图5：
方案二的方框图
五、系统结构设计
方案选择
频分制红外光遥控电路比较简单，调试简单，成本不大，通常应用在遥控通道数目不太多的控制系统中。
这次的设计是两路遥控，所以采用频分制。
§3单元电路设计与分析
1、
单元电路的选型
发射电路
二、工作原理
（一）发射器电路的设计
图6发射电路
红外发射电路由1KHZ音频振荡器，3KHZ音频振荡器，40KHZ载波振荡器和驱动输出电路组成如图2所示。
1KHZ音频振荡器由四与非门集成电路IC1（D1-D4）内部的D1和电阻器R1、R2、电位器RP1、控制按钮S1组成。
3KHZ音频振荡器由IC1内部的D2和电阻器R3电位器RP2、电容器C1，控制按钮S2组成。
40KHZ载波振荡器由IC1内部的D3、D4和电阻器R4、R5、电容器C2组成。
驱动输出电路由电阻器R6、晶体管V1和红外发光二极管VL组成。
当按下红外发射电路中的控制按钮S1时，1KHZ音频振荡器振荡工作，产生1KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。
当按下红外发射电路中的控制按钮S2时，3KHZ音频振荡器振荡工作，产生3KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。
（二）接收与控制电路的设计
图7接收与控制电路
红外接收控制电路由红外线接收头IC2、音频译码器、反相器、双稳态触发器（A1、A2）和控制执行电路组成，如图3所示。
音频译码器由音频锁相环集成电路IC3、IC4和外围阻容元件组成。
反相器由晶体管V2、V3和电阻器R8-R10、R13-R15组成。
双稳态触发器由双D触发器集成电路IC5（A1、A2）担任。
控制执行电路由电阻器R11、R16、晶体管V4、V5和继电器K1、K2组成。
当按下红外发射电路中的控制按钮S1时，1KHZ音频振荡器振荡工作，产生1KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。
红外接收头IC2接收到VL发射出的红外指令信号并对其进行放大和解调处理，解调后的指令信号经IC3译码、V2反相后去触发双稳态触发器A1，使A1翻转，V4饱和导通，K1吸合，其常开触头闭合，将第一路负载的工作电源接通。
再按动一下S1，A1又翻转为另一种稳态，使V4截止，K1释放，第一路负载的工作电源被K1的常开触头切断。
当按下红外发射电路中的控制按钮S2时，3KHZ音频振荡器振荡工作，产生3KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号。
IC2将接收到的红外光信号进行放大和解调处理后，得到解调后的指令信号，该信号经IC4译码，V3反相后使A2翻转，V5饱和导通，K2吸合，其常开触头接通，使第二路负载运行工作。
再次按动S2后，则A2翻转为第一种状态，使V5截止，K2释放，第二路负载的工作电源被K2的常开触头切断。
调RP1和RP2可分别改变1KHZ音频振荡器和3KHZ音频振荡器的工作频率，从而改变遥控的灵敏度。
调试时按S1调RP1使K1动作，按S2调RP2使K2动作。
（三）锁相环电路
LM567是一个锁相环集成电路，内部包含了相位比较器、压控振荡器，正交相位检测器以及放大等功能，结合少量的外接元件能完成红外遥控的锁相环加密功能。
它采用8脚双列直插塑封，其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。
其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。
②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：
电容值越大，环路带宽越窄。
①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。
⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。
LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。
LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：
当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。
图4LM567内部集成电路
三、元器件选择
R1～R16选用1／4W碳膜电阻器或金属膜电阻器。
RP1和RP2均选用小型实心可变电阻器。
C1、C5～C11均选用独石电容器。
C2选用高频瓷介电容器。
C3和C4均选用耐压值为16V的铝电解电容器。
VD1和VD2均选用1N4001型硅整流二极管。
VL选用SE303A或PH303型红外发光二极管。
V1～V3均选用S9013或3DG9013型硅NPN晶体管。
V4和V5选用C8050或S8050、3DG8050型硅NPN晶体管。
IC1选用CD4011型四与非门集成电路。
IC2选用SFH506．38或BA5302型一体化红外接收头。
IC3和IC4均选用LM567型音频锁相环集成电路。
IC5选用CD4013型双D触发器集成电路cS1和s2均选用微型动合（常开）按钮。
K1和K2均选用5V直流继电器.
四、主要器件介绍
（一）CD4011
1、CD4011功能及真值表:
四2输入与非门CMOS芯片
逻辑表达式：
Y=A.B
真值表
A=Y.B
X
Y
Q
动作
0
0
?
禁止
0
1
1
设定
1
0
0
重置
1
1
不变
无
（1）当X=0、Y=0时，将使两个NAND门之输出均为1，违反触发器之功用，故禁止使用。
如真值表第一列。
（2）当X=0、Y=1时，由于X=1导致NAND-A的输出为”1”，使得NAND-B的两个输入均为”1”，因此NAND-B的输出为”0”，如真值表第二列。
（3）当X=1、Y=0时，由于Y=0导致NAND-B的输出为”1”，使得NAND-1的两个输入均为””1，因此NAND-A的输出为”0”，如真值表第三列。
（4）当X=1、Y=1时，因为一个””1不影响NAND门的输出，所以两个NAND门的输出均不改变状态，如真值表第四列。
2、CD4011引脚图及引脚功能:
图1CD4011引脚图
管脚功能：
1A数据输入端VDD电源正
1B数据输入端4B数据输入端
1Y数据输出端4A数据输入端
2Y数据输出端4Y数据输出端
2A数据输入端3Y数据输出端
2B数据输入端3B数据输入端
VSS地3A数据输入端
3、CD4011内部结构框图:
图2CD4011内部逻辑结构图
图3CD4011内部保护网络图4CD4011逻辑图
4、CD4011电气特性:
VDD电压范围：
－０.5Vto18Ｖ
功耗：
双列普通封装700mW
小型封装500mW
工作温度范围：
CD4011BM-55℃-+125℃
CD4011BC-40℃-+85℃
Symbol符号
Parameter参数
Conditions测试条件
典型
最大
单位
tPHL
PropagationDelayTime,High-to-LowLevel传播延迟时间，从高到低
VDD-5V
VDD-10V
VDD-15V
1205035
25010070
ns
tPLH
PropagationDelayTime,Low-to-HighLevel传播延迟时间，从低到高
VDD-5V
VDD-10V
VDD-15V
1105035
25010070
ns
tTHL,tTLH
TransitionTime过渡期
VDD-5V
VDD-10V
VDD-15V
905040
20010080
ns
CIN
AverageInputCapacitance平均输入电容
AnyInput
5
7.5
pF
CPD
PowerDissipationCapacity功耗电容
AnyGate
14
pF
CD4011参数表
Symbol符号
Parameter参数
Conditions测试条件
-55℃
+25℃
+125℃
单位
最小
最大
最小
典型
最大
最小
最大
IDD
QuiescentDeviceCurrent静态电流
VDD=5V,VIN=VDDorVSSVDD=10V,VIN=VDDorVSSVDD=15V,VIN=VDDorVSS
0.250.501.0
0.0040.0050.006
0.250.501.0
7.51530
μA
VOL
LowLevelOutputVoltage输出低电平电压
VDD=5V
VDD=10V
VDD=15V
l
IOl<1μA
0.050.050.05
0.050.050.05
0.050.050.05
V
VOH
HighLevelOutputVoltage输出高电平电压
VDD=5V
VDD=10V
VDD=15V
lIOl<1μA
4.959.9514.95
4.959.9514.95
5
10
15
4.959.9514.95
V
VIL
LowLevelInputVoltage输入低电平电压
VDD=5V,VO=4.5V
VDD=10V,VO=9.0V
VDD=15V,VO=13.5V
1.53.04.0
2
4
6
1.53.04.0
1.53.04.0
V
VIH
HighLevelInputVoltage输入高电平电压
VDD=5V,VO=0.5V
VDD=10V,VO=1.0V
VDD=15V,VO=1.5V
3.5
7.011.0
3.5
7.011.0
3
6
9
3.5
7.0
11.0
V
IOL
LowLevelOutputCurrent输出低电平电流
VDD=5V,VO=0.4V
VDD=10V,VO=0.5V
VDD=15V,VO=1.5V
0.64
0.51
0.88
0.36
mA
1.6
1.3
2.25
0.9
4.2
3.4
8.8
2.4
IOH
HighLevelOutputCurrent输出高电平电流
VDD=5V,VO=4.6V
VDD=10V,VO=9.5V
VDD=15V,VO=13.5V
-0.64
-0.51
-0.88
-0.36
mA
-1.6
-1.3
-2.25
-0.9
-4.2
-3.4
-8.8
-2.4
IIN
InputCurrent输入电流
VDD=15V,VIN=0V
VDD=15V,VIN=15V
-0.10
-10-5
-0.10
-1.0
μA
0.10
10-5
0.10
1.0
（二）LM567
1、概述
LM567主要用于震荡、调制、解调、和遥控编码、译码电路。
如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。
LM567的基本工作状况有如一个低压电源开关，当其接收到一个位于所选定的窄频带内的输入音调时，其开关就接通。
而且通用的LM567还可以用做可变形发生器或通用锁相环电路。
当其用作音调控制开关时，所检测的中心频率可以设定于0.1至500KHZ之间的任意值，检测带宽可以设定在中心频率14%内的任意值。
而且，输出开关延迟可以通过选择外电阻和电容在一个宽时间范围内任意改变。
2、管脚
LM567的管脚功能是：
1脚为输出滤波，2脚为回路滤波，3脚为输入端，4脚为正电源端（电压值需最小为4.75V，最大为9V），5脚为定时电阻端，6脚为定时电容端，7脚为接地端，8脚为输出端。
LM567的引脚图如图12所示。
图12LM567的引脚图
LM567的内部原理图如13所示。
图13LM567的内部原理图
管脚功能描述:
①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。
②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：
电容值越大，环路带宽越窄。
①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。
⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，且
f2≈1
1.1RC
⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。
3、电气参数:
LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。
LM567芯片使用:
LM567为通用音调译码器，主要用于外界接电阻20比1范围，逻辑兼容输出具有吸收100mA电流能力。
它的技术指标：
1.可调宽带从0%至14%；2.宽信号输出与噪声的高抑制；3.对假信号抗干扰；4.高稳定的中心频率；5.中心频率调节从0.01HZ到500KHZ；6.电源电压5V至15V，推荐使用8V。
应用举例：
输入端接104电容，输出端接上拉电阻10K，C1、C2为0.1uF。
R1、C1决定振荡频率，一般C1为104电容，R1为10K至200K。
电源电压为8V。
电路如14所示。
图14LM567应用图
4、主要参数：
工作温度范围:
0°Cto+70°C
SVHC（高度关注物质）:
NoSVHC（18-Jun-2010）
封装类型:
SOP
电源电压最大:
9V
电源电压最小:
4.75V
表面安装器件:
表面安装带座
封装形式:
SOP
最高频率:
500kHz
电源电流:
10mA
输入电压最大:
9V
输出数:
1
输出电压最大:
1V
输出电流最大:
0.1A
针脚数:
8
（三）CD4013
1、结构组成
CD4013由两个相同的、相互独立的数据型触发器构成。
每个触发器有独立的数据、置位、复位、时钟输入和Q及Q输出。
此器件可用作移位寄存器，且通过将Q输出连接到数据输入，可用作计数器和触发器。
在时钟上升沿触发时，加在D输入端的逻辑电平传送到Q输出端。
置位和复位与时钟无关，而分别由置位或复位线上的高电平完成。
2、引脚图
1D、2D：
数据输入端
1CP、2CP：
时钟输入端1Q、2Q：
原码输出端1/Q、2/Q：
反码输出端
1SD、2SD：
直接置位端
1RD、2RD：
直接复位端
VDD：
电源正
VSS：
地
3、真值表
CD4013有两个D触发器，一个D触发器有6个端子：
2个输出，4个控制。
4个控制分别是R、S、CP、D。
1）R和S不能同时为高电平。
2）当R为1、S为0时，输出Q一定为0，因此R可称为复位端。
3）当S为1、R为0时，输出Q一定为1。
4）当R、S均为0时，Q在CP端有脉冲上升沿到来时动作，具体是Q=D，即若D为1则Q也为1，若D为0则Q也为0。
RD（复位端）
SD（置位端）
Q（输出端）
1
0
0
0
1
1
0
0
D
1
1
x
4、工作原理
设电路初始状态均在复位状态，Q1、Q2端均为低电平。
当fi信号输入时，由于输入端异或门的作用（附表是异或门逻辑功能表），其输出还受到触发器IC2的Q2端的反馈控制（非门F2是增加的一级延迟门，A点波形与Q2相同）。
在第1个fi时钟脉冲的上升沿作用下，触发器IC1、IC2均翻转。
由于Q2端的反馈作用使得异或门输出一个很窄的正脉冲，宽度由两级D触发器和反相门的延时决定。
当第1个fi脉冲下跳时，异或门输出又立即上跳，使IC1触发器再次翻转，而IC2触发器状态不变。
这样在第1个输入时钟的半个周期内促使IC1触发器的时钟脉冲端CL1有一个完整周期的输入，但在以后的一个输入时钟的作用下，由于IC2触发器的Q2端为高电平，IC1触发器的时钟输入跟随fi信号（反相或同相）。
本来IC1触发器输入两个完整的输入脉冲便可输出一个完整周期的脉冲，现在由于异或门及IC2触发器Q2端的反馈控制作用，在第1个fi脉冲的作用下得到一个周期的脉冲输出，所以实现了每输入一个半时钟脉冲，在IC1触发器的Q1端取得一个完整周期的输出。
5、N/2分频电路
图3是5/2分频电路。
IC1、IC2、IC3三级D触发器级联为8分频电路，电容C起滤波作用，输出信号fo从IC2的Q2端输出。
电路中有Q1、Q3两个反馈控制。
从图4工作波形可知，Q1的反馈信号中每两个反馈信号中就有一个受到Q3反馈波形的影响，所以在A点仅能形成几百毫微秒宽的脉冲。
由于电容C的作用，Q1的反馈信号（即一窄脉冲）被滤除掉，如图4波形A的虚线所示。
最后在Q2端输出fo信号。
fo每变化一个周期，对应于输入信号fi的两个半周期，即fo的频率为fi的2/5。
图5是7/2分频电路。
该电路与图3相似，
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