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51单片机红外收发器设计毕业论文

51单片机红外收发器设计

摘要

随着科学技术的发展，单片机因其高可靠性和高性价比，在智能化家用电器、仪器仪表等诸多领域内得到了极为广泛的应用。

当前单片机对家用电器控制呈现出外型简单化、功能多样化、性能优越化的发展趋向。

红外遥控器具用使用方便、功耗低、抗干扰能力强的特点，因此它的应用前景是不可估量。

本课题以延伸红外无线遥控技术为目的，提出了一种红外遥控器集中控制的方案，核心是设计出一个无线红外多路遥控发射/接收系统。

本设计以红外线作为传递信息的载体，可对8个受控对象的工作状态进行短距离无线控制，适用于工业、医疗、家用电器等设备的开启或关闭遥控，也可以对一种设备的八种工作状态同步进行控制，或对2种设备的4种工作状态同时控制。

该系统可实现的具体参数如下：

1.遥控距离不小于5m，即红外遥控发射机与红外接收机之间的距离不小于5m；2.遥控路数为8路，即可对8个受控设备同时进行开关控制；

3.工作频率为38KHz，即红外发射和接收的载频为38KHz；

4.接收端可显示受控状态。

关键词：

单片机红外数据发送与接收八路LED开关电路键盘控制

51MCU-basedinfraredencoderanddecoder

ABSTRACT

Withthedevelopmentofscienceandtechnology,SCMbecauseofitshighreliabilityandcost-effective,intheintelligenthomeappliances,instrumentationandmanyotherareashasbeenverywidelyused.ControlofthecurrentSCMappliancesshownonthesimplisticappearance,diversificationoffunction,thedevelopmenttrendofsuperiorperformance.Infraredremotecontrolapparatuswitheasytouse,lowpowerconsumption,anti-jammingfeatures,soitsprospectsareimmeasurable.

Thetopicstoextendtheinfraredwirelessremotecontroltechnologyforthepurpose,acentralizedcontrolinfraredremotecontrolprogram,thecoreistodesignawirelessinfraredremotecontrolmultipletransmit/receivesystem.Thedesignofaninfraredtransmissionofinformationasacarrierofcontrolledobjectcanwork8stateshort-rangewirelesscontrolforindustrial,medical,homeappliancesandotherequipmentonoroffremotely,itcanbeadeviceeightkindofworkingstatesynchronizationcontrol,ortwokindsofequipmentworkingstateofsimultaneouscontrolof4.

Thesystemcanachievethespecificparametersareasfollows:

1.Remotecontroldistanceisnotlessthan5m,theinfraredremotecontroltransmitterandthedistancebetweentheinfraredreceiverisnotlessthan5m;

2.Remotecontrolforthe8largeones,canbecontrolledontheeightswitchcontroldeviceatthesametime;

3.Workingfrequencyis38KHz,theinfraredtransmissionandreceptionofthecarrierfrequencyof38KHz;

4.Receivertodisplaycontrol.

Keywords:

MCUSendandreceiveIRdataOctalLEDswitchingcircuit

Keyboardcontrol

1绪论

1.1研究背景

近年来随着计算机在社会领域的渗透,单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。

传统的遥控器大多数采用了无线电遥控技术，但是随着科技的进步，红外线遥控技术的成熟，红外也成为了一种被广泛应用的通信和遥控手段。

继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋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。

由于红外线抗干扰能力强，且不会对周围的无线电设备产生干扰电波，同时红外发射接收范围窄，安全性较高。

红外遥控虽然被广泛应用，但各产商的遥控器不能相互兼容。

当今市场上的红外线遥控装置一般采用专用的遥控编码及解码集成电路，由于其灵活性较低，应用范围有限。

所以采用单片机进行遥控系统的应用设计，遥控装置将同时具有编程灵活、控制范围广、体积小、功耗低、功能强、成本低、可靠性高等特点，因此采用单片机的红外遥控技术具有广阔的发展前景。

1.2研究目的

本设计主要研究并设计一个基于单片机的红外接收系统，并实现对八路开关的控制。

控制系统主要是由MCS-51和52系列单片机、电源电路、红外发射电路、红外接收电路、LCD显示电路等部分组成，单片机编码发射遥控信号经红外接收处理传送给单片机，单片机根据不同的信息码控制八路LED发光二极管各个状态，并完成相应的状态指示。

1.3研究意义

红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其它电器设备。

由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；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。

信息可以直接通过红外光进行调制传输，例如，信息直接调制红外光的强弱进行传输，也可以用红外线产生一定频率的载波，再用信息对载波进行调制，接收端去掉载波，取到信息。

从信息的可靠传输来说，这就是我们今天看到的大多数红外遥控器所采用的方法。

2系统分析

2.1设计要求

2.1.1整个控制系统的设计要求

1、被控设备的控制实时反映，从接收信号到信号处理及对设备控制反映时间应小于1s；

2、整个系统的抗干扰能力强，防止误动作；

3、整个系统的安装、操作简单，维护方便；

4、总体成本低。

2.1.2红外载波、编码电路设计要求

1、单片机定时器精确产生38KHz红外载波；

2、根据控制系统要求能对红外控制指令信号精确编码并迅速发送。

2.1.3红外解码电路设计要求

1、精确接收红外信号，并对所接收信号进行解码、放大、整形、解调等处理，最后输出TTL电平信号；

2、对非红外光及边缘红外光抗干扰能力强。

2.1.4设备扩展模块设计要求

1、直流控制交流；

2、抗干扰能力强；

3、反应迅速不产生误动作；

4、能承受大电流冲击。

2.2总体设计方案

2.2.1方案论证

（一）单片机控制器模块

方案一：

采用目前比较通用的51系列单片机。

此单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，市场上比较多见价格便宜且技术比较成熟容易实现。

方案二：

采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心。

与51单片机相比，SPCE061A具有更加丰富的资源，有32个可编程的I/O口，14个中断源。

但考虑到本设计没有用到如此多资源且价格贵，市场比较少见，技术不稳定。

综合分析考虑，选择方案一。

（二）38KHz载波实现

利用载波对信号进行调制从而减少信号传输过程中的光波干扰,提高数据传输效率。

以下是对产生38KHz载波的单片机软件与硬件电路进行比较。

方案一：

单片机T0定时产生38KHz载波

电路原理:

STC89C52RC定时器T0产生周期性的26.3us的矩形脉冲,即每隔13us，定时器T0产生中断输出一个相反的信号使输出端产生周期的38KHz脉冲信号。

计算公式如2-1所示，脉冲图如图2-1所示。

T=1/38MHz（2-1）

图2-138KHz载波信号

方案二：

硬件晶振电路产生38KHz载波

电路分析:

晶振Y1，电容C1、C2、U1A、R2、R3组成38KHz载波振荡电路，MC14011是逻辑与非门。

U1B对38KHz的振荡信号取反，同时隔离前后级的信号干扰。

如图2-2所示。

P11属于单片机P1口用于单片机对受控对象控制信号处理后的数据输出口，数据与38KHz信号与P11端数据逻辑或非门输出，完成信号的调制。

图2-2脉冲产生的硬件电路图

对于产生38KHz脉冲信号的软、硬件电路的实现进行比较选择，软件实现经济有利于产品开发使用，加密性强，电路板元件少，经济实用，便于产品的推广。

因而采用方案一，即用软件定时产生38KHz的载波信号。

（三）红外解码电路的比较

方案一：

采用单片机加专用解码芯片

其优点是软件设计简单，但增加了外围电路的设计，使得单片机的IO口减少不利于多路开关电路的扩展。

方案二：

采用单片机软件解码

其外围电路简洁，空出的IO口多，利于单片机扩展多路开关电路的设计，而编程就会复杂些。

根据实际情况进行选择，采用方案二。

（四）驱动与开关

方案一：

采用晶闸管直接驱动。

其优点是体积小，电路简单，外围元件少。

但控制电流小，大电流晶闸管成本高，并且隔离性能差。

方案二：

采用三极管驱动继电器。

其体积大，外围元件多。

优点是控制电流大，隔离性能好。

根据实际情况，拟采用方案二。

2.2.2总体设计框图

经过上述方案的分析选择，得出系统硬件由以下几部分组成：

红外数据发射电路，键盘采用矩阵键盘，4×4矩阵键盘中P1.0-P1.3为采集数据入口，P1.4-P1.7采集数据出口。

整体设计思路为：

根据扫描到不同的按键值转至相对应的ROM表读取数据。

确认设备及菜单选择键后AT89C2051将从ROM读取出来的值，按照数据处理要求从P2.5输出控制脉冲与T0产生的38KHz的载波（周期是26.3us）进行调制，经NPN三极管对信号放大驱动红外发光管将控制信号发送出去。

红外数据接收则是采用LT0038一体化红外接收头，内部集成红外接收、数据采集、解码的功能，只要在接收端INT0检测头信号低电平的到来，就可完成对整个串行的信号进行分析得出当前控制指令的功能。

然后根据所得的指令去操作相应的用电器件工作，如图2-3所示。

图2-3电路设计整体框图

2.3方案的可行性论证

2.3.1实用性

本系统具有实时性、灵活性、稳定性、以及多功能同时控制等优点，方便用户对多个设备进行控制。

2.3.2经济可行性

对于有多个红外遥控家电的用户来说，可通过识别已存储在ROM中的信号，实现以现有的单一红外信号，同时对任意红外遥控家用电器进行控制，由于节约了实现控制功能的多个遥控硬件，从而减少了用户的投资。

2.3.3技术可行性

单片机对数据进行处理，定时器产生38KHz的载波对红外信号调制，采用一体红外接收头对红外信号放大、解码、电平转换。

2.4小结

整个系统的设计要求抗干扰能力强，防止误动作；安装、操作简单，维护方便；总体成本低。

总体设计经过综合分析论证采取最优方案。

系统硬件由以下几部分组成：

红外数据发射电路，键盘采用矩阵键盘，4×4矩阵键盘中P1.0-P1.3为采集数据入口，P1.4-P1.7采集数据出口。

3硬件设计

3.1单片机及其硬件电路设计

3.1.1单片机的介绍

STC89C52RC单片机

STC89C52RC系列单片机是有超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟机器周期和6时钟机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。

特点：

1、增强型6时钟机器周期，12时钟机器周期8051CPU；

2、工作电压：

5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）；

3、工作频率范围:

0-40MHz，相当于普通8051的0～80MHz.实际工作频率可达48MHz；

4、用户应用程序空间4K/8K/16K/20K/32K/64K字节；

5、片上集成1280字节/512字节RAM；

6、通用I/O口（32个），复位后为：

P1/P2/P3/P4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；

7、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秒即可完成；

8、EEPROM功能；

9、看门狗；

10、内部集成MAX810专用复位电路（D版本），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路。

11、共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可当成2个8位定时器使用；

12、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；

13、通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；

14、工作温度范围：

0-75℃/-40-+85℃；

15．封装：

PDIP-40，PLCC-44，PQFP-44。

AT89C2051单片机

89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机。

95年出现在中国市场。

其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，可以很快被中国广大用户接受，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。

89C2051共有20条引脚，2051继承了8031最重要引脚：

P1口共8脚，准双向端口。

P3.0～P3.6共7脚，准双向端口，并且保留了全部的P3的第二功能，如P3.0、P3..1的串行通讯功能，P3.2、P3..3的中断输入功能，P3.4、P3.5的定时器输入功能。

在引脚的驱动能力上面，89C2051具有很强的下拉能力，P1，P3口的下拉能力均可达到20mA.相比之下，89C51/87C51的端口下拉能力每脚最大为15mA。

但是限定9脚电流之和小于71mA.这样，引脚的平均电流只有9mA。

89C2051驱动能力的增强，使得它可以直接驱动LED数码管，如图3-1所示。

图3-189C2051引脚图

3.1.2时钟电路及RC复位电路

STC89C52RC芯片内部有一高增益反相放大器，用于构成振荡器.反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2。

在XTAL1、XTAL2（第19、18引脚）两端跨接一个石英晶体振荡器，和两个电容就构成了稳定自激谐振电路。

晶振频率为11.0592MHz。

C12，C13是两个瓷片电容，与晶振Y2构成了自激谐振电路。

其电容的作用主要是对频率进行微调，一般取30-45PF左右。

使用该电路可产生稳定的11.0592MHZ频率，受外界的环境的干扰影响非常小。

其接法如图3-2所示：

图3-2晶振电路

复位是单片机初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元执行程序。

除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动。

复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。

本设计采用了按键手动复位方式。

该复位电路如图3-3所示。

复位电路采用了按键与上电复位。

上电与按键均可以有效复位。

上电瞬间RST引脚获得高电平，单片机复位电路随着电容的C11的充电，RST引脚的高电平逐渐下降。

RST引脚的高电平只要能保持足够的时间（2个机器周期），单片机就可以进行复位操作。

按键复位是直接将高电平通过电阻R11、R10分压到达RESET引脚，实现复位操作。

图3-3复位电路图

3.2单片机红外发射器的电路设计

硬件电路组成:

4X4矩阵键盘电路、红外发射电路、红外接收电路、电源电路。

3.2.1矩阵键盘电路

（1）4×4矩阵键盘的工作原理:

矩阵键盘又称为行列式键盘，它是用4条I/O线作为行线，4条I/O线作为列线组成的键盘。

在行线和列线的每一个交叉点上，设置一个按键。

这样键盘中按键的个数是4×4个。

这种行列式键盘结构能够有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。

行线接P1.4-P1.7，列线接P1.0-P1.3，如图3-4所示。

图3-4矩阵键盘电路图

（2）键值得读取:

首先从P1口的高四位输出低电平，低四位输出高电平，从P1口的低四位读取键盘状态。

然后再从P1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，从P1口的高四位读取键盘状态。

将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码

（3）按键功能说明:

设备1-3是用电器件的选择按键，按下时则相应的用电器件被选中，如果长按下超过5秒钟，则会关断对应的用电器件；S1-12是用电器件的功能选择按键；OFF是LED指示灯和所有用电器件的总关断按键，OFF按键按下时会使LED指示灭二达到节能的目的，如果长按超过5秒钟，则会关掉所有的用电器件。

以控制八路LED开关电路控制为例，首先按下设备3按键，然后再按下要哪个LED要亮或者灭的对应的按键（第一次按下为亮，第二次就会灭），则单片机就会把相应的红外控制信号发射出去控制相应的电路工作。

3.2.2红外发射电路

（1）红外线遥控制系统的原理框图：

将指令脉冲编码信号调制在载波振荡器产生的载波上（也称脉码调制），然后用这脉码调制信号去驱动红外发光二极管，以发出经过调制的红外光波，其红外遥控系统电路如图3-5所示。

图3-5红外遥控系统电路框图

（2）红外编码原理:

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。

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。

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。

脉宽为0.56ms、间隔0.565ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.56ms、间隔1.69ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。

如图3-6示。

本课题是以PPM码（脉冲位置调制码）对红外数据的发送进行论证。

图3-6指令脉冲图

遥控编码脉冲信号由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号组成。

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（不同的红外家用设备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。

如图3-7所示。

图3-7信号引导码图

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，接收机中的可根据功能码的数值完成各种功能操作。

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数据是否产生差错。

脉冲位置表示的“0”和“1”组成的32位二进制码前16位控制指令，控制不同的红外遥控设备。

而不同的红外家用电器又有不同的脉冲调控方式，后16位分别是8位的功能码和8位的功能反码。

串行数据码时序图如3-8所示。

图3-8串行数据码时序图

将要发送的指令脉冲编码信号调制在38KHz的载波上，可以增加信号的抗干扰能力，提高信号传输效率。

信号调制时序如3-9所示。

图3-9信号调制图

（3）红外发射二极管的主要技术参数:

SIR333是GaAlAs红外发射二极管，其特点 是体积小、功耗低、高发射强度、高可靠性、发射角度45°、SIR333管子直径5mm。

广泛应用于仪器、仪表、电气设备近距离红外数据传输、电视机、空调机等家用电器红外遥控信号发射其红外发射距离为8--10米。

（4）红外数据发射电路的设计:

在红外数据发射过程中，由于发送信号时的最大平均电流需几十mA（对应mW级发射功率），所以需要三极管放大后去驱动红外光发射二极管（又称电光二极管）。

软件编程将数据从P3口第6脚（P37）将数据输出。

T0定时产生38KHz载波信号。

红外数据射发射电路图如3-10所示。

图3-10红外数据发射电路

3.3单片机红外接收器的电路设计

硬件电路组成有:

红外接收电路、电源电路、用电器控制电路、八路开关电路。

3.3.1红外接收电路

LT0038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，如图3-11所示。

图3-11LT0038外型图

1脚接电源（+VCC），2脚GND接系统的地线（0V），3脚脉冲信号输出，经非门U6缓冲与P24的判断信号进行逻辑与使得进入INT0的信号恰好是红外数据发射电路输出端P25的相反相信号，只要检测到INT0信号下降沿从而测出控制指令的功能。

LT0038内部结构框图

图3-12LT0038内部结构工作流程

LT0038接收原理

红外线接收是把遥制发送的数据（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。

图3-13是一个红外线接收电路框图。

图3-13红外接收及控制电路框图

本课题的核心部分在于红外发射、接收及八路开关功能演示。

其中红线数据接收是对红外二进制脉冲的宽度进行测量，从而获得红外遥控的脉冲信息。

怎样才能实时、准确地对红外二进制脉冲波形进行测量呢？

采用外部中断成为了理所当然的选择，外部中断只有低电平和下降沿触发两种方式，这就使得单片机只能一次性对脉冲的高电平或低电平进行测量，而一连串的脉冲是不可能分开多次测量的，因此，为了解决这一问题，本人将从接收头出来的红外二进制脉冲信号与标志位（P24）进行逻辑或非，然后再输入到INT0（P3.2）引脚，使得输入INT0的信号恰好是红外数据发射电路输出端P25的信号，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”；