红外遥控开关.docx
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红外遥控开关
前言
随着科学技术的发展，人们的物质生活水平逐渐提高，各种家用电器走进人们的生活。
一些家用电器开关在使用的时候非常麻烦，为了方便大家使用家用电器，提高生活质量，现在社会上已经设计出了各种各样的控制开关，其中包括红外遥控开关。
红外遥控是目前家用电器中用的较多的遥控方式。
以下介绍红外遥控的特点：
它不影响周边的环境、不干扰其他电器设备。
因为其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可以使用通用的遥控器而不会产生相互的干扰；同时红外遥控开关的电路调试简单，易于维护；更重要的是它具有抗干扰能力强和操作简单等诸多有点。
正因为红外遥控开关具有如此之多的优点，它已经被广泛应用于彩色电视机、VCD、DVD、空调、组合音响等各种家用电器上。
虽然现在的红外遥控很普遍，技术也很成熟，但其中的电路设计和分析的方法仍值得我们去学习和研究。
又因为其简单、可行、易实现，对材料和一般的环境无特别要求的特点，使得红外遥控的设计能够广泛应用于课程设计中。
从信号的产生方式来看，红外遥控开关主要分为主动式和被动式。
主动式红外遥控开关主要由信号发射电路和信号接收电路组成，具有灵敏度好、价格低廉、调控方便、受环境影响小等优点。
由于被动式红外遥控开关需要依靠外界光信号，因此受外界光线环境影响大。
本设计中的遥控开关为主动式红外遥控开关。
该电路设计原理简单，性能可靠，各项技术指标满足设计要求。
1设计方案
1.1总体系统设计方框图
图1-1
1.2方案的设计思路
主动式红外遥控开关由信号发射机和接收系统两部分组成。
发射机的作用是将开关控制信号转换成相应的调制信号发射出去。
接收系统则将发射机发出的光信号转换为相应的电信号去驱动继电器，控制多种电器。
由于使用环境中常常有阳光或灯光等背景光存在，为提高整机的接收灵敏度和抗干扰能力、消除背景光对接收系统的影响，一般将发射机中开关信号调制到高频信号（如38KHz方波）上，在接收系统中，将接收的高频信号经带通滤波器滤除背景干扰及其它噪声的影响，然后经检波和整形，还原成相应的控制信号，驱动继电器动作。
对于大多数多通道红外遥控电路来说，通常采用频率编码或脉冲编码的方式来划分频道。
本设计采用脉冲编码的方式来划分频道，该电路由单按键红外发射器、红外接收以及控制电路组成。
2主要元器件介绍
2.1NE555定时器
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，只是不同型号的其稳定度、功耗、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉冲波讯号。
NE555定时器的实物图和引脚图如图2-1所示，
图2-1555外观引脚图
NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器及无稳态多谐振荡器，其内部结构图如图2-2所示。
功能表如表2-1所示。
图2-2555内部结构图
表2-1555功能表
2.2CD4022B
CD4022B具有8个译码输出端，CP，CR，INH输入端。
时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。
INH为低电平时，计数器清零，Johnson计数器提供了快速操作，2输入译码选通和无毛刺译码输出。
防锁选通，保证了正确的计数顺序。
译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。
在每8个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。
引脚图和内部结构图分别见图2-3、2-4。
图2-3CD4022B引脚图
图2-4CD4022B内部结构图
2.3CX20106
CX20106是广泛用于彩色电视机红外线遥控接收的前置放大器。
由于它的功能强，性能优越，成本低，故已在各种红外线遥控系统中得到广泛的应用。
CX20106由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器及整形电路构成。
其中的电平自动控制电路ＡＢＬＣ可以保证在输入弱信号时前置放大器有较高增益，在输入强信号时前置放大器不会过载，可以保证在一定遥控距离（约10ｍ）内工作可靠。
其内部设置的滤波器中心频率可由其５脚外接电阻调节，范围可从30KHZ～60KHZ。
CX20106的工作过程大致如下：
其中的前置放大器将外接红外光敏二极管或三极管产生的脉冲电压进行放大（电压增益约77分贝～79分贝），然后将信号送限幅放大器，使其变为矩形脉冲，再由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，由检波器滤掉载频检出指令信号，再经整形后，由７脚输出指令信号。
实际上，CX20106的功能用一句话概括，就是当接收到与CX20106滤波器中心频率相符的红外光信号时，其输出端７脚就输出低电平。
CX20106外观图及引脚示意图分别见图2-5、图2-6。
图2-5CX20106外观图
图2-620106引脚示意图
CX20106各引脚功能：
1脚：
超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ；2脚：
该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。
但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7Ω，C1=1μF。
3脚：
该脚与地之间连接检波电容，电容量大于平均检波值，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf；4脚：
接地端；5脚：
该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。
例如，取R=200kΩ时，中心频率f≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f≈38kHz；
6脚：
该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短；7脚：
遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号时该端输出为高电平，有信号时则产生下降电平；8脚：
电源正4.5～5.5V
2.474HC00
74HC00功能：
四-2与非门，它的等效输入输出电路见图2-7
图2-774HC00输入输出等效电路
74HC00引脚图、内部结构图及引脚功能表分别见图2-8、图2-9、表2-2
图2-874HC00引脚图
图2-974HC00内部结构图
表2-274HC00引脚功能表
管脚位
SYMBOL符号
NAMEANDFUNCTION名称及功能
1,4,9,12
1Ato4A
DataInputs数据输入
2,5,10,13
1Bto4B
DataInputs数据输入
3,6,8,11
1Yto4Y
DataOutputs数据输出
7
GND
Ground接地（0V）
14
VCC
PositiveSupplyVoltage电源电压
2.5光电二极管
图2-10光电二极管外观图
光电二极管（Photo-Diode，见图2-10）和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。
但在电路中它不是作整流元件，而是把光信号转换成电信号的光电传感器件。
原理：
光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。
它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，在结构上不同的是，为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。
光电二极管是在反向电压作用之下工作的。
没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。
当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。
它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。
这种特性称为“光电导”。
光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。
如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。
2.68050三极管
8050是非常常见的NPN型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，主要用于高频放大，其管脚图如图2-11所示。
图2-11
三极管管脚识别方法：
（1）判定基极。
用万用表R×100或R×1k挡测量管子三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。
当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。
这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。
黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻值都较小，则可判定被测管子为PNP型三极管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管。
（2）判定三极管集电极c和发射极e。
（以PNP型三极管为例）将万用表置于R×100或R×1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是一个大一些，一个小一些。
在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。
3系统各部分的电路设计方案及原理
3.138KHZ方波发射电路
电路原理图如图3-1
图3-138KHZ方波信号发射电路
电路原理：
该电路主要是由555定时器与RC振荡电路组成多谐振荡电路，产生38KHZ左右的方波，该方波驱动红外发光二极管发出具有脉冲编码特性的红外光信号，供给信号接收电路接收。
其中，555定时器的作用是构成多谢振荡器，产生方波。
接通电源后，电容
被充电，
上升，当
上升到
时，触发器被复位，同时放点BJT导通，此时
为低电平，电容
通过
和T放电，使
下降。
当
下降到
时触发器又被置位，
翻转为高电平。
电容
放电所需时间为
（3.1）
当
放电结束时，T截止，
将通过
、
向电容器
充电，
由
上升到
所需时间为
（3.2）
当
上升到
时,触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端口就得到一个周期性的方波，其频率为
（3.3）
在本设计中我们取
，
电容器值
。
3.2信号接收电路
图3-2信号接收电路原理图
接收电路（见图3-2）原理：
红外光信号被光敏二极管接收后，产生光生信号电流，该电流信号就CX20106前置放大、检波、滤波、整形等处理后，将初始发射信号传输到八位计数器CD4022B的输入端，通过CD4022B驱动次级通道开关工作。
4部分电路仿真
信号发射电路仿真图如图4-1
图4-1信号发射电路仿真图
仿真结果图见图4-2
图4-2仿真结果图
由仿真结果图可看出，本设计中的电路能够产生满足设计要求的信号参数，满足课程设计指标。
5电路PCB图及调试
5.1信号发射系统制版图
5.2信号接收系统电路制版图
5.3调试
通过PROTUS软件仿真模拟调试和面包板电路搭建调试，本电路均能完成预期的实验目标，即探测距离大于等于8米；调制频率约等于38KHZ；遥控开关通道有四个。
因此满足课程设计技术指标要求。
总结
通过这次光电子课程设计，我有很多收获和感想。
在此过程中很好地锻炼了自己的动手能力和信息搜集能力。
尤其是巩固了相关书本知识，同时也对AD、Protues等软件有了更深的掌握，对电路板的制作流程，以及电路板的调试方法等都有了一定程度的了解和掌握。
另外，设计思路要转化成电路图并不是特别难，可要制成实际的工作良好的电路板却还是有一定的难度的，往往由于一些细微的影响而不能达到预期的结果，所以制成电路板后的调试和分析尤其重要。
同时我也体会到了相互学习的重要性。
在课程设计的过程中，由于自己的水平和能力有限，遇到了一些难题，开始时不知所措，通过询问同学和老师，在老师和同学的耐心、热情指导下，我将难题一一克服，终于得到了满意的结果。
因此，相互学习，互帮互助，可以使我们相互进步，共同成长。
虽然两周的课程设计非常短暂，但是我学到了好多，不仅巩固了自己本身的专业知识，而且提高了自己的实践能力，最重要的是懂得了互相学习的重要性。
参考文献
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附录
元器件清单
附表
器件类型
标号
器件规格
数量
信号发射系统
电源
Power
5V
1
开关
key
SW
1
红外二极管
D1
常规
1
发光二极管
D2
常规
1
三极管
Q1
S8050
1
电容
C1
10uF
1
C2
0.01uF
1
555定时器
Q1
NE555
1
电阻
R1
750
1
R2
3K
1
R3
5K1
1
R4、R5
200
2
信号接收系统
电源
Power
5V
1
二极管
D2、D3
常规
2
发光二级管
D4～D7
常规
4
CX
CX20106
常规
1
CD
CD4022B
常规
1
74HC00
74HC00
常规
1
三极管
Q1
S8050
1
光敏二极管
D1
PIN
1
电容
C1、C6
1uF
2
C2+、C4+、C5+
3.3uF
3
C3、C6、C7
330pF
3
电阻
R1
47
1
R2
200K
1
R3，R4
10K
2
R5，R7
10K
2
R6
1M
1
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