现代家电通用遥控器的设计

基于单片机的设计,用红外线感应设计

家电原理课程设计报告

课题——红外线家电遥控设备

学号： 1030610121 班级： 10306101 姓名： 包照兴 学院： 机电学院 指导老师：谢勇勤

2012年1月1日

基于单片机的设计,用红外线感应设计

基于单片机的电器遥控器设计

基本思路：

设计的遥控器能控制5个电器的电源开关，并且可对一路电灯进行亮度的调节。 通过对设计要求地认真分析和研究，拿出了几种可行方案，最终选定了一个最佳方案。该方案是采用先进的单片机技术实现遥控的主要手段。该方案采用模块化设计，主要分为两个模块：红外发射模块和红外接收模块。红外发射模块中的单片机受开光控制，通过红外发射管对另一单片机发出指令信号，红外接收模块中的单片机受红外接收管收到的信号控制，可对发光二极管的亮灭进行控制。文章详细地讨论了实现上述红外遥控过程的硬件组成及软件设计。并给出了电路硬件和软件的调试以及测试结果。

红外线遥控设计理念

红外遥控的功能与特点：

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。它具有以下特点：

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

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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。

红外遥控的发展过程：

60年代初，一些发达国家开始研究民用产品的遥控技术，但由于受当时技术条件的限制，遥控技术发展很缓慢。70年代末，随着大规模集成电路和计算机技术的发展，遥控技术才得到快速的发展。在遥控方式上大体经历了从有线到无线的超声波、从振动子到红外线、再到使用总线的微机红外遥控这样几个阶段。无论采用何种方式，准确无误传输信号，最终达到满意的控制效果是非常重要的。最初的无线遥控装置采用的是电磁波传输信号，由于电磁波容易产生干扰，也易受干扰，因此逐渐采用超声波和红外线媒介来传输信号。与红外线相比，超声传感器频带窄，所能携带的信息量少，易受干扰而引起误动作。较为理想的是光控方式，逐渐采用红外线的遥控方式取代了超声波遥控方式，出现了红外线多功能遥控器，成为当今时代的主流。

由于红外线在频谱上居于可见光之外，所以抗干扰性强，具有光波的直线传播特性，不易产生相互间的干扰，是很好的信息传输媒体。信息可以直接对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，再用信息对载波进调制，接收端再去掉载波，取到信息。。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。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

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的应用越来越广泛。

3.红外遥控的发展趋

势

红外遥控技术在这十年来得到了迅猛发展，尤其在家电领域如彩电、DVD、空调等，也在其它电子领域得到广泛应用，随着人们生活水平的提高，对产品的追求是使用更方便、更具智能化，红外遥控技术正是一个重点的发展方向。为了提高对红外遥控产品的开发效率以及生产厂家的检测手段等，重点推出该套红外遥控编码分析仪，她犹如一台示波器，并且利用最先进的电脑技术，对红外遥控信号进行全面的分析，显示详尽的数据，编码、解码信息，使开发人员对编、解码情况一目了然，以便设计人员提高工作效率，增加产品的稳定性、可靠性。红外遥控信号分析仪采用MCS-51系列单片机为外部采样处理控制器，并与微机通信完成整个处理过程，并由微机完成作图、数据管理等等。

由于各生产厂家生产了大量红外遥控专用集成电路，需要时按图索骥即可。因此，现在红外遥控在加用电器、室内近距离（小于10米）遥控中得到了广泛的应用。随着红外光电器的大量出现,红外遥控已经广泛应用在家用电器,安全保卫,及人们的日常生活中的应用就更加广泛了。例如电视机的遥控，音响设备的遥控，录象机的遥控，电风扇的遥控，安全保卫报警器，遥控空调器，自 动水龙头，自动门等均可采用红外遥控技术来实现。

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，相应地接收端有不同地输出状态。接收端地输出状态大致可分 为脉冲、电平、自馈、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

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是指发射端按下键时，接收端对应输出端输出“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。电视机的选台就 属此种情况，其他如调光、调速、音响的输入选择等。“数据”输出是指把一些 发射键编上号码，利用接收端的几个输出形成一个二进制数，来代表不同的按键 输入。一般情况下，接收端除了几位数据输出外，还应有一位“数据有效”输出端，以便以后适时地来取数据。这种输出形式一般用于与单片机或微机接口。 除以上输出形式外，还有“锁存”和“暂存”两种形式。所谓“锁存”输出是 指对发射端每次发的信号，接收端对应输出予以“储存”，直至收到新的信号为 止；“暂存”输出与上述介绍的“电平”输出类似。

红外线遥控器总体设计方案

方案一：（简易红外遥控电路）

在不需要多路控制的应用场合，可以使用由常规集成电路组成的单通道红外遥控电路。这种遥控电路不需要使用较贵的专用编译码器，因此成本较低。

红外发射部分：

图1.1

考虑到本方案电路是简单的单通道遥控器，可直接产生一个控制功能的震荡频率，再通过红外发光二极管发射出去。

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红外接收部分：

图1.2

当红外接收头接收到控制频率时，由一个电路对其进行解调产生相应控制功能。

方案二：（利用红外遥控开关电路）

红外线发射/接收控制电路均采用单片机来实现，输出控制方式可选择，实用性强。

方案结构图：

图1.4

当红外接收器接收到控制脉冲后，由控制方式选择开关选择是“互锁”还是单路控制，再由单片机处理后，对相应的受控电器产生控制。

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方案三：利用红外遥控开关电路

用单片机制作一个红外电器遥控器，可以分别控制5个电器的电源开关，和一个电灯开关，并且可以对电灯进行亮度的调光控制。

红外发射部分结构图如下：

图1.5当按下遥控按钮时，单片机产生相应的控制脉冲，

由红外发光二极管发射出去。

红外接收部分结构如下：

图1.6

当红外接收器接收到控制脉冲后，经单片机处理由显示设备显示出当前受控电器的序号，并判断是否对电灯进行调光，如需调光则经调光电路处理后实现调光功能。

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系统硬件电路设计

2.1．红外遥控电路设计

由于本设计为一红外遥控装置,根据所选择方案将其分为发射和接收两大模块进行设计。

2.1.1 发射电路部分 2.1.1.1器件选择 单片机的选择:

用AT89C－51单片机来完成本设计，既方便也很实用。 AT89C-51的介绍：

AT89C－51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 ? 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C-51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 主要特性： ·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 ·全静态工作：0Hz-24Hz ·三级程序存储器锁定 ·128*8位内部RAM ·32可编程I/O线 ·两个16位定时器/计数器

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·5个中断源

·可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 ·片内振荡器和时钟电路 振荡器

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为 片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTA L2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时 钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

89C51的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外 接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是 外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。两种方式分别 如下图所示:

图2.1

芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C-51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。

但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM

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的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

由上可见，89C51芯片的功能强大，其震荡特性能很好的满足本设计的要求，与同类51芯片（如89C2051）相比，其引脚较多，在满足对控制方式的选择的同时，还可加入调光控制电路，这更能符合本设计的需要。因此本设计决定选用芯片89C51作为核心芯片。

按键控制选择：

由于本设计所控制的电器数目较少，所以不用外接扩充键盘，直接使用单片机上的接口，直接使用8个点触式开关即可。

频率发生选择：

可用一12M晶体震荡器发生满足要求的频率。

电路设计：

本遥控发射器采用码分制遥控方式，码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。

在确定选择AT89C-51作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制键后，加上一个简单红外发射电路和12M晶体震荡器便可实现红外发射。

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下图为本红外遥控设计核心部分之一的发射电路原理图

:

图2.2

其中芯片端口P1.0至P1.7接8个点触式开关,端口P1.0至P1.4用来遥控电器电源开关，端口P1.5为本遥控器的开关，端口P1.6和端口P1.7为调节电灯亮度的控制开关,其中P1.6实现对发光二极管的增亮控制,P1.7实现对发光二极管的减暗控制,端口RST为单片机的复位脚,采用简单的RC上复位电路，端口P3.5作为红外线遥控码的输出口，用于输出40kHz载波编码，端口XTAL2和端口XTAL1接12MHz晶振. 晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，本设计采用的是一个NPN型的三级管9013，为了得到更大的放大倍数，采用了类似共射级接法。因为从p3.5口出来的为高电压，而三级管9013不能承受此电压，所以采用了一个阻值较大的电阻来起分压作用，从而缓冲了加到三级管上的电压。

单片机的选择：

与发射部分一样,本设计所用到的输入输出端口不多，用AT89C－51单片机完全可以完成本设计，其方便实用的性能相对其他同类芯片更适合于本设计。

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显示设备选择:

在单片机应用系统中,使用的显示器主要有LED(发光二极管)，LCD(夜晶显示器)。这两种显示器成本低廉，配置灵活，与单片机接口方便。但是他们也是各有特点的：LED接口非常简单，不需要专用的驱动程序，在设计程序时也非常的简单；LCD显示的字比较丰富，也比较清楚，给人的感觉很好，但是他接口复杂，且要自己造字库，难度不小。

对于本设计遥控器的接收电路来说，在配置一些指示灯的前提下，只显示数字就够了，故没必要采用LCD，用LED就够了。

下面简单介绍一下LED显示器的结构和引脚

LED显示器是有发光二极管来显示字段的器件。在单片机应用系统中常用七段显示器。发光二极管的阳极连在一起称共阳极显示器，阴极连在 一起的称共阴极显示器。图a中为七段显示器的结构。一个显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管控制a～g七段的亮或暗，另外一个发光二极管控制一个小数点的亮或暗。这种七段显示器能显示的字符较少，字符的形状有些失真，但与单片机的控制接口非常简单，使用方便。

图2.3

LED有两种显示方式：动态显示和静态显示。下面简要介绍一下各自的原理：

静态显示方式:

静态显示方式就是当显示器显示某一个字符是，相应的发光二极管恒定地导通或截止，直到显示另一个字符为止。例如对于共阴极LED显示器，

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当其a,b,c,d,e,f为高电平，g,dp为低电平时，为高电平的引脚恒定截止，显示器显示“0”。这种显示方式每一个七段LED显示器需要一个8位输出口控制段选位，个显示器的位选位连在一起接低电平（共阴极时）或接高电平（共阴极时）或接高电平（共阴极时）。

静态显示方式，显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应锁存的输出将维持不变。正因为如此，静态显示的亮度较高。这种显示方式编程容易，管理也较简单，但占用I/O口资源较多，因此在显示位数较多时，一般采用动态显示方式。

动态显示方式:

在多位LED显示时，为了节省I/O口线，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分时轮流点亮各位显示器，对没一位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。调整导通电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起，有一个8位I/O口控制，而共阴极或共阳极的公共端分别由相应的I/O口控制，实现各位显示器的分时选通。下图利用P2口控制各显示器轮流选通，P0口接各显示器的段选位，提供各显示器的显示数据。

由于单片机I/O口有限，而静态显示需要占用大量的接口。比如在本设计中需要采用5个数码管，一个要9个口子，那总共需要45个口子，这是无法达到的，而动态只要8个就可以了。如果是需要显示的数码管实在是太多，则还可以在数码管和单片机之间加上译码器来进一步减少口子的数目。

调光设备选择:

光电耦合器具有体积小、使用寿命长、工作温度范围宽、抗干扰性能强。无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点，因而在各种电子设备上得到广泛的应用。光电耦合器可用于隔离电路、负载接口及各种家用电器等电路中。

光电耦合器的种类较多,但在家电电路中,常见的只有4种结构:

1.第一类,为发光二极管与光电晶体管封装的光电耦合器,结构为双列直插4引脚塑封,内部电路见表一,主要用于开关电源电路中。

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2.第二类,为发光二极管与光电晶体管封装的光电耦合器,主要区别引脚结构不同,结构为双列直插6引脚塑封,内部电路见表一,也用于开关电源电路中。 3.第三类,为发光二极管与光电晶体管(附基极端子)封装的光电耦合器,结构为双列直插6引脚塑封,内部电路见表一,主要用于AV转换音频电路中。 4.第四类,为发光二极管与光电二极管加晶体管(附基极端子)封装的光电耦合器,结构为双列直插6引脚塑封,内部电路见表一,主要用于AV转换视频电路中。

因为本设计所用到的调光功能仅仅是调节电灯的亮暗，所以无需使用复杂的调光控制系统，可直接使用一个光电藕合器，来实现此功能。本设计采用的就是以上第二类的一个型号为PS2019。

红外遥控接收器的接收过程基本原理图：

图2.4

由上述可见，红外遥控系统中的指令信号及检出电路，在码分制系统中由编 码电路和解码电路构成，而且要有调制和解调的过程，因为码分制系统编码脉冲 的频率极低，为超低频，如果不用调制与解调电路，外界突然的光线变化可能会 对接收电路造成干扰，产生误动作，系统的抗干扰能力及可靠性就难以保证。

码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目 及组合）代表不同的控制指令。当不同的指令键被按下时，指令信号电路产生不 同脉冲编码的指令信号，然后经调制电路调制，变为编码脉冲调制信号，再由驱。 动电路驱动红外发射器发射红外光信号。

接收器接收下来的信号经过前置放大后，送入出解调电路，对调制信号进行 解调，再经过指令信号检出指令信号。智力的指令信号检出电路是与发射器中编

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码电路相对应的译码电路，它将指令信号译出。

遥控器电路设计

显示电路的设计

以51芯片的P1端口直接与数码管相连，但为保证51芯片的正常工作，须在P1端口连电源时加上470Ω的限流电阻。

设计电路图如下:

图2.5

其中芯片端口P1.0至P1.7接数码管的a至h这8个引脚，用来显示被控发光二极管的序号。

受控电器电源开关的设计

由于本设计无法使用6个家用电器开关作为受控开关,故用6个发光二极管来代替.其中接端口P0.5的二极管作为可调节亮度的灯.为了保证发光二极管安

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全正常工作,特取1kΩ电阻作为限流电阻. 设计电路图如下

:

图2.6

调光电路设计

晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，本设计采用的是一个9012三极管，为了得到更大的放大倍数，采用了类似共射级接法。因为从P2.7口出来的为高电压，而三极管9012不能承受此电压，所以采用了一个阻值较大的电阻来起分压作用，从而缓冲了加到三级管上的电压。而对于调光控制则采用了一个光电耦合器实现对一路电器的亮度控制。

图2.7

接收频率部分和红外接收设计：

为了与发射端对应，同样采用一个12M晶体震荡器与一个红外接收的二极管配合可对发射出的频率进行接收。

遥控接收器电路原理图：

下图为本红外遥控设计的另一核心部分接收电路原理图，其中芯片端口P1.0至P1.7接数码管的a至h这8个引脚，用来显示被控发光二极管的序号。 端口P0.0至P0.5接6个发光二极管的电源控制输出。其中可对端口P0.5接的

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发光二极管进行亮度调节。端口P2.7为可控硅调光灯的调光脉冲输出，端口P3.0为50Hz交流市电相位基准输入，端口P3.2为中断输入口，端口P3.1用于接收红外遥控码输入信号。

图2.8

系统功能实现方法

遥控码的编码格式：

该遥控器采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的码，最小为2个脉冲，最大为17个脉冲，为了使接收可靠，第一位码宽为3ms，其余为1ms，遥控码数据帧间隔大于10ms，如下图所示：端口P3.0输出编码波形

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图2.9

设定遥控码的发射：

当某个被控电器的电源开关被按下时,单片机先读出键值,然后根据键值设定遥控码的脉冲个数,再调制成40kHz方波由红外线发光管发身出去。发射电路的端口P3.5的输出调制波如下图所示

:

图2.10

数据帧的接收处理：

当红外线接收器输出脉冲帧数据时,第一位码的低电平将启动中断程序,实时接收数据帧.在数据帧接收时,将对第一位(起始位)码的码宽进行验证.若第一

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位低电平码的脉宽小于2ms,将作为错误码处理.当间隔位的高电平脉宽大于3ms时,结束接收,然后根据累加器A中的脉冲个数,执行相应输出口的操作.下图为红外线接收器输出的一帧遥控码波形图

.

图2.11

遥控发射及接收控制程序流程图

遥控发射部分：

下图是遥控发射的主程序，首先初始化程序,然后调用键扫描处理子程序.

图2.12

扫键过程:首先判断控制键是否按下,若有控制键按下则进行逐行扫描,按照P口值查找键号.最后按照键号转至相应的发射程序如下所示.

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图2.13红外信号发射过程:首先装入发射脉冲个数(发射时为3ms脉冲,停发时为1ms脉冲),此时若发射脉冲个数为1则返回主程序,若不为1则发1ms脉冲,然后停发1ms脉冲,这样便结束整个发射过程.

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遥控接收部分:

遥控接收部分的主程序及初始化及延时过程如下:首先初始化,然后按照显示亮度数据设定调光脉冲延时值,看P3.0口的脉冲是否为0,若不为0则调入延时程序,此时P2.7口输出调光脉冲然后返回;若为0则直接返回。

图2.15

中断过程:首先判断低电平脉宽度是否大于2ms,若脉宽不到2ms,则中断返回;若低电平大于2ms,则接收并地低电平脉冲计数,接下来看判断高电平脉宽度冲是否大于3ms,若脉宽不到3ms,则返回上一接收计数过程;若高电平脉宽大于3ms,则按照脉冲个数至对应功能程序.此时中断返回.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bdf4.html