鄔寶寅，張端陽，劉 引

(1.鄭州科技學(xué)院，鄭州 450064;2.新鄉(xiāng)縣電業(yè)局，新鄉(xiāng) 453700)

1 引言

目前市場上一般設(shè)備系統(tǒng)采用專用的遙控編碼及解碼集成電路，這種方案具有制作簡單、容易等特點(diǎn)，但由于功能鍵數(shù)及功能受到特定的限制，只適合用于某一專用電器產(chǎn)品的應(yīng)用，不適合小批量產(chǎn)品的使用。而采用單片機(jī)進(jìn)行遙控系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有編程靈活多樣、操作碼個(gè)數(shù)可隨需求設(shè)定等優(yōu)點(diǎn)。本單片機(jī)遙控電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用紅外線脈寬編碼、單片機(jī)軟件脈寬計(jì)時(shí)解碼，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)單相交流電機(jī)的啟停及脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)速控制。

2 系統(tǒng)總體框架

單片機(jī)紅外遙控電機(jī)連續(xù)調(diào)速系統(tǒng)要求用單片機(jī)作為控制芯片制作一個(gè)遙控器，另一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)能被遙控操作吊扇的啟動(dòng)、停止和調(diào)速。圖1 和圖2為該應(yīng)用系統(tǒng)的遙控器設(shè)計(jì)框圖及接收控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

圖1 單片機(jī)遙控器設(shè)計(jì)框圖

圖2 接收控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主要硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)遙控應(yīng)用系統(tǒng)電路分遙控發(fā)射系統(tǒng)電路和遙控接收系統(tǒng)電路。

3.1.1 遙控發(fā)射系統(tǒng)電路

電路主要以AT89C2051 單片機(jī)最小系統(tǒng)為中心，外圍連接四個(gè)獨(dú)立的電機(jī)控制按鍵、空閑方式控制電路、紅外發(fā)射電路、LED 發(fā)射指示燈電路等部分。單片機(jī)平時(shí)都處于低功耗空閑狀態(tài)，一旦有鍵按下，就會(huì)通過中斷喚醒單片機(jī)，進(jìn)行鍵盤查詢，并由查詢的鍵號(hào)控制紅外管發(fā)射電路發(fā)射相應(yīng)的脈沖串，發(fā)射完畢后再進(jìn)入低功耗空閑狀態(tài)。

設(shè)置控制按鍵，即為開、關(guān)、加速和減速功能，當(dāng)按鍵按下時(shí)，引腳讀入為低電平，否則讀入為高電平。

AT89C2051 采用了空閑節(jié)電工作方式。遙控器退出低功耗空閑方式電路由IN4148 二極管組成“與”門實(shí)現(xiàn)。當(dāng)有鍵按下時(shí)，由“與”門觸發(fā)外部中斷0 發(fā)生中斷，單片機(jī)退出空閑工作方式，進(jìn)入鍵盤和紅外發(fā)射程序，結(jié)束后又進(jìn)入低功耗空閑方式待機(jī)。使用過程中單片機(jī)基本上都處于空閑工作方式，功耗相當(dāng)?shù)停?。從而為使用電池電源提供保障。該電路?V 電池供電，待機(jī)電流約為0.6mA，工作電流約為2.5mA。

遙控器信息碼由AT89C2051 單片機(jī)的定時(shí)器0調(diào)制成38KHZ 紅外線載波信號(hào)，由P3.3 口輸出，經(jīng)過三極管8050 推動(dòng)紅外線發(fā)射管發(fā)送。

3.1.2 紅外接收機(jī)及電機(jī)調(diào)速電路設(shè)計(jì)

該電路由AT89C2051 單片機(jī)紅外接收和轉(zhuǎn)速顯示電路、5V 電源電路、電機(jī)調(diào)速控制電路等部分組成。遙控器發(fā)射的信號(hào)經(jīng)SM0038 處理后送給單片機(jī)，單片機(jī)通過脈寬檢測(cè)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析識(shí)別，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速和啟/?？刂频炔僮?，并顯示相應(yīng)的工作狀態(tài)。

電源部分由220V 交流電直接供電，220V 交流電通過電容限流，整流電橋D3 整流再通過三端穩(wěn)壓器U1 生成5V 電壓，該電路最高可提供69mA 電路。穩(wěn)壓管D2 用于限制三端穩(wěn)壓器在單片機(jī)耗電較低時(shí)，輸入電壓不超過9V。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分由光電耦合器、雙向晶閘管和外圍元件構(gòu)成［2］。光電耦合器輸入端與單片機(jī)引腳相連，當(dāng)引腳輸出低電平時(shí)，光電耦合器和雙向晶閘管導(dǎo)通，電機(jī)開始工作;當(dāng)引腳輸出高電平時(shí)，光電耦合器和雙向晶閘管截止，電機(jī)停止工作;光電耦合器采用高壓雙向輸出光耦MOC3021，與雙向晶閘管BT136 配合使用。在控制電機(jī)變速時(shí)光電耦合器和晶閘管交替導(dǎo)通和截止，通過控制占空比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。實(shí)際工作時(shí)，脈寬調(diào)制周期約為0.1s，單片機(jī)引腳輸出低電平占空比在10% 到90% 間變化［3］。

3.2 單片機(jī)紅外遙控編、解碼原理

比紅光波長還長的光叫紅外線。肉眼看不到這種光線，但利用紅外線發(fā)送和接收裝置卻可以實(shí)施紅外線通訊。利用紅外線通訊無需連線，只需將兩設(shè)備的紅外線裝置對(duì)正即可傳輸數(shù)據(jù)。紅外線通訊方向性很強(qiáng)，適用于近距離的無線傳輸。紅外線的特點(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備工作，也不會(huì)影響周邊環(huán)境。電路調(diào)試簡單，這里就采用對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行編碼，來實(shí)現(xiàn)多路紅外遙控功能。

3.2.1 紅外發(fā)射與編碼、調(diào)制

發(fā)射部分由編碼調(diào)制和LED 紅外發(fā)送器等組成［6］。其中編碼和調(diào)制用單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，由單片機(jī)引腳發(fā)射采用脈寬調(diào)制的脈沖串［5］，如圖3 所示，發(fā)射端口每次發(fā)射一串基頻為38KHz的脈沖，每兩串脈沖之間間隔一段時(shí)間，由這段時(shí)間對(duì)所發(fā)出的信息進(jìn)行調(diào)制，時(shí)間的長短由單片機(jī)內(nèi)的時(shí)間寄存器設(shè)置。

3.2.2 紅外接收與解調(diào)、解碼

因紅外遙控器的控制距離約6～12 米遠(yuǎn)，要達(dá)到這個(gè)指標(biāo)，其發(fā)射的載波頻率(38kHz)要求十分穩(wěn)定。一體化紅外接收頭SM0038 對(duì)38kHz 進(jìn)行解調(diào)，當(dāng)接收到38KHZ的載波信號(hào)時(shí)，SM0038 接收器會(huì)輸出低電平，否則輸出高電平，從而可以將紅外光信號(hào)解調(diào)成一定脈寬的連續(xù)方波信號(hào)。方波下降沿觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷，經(jīng)單片機(jī)解碼，來判斷是否為有效信號(hào)，以及哪一種信號(hào)，并將信號(hào)還原為相應(yīng)的控制信息。

圖3 紅外信號(hào)波形

3.3 軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 紅外發(fā)射器軟件設(shè)計(jì)

紅外發(fā)射機(jī)需用到單片機(jī)兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)外部中斷等硬件資源，其中定時(shí)器T0 用以計(jì)量發(fā)射38KHz 脈沖串的脈寬，定時(shí)器T1 用以計(jì)量脈沖串與脈沖串之間的時(shí)長，外部中斷0 用以喚醒待機(jī)狀態(tài)。程序流程圖如圖4 所示。

圖4 紅外遙控發(fā)射程序框圖

定時(shí)器T0 處于常開狀態(tài)，程序首先讀按鍵，若無按鍵按下，則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，關(guān)發(fā)射標(biāo)志;若有按鍵按下，則將啟動(dòng)按鍵、停止按鍵、增速按鍵、減速按鍵相對(duì)應(yīng)的數(shù)值(數(shù)值1、數(shù)值2、數(shù)值3、數(shù)值4)填入時(shí)間寄存器，開發(fā)射標(biāo)志。在定時(shí)器T1的中斷子程序中，若發(fā)射標(biāo)志關(guān)，則返回等待下一次中斷;若發(fā)射標(biāo)志開，則將時(shí)間寄存器的數(shù)值填入初值寄存器，打開定時(shí)器T0 開始發(fā)射紅外信號(hào)，紅外脈沖串間的時(shí)間間隔即由時(shí)間寄存器中相應(yīng)的數(shù)值來決定。

外部中斷0 用于待機(jī)狀態(tài)喚醒，其程序段為空。當(dāng)讀鍵時(shí)無按鍵按下即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)外部中斷0 輸入引腳即接到下降沿，觸發(fā)外部中斷，將IDL 位清零，退出待機(jī)狀態(tài)。

3.3.2 紅外接收器軟件設(shè)計(jì)

紅外接收機(jī)需用到單片機(jī)兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)外部中斷等硬件資源。其中外部中斷0 用來檢測(cè)由紅外接收頭所發(fā)出的下降沿而觸發(fā)中斷，啟動(dòng)定時(shí)器T0 開始計(jì)時(shí)。定時(shí)器T0 通過定時(shí)來測(cè)量脈沖串與脈沖串之間的時(shí)長，判斷信號(hào)的種類;定時(shí)器T1 用來控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)口的方波占空比，對(duì)電機(jī)調(diào)速。程序流程圖如圖5 所示。

當(dāng)紅外接收頭接收到一個(gè)紅外脈沖串時(shí)，便輸出一個(gè)低電平，外部中斷引腳接收到一個(gè)下降沿觸發(fā)中斷，啟動(dòng)定時(shí)器T0 從零開始計(jì)時(shí);當(dāng)紅外接收頭再次接收到一個(gè)脈沖串時(shí)第二次觸發(fā)外部中斷，將T0 初值寄存器中的數(shù)值讀入時(shí)間寄存器，再對(duì)T0 清零開始第二次計(jì)時(shí)，如此反復(fù)不斷。

在主程序中，不停判斷時(shí)間寄存器中的數(shù)值是否為規(guī)定的數(shù)值(數(shù)值1、數(shù)值2、數(shù)值3、數(shù)值4)，為數(shù)值1 則進(jìn)行啟動(dòng)操作，開定時(shí)器T1，發(fā)出PWM 信號(hào)啟動(dòng)電機(jī)，開顯示;為數(shù)值2 則進(jìn)行停止操作，關(guān)定時(shí)器T1，關(guān)顯示;為數(shù)值3 則進(jìn)行增速操作，將速度寄存器中的數(shù)值加1，刷新顯示;為數(shù)值4 則進(jìn)行減速操作，將速度寄存器中的數(shù)值減1，刷新顯示。

速度寄存器中的數(shù)值在1 到9 之間，使定時(shí)器T1 發(fā)出占空比在10%到90%之間的PWM 波，對(duì)電機(jī)調(diào)速，并通過數(shù)碼管將這十個(gè)數(shù)碼顯示出來。定時(shí)器T1的定時(shí)時(shí)長固定，當(dāng)調(diào)速引腳輸出低電平時(shí)，速度寄存器中的數(shù)值即為定時(shí)次數(shù);當(dāng)調(diào)速引腳輸出高電平時(shí)，速度寄存器中的數(shù)值對(duì)10的補(bǔ)碼為定時(shí)次數(shù)。由此輸出周期為定時(shí)時(shí)長十倍的PWM波，速度寄存器中的數(shù)值越大，低電平的占空比越大，速度越高。

4 結(jié)束語

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，紅外遙控信號(hào)的編碼解碼方法沒有出現(xiàn)傳輸誤碼，可靠、實(shí)用，在編碼解碼方面降低了硬件成本。容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，此系統(tǒng)稍作改動(dòng)即可應(yīng)用于其它紅外遙控的控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)靈活，應(yīng)用廣泛。

圖5 紅外接收器程序框圖

設(shè)計(jì)采用AT89C2051 單片機(jī)，其最低使用電壓為2.7V，并不是很低，在待機(jī)狀態(tài)下的功耗也較高，不利于由電池供電的遙控發(fā)射器。如采用功能相似的STC12C2051 單片機(jī)，工作在掉電模式下由外部中斷喚醒，可以進(jìn)一步降低功耗;或者采用功耗更低的AVR ATtiny 系列單片機(jī)，也可以起到進(jìn)一步降低功耗的作用。

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