杜路泉，劉德春，莫建麟，王玉晶

(阿壩師范學院 電子信息與自動化學院，四川 阿壩州 623002)

1 紅外線遙控概述

按照波長由長到短劃分，可見光依次分為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。紅光的波長范圍為0.62～0.76 μm；紫光的波長范圍為0.38～0.46 μm.紅外線的波長比紅光的波長長，紫外線的波長比紫光的波長短。利用波長在0.76～1.5 μm之間的紅外線來傳輸控制信號稱為紅外線遙控技術(shù)[1]。

紅外遙控設備一般由發(fā)射器和接收器兩個部分組成，發(fā)射器通常由鍵盤電路、紅外編碼芯片、電源部分和發(fā)射部分構(gòu)成。當按鍵被按下后，發(fā)射器在識別對應的按鍵后通過編碼芯片產(chǎn)生相應的控制信號，生成的控制信號再經(jīng)過紅外發(fā)射電路的驅(qū)動發(fā)射出去。接收器通常由紅外接收電路、執(zhí)行電路、電源電路和紅外解碼芯片組成。當紅外接收器收到紅外光信號后，會將收到的光信號轉(zhuǎn)化為對應脈沖電信號發(fā)送到紅外解碼芯片處進行解調(diào)。解調(diào)后芯片會控制執(zhí)行電路產(chǎn)生對應狀態(tài)來表示應答[2]。

2 總體方案的選定

綜合考慮成本和資源使用程度等方面選擇了STC89C52單片機作為系統(tǒng)設計的編解碼芯片。將紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊分別用不同的電路板焊接成兩個獨立的模塊，使其在50～100 cm甚至更遠范圍內(nèi)能穩(wěn)定控制。該方案提高了設備靈活性、節(jié)省人工、符合遙控概念，和目前電子行業(yè)發(fā)展理念相同[3]。表1給出了方案對比分析。

表1 設計方案對比分析

3 遙控系統(tǒng)的硬件設計

單片機最小系統(tǒng)是指使單片機正常工作所需最少元器件的組合。52單片機最小系統(tǒng)除了單片機以外還包括電源電路、復位電路、時鐘電路、下載電路。表2分析了硬件選型，考慮到價格以及基本功能實現(xiàn)即可的原則，選擇STC89C52單片機。

表2 硬件對比分析

紅外發(fā)射電路是由一個NPN三極管S9013、兩個1k電阻和一個紅外發(fā)射管構(gòu)成的開關(guān)電路，電路中三極管基級連一個電阻后與單片機P2.7引腳相連。當P2.7引腳輸出為1時，電路導通，紅外發(fā)射管會發(fā)出頻率為38 kHz的脈沖。

紅外接收電路主要由一個紅外接收頭HS0038連接在接收器的P3.2(外部中斷0)引腳。當產(chǎn)生紅外信號的時候，HS0038會給出低電平，單片機進行中斷解碼，并將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存在一個數(shù)組內(nèi)。圖1所示為電路原理圖[4]，圖2為PCB設計。

圖1 電路原理圖

圖2 PCB設計

鍵盤設計電路由八個按鍵組成，每一個按鍵都有不同的功能。表3給出了各個按鍵的作用。

表3 按鍵功能說明

在硬件電路設計完成后，進行最后電路板焊接，應當仔細檢查是否與仿真一致。在沒接電源的情況下用萬用表通斷開關(guān)檢查每條線路有沒有短路或者虛焊，并且檢查各元器件的值是否與仿真一致。以上檢查均準確無誤時再給設備接上電源，打開開關(guān)，檢查是否有短路現(xiàn)象，最后進行性能測試。

4 遙控系統(tǒng)的軟件設計

為了讓通信信號高效準確地到達接收端，將二進制信號進行編碼并轉(zhuǎn)換為脈沖信號，然后經(jīng)過紅外發(fā)射管傳輸出去。通常有兩種方法進行調(diào)制，以脈沖串之間的時間間隔來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈位調(diào)制(PPM)和以脈沖寬度來實現(xiàn)信號調(diào)制的脈寬調(diào)制(PWM)，軟件設計采用PPM調(diào)制[5]。圖3為發(fā)射接收波形圖。

發(fā)射端 接收端

發(fā)射程序?qū)栏褡裱璑EC紅外編碼協(xié)議來完成。紅外發(fā)射設備通過識別按鍵后在38 kHz的載波上依次將引導碼、用戶碼、用戶反碼、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)反碼以脈沖的形式傳給發(fā)送引腳。

Proteus仿真里面必須要求嚴格遵循NEC編碼和誤差，雖然實際面包板模擬設備能通訊仿真卻通不過。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，一般紅外接收頭設計的信號載波頻率為38 kHz，實際上能接收36～40 kHz之間的載波信號，并且每個指令的誤差可以增加到28 μs左右也能進行通信，但是在仿真軟件上就需要精確無誤。圖4給出了發(fā)射主程序流程圖。

圖4 發(fā)射主程序流程圖

圖5 接收主程序流程

接收程序主要用到外部中斷0來解碼，當接收到紅外信號時進入中斷通過一個延遲函數(shù)來判斷每個電平變化的時間。對比相應的紅外編碼時間來判斷出指令是0還是1.在程序編碼中主要是要掌握好信號每個高低電平變化的瞬間，計時并識別。在編碼的前期因為邏輯問題導致很久都沒有解碼成功，一組指令32個是一次性發(fā)送，所以一個完整指令的解碼都需要在一個邏輯里完成，并且不能有延遲的錯誤性，調(diào)試方法和發(fā)送類似[6～10]。解碼流程圖分為初始化和解碼兩個部分，初始化負責單片機的復位和外部中斷的初始化，并將執(zhí)行電路電平拉低。主程序主要負責信號的解碼和功能的執(zhí)行。圖5給出了接收主程序流程圖。

5 系統(tǒng)的調(diào)試分析

利用Proteus完成電路圖的設計和搭建。通過Keil編寫遙控編碼和遙控解碼的程序，編后顯示0錯誤、0警告。將生成的HEX文件導入Proteus仿真，運行仿真，觀察通信結(jié)果。將LED顯示需要修改的地方在Keil上重新編寫編譯后執(zhí)行。將發(fā)射程序和接收程序下載到發(fā)射設備和接收設備上。將所有功能都進行測試，分析不符合或者不正常的現(xiàn)象。將燈光效果不滿意的地方進行軟件或硬件調(diào)整再測試[11～15]。表4給出了功能測試。

表4 功能測試

圖6與圖7所示，給出了發(fā)射電路與測試電路。

圖6 發(fā)射器圖

圖7 發(fā)射電路圖

6 總結(jié)

紅外遙控LED系統(tǒng)制作以單片機為核心，實現(xiàn)紅外發(fā)射電路與紅外接收電路設計，同時完成紅外LED燈的紅外信號通信，燈組各種不同的功能和變化測試。但是該系統(tǒng)中仍然存在不足之處即遙控距離，通常要求系統(tǒng)的控制距離為5 m左右，而該系統(tǒng)遙控距離在1 m左右；另外針對系統(tǒng)功能的擴展等都是后續(xù)研究需要改進的部分。