基于单片机AT89C51和AT89C实现红外发射和接收电路设计毕业设计论文.docx
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基于单片机AT89C51和AT89C实现红外发射和接收电路设计毕业设计论文
毕业设计
专业:
班级学号:
学生姓名:
指导教师:
二〇年月
遥控系统的设计
Thedesignofremotesystem
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
系别:
20年月
摘要
随着科学技术的飞速发展,信息的飞快传播,红外遥控在人们的生活中已经成为不可或缺的部分。
本文重点介绍了利用单片机AT89C51和AT89C2051实现红外发射和接收电路的设计方法。
发射电路采用单片机89C2051将待发送的二进制信号编码调制为40KHz的脉冲信号通过红外发射管发射红外信号。
红外接收端采用一体化红外接收头HS0038接收红外接收信号。
它同时对信号进行放大检波,整形得到TTL电平的编码信号再送给单片机。
经单片机解码实现对不同设备的控制。
整个电路耗电省、简单可靠、操作灵活、性能价格比高,较好地满足了现代生活,生产和科研的需要。
广泛应用在家用电器,安全保卫,及人们的日常生活中。
例如电视机的遥控,音响设备的遥控,电风扇的遥控,安全保卫报警器,遥控空调器,自动门等均可采用红外遥控技术来实现。
关键词:
遥控电路;红外发射;红外接收;单片机
ABSTRACT
Withtherapiddevelopmentoftechnology,therapiddisseminationofinformationmeansthatinfraredcontrolhasbecomeanindispensablecomponentinpeople’slife.Thearticlehighlightedthedesignmethodoftransmittingandreceivingcircuitbyinfraredcontrolwhichusesingle-chipmicrocomputerAT89C51andAT89C2051.Theemissioncircuitconcoctsthebinarysystemsignalcodingwhichispreparedtosendwiththesignle-chipmicrocomputer89C2051.Thenthepulsesignalusesinfraredemissiondiodetosendtheinfraredsignal.TheinfraredsignalisreceivedbytheintegrativeinfraredreceivingHS0038.AtthesametimethesignalismagnifiedandplasticedtogettheTTLcodingsignalsendingtothesignle-chipmicrocomputer.Afterthatthesignle-chipmicrocomputerdecodesthesignaltocontroldifferentequipments.Theentirecircuitissimple,reliable,flexibleoperation,high-performance,ofhighvalueandlowcost,anditcanmeetthemodernlife,productionandresearchneed.Theinfraredremotesystemisabroadusedinthewirings,securitywardandpeopledailylife.Foremample,itcanbeusedtoremotecontrolTV,raidoandair-condition.Alsousedinsecurityalarm,autodoorandsoon.
KeyWords:
Remotecontrollingcircuit;Infraredemission;Infraredreceiving;Single-chipmicrocomputer
1引言
随着远程教育系统的不断发展和日趋完善,利用多媒体作为教学手段在各级各类学校都得到了广泛应用。
近年来,在多媒体教学系统的使用、开发和研制中,经常遇到同时使用多种设备,如:
数字投影机、DVD、VCD、录像机、电视机等,由于各种设备都自带遥控器,而且不同的设备所遵循的红外传输规约也不尽相同,操纵这些设备得使用多种遥控器,给使用者带来了诸多不便。
本次毕业设计的主题就是红外遥控电路设计。
通过单片机的控制指令来对不同设备进行远程控制,从而方便快捷的实现远程控制。
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[2]:
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。
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。
从信息的可靠传输来说,后一种方法更好,这就是我们今天看到的大多数红外遥控器所采用的方法。
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的应用越来越广泛。
2方案论证与发展趋势
2.1方案论证
根据任务书的要求,利用单片机设计一个遥控开关电路,可以拟定以下的几种方案。
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:
产生
震荡
频率
红外
发射
图2.1红外发射框图
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。
红外接收部分:
红外
接收
解调
控制
受控
电器
图2.2红外接收框图
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并产生相应的控制功能。
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:
红外发射部分:
单
片
机
红外
发射
遥控
按钮
图1.3
图2.3红外发射框图
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:
红外
接收
单
片
机
受控
电器
控制方式选择开关
图1.4
图2.4红外接收框图
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。
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:
单
片
机
按键
控制
红外
发射
图1.5
图2.5红外发射框图
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。
受控电器
电源开关
红外接收部分结构如下:
单
片
机
显示
红外接收
电灯
调光电路
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。
综上所述通过比较三套方案,方案一未采用单片机控制,功能过于单一,仅能对一路电器进行简单的遥控;方案二和方案三的红外线发射/接收控制电路采用单片机来实现,电路简单,实用性强。
方案二虽可虽可控制多个电器,但控制功能过于单调,仅能实现电器开关的控制,实用价值不大;方案三不仅可用控制键实现对电器的控制,而且可对一路电灯进行亮度控制,方便实用。
且本设计用到的元器件较少,电路相对简单实用。
所以本设计采用方案三作为设计蓝本。
2.2技术指标
红外遥控是目前使用较多的一种遥控手段。
红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点。
在家庭生活中,录音机、音响设备、空调彩电都采用了红外遥控系统。
设计要求利用红外传输控制指令及智能控制系统,借助微处理器强大灵活的控制功能发出脉冲编码,组成的一个遥控系统。
本设计的主要技术指标如下:
(1)遥控范围:
4—6米;
(2)发射接受角:
90°;
(3)接收灵敏可靠,抗干扰能力强;
(4)遥控器发射时工作电流:
8mA;
采用红外线遥控方式时,距离﹑角度等使用效果受一定的限制,如果采用调频或调幅发射接收,则发射距离会更远,接收将不受角度的影响。
本设计采用单片机遥控编码及解码方案适合一切需要应用到遥控的电器系统,是自行设计带遥控功能的控制系统的首选理想方案。
2.3红外遥控系统的发展趋势
红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点,因而,继彩电、录像机之后,在录音机、音响设备、空凋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。
红外遥控技术在这十年来得到了迅猛发展,在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。
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,录像机的遥控,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。
采用同一遥控器遥控多个设备是现在红外遥控系统的主流方向,也是未来的发展趋势。
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。
接收端的输出状态大致可分
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。
[7]
总之,红外遥控凭借其体积小、功耗低、功能强、成本低,不影响周边环境的、不干扰其他电器设备,编解码容易,可进行多路遥控等特点。
在电子领域得到广泛应用。
3红外遥控系统的硬件设计
3.1红外收发电路的设计
红外遥控系统由发射和接收两大部分组成,系统采用编/解码专用集成电路和单片机芯片来进行控制操作。
设计的电路由如下的几个基本模块组成:
直流稳压电源,红外发射电路,红外接收电路和控制部分。
红外遥控有发送和接收两个组成部分。
发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号,通过红外发射管发射红外信号。
红外接收端普遍采用价格便宜,性能可靠的一体化红外接收头(如HS0038,它接收红外信号频率为40KHz,周期约26μs)接收红外信号,它同时对信号进行放大、检波、整形,得到TTL电平的编码信号,再送给单片机,经单片机解码并控制相关对象。
系统框图如图3-1所示。
电源
单片机
89C2051
发射部分
按键部分
电源
单片机
89c51
接收部分
控制部分
图3-1红外遥控电路框图
3.1.1芯片介绍
3.1.1.1.AT89C51的介绍[1]
1.AT89C51具有下列主要性能:
(1)4KB可改编程序Flash存储器
(可经受1,000次的写入/擦除周期)
(2)三级程序存储器保密
(3)128X8字节内部RAM
(4)32条可编程I/O线
(5)2个16位定时器/计数器
(6)6个中断源
(7)可编程串行通道
(8)片内时钟振荡器
AT89C51是用静态逻辑来设计的,并提供两种可用软件来选择的省电方式——空闲方式和掉电方式。
在空闲方式中,CPU停止工作,而RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统都继续工作。
在掉电方式中,片内振荡器停止工作,由于时钟被“冻结”,一切功能暂停,只保存片内RAM中的内容,直到下一次硬件复位为止。
2.AT89C51的引脚及功能
89C51单片机的管脚说明如图3-2所示。
图3-289C51单片机的管脚说明
(1)主要电源引脚
①VSS电源端
②GND接地端
(2)外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
①XTAL1接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部,它是构成片内振荡器的反相放大器的输入端。
当采用外部振荡器时,该引脚接收振荡器的信号,既把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。
②XTAL2接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部,它是上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时,此引脚应悬浮不连接。
(3)输入/输出引脚P0.0~P0.7、P10.~P1.7、P2.0~P2.7和P3.0~P3.7。
①P0端口(P0.0~P0.7)P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。
作为输出口用时,每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入,对端口写1时,又可作高阻抗输入端用。
在访问外部程序和数据存储器时,它是分时多路转换的地址(低8位)/数据总线,在访问期间激活了内部的上拉电阻。
②P1端口(P1.0~P1.7)P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P1的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。
作输入口时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
③P2端口(P2.0~P2.7)P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。
P2作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@DPTR指令)时,P2送出高8位地址。
在访问8位地址的外部数据存储器(如执行MOVX@Ri,A指令)时,P2口引脚上的内容(就是专用寄存器(SFR)区中P2寄存器的内容),在整个访问期间不会改变。
④P3端口(P3.0~P3.7)P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。
P2的输出缓冲器可驱动(吸收或输出电流方式)4个TTL输入。
对端口写1时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可用作输入口。
P3作输入口使用时,因为有内部的上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。
在AT89C51中,P3端口还用于一些专门功能,这些兼用功能如下:
(1)P3.0RXD(串行输入口)
(2)P3.1TXD(串行输出口)
(3)P3.2/INT0(外部中断0)
(4)P3.3/INT1(外部中断1)
(5)P3.4T0(记时器0外部输入)
(6)P3.5T1(记时器1外部输入)
(7)P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
(8)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
(9)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号
3.振荡器特性:
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,XTAL2应不接。
由于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。
4.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,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。
3.1.1.289C2051介绍
89C2051共有20条引脚,如图3-3所示。
图3-389C2051单片机管脚说明
P1口共8脚,准双向端口。
P3.0~P3.6共7脚,准双向端口,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,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9mA。
89C2051驱动能力的增强,使得它可以直接驱动LED数码管。
相对于89C51它少了一些功能,但是它的功耗少,便于携带,更经济使它在发射电路中起着重要的地位。
因此,在本设计红外发射的电路中就用了它来实现脉冲信号的产生。
3.1.2红外发射电路
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AT89C51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。
发射部分的主要元件为红外发光二极管。
它实际上是一只特殊的发光二极管,由于其内部材料不同于普通发光二极管,因而在其两端施加一定电压时,它发出的便是红外线而不是可见光。
目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右,外形与普通Φ5发光二极管相同,只是颜色不同。
遥控发射通过键盘,每按下一个键,即产生具有不同的编码数字脉冲,这种代码指令信号调制在40KHz的载波上,激励红外光二极管产生不同的脉冲,通过空间的传送到受控机的遥控接收器。
P1口作为按键部分,P3.5口作为发射部分,然后用三极管的放大驱动红外发射。
电路图见附录3。
3.1.3红外接收电路
在接收过程中,脉冲通过光学滤波器和红外二极管转换为40KHZ的电信号,此信号经过放大,检波,整形,解调,送到解码与接口电路,从而完成相应的遥控功能。
接收电路图见附录4。
通常,红外遥控器将遥控信号(二进制脉冲码)调制在40KHz的载波上,经缓冲放大后送至红外发光二极管,产生红外信号发射出去。
将上述的遥控编码脉冲对频率为40KHz(周期为26μs)的载波信号进行脉幅调制(PAM),再经缓冲放大后送到红外发光管,将遥控信号发射出去。
根据遥控信号编码和发射过程,遥控信号的识别——即解码过程是去除40KHz载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1。
由MCS—51系列单片机AT89C51、一体化红外接收头、存储器、还原调制与红外发光管驱动电路组成。
接收部分主要元件是红外接收管,它是一种光敏二极管(实际上是三极管,基极为感光部分)。
在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压,它才能正常工作,亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用,这样才能获得较高的灵敏度。
由于红外发光二极管的发射功率一般都较小(100mW左右),所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱,因此就要增加高增益放大电路。
前些年常用μPC1373H、CX20106A等红外接收专用放大电路。
最近几年不论是业余制作还是正式产品,大多都采用成品红外接收头。
成品红外接收头的封装大致有两种:
一种采用铁皮屏蔽;一种是塑料封装(如HS0038),均有三只引脚,即电源正(VDD)、电源负(GND)和数据输出(VO或OUT)。
红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同,可参考厂家的使用说明。
成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽,使用起来如同一只三极管,非常方便。
但在使用时注意成品红外接收头的载波频率。
一体化红外接收头采用HS0038,它负责红外遥控信号的解调。
将调制在40kHz上的红外脉冲信号解调后再输入到AT89C51的INT0(P3.2)引脚,由单片机进行高电平与低电平宽度的测量。
遥控信号的还原是通过P3.1输入二进制脉冲码的高电平与低电平及维持时间,当接收头接收信号时,单片机产生中断,并在P3.1口记下脉冲的个数,这在后面的软件设计中会具体介绍到,通过单片机处理后驱动控制部分。
3.2直流稳压电源的设计
直流稳压电源主要功能是为后两个部分提供电压的输出。
在设计中分出了2个支路,分别输出5V电压。
直流稳压电源的主要由
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