红外线遥控电风扇毕业设计论文.docx
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红外线遥控电风扇毕业设计论文
红外线遥控电风扇
摘要
作为传统的家用电器,随着空调的普及,电风扇的市场地位受到了巨大的冲击,传统的开/关、调速功能已经不能满足市场的需求。
人们希望电风扇在体积小、作方便等的基础上能够拥有更多的功能,而红外遥控的广泛应用及单片机技术的成熟,则使得智能红外遥控系统成为了电风扇的发展趋势。
本设计方案基于市场的需求,结合红外遥控设计简单、作方便、成本低廉等特点,采用了专用的遥控发射接收芯片,在此基础上设计了一个简易的智能红外遥控电风扇系统。
系统包括接收和发射两大部分,本文设计实现了几项电风扇的基本功能:
开/关功能、三级调速功能、0.5-7.5小时不同时间段的定时功能,以及自然、正常两种风类的选择功能。
经过多次的测试与电路调整,系统的各项功能均能正常实现。
关键字:
红外遥控;信号调制;编码;解码;双向可控硅.
Infraredremotecontrolfan
Abstract
Abstract:
Withthepopularityofairconditioners,themarketpositionoftheelectricfanswhicharethetraditionalhouseholdapplianceswillreceiveahugeimpact,thetraditionalon/offandspeedcontrolfunctionhavebeenunfitfortheneedsofthemarket.Itishopedthatthefansinsmall,easytooperate,andsoonthebasiscanhavemorefeatures.WhentheapplicationofinfraredremotecontrolbecomeswilderandthetechnologiesofSCMbecomemature,thesmartinfraredremotecontrolsystemisthetrend.
Thedesignwasbasedontheneedsofthemarket.Consideringthatinfraredremotecontrolissimple,easytooperate,low-cost,Iuseaspeciallaunchingandreceivingchipwhichdependsonremotecontrol.Onthebasisofthischipasystemofintelligentinfraredremote-controlwasdesignedforthefan.Thesystemconsistsofthelaunchingpartandthereceivingpart.Thissystemisdesignedtoachievesomebasicfunctionsoffans:
on/offfunction,threekindsofspeed,thetimingfunctionwhichcanbechosenatdifferenttimesof0.5-7.5hours,andthefunctionoftwokindsofwindwhicharethenaturalwindandthenormalwind.Afterrepeatedtestingandadjustingofthecircuit,thesystemcanworknormally.
KeyWord:
InfraredRemoteControl;SignalModulation;Encoding;Decoding;Triac.
Classification:
TN8
目■■录
中文摘要
英文摘要
1■□□□□□□…………………………………………………………………………1
1.1■□□□□□□………………………………………………………………………1
1.1.1■□□□□□□……………………………………………………………………2
结束语…………………………………………………………………………………………60
致谢………………………………………………………………………………………………61
参考文献………………………………………………………………………………………62
(附录)………………………………………………………………………………………63
注:
■表示一个空格(两个字符位置)
括号内的内容表示视论文而定的内容
引言:
红外线又称红外光波,在电磁波谱中,光波的波长范围为0.01um~1000um。
根据波长的不同可分为可见光和不可见光,波长为0.38um~0.76um的光波可为可见光,依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。
光波为0.01um~0.38um的光波为紫外光(线),波长为0.76um~1000um的光波为红外光(线)。
红外光按波长范围分为近红外、中红外、远红外、极红外4类。
红外线遥控是利用近红外光传送遥控指令的,波长为0.76um~1.5um。
用近红外作为遥控光源,是因为目前红外发射器件(红外发光管)与红外接收器件(光敏二极管、三极管及光电池)的发光与受光峰值波长一般为0.8um~0.94um,在近红外光波段内,二者的光谱正好重合,能够很好地匹配,可以获得较高的传输效率及较高的可靠性。
目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用的红外线传输技术。
作为无线局域网的传输方式,红外线方式的最大优点是不受无线电干扰,且它的使用不受国家无线管理委员会的限制。
红外数据协会(IRDA)成立后,为了保证不同厂商的红外产品能够获得最佳的通信效果,红外通信协议将红外数据通信所采用的光波波长的范围限定在850至900nm之内。
遥控器是真正最早进入家庭的无线设备。
它是由高产的发明家RobertAdler在五十年代发明的。
而红外遥控是20世纪70年代才开始发展起来的一种远程控制技术,其原理是利用红外线来传递控制信号,实现对控制对象的远距离控制,具体来讲,就是有发射器发出红外线指令信号,有接收器接收下来并对信号进行处理,最后实现对控制对象的各种功能的远程控制。
红外遥控具有独立性、物理特性与可见光相似性、无穿透障碍物的能力及较强的隐蔽性等特点。
随着红外遥控技术的开发和迅速发展,很多电器都应用了红外遥控,而电风扇也不例外。
从单纯的在电风扇面板上通过按钮控制,到短距离(10M以内)的遥控,虽然改变不大,但其带来的便利无疑是巨大的。
而红外遥控技术的成熟,也使得遥控电风扇变得设计简单,价格低廉。
作为一种老牌的电器,电风扇具有价格便宜、摆放方便、体积轻巧等特点。
虽然现在空调在城市中已经相当普遍,并有替代电风扇的趋势,但由于大部分家庭消费水平的限制,电风扇作为一个成熟的家电行业的一员,尤其在中小城市,以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场的大部分份额。
市场的需求促使了电风扇的发展。
随着“智能化”的兴起,电风扇的功能也越来越多,越来越贴进人们生活。
因此,对于电风扇的开发和设计依然有着较大的实用价值。
在现有市场上多功能遥控电风扇的基础上,人们提出了一种新型的智能电风扇,相对于过的电风扇,智能电风扇添加了很多人性化的设计,如安全保护,倾倒保护,智能照明等功能,使电风扇更加人性化,相信其丰富的功能,人性化的设计将会大大提高电风扇的市场竞争力。
而本设计就是以电风扇为对象,通过红外遥控实现电风扇的几种常用功能如开关、调速、定时等的控制,相对于传统的机械控制,体现出了更加方便快捷的优点。
大部分的智能遥控风扇电路都是通过单片机芯片来实现其远程控制的。
随着遥控技术的成熟,各种专用的风扇芯片也大量出现。
现在,即使是大批量生产的厂家,也都使用专用芯片,而不必自己编程烧制。
这也是产业化的体现,有效的提高了生产效率。
第一章、遥控器
为了能远离距的控制电风扇,采用了红外遥控器。
通常红外遥控器由发射和接收两部分组成,发射部分由单片机80C2051等构成。
接收部分装在电风扇的控制器内,由89C51等构成。
1.1工作原理及组成部分
(1)CPU采用AT89C2051单片机,AT89C2051的功能:
和MCS-8051产品兼容、2KB可重编程闪速存储器、耐久性:
1000写/擦除周期、2.7V~6V的操作范围、全静态操作:
0Hz~24MHz、两级加密程序存储器、128×8位内部RAM、15根可编程I/O引线、6个中断源、可编程串行UART通道、直接LED驱动输出、片内模拟比较器、低耗空载和掉电方式。
(2)电源采用4节7号电池来提供电源,并用一个二极管(IN4148)进行降压。
(3)调制部分:
采用CD40106进行缓冲放大并整形.发送的数字信号与38K的载波进行相与,将其调制在一起,整形并缓冲放大,经过8050进行放大驱动红外发射管,使其发射红外光。
(4)红外发射方原理见图
(1)所示。
(图1)遥控器原理框图
1.2红外发射
(1)发射部分包括键盘矩阵、编码调制、红外发送器。
使用89C2051芯片将按键信号调制在38KHz的载波信号上通过三极管放大后发射出去。
红外编码为:
全码=引导码+系统码+系统反码+数据码+数据反码。
89C2051的P1口构成矩阵式键盘,用T1产生定时中断,驱动P3.3产生一个38K的方波,作为红外线的调制基波。
将发送的数据和P3.0进行逻辑与后,经过40106整形,用三极管驱动红外发射管发射。
(2)按键功能
K1:
低档、中档、高档;键值为01H
K2彩灯:
键值为02H
K3:
自然风、睡眠风、正常风键;值为03H
K4定时;键值为04H
K5开/关机;键值为05H
(3)当无键按下时,延时10秒后进入待机状态,系统处于低功耗模式。
当有按键按下时,INT0中断产生中断,同时唤醒CPU进行工作状态。
1.3红外发射的编码方式
遥控发射器专用芯片很多,根据编码格式可以分成两大类,这里我们以运用比较广泛,解码比较容易的一类来加以说明,现以日本NEC的uPD6121G组成发射电路为例说明编码原理。
当发射器按键按下后,即有遥控码发出,所按的键不同遥控编码也不同。
这种遥控码具有以下特征:
(1)采用脉宽调制的串行码,以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”;以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。
“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行二次调制以提高发射效率,达到降低电源功耗的目的。
然后再通过红外发射二极管发射。
(2)遥控编码是连续的32位二进制码组,其中前16位为用户识别码,能区别不同的电器设备,防止不同机种遥控码互相干扰。
该芯片的用户识别码固定为十六进制0FFH;后16位为8位操作码(功能码)及其反码。
(3)遥控器在按键按下后,周期性地发出同一种32位二进制码,周期约为108ms。
一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同,大约在45~63ms之间。
(4)其相关的波形图如下:
(图2)遥控编码
1.4硬件设计
硬件设计见电路原理图(3)所示。
(图3)遥控器电路原理图
1.5软件设计
(1)采用中断的处理程序完成整个系统的操作,INT0中断处理完成键盘扫描以及发送。
(2)程序流程图:
(图4)遥控器软件流程图
第二章、电风扇控制板
2.1工作原理及组成部分:
红外接收部分包括光电转换放大器、解调、解码电路。
(1)CPU板将单片机、控制、键盘组合在一起完成了人机对话。
用AT89C51单片机来作主芯片控制,采用红外T1838接收头,用双向可控硅MC97A6控制电机档位,具有红外遥控功能。
(2)电源部分:
交流220V经变压器降压为2×8V,全波整流后再由三端稳压器LM7805稳压,供给控制板。
(3)电风扇控制板框图
(图5)电风扇控制板框图
2.2设计方案
(1)控制部分
(图6)电机引线图
K1:
低、中、高档,相应的指示灯亮。
参见(图6)
K2:
控制彩灯,相应的指示灯亮
K3:
自然风、睡眠风、正常风控制。
参见(图8)、(图9)、(图10)
K4:
定时30分钟,1小时,2小时,4小时。
相应的指示灯点亮。
参见(图7)
K5:
具有开机功能和关机功能
(图7)定时时循环图
(2)风类
自然风的处理流程:
(图8)自然风的循环图
睡眠风的处理流程:
(图9)自然风的循环图
正常风的处理流程:
(图10)正常风循环
(3)工作方式:
分为手动和遥控两种方式。
2.3硬件设计:
参见(图11)
(图11)电风扇控制板电路原理图
2.4软件设计:
(1)红外遥控输入在P3.2(INT0),面板按键P3.3(INT1)。
(2)遥控的解码过程:
(图12)编码
(图13)数据帧图形
单片机收到一个中断后,开始计数, 然后在主程序有一个判断子程序,首先判断是否>8MS,是否有高电平,再判断是否>4MS的低电平,然后再判断是否是0或1,循环32次完成,32个码的接收和存储。
(3)程序流程图:
(图14)控制板主程序流程
(图15)键值处理流程
第三章:
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。
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
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