基于单片机的电器遥控器的设计.docx
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基于单片机的电器遥控器的设计
四川师范大学成都学院本科毕业论文
基于单片机的电器遥控器的设计
学生姓名
刘宁
学号
2008104060
所在系
电子信息工程系
专业名称
电子信息工程(工业与民用)
班级
2008级2班
指导教师
张西
四川师范大学成都学院
二0一二年五月
基于单片机的电器遥控器的设计
学生:
刘宁指导教师:
张西
内容摘要:
本文介绍了单片机电器遥控器的基本原理以及工作流程,主要采用最高科技的单片机技术来实现遥控的目的。
该设计主要采用了红外发射模块和红外接收模块,然后分别对这两个程序模块进行编程。
具体说明了单片机在电器遥控器中的作用。
单片机涉及到了电器遥控器工作的绝大部分过程。
从电器遥控器的发展趋势来看,单片机的出现给了电器遥控器更大的优势,促进了新一代电器遥控器的发展。
将单片机融入到电器遥控器中,使电器遥控器的使用更加的方便,快捷,也将人们的生活简易化。
随着时代的进步,人们对生活物品的要求也越来越高,为了满足消费者的需求,所以将先进的单片机加入到家庭中的电器遥控器中是符合大众要求的。
关键词:
单片机电器遥控器红外发射模块红外接收模块
Basedonsingle-chipmicrocomputerremotecontrollerofelectricalappliancedesign
Abstract:
Thispaperintroducesthemicrocomputerelectricapplianceremotecontrolprincipleandworkingprocess,mainlyusesthehighesttechnology,microprocessortechnologytoachievethepurposeofremotecontrol.Designmainlyadoptstheinfraredemittingmoduleandtheinfraredreceivingmodule,andtheneachofthetwomodulesareprogrammed.SpecifytheSCMinelectricalremotecontrolinrats.SCMrelatestotheelectricapplianceremotecontrolmostofthecoursework.Fromtheviewofthedevelopmenttendencyofremotecontrollerforelectricappliances,theappearanceofsinglechipmicrocomputerforelectricalremotecontrolofgreateradvantage,promoteanewgenerationofelectricapplianceremotecontroldevelopment.Thesinglechipintegratedintotheelectricalremotecontrol,sothattheelectricapplianceremotecontroltheuseofmoreconvenient,fast,alsobepeoplelifesimple.Withtheprogressofthetimes,peoplelivingonitemsareincreasinglyhighrequirements,inordertomeettheneedsofconsumers,sotheadvancedSCMtojointhefamilyelectricapplianceremotecontrollerisinlinewiththeneedsofthepublic.
Keywords:
SinglechipmicrocomputerElectricalremotecontrolInfraredemissionmoduleInfraredreceivermodule.
基于单片机的电器遥控器的设计
前言
当前社会是信息化高速发展的社会,随着社会的发展,中国的电器市场也在不断的发展,不断的更新交替,从刚开始的黑白电视机,到现在的液晶电视等等,还有不断出现在市场的新型电器,比如从前没有的空调,电脑等,这些电器的出现,无疑给中国的电器带来了商机,也给中国的百姓带来了方便,为了满足广大消费者的需求,电器遥控器的产生也是具有一大重要的意义,而将单片机融入到遥控器中也是一大突破,有了单片机的电器遥控器,对电器的操作将更加的简洁化。
1红外遥控的发展
1.1红外遥控的发展趋势
民用产品的遥控技术在60年代时,在一部分发达国家就开始研发,但是由于当时技术的限制,发展很缓慢。
70年代末,随着大规模集成电路和计算机应用技术发展,遥控技迎来了快速发展时期。
遥控方式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三个历史性阶段。
电磁波来传输信号是最开始的时无线遥控装置所采用的,它具有的最大缺点,科技总是不断地进步,后来以红外线和超声波为媒介进行信号传输就慢慢被采用。
虽然这样在很大程度上避免了电磁波容易被干扰的缺陷,但相比红外线,由于超声波传感器频带很窄,所以只能携带很少的信息量,容易被干扰而产生错误。
慢慢的红外线的遥控应运而生,当今时代的主流也即是红外线多功能遥控器。
1.2红外遥控的功能与特点
利用红外线进行点对点通信的技术叫红外线遥控技术,其相应的硬件和软件技术都相对成熟。
这就是把红外线作为载体的遥控形式。
因为红外线的波长比无线电波的波长小得多,所以在用红外遥控到时候,不会影响临近的无线电设备,也不会使其他电器产生干扰。
红外线遥控是利用波长在0.76μm-1.5μm之间的红外线来传递控制信号的。
它有下面这些特点:
a.因为红外线为不可见光,所以,它对环境影响小。
而且,红外线的波长很小很小,因此,红外遥控不会使其他电器受到干扰,也不会影响近邻的无线电设备。
b.因为红外线是不可见光,有很强的保密性和隐蔽性,所以在警戒,防盗这些安全保卫装置中也有广泛的应用。
c.红外遥控的遥控距离一般是几米至几十米。
d.红外线遥控具有成本低廉,制作方便,结构简单,工作可靠性高,抗干扰能力强等优点,尤其是室内遥控的优先遥控方式。
因为使用红外线遥控器件的时候,它的功耗很小,外围线路非常简单,工作电压很低,所以它在日常工作生活中得到了越来越广泛的应用。
1.3红外线遥控在技术上的优点和缺点
优点:
信号无干扰,传输准确度高;无需专门申请特定频率的使用执照;具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点。
缺点:
红外线遥控距离较短;红外LED不是十分耐用;两个设备之间传输数据,中间不能有阻挡物;红外线遥控是一种视距传输技术,采用点对点的连接具有方向性。
1.4红外遥控的发展趋势
在这几十年里红外遥控技术得到了非常快速的发展,尤其是家电领域如空调、电视、DVD等,当然其他电子领域也有广泛的应用,由于人们生活水平的提高,对产品的追求是更方便,更智能,所以更适合红外遥控技术发展方向。
为了提高对红外遥控产品的开发效率,重点介绍该套红外遥控编码分析仪,它好像一台示波器,利用最先进的电脑技术,对红外遥控信号进行分析,显示出详尽的编码、解码,数据信息,使开发人员对编、解码情况一看便知,从而使设计人员提高了工作的效率,增加了产品的可靠性,稳定性。
红外遥控信号分析仪用的是MCS-51系列单片机做为外部采样控制器,并与计算机通信完成整个处理过程,并由计算机完成作图、数据管理。
因为各生产厂家生产了大量专用于红外遥控的集成电路,需要的时候按图索骥即可。
所以,现在红外线遥控在家用电器、室内近距离遥控中得到了非常广泛的应用。
伴随着大量出现的红外光电器,红外遥控在人们日常生活中的应用越来越广泛了。
如电视机的遥控,音响设备的遥控,电风扇的遥控,遥控空调器,安全保卫报警器,自动门,自动水龙头等都可用红外遥控技术来实现。
在多路控制的红外发射部分一般会设置有多个按键,每个按键对应有不同的控制功能。
接收端不同输出状态取决于发射端按下不同按键。
接收端有五种输出状态,分别是:
数据形式、脉冲形式、自馈形式、电平形式、互锁形式。
利用接收端的几个输出指把一些发射键编上号码形成一个二进制数,来代表不同的按键输入就是“数据”的输出。
一般情况下,为了以后适时地来取数据,接收端在具有几位数据输出外的基础上,还有一位“数据有效”输出端。
与单片机或微机接口一般都采用这种输出形式。
当按发射端按键时,接收端对应输出端输出一个“有效脉冲”就叫做“脉冲”输出,它的宽度一般在100ms左右。
“自馈”输出适合用作电源开关、静音控制等,当是指发射端某一个键被每按一次,接收端对应输出端状态就改变一次,简而言之就是原来的高电平变为低电平,原来的低电平变为高电平。
有时亦称这种输出形式为“反相”。
发射端按下键时,接收端对应输出端输出“有效电平”消失这样的输出叫“电平”输出。
“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。
2总体设计方案的论证和选择
2.1方案一
使用由常规集成电路组成的单通道红外遥控电路,一般用字不需要多路控制的场合,它不需要使用较贵的专用编译码器,因此成本较低。
a.红外发射部分
图2.1-1红外发射部分结构图
由于本方案电路是简单的单通道遥控器,可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。
b.红外接收部分
图2.1-2红外接收部分结构图
一个电路对其进行解调并产生相应的控制功能之时,就是红外接到控制频率之时。
2.2方案二
红外线发射/接收控制电路都采用单片机来实现,输出控制方式可以选择,实用性很强。
a.红外发射部分:
图2.2-1红外发射部分结构图
当红外发光二极管发射控制脉冲,就是按下遥控按钮的时,单片机产生的相应的控制脉冲。
b.红外接收部分:
图2.2-2红外接收部分结构图
红外接收器接收到控制脉冲时,由控制方式选择开关选择是单路控制还是“互锁”,通过单片机处理后,对相应的受控电器控制。
2.3方案三
使用单片机制作一个红外电器遥控器,可以分别控制一个电灯开关和5个电器的电源开关,而且可以对电灯调光控制。
a.红外发射部分结构图如图2.3-1所示:
图2.3-1红外发射部分结构图
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。
b.红外接收部分结构如图2.3-2所示:
图2.3-2红外接收部分结构图
红外接收器接收到控制脉冲后,经过单片机的处理由显示设备显示出当前受控电器的序号,并且判断是否对电灯进行调光,如果判断出需调光则经调光电路反应后实现调光功能。
2.4方案的选择
综上所述通过比较三套方案我们得到,方案一没有采用单片机控制,功能非常单一,只能对单一电器进行很简单的遥控;方案二和方案三的红外线发射/接收控制电路使用单片机来实现,电路很简单,但实用性强。
方案二虽然可以控制多个电器,但是控制功能太过单调,只能实现对电器开关的控制,实用价值不是很大;方案三不但可用控制键来实现对电器的控制,而且可对一路电灯进行亮度控制,方便实用。
而且本设计用到的元器件不多,电路相对简单实用,所以本设计采用方案三作为设计蓝本。
3系统硬件电路设计
3.1发送部分设计
3.1.1单片机选择
本设计可以用AT89C-51,C-31,羚羊单片机等多种单片机来实现。
但是C-31没有内部存储器,本设计需要编程,那么就要用到外部扩展,很麻烦。
本设计程序比较简单,功能也较少,如果用羚羊单片机太过麻烦,有点大材小用,而且本设计所用到的输入输出端口也不是太多,所以我决定用AT89C-51单片机来完成本设计,不但方便而且实用。
下面对AT89C-51进行介绍:
AT89C-51单片机是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器。
该单片机采用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。
由于将多功能闪烁存储器和8位CPU组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C-51是一种高效微控制器,为许多嵌入式控制系统提供了一种不但灵活性高而且价廉的方案。
主要特性:
全静态工作:
0Hz-24Hz
4K字节可编程闪烁存储器
数据保留时间:
10年
与MCS-51兼容
5个中断源
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
两个16位定时器/计数器
32可编程I/O线
片内振荡器和时钟电路
XTAL1是反向放大器的输入,XTAL2是反向放大器的输出。
这个反向放大器可以配置为片内振荡器,陶瓷振荡和石晶振荡都可以采用。
当采用外部时钟源驱动器件时,XTAL2应该不接,当有余输入到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没有任何要求,但是必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
AT89C-51的时钟有两种方式,一种是外部时钟方式,就是将XTAL1接地,外部时钟信号从XTAL2脚输入,还有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。
两种方式分别如图3.1.1-1所示:
图3.1.1-1时钟方式图
3.1.2芯片擦除:
三个锁定位和整个PEROM阵列的电擦除可以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,在代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程之前,必须先执行该操作。
此外,AT89C-51设有稳态逻辑,可以在低到零频率的条件下形成静态逻辑,支持两种软件可选的掉电模式。
在掉电模式下,保存RAM的内容且冻结振荡器,禁止所用芯片功能,直到下一个硬件复位为止。
在闲置模式下,CPU停止工作,但定时器,RAM,计数器,串口和中断系统仍在工作。
因此可知,AT89C-51芯片的功能很强大,它的振荡特性很好的满足本设计的需求,与同类51芯片相比,其引脚比较多,不但可以满足对控制方式的选择,而且可加入调光控制电路,这非常适合本设计的要求,因此本设计决定选用AT89C-51作为核心芯片。
3.1.3按键控制选择
因为本设计所控制的电器数目比较少,所以不用外接扩充键盘,直接使用单片机上的接口,用8个点触式开关就可以了。
3.1.4频率信号发生器选择
可以使用一个12M晶体震荡器来满足要求的频率。
3.1.5遥控发射器电路设计
这个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来代表不同的控制指令。
在确定使用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12M晶体震荡器和一个简单红外发射电路便可实现红外发射。
下图为本红外遥控设计核心部分之一的发射电路原理图如图3.1.5-1所示:
图3.1.5-1发射电路原理图
芯片端口P1.0—P1.7接8个点触式开关,端口P1.5为遥控器的开关,端口P1.0——P1.4用来遥控电器电源开关,端口P1.6和P1.7是调节电灯亮度的控制开关。
其中P1.7实现对发光二极管的减暗控制,P1.6实现对发光二极管的增亮控制,端口RST为复位脚,采用简单的RC上复位电路。
端口XTAL1和端口XTAL2接12MHz晶体振荡器,端口P3.5则是红外线遥控码的输出口,用来输出40kHz载波编码。
晶体三极管在电路中起放大作用,该设计采用的是一个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不能承受这个电压,所以采用了一个阻值比较大的电阻来起分压作用,从而起到了缓冲作用。
3.2接收部分设计
3.2.1单片机的选择
和发射部分是一样的,该设计所用到的输入输出端口不是很多,所以用AT89C-51单片机完全可以完成该设计,而且AT89C-51方便实用的性能比其他同类芯片更适合于本设计。
3.2.2显示设备选择
在单片机应用系统中,使用的显示器主要有LCD(夜晶显示器),LED(发光二极管),这两种显示器都具有配置灵活,成本很低,与单片机接口方便的特点。
但是它们也是各有各的特点:
LED接口很简单,不需要使用专用的驱动程序,而且在设计程序时也十分的简单;LCD显示的字较为丰富,也相当清楚,给人的感觉很好,但是它的接口很复杂,而且要自己造字库,难度很高。
而本设计遥控器的接收电路,因为配置了一些指示灯,所以只显示数字就够了,因此没有必要采用LCD,用LED就可以了。
下面就介绍一下LED显示器的引脚和结构
用发光二极管来显示字段的器件叫LED显示器,在单片机应用系统中一般用七段显示器。
共阳极显示器就是发光二极管的阳极连在一起,共阴极显示器就是阴极连在一起。
图4.2.2-1中是七段显示器的结构,由八个发光二极管组成一个显示器,其中有七个发光二极管控制a~g七段的暗或亮,最后一个发光二极管控制一个小数点的暗或亮。
这种七段显示器能显示的字符的形状有些失真,字符比较少,但是与单片机的控制接口十分简单,使用起来很方便。
图3.2.2-1LED引脚图
LED有动态显示和静态显示两种显示方式。
下面简单介绍一下它们的原理:
静态显示方式
当显示器显示某一个字符时,对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就是静态显示方式。
如共阴极LED显示器,当a,b,c,d,e,f为高电平,g,d,p为低电平时,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,显示器的各位选位连在一起接高电平(共阳极)或接低电平(共阴极)。
在静态显示方式时,显示器中的各位是相互独立的,且各位的显示字符一旦确定以后,相应锁存输出就会维持不变,因此,静态显示的亮度比较高。
这种显示方式管理简单,编程容易,但是占用I/O口资源比较多,所以在显示位数较多时,就采用动态显示方式。
动态显示方式
动态显示方式一般用在多位LED显示时,是为了节省I/O口线,降低成本。
动态显示方式是一位一位的轮流点亮各位显示器,就是对每一位显示器,每隔一段时间轮流点亮一次。
显示器的亮度不但与点亮和熄灭的时间比例有关,而且与导通电流有关。
只要调整时间参数和导通电流,就可实现亮度较高较稳定的显示。
这种动态显示方式就是将七段LED显示器的所有段选位并联在一起,由一个8位I/O口控制,相应的I/O口控制相应的共阳极或共阴极,从而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。
3.2.3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:
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。
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。
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。
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如图3.2.3-1所示:
图3.2.3-1红外遥控接收器的接收过程图
从上可知,红外遥控系统中的检出电路和指令信号在码分制系统中由解码电路和编码电路构成,由于码分制系统编码脉冲的频率非常低,是超低频,因此要有调制和解调的过程,假如不用调制与解调电路,外界的光线变化可能会对接收电路产生干扰,从而形成误动作,导致系统的抗干扰能力和可靠性难以得到保证。
指令信号产生电路以不同的脉冲编码(不同的脉冲数目和组合)代表着不同的控制指令叫码分制红外遥控。
当按下不同的指令键时,指令信号电路产生不同脉冲编码,然后经过调制电路调制,变为编码脉冲调制信号,再经过驱动电路驱动红外发射器发射红外光信号。
接收器接到信号后,再经过前置放大后,送入解调电路,对调制信号进行解调,再经过指令信号检出信号。
智力指令信号检出电路是和发射器中编码电路相对应的译码电路,它会将指令信号译出。
d.电路设计
显示电路的设计
数码管直接与51芯片的P1端口相连,但是为了保证51芯片能正常工作,必须在P1端口连电源时加上一个470Ω的限流电阻。
设计电路图如图3.2.3-2:
图3.2.3-2设计电路图
我们用芯片端口P1.0—P1.7与数码管的a—h这8个引脚对应相连,用来显示被控发光二极管的序号。
3.2.4受控电器电源开关的设计
因为该设计无法使用6个家用电器开关作为受控开关,所以我用6个发光二极管来代替。
其中可调节亮度的灯用接端口P0.5的二极管。
为了保证发光二极管的安全而又能正常工作,特用1KΩ的电阻作为限流电阻。
设计电路图如图3.2.4-1所示:
图3.2.4-1受控电器电源开关设计电路图
3.2.5调光电路设计
晶体三极管主要是放在放大电路中用来放大作用,本设计采用的是一个9012三极管,为了得到更大的放大倍数,采用了类似于共射级的接法。
由于从P2.7口出来的电压是高电压,但三极管9012不能承受该高电压,故采用了一个阻值比较大的电阻用来起分压作用,从而使加到三极管的电压得到了缓冲。
对于调光控制就采用一个光电耦合器来实现对一路电器的亮度控制。
图3.2.5-1调光电路设计电路图
3.2.6接收频率部分和红外接收设计
为了和发射端对应,同样采用一个红外接收的二极管与一个12M晶体震荡器配合可以对发射出的频率进行接收。
3.2.7遥控接收器电路原理图
下图3.2.7-7为本红外遥控设计的另一核心部分接收电路原理图,其中数码管的a到h这8个引脚与芯片端口P1.0到P1.7对应相接,用来显示被控发光二极管的序号,端口P0.0到P0.5与6个发光二极管的电源控制输出对应相接。
其中可以对端口P0.5接的发光二极管进行亮度调节,端口P2.7是可控硅调光灯的调光脉冲输出,端口P3.0是50Hz交流电相位基准输入,端口P3.1是用来接收红外遥控码输入信号端口,端口P3.2为中断输入口。
图3.
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