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最新红外接收器的设计研究终稿
红外接收器的设计研究
摘要:
随着科学技术的发展,单片机因其该可靠性和高性价比,在智能化家用电器仪表仪器等恒多领域得到极为广泛的应用。
在很多实际单片机系统中,常常使用非电信号,如光信号,超声波信号等,来传播信息,以实现遥控和遥测的功能,其中红外遥控是目前最广泛的一种通信和控制手段。
由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低,抗干扰强等特点,因而,继彩电、录像机之后,在录音机、音响备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。
本课题掌握52系列单片机和红外技术为目的,以红外线为信息传输载体,对受控对象进行短距离无线控制。
关键词:
单片机;红外通信;红外数据接收;
TheDesignAndResearchofInfraredReceiver
Abstract:
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,SCMbecauseofitshighreliablityandcost-effective,inthehomeappliaances,instrumentationandmanyotnerareashasbeenwidelyused.Inalotofpracticalsingle-chipmicrocomputersystemys,non-electricalsignaliswidelyusedtocomumicateinformation,andtoachievethefunctionofremotecontrolandremotesensing,includinginfraredremotecontrolisthemostextensiveacommunicationandcontrolways.
Astheinfraredremotecontroldevicewithsmallsize,lowpowerconsumption,strongerfunctionandlowercosts,thetaperecorder,audioequipment,airconditioningmachinesandothersmallelectricequipmenttoystakeuseofinfraredremoecontroloneafteranotherfollowingTVS,VCRS.
ForthepurposeofmasteringMCS-52andinfraredtechnology,thistopictreatstheinfraredasinformationcarrier,controlsobjectsinwirelessshort-range.
Keywords:
Single-ChipMicrocomputer;Infraredcommunication;ReceiveIRdata;
1绪论1
1.1研究背景1
1.2研究目的1
1.3研究意义2
2方案论证2
2.1单片机接收模块2
2.2红外接收2
2.3红外编码格式2
1绪论
1.1研究背景
传统的遥控器大多采用无线电技术,但是随着科技的进步,红外遥控技术的成熟,红外也成为一种被广泛应用的通信和遥控手段。
目前红外技术作为一种高技术,它与激光技术并驾齐驱,在军事上占有举足轻重的地位。
红外成像、红外侦察、红外跟踪、红外制导、红外预警、红外对抗等在现代和未来战争中都是很重要的战术和战略手段。
在70年代以后,军事红外技术又逐步向民用部门转化。
红外加热和干燥技术广泛应用于工业、农业、医学、交通等各个行业和部门。
红外测温、红外测湿、红外理疗、红外检测、红外报警、红外遥感、红外防伪更是各行业争相选用的先进技术。
标志红外技术最新成就的红外热成像技术,它与雷达、电视一起构成当代三大传感系统,尤其是焦平面列阵技术的采用,将使它发展成可与眼睛相媲美的凝视系统。
采用雷达、红外、紫外、激光等技术的综合型复合光电探测器系统,并不断拓展其响应频谱范围,降低虚警率和提高多传感器数据融合能力,才能满足未来战场的需要。
例如,美国空军研制的复合告警器,可同时探测红外、可见光、紫外及射频威胁。
以及近年计算机在社会各个领域的渗透,单片机的应用不断的深入。
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。
由于红外抗干扰能力强,不会对周围无线电设备产生电波干扰,红外虽然被广泛应用,单个产家的遥控不能兼容,具有很高的安全性。
1.2研究目的
本设计主要研究和设计一个基于单片机的红外接收系统。
系统主要有MCS-51单片机,红外接收电路,LED显示电路等组成,遥控器编码发射遥控信号经红外接收处理传送给单片机,单片机根据不同的信息编码控制六位数码管,显示不同的状态,达到传输的目的。
1.3研究意义
红外遥控不受周边环境影响,不干扰其他电器设备。
由于无法穿透墙壁,所以不同房间的家用电器能使用通用的遥控设备而且不会产生干扰,只要按定电路连接,即可投入工作。
信息可以直接通过红外光传输,也可用红外线产生一定频率的载波,在通过调制,解调最后获得信息,这是今天大多红外遥控采用的方法。
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。
由于红外抗干扰能力强,不会对周围无线电设备产生电波干扰,红外虽然被广泛应用,单个产家的遥控不能兼容,具有很高的安全性。
用8051单片机准确的接收红外遥控信号,并写出高效的代码。
使得红外传输能够更准确的控制和传输信号。
2方案论证
2.1单片机接收模块[1]
方案1:
采用比较通用的52系列单片机。
此类单片机是八位单片机,具有用算能力强,程序灌入方便,价格便宜等特点。
支持c语言,程序容易理解,容易调试。
本次课题研究用到两个中断源,P0口。
方案2:
采用凌阳16位单片机spce061a。
与8051单片机比较,spce061a,14个中断源。
但是本研究没用到这么多中断,而且价格昂贵。
具有更丰富的资源。
综合考虑,选择方案1。
2.2红外接收[2]
方案:
采用专用红外接收器。
VS0038是塑封一体化红外线接收器,它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路,不需要任何外接元件,就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作,没有红外遥控信号时为高电平,收到红外信号时为低电平,而体积和普通的塑封三极管大小一样。
2.3红外编码格式[7]
红外编码格式常有两种,NEC和RC5。
NEC格式特征:
1.使用38k载波频率。
2.引导码间隔是9ms+4.5ms。
3.使用16位客户代码。
4.使用8为数据代码和8位取反的数据代码。
5.红外接头周期是108ms如图2.1所示(红外接收偷得到的波形)。
图2.1
RC5相对简单一些。
第一位是起始位s通常是逻辑1。
第二位是场位F通常为逻辑1,在RC5扩展模式下将他的最后六位命令代码扩充到七位代码,这样可以从64个键值扩充到128个键值。
第三位控制位C它在每按下一个键后反转,这样就可以区分一个键到底是一直按着没松手还是松手后重复按。
图2.2
综合考虑,使系统更可靠,和遥控器一般使用的是NEC编码,选择方案一。
3过程论述
3.1理论知识
3.1.1红外数据通信基本概念[3]
红外数据通信,就是通过红外线传输数据,它是使用红外线作为传播介质的数据传输方式。
在计算机早期,数据都是通过线缆传输的,线缆传输麻烦,需要特制接口,很不方便。
后来就有了红外,蓝牙等无线传输技术。
红外线是波长在750nm~1000nm之间的电磁波,红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线,波长在0.75um~25um。
IrDA是国际红外数据协会(InfraredDataAssociation)的缩写,IrDA相继制订了很多红外通信协议,有的侧重数据传输速率,有的侧重低功耗,也有二者兼顾的,在红外技术发展的早期,存在好几个红外通信标准,不同的标准之间红外设备不能进行红外通信。
为了使各种红外通信设备之间能够互联互通,1993年,有二十多个大厂商发起成立了红外数据协会(IrDA),统一了红外通信标准,这就是目前被广泛使用的IrDA红外数据通信协议及规范。
IrDA1.0协议基于异步收发器URAT,最高传输速率为115,2kb/s,简称SIR(Serialinfrared串行红外协议)采用3/16EN/DEC编/解码体制,IrDA1.1协议提高通信速率到4M/s,简称FIR(fastinfrared快速红外协议)采用4PPM(plusepositionmodulation脉冲位置调制)编译码机制,同方是在低速时保留IrDA1.0协议规定。
之后IrDA又推出了最高速率为16Mb/s的协议,简称为VFIR(veryfastinfrared特速红外协议)。
IrDA标准包括三个基本规范和协议:
IrPHY(infraredphysicallayerlinkspecification红外物理层连接规范),irlap(infraredlinkaccessprotocol红外链接访问协议)和irlmp(infraredlinkmanagementprotocol红外连接管理协议)。
Irphy规范制定了红外通信的挺进按设计上的目的和要求。
Ialap和irlmp为两个软件层,负责对连接经行设置,管理和维护,在irlap和irlmp基础上,正对一些特定的红外通信应用系统,irda还发布了更高级的协议如ircomm,irlan等等。
红外传输的距离在几厘米到几十米之间,发射角度常在0~15度之间,发射强度与接收灵敏度因不同器件,设计而不同。
考虑到红外光的反射原因,在全双工的方式下发送的信号也可能被本身全部接受。
因此红外通信需采用异步半双工方式(通信的某一方接收和发送是交替进行的)。
红外通信的基本原理是发送端将基带二进制调制为一系列二进制脉冲串信号,通过红外发射管发射信号。
常用的有两种方法,PWM(pulsewidemodulation脉宽调制)和PPM(pulsepositionmodulation脉位调制)。
PWM是通过脉冲宽度来调制,PPM是通过脉冲之间的时间间隔来调制的。
接收端将接受的光信号转换成电信号,再经放大,等处理送给解调电路经行解调成二进制数字信号。
3.1.2红外编码原理[9]
一般的,红外遥控器将遥控信号(二进制脉冲码)调制在38K载波上,经缓冲放大后送至红外发光二极管,转化为红外信号发射出去。
二进制脉冲吗有多种形式,其中最为常用PWM码和PPM码,前者以宽脉冲表示1,窄脉冲表示0.后者脉冲宽度一样,但是码位的宽度不一样,位码宽的表示1,位码窄的表示0。
采用脉宽调制的串行码时,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”,如图2.3所示。
图3-1
遥控器发出由“0”和“1”组成的42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产生红外线向空间发射,LC7461产生的遥控编码是连续的42位二进制码组,其中前26位为用户识别码,能区别不同的红外遥控设备,防止不同机种遥控码互相干扰。
后16位为8位的操作码和8位的操作反码用于核对数据是否接收正确。
图3.2
串行数据时序码(其中的地址码为用户识别码,它又分为用户码与用户反码)。
当遥控器上任意一个按键按下超过36ms时,芯片的振荡器使芯片激活,将发射一个特定的同步码头,对于接收端而言就是一个9ms的低电平,和一个4.5ms的高电平,这个同步码头可以使程序知道从这个同步码头以后可以开始接收数据。
图3.3
如图3.3所示为引导码
解码的关键是如何识别“0”和“1”,从位的定义我们可以发现“0”、“1”均以0.56ms的低电平开始,不同的是高电平的宽度不同,“0”为0.56ms,“1”为1.68ms,所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。
如果从0.56ms低电平过后,开始延时,0.56ms以后,若读到的电平为低,说明该位为“0”,反之则为“1”,为了可靠起见,延时必须比0.56ms长些,但又不能超过1.12ms,否则如果该位为“0”,读到的已是下一位的高电平,因此取(1.12ms+0.56ms)/2=0.84ms最为可靠,一般取0.84ms左右即可。
根据红外编码的格式,程序应该等待9ms的起始码和4.5ms的结果码完成后才能读码。
信号调制图3.4。
图3.4
3.2STC89C52单片机介绍[8]
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器(FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞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。
具有超强抗干扰,高速,低功耗的单片机,指令代码完全兼容8051单片机,12时钟机器周期和6时钟机器周期任意选择。
主要特点:
1.工作电压:
5.53.4V(5V单片机)/5.53.4V(5V单片机)。
2.工作频率范围:
040MHz,实际工作频率可达48MHz,时钟频率0-24MHz
3.用户应用程序存储空间4K/8K/16K/32K/64K;,8K可反复擦写FlashROM,
256x8bit内部RAM。
4.通用32个I/O口(P0P3)P0口是开漏输出,作为总线扩展用,不用加,8k程序3s即可完成。
5.ISP(在系统可编程),无需专用编辑器,仿真器,可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序。
6.共三个16位定时计数器,2个串行中断,2个外部中断源,共6个中断源
7.通用I/O口(35/39个),复位后为:
P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉。
8.通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个UART,可编程UART串行通道。
9.工作温度范围:
-4085℃(工业级),075℃(商业级)。
10.软件设置睡眠和唤醒功能。
11.低功耗空闲和掉电模式上拉电阻,作为I/O口用时需加上拉电阻。
12.2个读写中断口线。
13.3级加密位。
3.3.硬件电路
3.3.1时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图3.5(a)所示,在RXD和TXD引脚上外接定时元件,内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2~12MHz之间选择,电容值在5~30pF之间选择,电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图(b)所示,RXD接地,TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求,只要求保证脉冲宽度,一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频,产生一个两相时钟P1和P2,供单片机使用。
图3.5(a)内部时钟方式图3.5(b)外部时钟方式
3.3.2复位电路
(1)复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需按复位键重新启动。
除PC之外,复位操作还对其他一些寄存器有影响。
(2)复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。
若使用颇率为6MHz的晶振,则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图3.6所示:
图3.6
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器,再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样,然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的,其电路如图3-7(a)所示。
这佯,只要电源Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中,按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的,其电路如图3.7(b)所示;而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的,其电路如图3.7(c)所示:
图3.7(a)上电复位图3.7(a)按键电平复位图3.7(a)按键脉冲复位
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振,能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统的复位电路采用图4—4(b)上电复位方式。
STC89C52具体介绍如下:
①主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源。
GND(Pin20):
接地线。
②外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输入端。
XTAL2(Pin20):
片内振荡电路的输出端。
③控制引脚(4根)
RST/VPP(Pin9):
复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号。
PSEN(Pin29):
外部存储器读选通信号。
EA/VPP(Pin31):
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚(32根)
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根。
3.3.3电源电路
采用USB供电,7805稳压
图3.8USB供电
图3.97805稳压电路
3.3.4红外发射电路
红外遥控系统
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成,应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作,如下图所示。
发射部分将指令脉冲编码信号调至在在波震荡器产生的载波上(调制)然后用用这脉冲调制信号去驱动红外发光二极管,在发出经过红外调制的红外广波,其系统图如下所示。
发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。
红外遥控系统原理框图:
图3.10
3.3.5红外发射二极管特点
接收及编码
收器及解码VS0038是塑封一体化红外线接收器,它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路,不需要任何外接元件,就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作,没有红外遥控信号时为高电平,收到红外信号时为低电平,而体积和普通的塑封三极管大小一样,它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。
特点:
1.采用具有反射功能的结构形式,能将管芯侧面的红外线集中,产生较强的光功率。
2.高输出光功率,低驱动电压。
3.易与晶体管集成电路相匹配。
4.体积小、重量轻、结构坚固耐震、可靠性高。
5.金属玻璃封装的器件,具有玻璃表面耐磨性好、光洁度高、耐焊接、耐高低温性能好等特点。
3.3.6单片机红外接收电路
VS0038是塑封一体化红外线接收器,它是一种集红外线接收、放大、整形于一体的集成电路,不需要任何外接元件,就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作,没有红外遥控信号时为高电平,收到红外信号时为低电平,而体积和普通的塑封三极管大小一样,它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。
图3.11
1脚接电源(+VCC),2脚gnd接系统的地线(OV),3脚脉冲信号输出,经非门U6缓冲与P24的判断信号惊醒逻辑与是的进入INT0的信号是红外数据发射电路输出端的相反相信号,只要检测到INT0信号下降沿从而测出控制指令的功能。
图3.12
3.3.7VS008接收及解码++9
红外数据是把遥控发送的数据(已调信号)转换成一定格式指令脉冲(调制信号,基带信号),是完成红外的接收,放大,解调,还原成发射格式(高低点位刚好相反)的脉冲信号。
这些工作通常由一体化接收头完成,输出TTL兼容电平。
最后通过解码把脉冲信号转换成数据,从而实现数据的传输。
本课题的核心部分在于红外接收功能的演示,其中红外数据就收是对红外二进制脉冲的宽度进行测量,从而获得红外遥控脉冲的信息。
怎样才能实时,正确对红外二进制脉冲进行测量呢?
这就要采用外部中断。
红外电路图3.13。
图3.13
3.4小结
发射模块采用LC7461产生的遥控编码,接收模块采用STC89C52单片机作为控制核心,主要硬件电路组成,采用VS008小型一体化红外接收头,电源电路,数码管。
4设计思想及流程
(1)程序使用到的52单片机的I\O口主要有P0与P2,P3的INT0与P3.分别用来实现红外数据的接收和蜂鸣器的控制)。
(2)程序的关键部分是红外解码,而根据红外线发出的红外信号编码的规则可以看出,二进制码“0”和“1”最主要的区别在于脉冲时间的长短,所以根据判断脉冲时间便可以判断是“1”还是“0”。
其流程图4.1所示。
图4.1
5结果分析及总结
5.1结果分析
按1键
111111
按6键
666666
按2键
222222
按7键
777777
按3键
333333
按8键
888888
按4键
444444
按9键
999999
按5键
555555
按10键
蜂鸣器响
表5.1
研究现象表5.1所示,遥控器按相应的键码,通过红外解码,单片机中断,控制相应电路,可实现无线信号传输。
5.2总结
51单片机接受红外实现的关键是对脉冲宽度的准确测量,定时函数准确的设置。
通过对系统调试和测试,红外线能够传输和信息控制。
通过遥控器发出信息,经过编码,解码,传给单片机,通过单片机程序控制不同信息。
符合研究目的。
可以实现远距离无差错,并且能高效的传输数据。
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