完整版基于单片机设计的红外线遥控器毕业设计论文.docx
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完整版基于单片机设计的红外线遥控器毕业设计论文
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摘要
此论文选用了AT89C51单片机当红外线遥控器的核心,主要选用了单片机中断系统、定时器、计数器等单元,利用红外光的特点。
文章先介绍了红外遥控的基本原理和应用范围,再对AT89C2051单片机的构造和性能给出简单的说明,接着给出了遥控器的编码方式,及遥控发射器,遥控接受器的电路设计。
根据遥控操作的差别,遥控发射器经过对红外光发射频率的控制来区别不相同的操作;遥控接收器通过对红外光接收频率的识别,判断出控制操作,来完成整个红外遥控发射、接收过程。
最后分别具体介绍遥控系统的发射部分和接收部分的电路原理图和程序流程图。
关键词:
单片机;红外线;发射;接收
Abstract
ThisdesignusesAT89C51microcontrollerasthecoreofaninfraredremotecontroller,mainlyusetheMCUinterruptsystem,timer,counterunit,basedoninfraredcharacteristics.Thearticlefirstintroducesthebasicprincipleandtheapplicationrangeoftheinfraredremotecontrol,andthenthestructureandperformanceofAT89C2051singlechipmicrocomputerisgivenbriefly,thentheremotecontrolcodingmode,andtheremotecontroltransmitter,remotecontrolreceivercircuitdesign.Accordingtothedifferenceofremoteoperation,remotecontroltransmitterthroughthecontrolofinfraredemissionfrequencytodistinguishdifferentoperation;remotecontrolreceiverbasedontherecognitionofinfraredreceivingfrequency,todeterminethecontroloperation,tocompletetheinfraredremotecontroltransmitter,receiver.Finally,respectivelyintroducesthetransmittingpartandthereceivingpartoftheremotecontrolsystemofthecircuitprinciplediagramandtheprogramflowdiagram.
Keywords:
singlechip;infrared;emission;reception
第1章绪论
红外线遥控是当前利用最广泛的一种通信和遥控手段。
因为红外线遥控装置拥有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点,于是继彩电、录像机之后,在录音机,音响设备,空调和玩具等小型电器装置上也有红外线遥控。
工业设备中,在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下,选用红外线遥控不但十分可靠而且能有效地阻隔电气干预。
1.1红外概述
从光学的角度来看,红外线是不可见光频率低于红色的光,在频率的无线频谱的一个很小的频率,波长为0.75—100微秒之间,其0.75—3微秒之间的红外光称为近红外,3—30微秒之间的红外光称为中红外,30—100微秒之间的称为远红外。
红外光就其性质而言很简单,与普通光的频率特性是没有太大的区别,但由于任何物体的热能,使红外是广泛使用的,不可取代,是否能检测红外、能测到多少红外或红外检测的技术是否能够应用于任何天然的或虚拟的场所是红外应用技术的枢纽。
现今红外技术的一个分支是红外通信技术的利用,这个利用的发展十分快速,尤其是红外通信应用于计算机设备中,近年来的发展已经非常成熟的特点。
1.2红外遥控的功能与特点
红外遥控技术是一种使用红外线进行点对点通信的技术,其对应的软件和硬件技术都已很成熟。
它是把红外线当着载体的遥控方式。
因为红外线的波长远小于无线电波的波长,因此在选用红外遥控方式时,不会干预别的电器的正常工作,也不会影响附近的无线电设备。
红外遥控是使用波长为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:
1.因为不可见光,故对周边情况影响很小。
红外线的波长远小于无线电波的波长,红外遥控不会干预别的家用电器,也不会影响附近的无线电设备。
2.红外线为不可见光,拥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普遍的使用。
3.红外线遥控的遥控间离正常为几米至几十米或更远一点。
4.红外线遥控拥有构造单一,制作简易,成本低,抗干扰能力强,工作可靠性好等一系列长处,尤其是室内遥控的优先遥控方式。
同时,因为选用红外线遥控器件时,工作电压低,功耗小,外围电路单一,故它在日常工作生活中的利用愈来愈普遍。
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.拥有移动通信设备所必须的体积小、功率低的特征;
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:
因它是一种视距传输技术,选用点到点的衔接具有方向性,两个设备之间假如传输数据,中间就不能有阻碍物;并且通信距离较短,另外红外LED不是一种非常耐用的器件。
1.3选择红外遥控的原因
无线遥控兴式可分为无线电波式、声控式、超声波式和红外线式。
因无线电式易对别的电视机和无线电通讯设备形成干预,并且,系统自身的抗干扰性能也很差,误动作多,所以未能大批利用。
超声波频带窄,易受噪声干扰,精度低和语音识别系统的抗干扰能力差,难以大量使用。
红外遥控方式把红外线当着载体来传送控制信息的,同时随着电子技术的发展,单片机的发明,催生了数字编码方式的红外遥控系统的迅速发展。
此外,红外遥控拥有许多的优点,比方红外线发射装置选用红外发光二极管,遥控发射器易于小型化且价格低廉;选用数字信号编码和二次调制方式,不单可能够完成多路信息的控制,增强遥控功能,提高信号传输的抗干扰性,降低误动作,并且功率损耗低;红外线不会向室外泄露,不会产生信号串扰;反应速度快、传输效率高、工作稳定等。
故如今许多无线遥控方式都选用红外遥控方式。
1.4红外的简单发射接收原理
红外的简单发射接收原理如图1-1所示。
其中发射电路选用红外发光二极管发出通过调制的红外光波,如图1-1(a)所示;接收电路由红外接收二极管三极管或硅光电池构成,它们将红外发射器发射的红外光波转换为对应的电信号,再送放大器处理还原成信号,如图1-1(b)所示。
(a)红外发射(b)红外接收
图1-1红外的简单发射接收原理
第2章设计方案论述
2.1设计目的与原理
目前市场上普遍使用的遥控编码和解码集成电路。
该方案简单,易于制造,但由于一些功能键和功能受到一定的局限性,只适合于电气产品的特殊应用,应用范围有限。
而单片机控制系统中的应用设计,编程灵活,操作码数可任意设定等优点。
单片机远程控制系统利用红外线的发射频率,以确定远程控制功能的不同。
当我们按下某一个按键的期间,由单片机辨别出该按键后,由CPU向接有红外发射管的端口发射一定频率的脉冲,该脉冲与38KHz左右的载波脉冲进行调制,而后将已调制的脉冲进行缓冲放大,激励红外发光二极管将电能转化为光能,使得红外发光二极管发射出一定频率的红外线,当接收控制系统接收到该红外光后,利用单片机的定时器计数器得到的红外频率,把频率发送给CPU,由CPU反编码,识别的控制信号,从而实现控制电路的控制功能,完成整个遥控功能。
2.2单片机红外遥控发射器设计原理
单片机红外遥控发射器主要有单片机、行列式键盘、低功耗空闲方式控电路、红外管发射电路和单片机的电源、复位、震荡子电路构成。
单片机不运行时始终处于低功耗状态,选用了空闲节电工作方式。
当遥控器的某一按键被按下之后,外部中断1产生中断,唤醒单片机投入运行状态,查询键盘按下的是哪个按键,当确认按键后,控制软件驱动定时器T0、T1,T1当发射时间控制器,T0当红外线发射频率控制器,T0定时溢出时中断程序使红外管接口电平反转一次,写入定时器的初值是有差别的,在输出端口就得到不相同的发射频率。
T1定时器溢出中断程序关闭定时器T0,制止红外线发射。
设计框图如图2-1所示。
图2-1单片机遥控发射器设计原理图
2.3单片机红外遥控接收器设计原理
红外遥控接收芯片主要由单片机,红外遥控电路,状态指示电路,外围电路和单片机控制电路。
使用单片机中的T0当红外脉冲计数器,T1当计数时间控制器。
当电路中红外接收管接收到第一个红外脉冲时,外部中断1被触发,驱动计数器T0和定时器T1。
定时溢出中断程序的计数器T0,阅读数和判断,以确定对象的操作(遥控按钮)对其运行的逆转,或关闭负载控制电路。
还可对接收电路执行上锁功能,对控制电路上锁后,遥控器不可以对控制电路实行遥控功能。
其设计原理方框图如图2-2。
图2-2红外接收遥控电路原理框图
第3章硬件电路设计
3.1单片机AT89C2051介绍
3.1.1简介
AT89C2051是一个低电压,高性能CMOS8位微控器。
片内含有2KB可反复擦写的只读存储器(EPROM)和128B的随机存取存储器(RAM),器件选用ATMEL的高密度、非易失性存储技术生产,兼容准则MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储器,功能强大。
AT89C2051有20个双向输入输出(IO)端口,当中P1是8位双向IO口,两个外中断,2个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通讯口,一个模拟比较放大器。
另外,AT89C2051的时钟频率可为零,即具有可用软件设置的休眠省电性能,系统的唤醒形式有RAM、定时计数器、串行口和外中断口,系统唤醒后即投入运行,省电模式中,片内RAM将停止,时钟不在震荡,全部功能不工作,直至系统被硬件系统复位方可一直工作。
3.1.2引脚介绍
Vcc:
接+5V电源正端
GND:
接+5V电源地端
P1.0—P1.7:
完整的双向串行通讯接口,P1.0与P1.1另有第二种功能
P3.0—P3.7:
除P3.6外,双向IO口,除P3.7外,均有第二功能,与MCS-51系列单片机基本相同
XTAL1:
震荡器反向放大器里面运行时钟输入端
XTAL2:
震荡器反向放大器的输出端
RST:
复位引脚,震荡器工作时,该引脚上两个机器周期的高电平复位
图3.1AT89C2051引脚图
主要功能特性
●与MCS51系列产品兼容
●片内含有2KB的Flash程序存储器,擦写次数1000次
●有15个双向IO口
●含有2个16位的可编成定时计数器
●最高频率为24MHz
●两个外部中断源
●可直接驱动LED
●低功耗睡眠功能
●可编程URRL通道
●6个中断源
●2.7—6.0V宽工作电压范围
●128*8位内部RAM
●两个串行中断
●两级加密位
●内置一个模拟比较放大器
●软件设置睡眠和唤醒功能
3.2红外线遥控电路设计
3.2.1信号发射电路
发射部分包含键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器。
发射采用脉宽调制的串行码,以脉宽为0.565ms、间距0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”;以脉宽为0.565ms、间距1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”,其波形如图3-2所示。
图3-2遥控码的“0”和“1”
上述“0”和“1”构成的32位二进制码经38kHz的载频实行二次调制以提升发射效率,实现降低电源功耗的目的。
然后通过红外发射二极管产生的红外发射到太空。
编码器产生的遥控编码是32位二进制码组,其中前16位为用户识别码,能区分不相同的电器设备,避免不同机种遥控码互相干预。
芯片的用户识别码固定为十六进制01H;后16位为8位操作码(功能码)及其反码。
遥控信号编码波形图如图3-3所示。
图3-3遥控信号编码波形图
遥控器在按键按下后,周期性地发出一种32位二进制码,周期约为108ms。
一组码本身的持续时间随它包括的二进制“0”和“1”的个数不同而分歧,大约在45~63ms之间,图3-4为遥控信号的周期性波形图。
图3-5遥控信号的周期性波形
当一个键按下超出36ms,振荡器使芯片激活,将发射一组108ms的编码脉冲,这108ms发射代码由一个起始码(9ms),一个结果码(4.5ms),低8位地址码(9ms~18ms),高8位地址码(9ms~18ms),8位数据码(9ms~18ms)和这8位数据的反码(9ms~18ms)构成。
假如键按下超出108ms仍未放开,接下来发射的代码(连发代码)将仅由起始码(9ms)和结束码(2.5ms)构成。
按照红外发射管本身的物理特征,必需要有载波信号与将要发射的信号相“与”,而后将相“与”后的信号送发射管,才进行红外信号的发射传递,而在频率为38KHz的载波信号下,发射管的性能最佳,发射间隔最远,故本论文选用38KHz的晶振发出载波信号,与发射信号进行逻辑“与”运算后,经过三极管的功率启动到红外发光二极管上。
红外发送电路由4001MOS或非门38KHz振荡器,单片机发送控制电路和红外发送管驱动输出电路构成,当单片机P3.4口输出为“0”时,发射管不发光,当单片机P3.4口输出为“1”时,红外发送管发出38KHz调制红外线。
具体的发射波形如下图所示。
图3-6调制过程中的波形
红外线经过红外发光二极管发射出去,红外发光二极管是特别的发光二极管,其内部材料和普通发光二极管有差别,因而在其两头施加一定电压时,它发出的是红外线而不是可见光。
当今大批利用的红外发光二极管发出的红外线波长约940nm,外形与普通发光二极管一样。
如图3-7,为信号发射电路硬件连接图。
图3-7信号发射电路硬件连接图
3.2.2信号接收电路
红外遥控接收可采用之前的红外接收二极管加专用的红外处理电路的法子。
如CXA20106,此种办法电路繁杂,而今一般不选用。
较好的接收法子是用一体化红外接收头,一体化红外线接收头是一种集红外线接收和放大于一体,不需要任何外接元件,就可以实现从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的全部运行,而体积和普通的塑封三极管大小一样,它适应于各类红外线遥控和红外线数据传输。
它将红外接收二极管、放大、解调、整形等电路做在一块,惟有三个引脚,是+5V电源、地、信号输出。
红外信号输出的接收头接单片机的INTO或INTl脚。
如图3-8,红外接收电路特意选用集成电路RPM6938,RPM6938有三个引脚,一个接电源一个接地,一个接信号端,它集光电转换,解调和放大于一体。
当收到38KHz调制红外线时,RPM6938输出为“0”,平常输出为“1”。
信号脚接到P3.3和P3.4脚上,当RPM6938收到第一个红外脉冲时,触发INT1产生中断,使单片机退出低功耗状态,开始运行状态,在同一时间计数器0和定时器1开始工作。
图3-8红外接收电路
遥控信号的解码算法及程序编制:
平常,遥控器无键按下,红外发射二极管不发出信号,遥控接收头输出信号
1。
一个键被按下时,0和1码遥控倒置头0的输出信号经过高水平。
因连接单片机的中断引脚,将导致中断(单片机预置为下降沿中断)。
单片机的定时器0定时器1的使用中断或开始计时。
对脉冲到达下一个,再产生一个中断,在第一时间出来。
清零计时值后再计时,经过判断每一次中断与上一次中断之间的时间间隙。
即可知接收到的是引导码还是0和1。
假如计时值为9ms,接收到的是引导码,假如计时值为1.12ms,接收到的是编码0。
假如计时值为225ms.接收到的是编码1。
在判断期间,不能忽略误差值。
因为不同的遥控器由于晶振参数等原因,发射及接收到的时间也会有很小的误差。
解码方法如下:
(1)外部中断0(或1)的下降沿中断,定时器0(或1)的16位定时器。
初始值为O.
(2)第一次进入遥控中断后,开始计时。
(3)从第二次进入遥控中断起,不在计时。
并将计时值保留后,再开始计时。
假如计时值是前导码的时间,设置前导码标记。
准备接收后面的一帧遥控数据,假如计时值不等于前导码的时间,但在前面已接收到前导码,则判别遥控数据的是0或1。
(4)继续接收下面的地址码、数据码和数据反码。
(5)当接收到32位数据时,即一帧数据接收完了。
然后停止定时器的定时,并确定接收的有效性。
假如两次地址码相同且等于本系统的地址,数据码与数据反码之和为0FFH,则接收的本帧数据码有用。
否则丢弃本次接收到的数据。
(6)接收完了,初始化本次接收的数据,打定下一次遥控接收。
3.3CPU时钟电路
时钟电路用于产生单片机运行所需要的时钟信号。
该时钟信号可以以两种方式产生:
内部时钟和外部时钟模式。
1、内部时钟方式
AT89C2051单片机有一个高增益反向放大器,用于组成振荡器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器,就组成了稳的4自激振荡器,其发出的脉冲直接送入里面时钟发生器,见图3-8,外接晶振时,C1、C2值约30pF左右;外接陶瓷振荡器时,C1、C2约为47pF。
C1、C2对频率有微调功用,震荡频率在1.2—12MHz。
为了消减寄生电容,更好的确保振荡器稳固牢靠的运行,谐振器和电容应尽量安置的与单片机芯片接近。
在内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器,其输出信号是单片机运行所需的时钟信号。
2、外部时钟方式
外部时钟形式是选用外部振荡器,外部振荡信号由XTAL2端接入后直接送至里面时钟发生器。
输入端XTAL1应接地,因为XTAL2端的逻辑电平不同于TTL的,故提出外接一个上拉电阻。
在一般情况下,单片机时钟输入用于内部时钟模式,一个外部振荡器电路,本设计采用内部时钟,采用12MHz晶体,如图3-9所示电路。
图3-9AT89C2051时钟电路
3.4独立式按键结构
独立式按键是指直接用IO线组成的单个按键电路,每一个独立式按键占据一根IO口线,每根IO口线上的按键的运行状况不会影响其余IO口线的运行状态,其结构简单,但IO口线被浪费较大。
独立式按键设备多样,软件构造单一,上拉电阻确保了按键断开时,IO口线有高电平,其电路原理图如图3-10。
图3-10独立式按键电路
3.5掉电保护和低功耗的设计
3.5.1低功耗的实现方法
AT89C2051单片机CPU两种省电模式,空闲模式和掉电模式,遥控器选用了空闲节电方式。
当CPU完成IDL=1(PCON.0=1)指令后,系统进入空闲工作方式,这时候里面时钟不向CPU供给,而只供给中断、串行口、定时器。
遥控器退出低功耗空闲方式电路由与门来实现。
当有键按下时,由与门触发外部中断1产生中断,单片机退出空闲工作方式,进入键盘和红外发射程序,完成后又进入低功耗空闲方式待机。
单片机的使用过程中基本上是在空闲模式下,功耗很低,以保证电池的使用。
3.5.2掉电保护和低功耗的设计
1.掉电保护
在单片机运行时,供电电源假如出现停电或瞬间停电,将会使单片机停止运行。
待电源恢复时,单片机开始进入复位状态,停电前RAM中的数据全数丢失,这种情况关于一些重要的单片机利用系统是不许可的。
在这种情况下,必须实施掉电保护处理。
掉电保护具体操作过程如下:
单片机利用系统的电压检测电路检测到电源电压降低时,触发外部中断INT0或INT1,在中断服务子程序中将外部RAM中的有效数据送入里面RAM保留。
因单片机电源进口的滤波电容的储能功用,中断操作就能够有充足的时间来完成。
备用电源自切换电路属于单片机里面电路。
它由两个二极管组成,当电源电压高于VPD引脚的备用电源电压时,VD1导通,VD2为止,单片机由电源供电;当电源电压降到比备用电源电压低时,二极管VD1停止,VD2导通,单片机由备用电源供电。
备用电源只为单片机里面RAM和专用寄存器供应维护电流,这时候单片机外部的所有电路因停电而停止运行,时钟电路也停止运行,CPU因无时钟也不运行。
当电源恢复时,备用电源还会持续供电一段时间,大约为10ms,以保证外部电路达到稳固状态。
在完成掉电保护状态时,随后的任务是将被那些保护的数据从RAM中恢复过来。
当用户检测到一个掉电维护电路时,当即经过外部中断输入线INT0来中断单片机现行操纵。
外部中断0服务程序将有关数据消息送入片内RAM保留,而后向P1.0写入0,P1.0输出的这个低电平触发单稳态电路MC755。
R、C的数值及VCC是否掉决定电输出的脉宽。
假如当单稳态定时输出后,若VCC仍旧还在,这是一个假掉电报警,并从复位开始重新操纵;若VCC已掉电,则断电时期由单稳态电路给RESETVPD供电,维护片内RAM处于“饿电流”供电状态保留消息,一直维护到VCC恢复截止。
80C2051的掉电保护过程则不同。
当电压检测电路检测到电源电压下降时,也触发外部中断,在中断服务子程序中,除将外部RAM中的有用数据保留之外,还要将特别功用寄存器的有用内容保护起来,而后对电源控制寄存器PCON设置。
PCON寄存器的各位定义如表3-1。
表3-1PCON寄存器的各位定义
D7D6D5D4D3D2D1D0
SMOD
—
—
—
GF1
GF0
PD
IDL
其中,SMOD是波特率倍增位,在串行通讯中使用。
GF1、GF0:
通用标记,由软件置位、复位。
PD:
掉电方式控制位,PD=1,则进入掉电形式。
IDL:
待机方式控制位,IDL=1,则进入待机方式。
由软件将PD置1,就能够使单片机进入掉电保护情形。
这时候,单片机的一切运行都停止,只要里面RAM和专用寄存器的内容被保留。
掉电保护时的备用电源是经过VCC引脚接入的。
当电源恢复后,系统要保持10ms的恢复时间后才可以退出掉电保护形式,复位操控将重新定义专用寄存器,但里面RAM的内容不会改变,可将被保护的内容恢复。
如图3-11,为掉电保护电路。
图3-11掉电保护电路
2.低功耗设计
在许多情况下,单片机要运行在供电很难的场所,如郊外、井下和空中,关于便携式仪器要求用电池供电,这时候都希望单片机利用系统能低供耗运转。
以CMOS工艺制造的80C3180C5187C51型单片机供给了空闲工作方式。
空闲工作方式(也指待机工作方式)是指CPU在不需要执行程序时停止工作,以代替继续执行空操作或原地踏步等候操控,达到减小功耗的目标。
空闲工作方式是经过设立电源控制寄存器PCON中的IDL位来实现的。
用软件将IDL位置1,体系进入空闲工作方式。
这时候,送往CPU的时钟被封锁,CPU停止工作,但中断控制电路、定时计数器和串行接口持续运行,CPU内部状态如堆栈指针SP、程序计数器PC、程序状态寄存器PSW、累加器ACC及其他寄存器的状态被完整保留下来。
在空闲工作方式下,80C51消耗的电流由正常的24mA将为3mA。
单片机退出空闲状态有如下两种方法。
第一种是中断退出。
由于空闲方式下,中断系统还在工作,所以任何中断的响应都可以使IDL位由硬
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