红外多路控制正文.docx

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红外多路控制正文

绪论

1.1课题背景及目的

遥控技术发展只有几十年的历史：

本世纪20年代，才刚刚出现无线电遥控的雏形。

那时，人们试图将遥控技术应用于无人驾驶飞机和舰船上，但由于技术不够完善而未能成功。

二次世界大战以后，遥控技术发展迅速，并逐渐在军事、国防、工农业生产以及科学技术等方面得到广泛的应用。

到现今，随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使得遥控技术有了日新月异的发展。

遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件逐步发展到集成电路、大规模集成电路、超大规模集成电路，智能化程度大大提高。

近年来，遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。

在无线遥控领域，目前常用的遥控方式主要有超声波遥控、红外线遥控、无线电遥控等。

由于红外遥控的设计制作简单方便，易于操作，因而成为遥控的主要方式，在国防、军事、生产、建设和日常生活中有极广泛的应用。

为此，在前人研究的基础上设计出了一种红外遥控多通道控制系统的设计方法。

研究表明，采用该方法设计的红外遥控控制系统控制方便，适用于含有较多受控电器的场合，可实现多路多功能控制。

红外通信以红外线作为通信载体，通过红外线在空中的传播来传输数据，它由红外发射器和红外接收器来完成。

在发射端，发送的数字信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经红外发射管转变为红外光脉冲发射到空中；在接收端，红外接收器对接收到的红外光脉冲进行光电变换，解调译码后恢复出原信号。

红外通信作为一种数据传输手段，可以在很多场合应用，如家电产品、娱乐设施的红外遥控，水、电、煤气耗能计量的自动抄表等。

红外通信有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。

通过红外接口，各类移动设备可以自由进行数据交换。

红外接口是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。

1.2国内外研究状况

自从1800年英国天文学家F•W•赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。

从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

当时，德国研制成硫化铅和几种红外透射材料，利用这些元、部件制成一些军用红外系统，如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统，机载轰炸机探测仪和火控系统等等。

其中有些达到实验室试验阶段，有些已小批量生产，但都未来得及实际使用。

此后，美国、英国、前苏联等国竞相发展。

特别是美国，大力研究红外技术在军事方面的应用。

目前，美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

红外技术发展的先导是红外探测器的发展。

1800年，F•W•赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计，这是最原始的热敏型红外探测器。

1830年以后，相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。

在1940年以前，研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。

19世纪，科学家们使用热敏型红外探测器，认识了红外辐射的特性及其规律，证明了红外线与可见光具有相同的物理性质，遵守相同的规律。

它们都是电磁波之一，具有波动性，其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。

20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。

30年代，首次出现红外光谱代，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。

40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。

50年代，半导体物理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。

到60年初期，对于1～3、3～5和8～13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。

在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。

1.3课题研究方法

该红外通信的多路控制系统的设计是通过555定时器及其所组电路将遥控信号调制为方波，然后将已调波放大，驱动红外发光二极管发光，就可以得到遥控发射信号。

调制可用一个或门实现。

该电路中555和R3、R17、C6（以一路控制为例介绍）组成无稳态多谐振荡器，振荡频率f=1.44/（R3+R17）C6，频率范围为1KHz~20KHz，可通过调节R17来选定。

通过接收译码电路由红外接收放大器、音频译码电路和声控执行电路组成。

在收到红外光脉冲后，接收管D3的两极间电阻作与频率相应的变化，由光信号转化为电信号，经VT1和Ｕ4放大。

译码器采用锁相环译码集成块LM567，他要求可靠解码时的输入信号不小于25mV，因为接收到的光电信号随距离的加大减弱，故中间加了一级高增益功效LM386。

调节发射器的R17，使收、发的中心频率一致时LM567的8脚的由高电平转呈低电平5经微分加至U4。

U4接成双稳态模式，受负脉冲触发，状态就翻转一次，输出呈低电平，VT2导通，LED发光。

实现红外遥控。

1.4论文构成及研究内容

论文将阐述红外通信的多路控制的原理图及其工作原理，介绍电路各组成部分的原理、性能及工作状态，详细介绍发光二极管、555芯片、LM386、LM567的器件性能、参数及其工作原理、综合分析电路的工作过程。

2红外收发电路的组成及其部分的功能

在实际学习工作中，能够实现上述设计任务要求设计成基于红外通信的多路控制系统的的电路形式或方案很多，我们根据红外通信对频率的要求较低这一特性选用数字电路来实现这一课题。

红外通信的多路控制系统的电路主要由电源电路，编码及发送电路，接收及译码电路，显示电路四大部分组成：

电源电路：

12V，输出最大电流1A直流电源。

编码及发射电路

接收及译码电路

显示电路

2.1通信系统组成

其基本流程如图2.1所示

通用红外遥控系统由发射电路和接受电路两大部分组成，应用专用集成电路来进行控制操作，发射部分包括编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光电转换放大器、解调、译码电路。

图2.1通信系统框架图

2.2电源电路设计

电源的设计原理如图2.2所示

（1）电源变压器：

将220V,50HZ的交流电压转换成12V整流电路

（2）滤波电路：

利用电感和电容的阻抗特性，将整流后的单向脉动电流中的交流分量滤去，是单向脉动电流变换成平滑的直流电[1]。

（3）稳压电路：

当电网电压波动或负载的变动会导致负载上得到的直流电不稳定，影响电子设备的性能，用稳压管，即采用一些负反馈方式的稳压电路，使之自动调节不稳定因素，从而得到稳定电压本图中二极管的作用是：

放电使LM系列两端的电压差稳定（约0.5-0.7V），小电容的作用是防止自激振荡[2]，后面的电容有存储能的作用12V

图2.2直流稳压电源的组成框图

电源的发光二极管是指示灯，供电部分输入220V、50HZ的交流电，输出电压+12V，供给整个电路电源，电流最大为1A；LM7815和LM7805负载重，功率大，加装了散热片，LM7915则不需要散热片，这样在保证了性能的同时也降低了成本，对于电容的选择要考虑LM7815、LM7805和LM7915最小允许电压降Ud,电网的波动。

参数计算：

（1）允许纹波峰峰值△t=18*1.414（1-10%）-0.7-Ud-15=4.9V

C=I*△t/△U=1430μf

选取滤波电容C=2200/30μf

（2）+5V电源

允许的最大纹波峰峰值△t（max）=9*1.414（1-10%）-1.4-2.3-5=6.76V

        C=I*△t/△U=3600μf

选取滤波电容C=4700/16μf

图中R19取220Ω，R20取680Ω主要用来调整输出电压。

输出电压Uo≈Uxx（1+R20/R19），该电路可在5～12V稳压范围内实现输出电压连续可调。

由该电路实践证明：

（1）R1为固定电阻值，改变电阻R20的阻值就可获得连续可调的输出电压，输出电压Uo近似值等于Uxx（1+R20/R19）。

（2）最高输出电压受稳压器最大输入电压及最小输入输出压差的限制，该固定式三端集成稳压集成电路7805最大输入电压为35V，输入输出差要保持2V以上，因此该电路中由于稳压器的直流输入电压为+14V，所以该电路的输出最大值为+12V。

（3）实验表明，在稳压器的稳压范围内，其稳压精度可达±0.03。

电源电路图如图2.3所示

图2.3电源部分电路图

2.3红外发射电路

由于该电路控制对象较少，为降低成本，省去了编码芯片的使用，仅采用控制开关来调节信号，实现信号编码的控制。

在电路中用遥控脉冲信号调制38kHz方波，然后将已调波放大，驱动红外发光二极管，就可以得到遥发射信号。

调制可用一个或门实现。

有些遥控器的载频可能是40kHz，只须稍微加大发射功率仍然可用38kHz载频使其接收电路动作。

该电路中555和R3、R4、R17、C5（谨以一路为例介绍）组成无稳态多谐振荡器[3]，振荡频率f=1.44/（R3+R17）C5，图示参数给出的频率范围为37KHz~39KHz，可通过调节R18来选定。

只要按下AN开关，则发出一串红外光脉冲波。

R4是保护红外发光管的限流电阻。

电路如图2.4所示

图2.4红外发射电路

2.4红外接收电路

接收译码电路由红外接收放大器、译码电路和执行电路组成。

接收红外二极管应采用与红外发射管配对的管，在收到红外光脉冲后，接收管D3的两极间电阻作与频率相应的变化，由光信号转化为电信号，经VT1和U4放大。

音频译码器采用锁相环音频译码集成块LM567，他要求可靠解码时的输入信号不小于25mV，因为接收到的光电信号随距离的加大减弱，故中间加了一级高增益功效LM386。

LM567的中心频率由接在5、6脚的R5、C7决定，即f0=1/1.1R5C7。

调节发射器的RP，使收、发的中心频率一致时LM567的8脚的由高电平转呈低电平，经微分加至U5。

U5接成双稳态模式，受负脉冲触发，状态就翻转一次，输出呈高电平，VT2导通，LED发光。

实现红外遥控[5]。

通过改变不同的开关的状态，同理实现多路控制。

电路如图2.5所示

图2.5红外接收电路

2.5二极管材料及其性能参数

发射部分主要元件是红外发光二极管[5]。

它实际上是种特殊的发光二极管[6]，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，他发出的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，外形与普通发光二极管相同，只是颜色不同，如图2.6所示红

图2.6发光二极管

发光二极管一般有黑色，深蓝，透明三种颜色。

常用的发光二极管PH303的性能参数见表2.1所示

表2.1发光二极管PH303的性能参数

最大反相电压

5V

持续工作电流

15mA

工作电压

1.3V典型，1.7最大

辐射功率输出

13～15mW

峰值波长

950nm

判断红外发光二极管好坏的方法与普通二极管一样：

用万用表电阻档量一下红外发光二极管的正、负向电阻即可。

红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定。

接收部分的红外接受管是一种光敏二极管，如图2.3所示

图2.7红外接收二极管

在实际应用中要给红外接受二极管加反向电压（E极接负，Ｃ极接正）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[5]。

红外接收二极管一般有圆形和方形两种。

其性能见表2.2所示

表2.2红外接收二极管PH303的性能参数

VCED（最大Ｃ、E间电压）

70V

VBED（最大Ｃ极电压）

5V

Ic

50mA

功率消耗

150mW

最佳工作波长

850nm

光谱带宽

620～980nm

工作温度

-200～+500

2.6红外发光二极管发光及其控制方式

使用红外发光二极管获得近红外线是相当简单的。

红外发光二极管是一种PN结构成的注入电流型发光器件，再加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的红外光。

除支流电流驱动方式外，发光二极管还有交流驱动方式脉动电流驱动方式等。

交流电流驱动方式主要用于红外测量、检测及较简单的红外光通信电路中。

对红外通信（包括红外激光通信）来说，调制频率、调制带宽是重要的通信指标。

在红外控制系统中，对红外发光二极管一般不采用恒定支流驱动方式，即平均发射方式，而采用，脉动电流驱动方式，即脉冲式红外发射方式。

平均发射方式是指通过启动支流供电电源直接驱动发光二极管发出恒定的红外光。

红外发光二极管的功率一般较小（大都小于100mW）,而平均发射方式的功耗较大，而且抗告饶能力较差。

为了提高红外控制系统的作用距离，而又不使红外发射管过载，一般不采用平均发射方式，而采用脉冲发射方式或调制载波或调制载波脉冲发射方式。

红外控制系统的有效作用距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率是由馈给二极管的电流峰值功率决定的。

峰值功率越大，驱动电流的平均值越小而发光效率也越高。

脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式可以使红外发射管的平均功率减小，提高系统的有效距离，且大大提高红外遥控控制系统的抗干扰能力。

接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。

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。

红外发光二极管一般有圆形和方形两种。

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[12]、CX20106A[12]等红外接收专用放大集成电路。

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。

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。

红外遥控常用的载波频率为38kHz这是由发射端所使用的455kHz晶振来决定的。

在发射端要对晶振进行整数分频分频系数一般取12，所以

455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。

也有一些遥控系统采用36kHz、40kHz、56kHz等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。

红外遥控的特点是不影响周边环境的、不干扰其他电器设备。

由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。

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8米）遥控中得到了广泛的应用。

2.7555集成电路内部结构图

555集成电路内部结构[8]如图2.8所示

图2.8555集成电路内部结构图

555集成电路开始是定时器应用的，所以叫做555定时器或555时基电路。

但后来经过开发，他除了做时延时控外，还可用于调光、调温、调压、调速等多种控制剂量检测，此外，还可以组成脉冲振荡好、单稳、双稳和脉冲调制电路，用于交流信号、电源变、频率变换、脉冲调制等。

由于它工作可靠、使用方便、价格低廉目前被广泛用于电子产品中，555集成电路内部有几十个元器件，有分压器、比较器、基本R-S触发器、放电管以及缓冲器等，电路比较复杂，是模拟电路和数字电路混合体。

555集成电路是8脚封装，双列直插型，如图2.9（A）所示，按输入输出排列可看成如图2.9（B）所示。

其中6脚称阈值端（TH），是上比较器的输入；2脚称触发端（IR），是下比较器的输入端；3脚是输出端（V。

），它有0和1两种状态，由输入端所加的电平决定；7脚是放电端（DIS），它是内部放电管的输出，有悬空和接地两种状态，也是由输入端的状态决定；4脚是复位端（MR），加上低电平时可使输出为低电平；5脚是控制电压端（VC），可用它改变上下触发电平值；8脚是电源端，1脚是地端。

图2.9（A）555集成电路2.9（B）555集成电路

555基本电路如图2.10所示

图2.10NE555基本电路

对于上图，要求我们自己确定参数R1、R2和C1.计算时有输出高电平时间为

   t1=0.693（R1+R2）C1

   输出低电平的时间是

   t2=0.693（R2）C1

   所以周期为

   T=t1+t2=0.693（R1+2R2）C1

   频率有

   占空比为t1/（t1+t2）

从上面的公式中带入38K的频率就能确定各个参数，为此我们取C1为0.01uF，R1为560，R2取2K的电位器，这是为了排除电阻和电容的制作时的阻差和容差，为此我们可以精确地调到38K。

2.8LM386电路结构及其引脚功能

LM386芯片[7]如图

图2.11LM386芯片电路

LM386的外形和引脚的排列如图所示。

引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。

2.9LM567电路及其功能

LM567芯片电路[9]如图2.12所示

图2.12LM567芯片电路图

LM567是一片锁相环电路，采用8脚双列直插塑封。

其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。

其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。

②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：

电容值越大，环路带宽越窄。

①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。

③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。

⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。

LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。

LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：

当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。

在图4的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。

3红外通信的多路控制的系统工作原理及电路

3.1电路及其工作原理

该电路中发射电路由发射部分包括编码调制、LED红外发送器组成，通过调节开关的状态来获得控制信号。

将遥控脉冲信号调制38kHz方波，然后将已调波放大，驱动红外发光二极管，就可以得到遥发射信号。

对于信号的调制可用一个或门实现。

遥控器的载频是40kHz，只须稍微加大发射功率仍然可用38kHz载频使其接收电路动作。

该电路中555和R3、R18、C5（谨以一路为例介绍）组成无稳态多谐振荡器[11]，振荡频率f=1.44/（R3+R18）C5，参数给出的频率范围为37KHz~39KHz，可通过调节R18来选定。

只要按下AN开关，则发出一串红外光脉冲波，通过发光二极管D2来发出。

R4是保护红外发光管的限流电阻，该电路实现红外信号的发射。

接收译码电路由红外接收放大器、音频译码电路和声控执行电路组成。

接收红外二极管应采用与红外发射管配对的管，在收到红外光脉冲后，接收管D3的两极间电阻作与频率相应的变化，由光信号转化为电信号，经VT1和U4放大。

音频译码器采用锁相环音频译码集成块LM567，他要求可靠解码时的输入信号不小于25mV，因为接收到的光电信号随距离的加大减弱，故中间加了一级高增益功效LM386。

LM567的中心频率由接在5、6脚的R5、C7决定，即f0=1/1.1R5C7。

调节发射器的RP，使收、发的中心频率一致时LM567的8脚的由高电平转呈低电平，经微分加至U5。

U5接成双稳态模式，受负脉冲触发，状态就翻转一次，输出呈高电平，VT2导通，LED发光。

实现红外遥控。

该换不同的开关按键，实现不同路的控制，进而实现多路控制。

其电路图如图3.1所示

图3.1红外通信的多路控制的系统电路图

3.2电路元器件选择

上述电路设计均为理想状态，在元器件选择方面，红外通信的多路控制为555定时器控制信号，用一个或门实现。

该电路中集成块555和R3、R18、C5组成无稳态多谐振荡器（同理可实现另一路的组成电路），要求振荡频率f=1.44/（R3+R18）C5，频率范围为37KHz~39KH。

用锁相环译码集成块LM567，他要求可靠解码时的输入信号不小于25mV，因为接收到的光电信号随距离的加大减弱，故中间加了一级高增益功效LM386。

调节发射器的R18，使收、发的中心频率一致，实现红外控制。

4实物制作

电路设计为红外通信的多路控制系统的电路，印制电路板采用环氧基质单面铜箔板制作，实际尺寸约为160mm×80mm。

制作电路板时，在面板适当位置处开孔固定安装电位器RP及其AN开关。

电路中，有555定时器组成的定时电路工作确定，该电路中555和R3、、R18、C5（其中一路，同理可实现另一路）组成无稳态多谐振荡器如下图所示，振荡频率f=1.44/（R2+R18）C5，图示参数给出的频率范围为37KHz~39KHz，可通过调节R18来选定。

译码集成块LM567，他要求可靠解码时的输入信号不小于25mV，因为接收到的光电信号随距离的加大减弱，故中间加了一级高增益功效LM386。

操作焊接好的电路板经检查元误后，装入体积合适的绝缘密闭小盒内，以免使用时由于不慎而发生触电事故。

结论

本文主要阐述了红外遥控器的发展和现状，着重介绍了红外遥控器的概况，简单叙述了红外遥控器的组成、特点及工作原理，对红外装置有了大体范围的一个认识，并熟悉了红外工作的大致流程。

以上是我总体的设计构想，实际操作起来肯定会有很多问题。

输入电压与单向可控硅之间可能出现的问题，发光二极管实际发出的光和理想中的差距等等，需要不断的改善设计来完善。

各个参数的理论值与实际如何平衡，电路优化等等问题都要在设计具体问题具体分析，我还要进一步仔细认真的学习，争取在老师的指点下在日圆满完成此次任务。

致谢

毕业设计的三个月是自己人生阶段中很难忘的一段经历，从设计之初的无从下手到设计工作的圆满完成，期间遇到了诸多的问题和困难。

但在老师的细心指导和帮助下，通过自己的努力，最终这些问题与困难都得到了圆满解决。

使我可以按时完成毕业设计并使自己的专业知识与综合能力都得到了相应的提高。

在毕业设计过程中，老师在百忙中对我的毕业设计进行了指导。

老师首先细致地为我解题；当我迷茫于众多的资料时，她又为我提纲挈领、梳理脉络，使我确立了本文的框架。

感谢老师对我的论文不厌其烦的细心指点。

在论文写作中，每周都能得到老师的亲切指点。

从框架的完善，到内容的扩充；从行文的用语到格式的规范；老师都严格要求，力求完美。

而且我还从老师那里学到了严谨、务实、认真的工作态度和极强的敬业精神。

我再次为老师的耐心付出表示感谢。

参考文献

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