智能红外遥控器的设计毕业论文.docx
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智能红外遥控器的设计毕业论文
摘要
随着家用电器种类的增加和无线遥控产品的普及，红外遥控器的使用频率越来越高，针对国红外遥控学习技术成熟，但产品化程度低的特点，本文自主设计一种具有红外学习和触屏显示功能的红外遥控器，借此促进红外遥控学习技术在国市场的产品化推广。
在红外解码方面，传统方法采用单片机中断或者查询方式采集红外信号，环境不理想情况下可能需要多次解码，本文借助电脑辅助记录全波形，通过相关软件优化波形，解码一次即可成功；在红外发射方面，本文通过实验发现红外发射距离受载波占空比和红外二极管贯通电流影响，通过调试将38KHz载波红外信号发射距离提高到10米；在红外接收方面，进行了红外干扰测试；在触屏校验方面，通过实验获取触屏数据，利用matlab参数估计lsqcurvefit函数求得校正参数，解决了触屏漂移问题；在彩屏显示方面，将遥控器所有按键简化为方向键和确认键，虚拟数码管显示按键位置，避免了单片机片上资源紧的问题，此外，彩屏仅支持16位R5G6B5格式数据，一176*220图片占用72.6KB空间，造成极大浪费，本文借此讨论了适合本系统的图片压缩技术，给出了一种具体的图片压缩格式。
按照由简单到复杂的顺序，本文先后制作了遥控接收解码装置、遥控编码发射装置、万能学习型红外遥控器，以SAA3010遥控器作为典型代表（遵循飞利浦RC-5编码协议），成功的实现了红外编解码、发射接收、按键触屏双输入、彩屏显示等基本功能，最终制作的万能学习型遥控器在功能上可以完全代替SAA3010遥控器。
关键词：
红外学习；红外解码；单片机控制；声卡采样；触屏校验
Abstract
Intheelectronicworld,theinfraredremotecontroltechnologyiswidelyusedinourlives.Variousappliancesonthemarkethavethetechnologyofinfraredremotecontrolsystemwithmaturityandlowcost.However,toavoiddifferentbrandsandbetweendifferenttypesofequipmentmalfunction,peopleusedifferentdevicesindifferenttransportrulesoridentificationnumber,whichmakesvarioustypesofremotecontrolapplyonlytotheirremoteobjectsandeasycausesconfusingresultsthattheactualuseoftheremotecontrolaremanyandcomplex.ThedesignrequirementsistoachieveanintelligentlearningIRremotecontrolimplementations.
Bystudyinginfraredcodec,infraredtransmittingandreceiving,MCUcontrol,LCDdisplaytechnology,remotecontrolofotherlearningandlearningsentsuccessfullyrestoredinfraredremotecontrolsystem.Keyandcorepartofthedesignisthatthroughsoftwaredecodingitcanachievetheself-studyfunctionoftheinfraredsignalandbecontrolledbyMCUtomakethelearnedsignalinstoreandforward.
Keywords:
Infraredremotecontroller；The38KHZcarrier；Self-study；Infraredremotereceiver；Infraredremotetransmitter
1.绪论1
1.1选题的目的意义2
1.2红外学习研究现状3
1.3选题研究的容3
2智能红外遥控学习方案设计4
2.1总体方案介绍4
2.2方案论证5
2.21学习方式5
2.22按键模块5
2.23显示模块6
2.24红外接收模块6
2.25微控制器选择6
3硬件电路设计7
3.1系统硬件基本组成7
3.2主要模块电路设计7
3.2.1键盘和显示电路设计8
3.2.2红外发射电路及其编码8
3.2.3红外接收电路11
3.2.4存储电路12
3.2.5单片机控制电路13
4系统软件设计16
4.1系统编程语言和编程工具16
4.1.1编译软件KeiluVision2简介17
4.2软件设计18
4.2.1学习功能19
4.2.2数据压缩编码25
5智能红外遥控器的实现31
5.1系统硬件调试32
5.1.1元件的使用32
5.1.2整板测试34
5.1.3上电测试34
5.2系统软件调试36
5.2.1按键与显示模块调试36
5.2.2接收模块调试36
5.2.3发射模块调试36
5.3调试小结36
5.4智能红外遥控器性能测试37
5.41测试所使用仪器37
5.42测试结果37
5.43结果分析38
总结39
辞40
参考文献40
附录44
1绪论
1.1选题的目的意义
随着电子工程在产品设计中的应用日益广泛，对产品的人性化设计成为设计领域一个新的革命。
遥控器主要由形成遥控信号的微处理器芯片、晶体振荡器、放大晶体管、红外发光二极管以及键盘矩阵组成。
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、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，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。
在当今社会科学技术的发展与日俱增，人们是生活水平也是日益提高，为了减少人的工作量，所以是对各种家用电器、电子器件的非人工控制的要求也是越来越高，针对与这种情况，设计出一种集成度比较高的控制体系是必然的。
单片机的集成度很高，它具有体积小、质量轻、价格便宜、耗电少等突出特点，尤其耗电少，又可使供电电源体积小、质量轻。
所以特别适用与“电脑型产品”，它的应用已深入到工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活用品（家电、玩具）等各种领域。
单片机特别适合于把它做到产品的部，取代部分劳师机械、电子零件或元器件。
可使产品缩小体积，增强功能，实现不同程度的智能化。
红外线是一种光线，具有普通光的性质，可以以光速直线传播，强度可调，可以通过光学透镜聚焦，可以被不透明物体遮挡等等。
特别制造的半导体发光二极管，可以发出特定波长（通常是近红外）的红外线，通过控制二极管的电流可以很方便地改变红外线的强度，达到调制的目的，因此，在现代电子工程应用中，红外线常常被用做近距离视线围的通讯载波，最典型的应用就是家电遥控器。
使用红外线做信号载波的优点很多：
成本低、传播围和方向可以控制、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等等。
因此被广泛地应用在各种技术领域中。
带红外遥控器的家电给我们的生活带来极大的方便，但遥控器多了很容易弄混，如果有一种可对家中各种红外遥控器发射的控制信号进行识别、存储和再现的智能型红外遥控器，用这样一个遥控器控制家中所有电器该有多好。
为此，我们试着设计一种以单片机为核心的智能型遥控器。
通过此设计可以提高我们对专业知识的运用能力，让我们把在大学三年中所学到的专业知识真正的运用到实践当中。
在设计过程中使我们能够把专业知识系统的，有条理的连接起来。
1.2国外研究现状
红外通信由来已久,但是进入90年代,这一通信技术又有新的发展,应用围更加广泛。
1995年，一个由部件、计算机系统、外围设备和电信厂商组成的大型集团——红外数据协会（IrDA）就红外通信的一套标准达成一致。
现在约有120家以上的厂商支持红外通信标准。
其中的许多厂商已推出符合红外通信标准并支持Windows95的产品。
红外数据协会开发的这种新的无线通信标准还得到PC机产业的有力支持。
主要的开发厂商，如微软、苹果、东芝和惠普公司，已推出了在计算机之间采用这种高速红外数据通信的PC机、笔记本计算机、打印机和手持式个人数字助理（PDA）设备。
此外，红外通信的连通性已用在大多数新的笔记本计算机中，并成为一种最具成本效益和便于使用的无线通信技术而问鼎市场。
目前家电中用的最多的遥控方式是红外遥控，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。
价格低廉，编码简单，近距离的遥控使用红外遥控非常有优势。
由于红外一体化接收头的出现，大大降低了红外遥控的成本和技术难度，目前不仅在家电领域，在玩具、安防等领域也有广泛的应用。
红外遥控系统主要由红外遥控发射装置、红外接收设备、遥控微处理机等组成。
因此，遥控系统是一涉及单片机的数字系统。
目前国红外遥控电子元器件的竞争很激烈，导致了价格的低廉，表面上有利于消费者，可是长期恶性竞争，互相压价格，必将导致产品质量的下降，最终损害的只能是消费者。
红外遥控的前景依然看好，不过红外遥控的现状不容乐观。
红外遥控是单工的红外通信方式，整个通信中，需要一个发射端和一个接收端。
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[3]。
1.3选题研究的容
该论题研究的容主要是以下几个方面：
（1），研究红外遥控信号波形；
（2），设计红外遥控器信号接受系统；
（3），信号转换系统设计；
（4），转换发送电路设计；
2红外遥控学习方案设计
2.1总体方案介绍
红外遥控器的核心元器件是编码芯片，将需要实现的操作指令事先编码，设备接收后解码再控制有关部件执行相应的动作。
编码是通过载波输出的，即所有的脉冲信号均调制在载波上，载波频率通常为38kHz。
在发送端，载波利用电信号驱动红外发光二极管，将电信号变成光信号发射出去，发射的是红外光，波长围在840nm到960nm之间。
在接收端，通过光电二极管将红外光信号转换成电信号，经放大、整形、解调等步骤，最后还原成原来的脉冲编码信号，并根据遥控指令完成相应的动作。
学习型红外遥控器通过记录各种不同类型的遥控器的编码波形，将其存储下来并与某个按键关联，从而实现“学习”功能这样作不必关心编码的细节，通用性大大提高。
根据课题要求初步制定了实现上述功能的基本思路。
此系统主要分为6大模块：
单片机控制模块、键盘模块、红外接收模块、红外发送模块、存储模块、显示模块。
（其中的主要模块是单片机控制系统模块，主要的功能实现都是由单片机程序控制，键盘的扫描，液晶的显示，红外遥控信号的接收、学习以及发射都是由单片机的程序来控制。
）系统原理框图如1.1所示：
图1.1系统组成原理图
自学习型遥控器的功能主要分为学习和发送两个部分。
在学习的过程中，收电路接收到红外遥控信号以后，经过放大并解调出TTL电平信号送至微处理器进行处理。
经过微处理器处理以后存储到外存储器里。
当要发射红外信号时，根据扫描键盘电路获取的键盘值，从与键值相对应的外存储器存储区中还原出相应的红外遥控编码，并调制到38KHz的载波信号上。
最后通过放大电路驱动红外发光二极管发射红外信号。
达到学习和发射的目的，从而实现一个遥控器控制多种红外遥控设备的功能。
2.2方案论证
2.21学习方式
从目前市场上主要出现的万能学习型遥控器看,主要分为两大阵营：
（1）固定码式学习型遥控器。
这类学习型遥控器采用了“不完全归纳法”，也就是说对市场上所使用的遥控器信号大量的收集总结，对收集的信号分类，然后“分而治之”——对每种类别都预制一种解码程序和发射程序。
这种方式的学习过程是：
①学习信号的采集；
②判别信号的类别（属于那一种解码方案），编码，存储到ＥＥＰＲＯＭ。
优点：
这种学习型遥控器对硬件的要求相对简单，对主控制器（主控IC）的工作频率要求不太高，因为信号的发送频率，编码方式等等都是已知的，只要对采集的信号进行判别即可；另外对存储器的容量也比较低，因为它不存在压缩的问题，按照最原始的最简编码进行存储。
缺点：
只能对已知的遥器（或者说已经收集到的信号）有效，对于新开发，新型的编码格式就无能为力了。
（2）波形拷贝式学习型遥控器。
这类遥控器的设计思想是：
把原遥控器所发出的信号进行完全拷贝，而不管遥控器是什么格式，进行适当的压缩后，存储在存储器，当需要发射时，再由储存器读出解压后还原原始信号。
此方式的工作过程分以下几步完成：
对原始发射信号波形采集到主控MCU的ＲＡＭ中、分析信号，压缩信号，存储信号。
①发射信号波形的测量，这一步主要是将原始信号缓存储到ＲＡＭ中。
②分析信号，对采集到的信号进行分析，比如对信号发送的的高低电平的时间，等参数进行细致分析，便于下一步的压缩。
③压缩编码，根据常用高低电平的时间，特殊高低电平的时间，发送周期，对原始信号进行压缩编码。
④存储信号,把压缩编号后的数据存储到EEPROM中
优点：
可以使用任何遥控器的学习，无须更新代码程序即可使用目前所有乃至未来的所有红外线遥控的学
缺点：
对主控制芯片和存储器的选择都比固定式要高。
整体成本上较贵于固定码式学习型遥控器
由于遥控器发出的编码信号变化多样，市场上成百上千的编码方式并存，并没有一个统一的国际标准，只有各芯片厂商事实上的标准，使得模拟并替换各种原厂遥控器成为难点。
而且客户码、命令码也是由不同厂商自行规定的。
导致采用第一种方案来设计有很大的局限性，因此第二种是较为可行的方案。
即通过记录各种不同类型的遥控器的编码波形，将其存储下来并与某个按键关联，从而实现“学习”功能这样作不必关心编码的细节，通用性大大提高。
因此
2.22按键模块
方案1：
采用独立式按键。
独立式按键电路配置灵活，。
软件结构简单，每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/口线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。
但是每个按键必须占用一个I/O口线，在按键较多时，I/O口线浪费较大。
故在按键数量不多时，采用这种按键电路。
独立式按键与单片机接口图如2.1所示：
图2.1独立式键盘
方案2：
使用矩阵键盘管理专用芯片，比如HD7279。
占用比较少的资源就能管理一个按键数比较多的键盘，集成了硬件消抖功能，提高了程序的执行效率。
但是增加硬件成本和仪器的功耗。
方案3：
行列式键盘，用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行、列线交点行，行、列线分别连接到按键开关的两端。
在按键较多时，可以节省I/O口线。
2×4加3个功能键的键盘与单片机接口图如2.2所示。
图2.22×4加3个功能键的键盘
设计中使用的单片机I/O口丰富，不用考虑I/O口紧，而且通常家用电器有32个键盘，选择方案3。
2.23显示模块
方案1：
采用数码管（LED）显示。
数码管价钱较便宜，对环境因素要求较低，显示明亮，采用BCD编码显示数字，程序编译相对容易，资源占用少。
但同时它的显示容有限，只能显示简单的数字和字母。
这种常用的液晶，耗能也高。
方案2：
采用液晶（LCD）显示。
液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小，耗电量低，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强和显示形式灵活等优点。
只是编程工作量较大，控制其占用资源较多，但在本系统中对控制器的资源使用中完全可以使用。
综上所述，选择方案2。
2.24红外接收模块
方案一：
采用红外接收二极管加专用的红外处理电路。
接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。
红外接收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较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。
此种电路结构较复杂，现在一般不采用。
方案二：
采用一体化红外接收头。
红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，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，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。
所以，有了一体化接收头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高。
综上所述，选择方案2。
本系统所使用的红外接收头的型号是常用的HS0038，即其载波的频率是用38KHZ（37.9KHZ）。
2.25微控制器选择
方案1：
用常用的单片机。
AT89C51等类似的单片机我们之前用过，很熟悉，用它作为主控单元，但此类单片机往往由于工作频率较低，它的部存储器容量过小，难以满足本系统的设计需要。
方案2：
使用基于STC单片机，比如选择STC89C52RC型单片机是一种低功耗、高性能、采用CMOS工艺的8位微处理器，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容。
片8KFlash存储器可在线重新编程，或使用通用的非易失性存储器编程器。
由于一般的距离测量中，距离的变化速度并不太快，而且单片机的机器周期可达μs级，则其计时精度为μs级，完全可以满足系统测量的要求，并且成本较低。
STC89C52RC单片机,基于STC89C51核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统STC89C51,速度快8～12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强。
综上所述，选择方案2。
3硬件电路设计
3.1系统硬件基本组成
基于单片机的智能化遥控器的系统硬件结构主要有以下六部分组成：
单片机系统电路、红外接收电路、红外发送电路、存储电路、键盘电路、显示电路。
3.2主要模块电路设计
3.2.1键盘和显示电路设计
（1）键盘电路设计
2×4加3个功能键的键盘电路模块见图3.1所示。
键盘的实现方法是给所有的列线I/O口线均置成低电平，然后将行线电平状态读入到单片机中，如果有键按下，就会有一根行线电平被拉至低电平，根据次原理就可以检测到是哪个键按下。
。
图3.1键盘电路
（2）显示模块电路
显示部分采用了1602型LCD显示模块。
1602型LCD显示模块具有体积小，功耗低，显示容丰富等特点。
1602型LCD可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0~D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。
1602型LCD的接口信号说明和主要技术参数分别如表3.1、3.2所示.
表3.11602型LCD的接口管脚信号
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DataI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DataI/O
3
VL
液晶显示偏压信号
11
D4
DataI/O
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
DataI/O
5
R/W
读写选择端（H/L）
13
D6
DataI/O
6
E
使能信号
14
D7
DataI/O
7
D0
DataI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DataI/O
16
BLK
背光源负极
表3.21602型LCD的主要技术参数
显示容量
16X2个字符
芯片工作电压
4.5~5.5V
工作电流
2.0mA（5.0V）
模块最佳工作电压
5.0V
字符尺寸
2.95X4.35（WXH）mm
图3.2中的显示电路中的10针接口与单片机的P1口相连，6针的接口与单片机的P2口的高位相连。
图3.2显示电路
3.2.2红外发射电路及其编码
（1）红外发射电路
红外光是电磁波的一种，其频率高于微波而低于可见光，是一种人的肉眼看不到的光线。
通常将其中间0.76～1000µm的波谱段称为红外光谱区。
一般把红外光波谱细分为四个区域，即近红外（0.76～3.0µm）、中红外（3.0～6.0µm）、中远红外（6.0～20µm）、和远红外（20～1000µm）区。
这里说的近远是指红外光在电磁波谱中与可见光的距离而言。
我们实际的红外遥控系统中所使用的主要集中在0.76～1.6µm的近红外区。
红外线的波长较短，更适合用于短距离控制系统中。
近红外光可以通过红外发光二极管（LED） 获得红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。
发射电路如图3.3所示。
图3.3红外发射电路
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。
红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。
发光二极管有交流电流、直流电流和脉冲电流等驱动方式。
交流电流驱动方式主要用于红外测量、检测以及较简单的红外光通信中。
直流电流驱动方式，如图3.4（发射方式示意图）左图所示，也被称为平均发射方式，是指通过启动直流电源驱动发光二极管发出恒定的红外光。
一般用这种驱动方式的红外光电二极管功率较小（大都小于100mV）、功耗较大、抗干扰能力也很差。
图3.4发射方式示意图
为了提高红外遥控系统的工作距离，而又不使红外发光管过载，一般不采用这种方式，而是采用如图3.4右图所示的脉冲式发射方式或调制载波脉冲发射方式，红外遥控系统的工作有效作用距离取决于发光二极管辐射的峰值功率，而峰值功率是由驱动发光二极管的电路峰值所决定的。
在相同的平均电流下，脉冲宽度越窄，峰值功率越大，传输的速度就越快，发光的效率也就越高，遥控的有效距离也就越远。
这种发射方式也大大提高了系统的抗干扰能力。
对于红外光通信，除了红外遥控距离外，调制频率、调制带宽也是发光二极管的两个重要参数。
调制频率关系到红外发光二极管在光通信中的传输速度的高低，红外发光二极管因受到注入PN结有源区少数载流子寿命的限制（一般只有几十兆赫兹），从而限制了红外发光二极管在高比特速率系统种的应用。
通过合理的脉冲编码和优化驱动电路，可使发光二极管有可能用于高速光通信系统。
调制带宽定义为：
在保证一定的调制频率下，当发光二极管输出的交流光功率比参考频率下降3db时，所对应的频率值。
它是衡量发光二极管调制能力的重要参数。
（2）红外遥控编码
红外遥控器码将需要实现的操作指令事先编码，然后将所有编码的脉冲信号调制在38kHz方波的载波上，经过三极管放大后，驱动红外发光二极管向外发送。
其中38kHz载波直接由单片机用软件模拟，由定时器TO产生。
为保证38kHz方波的频率稳定性，在硬件设计时尽可能使用频率高的晶振，提高CPU运行速度。
在应用系统中，要完成对遥控器信号的解码并实
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