空调遥控器系统原理.docx

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空调遥控器系统原理

空调遥控器系统

随着社会经济的发展，空调器已经成为现代家庭中不可缺少的家电设备，因此空调遥控器也就成为日常生活中常用的遥控设备之一。

目前，红外遥控一直是遥控器设计采用的主要方式之一，它具有体积小，重量轻，简单易用等特点，完全可以满足用户需要。

本文的空调遥控器设计，采用的是中颖电子公司生产的SH6614单片机。

这款单片机具有8位I/O输出口，可以作为键盘扫描电路的端口；系统的PA1和PA2可以作为声音发生器，对其进行编程则可以产生红外发射常用的38K载波，满足红外发射的需要；该款单片机还自带LCD输出端口，可以对LCD进行有效驱动，无需外加辅助电路；系统提供的双晶振结构可以对系统时钟进行切换，从而实现空调遥控器的节能设计。

空调遥控器的显示界面采用由用户定义笔画的定制LCD，键盘采用3×4矩阵键盘，不仅可以满足用户需求，而且能够很好的与单片机进行协调工作。

因此，这款单片机和选择的外围设备能够很好的满足空调遥控器的设计要求。

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。

其工作原理如下微处理器芯片IC1内部的振荡器通过2、3脚与外部的振荡晶体X组成一个高频振荡器，产生高频振荡信号（480kHz）。

此信号送入定时信号发生器后产生40KHz的正弦信号和定时脉冲信号。

正弦信号送入编码调制器作为载波信号；定时脉冲信号送制扫信号发生器、键控输入编码器和指令编码器作为这些电路的时间标准信号。

IC1内部的扫描信号发生器产生五中不同时间的扫描脉冲信号，由5～9脚输出送至键盘矩阵电路。

当按下某一键时，相应于该功能按键的控制信号分别由10～14脚输入到键控编码器，输出相应功能的数码信号。

然后由指编码器输出指令码信号，经过调制器调制在载波信号上，形成包含有功能信息的高频脉冲串，由17脚输出经过晶体管BG放大，推动红外线发光二极管D发射出脉冲调制信号。

2空调遥控器设计技术要求

本章主要阐述了空调遥控器的设计任务，包括要求完成的功能，系统不同工作模式的说明，系统要求的编码规范和发射波形规范等，这就为空调遥控器的总体设计做出规定，为设计工作提出了基本要求。

2.1功能要求

空调遥控器是以单片机为核心，由键盘接收用户命令，通过发射编码对空调进行操作并用LCD对当前状态进行显示，无操作状态下系统进入低功耗模式。

功能有：

1.自动、制冷、制热、抽湿模式设定

2.十二小时预约开机或关机功能

3.温度设定范围：

17ºC--32ºC

4.低、中、高、自动四档风速设定

3空调遥控器硬件设计

本章主要阐述了空调遥控器硬件设计，包括单片机的选型、红外发射电路设计、LCD驱动电路设计、键盘扫描电路设计和系统双时钟设计，详细阐述了各部分的基本原理和设计过程。

空调遥控器硬件设计框图如图3-1：

Fig.3-1Blockdiagramforair-condition

remotecontroller’shardwaredesign

3.1单片机选型

空调遥控器使用的单片机应该满足LCD驱动，键盘扫描，红外发射和系统低功耗设计。

中颖电子的SH66xx系列4位单片机是精简指令集单片机，所有指令具有相同指令周期，具有速度快，功耗低，抗干扰能力强，结构简单易用，性价比高等特点。

SH6614是其中的一款具有双晶振及液晶驱动功能的单片机,经过编程PA1口可以发出38K载波供红外遥控发码时使用，I/O口PA和PB可作为键盘接口，因此完全满足空调遥控器设计。

3.2红外发射电路设计

3.2.1红外遥控基本原理

3.2.1.1概述

人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。

比紫光波长还短的光叫紫外线，比红光波长还长的光叫红外线，红外线遥控就是利用波长为0.76～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。

常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。

发射部分的主要元件为红外发光二极管。

它实际上是一只特殊的发光二极管，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，它便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。

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。

红外接收二极管一般有圆形和方形两种。

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。

多路控制的红外发射部分一般有许多按键，代表不同的控制功能。

当发射端按下某一按键时，相应地在接收端有不同的输出状态。

接收端的输出状态大致可分为脉冲、电平、自锁、互锁、数据五种形式。

“脉冲”输出是当按发射端按键时，接收端对应输出端输出一个“有效脉冲”，宽度一般在100ms左右。

“电平”输出是指发射端按下键时，接收端对应输出端输出“有效电平”，发射端松开键时，接收端“有效电平”消失。

此处的“有效脉冲”和“有效电平”，可能是高、也可能是低，取决于相应输出脚的静态状况，如静态时为低，则“高”为有效；如静态时为高，则“低”为有效。

大多数情况下“高”为有效。

“自锁”输出是指发射端每按一次某一个键，接收端对应输出端改变一次状态，即原来为高电平变为低电平，原来为低电平变为高电平。

此种输出适合用作电源开关、静音控制等。

有时亦称这种输出形式为“反相”。

“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，其它如调光、调速、音响的输入选择等。

“数据”输出是指把一些发射键编上号码，利用接收端的几个输出形成一个二进制数，来代表不同的按键输入，这种输出形式一般用于与单片机或微机接口。

本文介绍的空调遥控器设计就是采用这种编码。

3.2.1.2遥控指令编码规律

遥控器所发送的功能指令码一般采用多位二进制串行码，例如某彩色电视的红外遥控码，其编码规律为：

头脉冲、系统码、资料码、资料反码和结束位。

头脉冲用做一帧命令的起始位；系统码用于区别不同类的电器；资料码用于完成命令功能；资料反码是将资料码按位取反的码。

每次进行发送都是先发送脉宽4510us、周期2*4510us的头脉冲，然后连续发送两次系统码、接着发送资料码及资料反码、最后发送结束位，波形见图3-4。

图3-4遥控指令编码图

Fig.3-4Diagramforremotecontrolinstructioncode

3.2.1.3数据脉冲编码

红外通讯数据采用脉冲编码，所谓脉冲编码，就是将每位数据信号用一个脉冲来表示。

例如红外编码以脉宽561us、周期4*561us代表“1”；以脉宽561us、周期2*561us代表“0”。

脉冲信号都调制在占空比为1/3，频率为38kHz的载波上再发送出去，调制后的信号“1”和“0”如图3-5所示。

这样做有两点好处：

第一，减少了有效的发射时间，有利于降低平均功耗，这对于采用干电池供电的发射器十分重要；第二，外部干扰信号多为缓变信号，有利于抗干扰。

图3-5信号1和0

Fig.3-5Signal1and0

3.1.2.4程序设计流程图

红外发射程序流程图如图3-6所示。

图3-6程序流程图

Fig.3-6Programflowchat

3.2.2红外发射电路

常用的红外发光二极管（如SE303·PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93μm）。

管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。

为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。

发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。

为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值电流，就能增加红外光的发射距离。

提高峰值电流的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度。

减小冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。

要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。

红外发射电路如图3-7所示。

图3-7红外发射电路

Fig.3-7Infraredsendingcircuit

3.3LCD驱动电路设计

3.3.1LCD基本原理

LCD（LiquidCrystalDigit）具有耗电低，驱动电压低，结构空间小而有效显示面积大、体薄物轻等优点，在各类电子产品中得到广泛应用。

LCD的基本结构及工作原理：

液晶显示器的结构如图3-8所示：

Fig.3-8ConfigurationofLCD

Fig.3-8BasicconfigurationofLCDdisplay

在上、下两层电极之间封入向列型液晶材料，液晶分子平行排列，上、下扭曲90º，在无外部电压状态下，外部入射光通过上偏振片后形成偏振光，该偏振光通过平行排列的液晶材料后备旋转90º，再通过与上偏振片垂直的下偏振片，被反射板反射回来，呈透明状态；当上、下电极加上一定的电压后，电极部分的液晶分子转成垂直排列，失去旋光性，从上偏振片入射的偏振光不被旋转，光无法通过下偏振片返回，因而呈黑色。

根据需要将电极做成各种文字、数字、图形，就可以获得各种状态显示。

显示内容由引脚端和公共端共同决定，在应用时，只要给相应引脚端写入信号，即可显示，LCD内部自带刷新电路，不必重复写入。

本文的空调遥控器设计中采用的是由厂家定制的一款LCD，LCD的面板和引脚定义如图3-9和表3-2。

①②C

定时开

③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩

图3-9LCD面板图

Fig.3-9SurfacediagramofLCD

表3-2对LCD的引脚定义进行了说明。

设计中把SH6614设定为8个公共端，30个LCD引脚输出。

如表中所示，SEG1和COM1-COM4共同定义了“模式”笔画,在程序中将其定义为SEG11L；SEG2和COM1-COM4共同定义了“风速”笔画，在程序中将起定义为SEG12L；其它可以以此类推。

数码显示①-⑩用作温度和定时时间的显示，分别由SEG3-SEG12与COM1-COM8来定义。

表3-2LCD引脚定义

Table3-2DefineofLCD’spins

SEG

LCD

COM4

COM3

COM2

COM1

SEG11L

SEG1

Auto

Warm

Dry

Cool

SEG12L

SEG2

Auto

Lwind

Mwind

Hwind

SEG1L

SEG3

1.d

1.c

1.b

1.a

SEG2L

SEG4

2.d

2.c

2.b

2.a

SEG3L

SEG5

3.d

3.c

3.b

3.a

SEG4L

SEG6

4.d

4.c

4.b

4.a

SEG5L

SEG7

5.d

5.c

5.b

5.a

SEG6L

SEG8

6.d

6.c

6.b

6.a

SEG7L

SEG9

7d

7.c

7.b

7.a

SEG8L

SEG10

8d

8.c

8.b

8.a

SEG9L

SEG11

9.d

9.c

9.b

9.a

SEG10L

SEG12

10.d

10.c

10.b

10.a

SEG

LCD

COM8

COM7

COM6

COM5

SEG11H

SEG13

Pic-w

ºC

Code

SEG12H

SEG14

Timeo

:

:

Timec

SEG1H

SEG15

1.g

1.f

1.e

SEG2H

SEG16

2.g

2.f

2.e

SEG3H

SEG17

3.g

3.f

3.e

SEG4H

SEG18

4.g

4.f

4.e

SEG5H

SEG19

5.g

5.f

5.e

SEG6H

SEG20

6.g

6.f

6.e

SEG7H

SEG21

7.g

7.f

7.e

SEG8H

SEG22

8.g

8.f

8.e

SEG9H

SEG23

9.g

9.f

9.e

SEG10H

SEG24

10.g

10.f

10.e

3.3.2LCD驱动电路

SH6614单片机的LCD输出口可采用30×8或34×4两种方式，这里定义$15Bit0=0，则采用的是30×8，即：

8个公共端，30个LCD输出引脚。

这里

24-36引脚的LCD输出端，即SEG1-SEG12，LCD驱动电路如图3-10所示。

图3-10LCD驱动电路图

Fig.3-10LCDdrivecircuit

3.4键盘扫描电路设计

3.4.1键盘基本原理

键盘系统一般分为非编码式键盘和编码式键盘，这里只讨论非编码式键盘。

1.键盘电路结构

由若干个按键组成的键盘，其电路结构可分为独立键结构和矩阵键盘结构。

独立按键结构每个键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线上的安键工作状态不会影响其他I/O口线上的状态。

矩阵键盘结构按键排列为行列式矩阵结构，也称行列式键盘结构。

如4行4列共16个键，只占用8根I/O口线，故键数目较多时可节省I/O口线，但这种结构的软件较繁。

本文的空调遥控器设计就是采用3×4矩阵式键盘。

2.键盘工作方式

在无按键操作时，通常CPU在执行其他任务，只在有按键操作时才根据闭合键执行相应的键处理任务。

键盘的工作方式可分为编程控制方式和中断控制方式。

CPU在一个工作周期内，利用完成其他任务的空余时间，调用键盘扫描子程序。

经程序查询，若无键操作，则返回；若有键操作，则进而判断是哪个键，并执行相应的键处理程序。

这种方式为编程扫描方式。

有时在正常工作中，并不会经常进行键操作，因而编程控制方式使CPU经常处于空查询状态。

在CPU工作任务十分繁重的情况下，为提高CPU的效率，可采用中断控制方式。

只要有按键按下，便向CPU相应中断后，在中断服务程序中进行键盘扫描、查键值与键处理等工作。

3.设计要点

非编码键盘系统基本任务如下：

●监测有无键按下；

●判断是哪个键按下；

●完成键处理任务。

为快速可靠的实现按处理任务，还应从电路或软件角度妥善解决如下问题。

●消除键抖动影响

键触点的闭合或断开瞬间，由于机械触点的弹性作用，会产生短暂的抖动现象，其抖动时间长短与其机械特性有关，一般约为5-10ms，抖动过程引起电平信号的波动，有可能令CPU误解为多次按键操作，而引起误处理。

消除键抖动影响的颖键方法是每个键增加一个R-S触发器，这种方法只适用于键数目较少的情况。

若键数目较多，通常采用软件延时的方法：

当监测到有键按下时，调用一个延时（一般5-20）子程序，然后在此监测到该键电平仍为闭合状态，才确认该键已按下，并进行相应处理工作。

这种消除键抖动影响的软件措施是切实可行的。

●采取串键保护措施

串键是指同时有一个以上的键按下。

串键会引起为机的错误相应。

通常用软件提供串键保护。

当判断是一个以上的键被按下，则返回重新进行监测。

只有当监测到只有一个键被按下时，才去查键号、执行相应键处理工作。

为了防止误操作的不良影响，应从软件设计的角度着手设置保护。

对于某些设定参数的键，如果参数存在上、下限值要求，可采取软件限幅措施。

对于某些参数若存在非法数值，可由软件判断，必要时予以拒绝接收。

4.键盘扫描技术

键盘扫描技术可分为行扫描法、线反转法、状态矩阵法，这里仅简单介绍下面将要用到的行扫描法。

行扫描法是在确认有键闭合之后，逐行（或逐列）置低电平，并读入列（或行）状态，如果出现非全1状态，那么0状态的行、列交叉点就是被按下键。

例如，4行4列键盘，首先只使第一行为“0”电平，其余各行为“1”电平，然后读入列状态，在进行键盘去抖动处理后再次读入列状态，比较两次读入结果，如果相同则可确认按下有效键，并到键盘状态表中查找与已经储存信息相吻合的键值，然后进入相应的键盘处理程序。

3.4.2键盘扫描电路

3.4.2.1键盘扫描电路如图3-11所示。

图3-11键盘扫描电路

Fig.3-11Keyboardscancircuit

图中用PA0、PA2、PA3和PB0、PB1、PB2、PB3组成3×4矩阵键盘。

其中K1-K10为定义的按键，它们分别为：

开机、关机、模式、温度、风速、温度+、温度-、定时开、定时关、小时、分钟，按下按键则进入相应操作，具体含义和操作步骤可以参看空调遥控器按键功能设计，K11和K12在系统中没有定义，可以在以后修改设计增加功能时使用，在制作线路板时做出但不必做按键。

3.4.2.2空调遥控器按键功能设计

1ON键

在关机状态下，按一下此键，发射指示点亮，LCD有显示，遥控器进入开机状态，同时把当前设定的运行模式、温度值、风速、定时等信息按编码规范的要求，发射信息。

2OFF键

在开机状态下，按一下此键，发射指示点亮一次，LCD熄灭，同时发射关机信息。

若已设定了定时开机、定时关机，遥控器进入关机状态之前，先取消以上两种设定状态，然后发射关机信息。

3MODE键

在开机状态下，每按一次此键，液晶屏的模式区显示相应的模式，发射指示点亮一次，同时把当前设定的运行模式、温度值、风速、定时等信息以红外编码方式发射出去。

运行模式按如下顺序循环切换：

自动、制冷、抽湿、制热

4“+”/“-”键

4.1在开机状态下，每按一次调整“+”键，设定温度递增一度，并发射相应的红外信息。

当温度增至32ºC，即使继续按此键，设定温度亦不再增加，但有信号发射。

4.2在开机状态下，每按一次调整“-”键，设定温度递减一度，并发射相应的红外信息。

当温度增至17ºC，即使继续按此键，设定温度亦不再减少，但有信号发射。

5定时开、定时关键

按定时开，进入定时开设定，定时开符号显示，然后按小时、分钟键调整时间，定时关与此相同。

6小时、分钟键

按相应键,进入响应时间调整,只在定时开/定时关时有效。

小时键每次增加1小时，1-12小时循环；分钟键每次改变30分钟。

3.5系统双时钟设计

SH6614单片机内部集成了双时钟，这就为空调遥控器的节能设计提供了方便，在没有编码发射时系统采用32.768K晶振，维持系统的运行，在长期（超过5m）没有按键和发码操作则系统暂停工作，进一步节省能源；当有效按键按下有编码发射时，系统时钟切换到455K，利用单片机中的PSG产生38K载波，发射红外编码。

系统时钟电路如图3-12所示。

图3-12时钟电路

Fig.3-12Clockcircuit

4空调遥控器软件设计

4.1.1.系统初始化程序设计

系统初始化程序框图如图4-1。

初始化系统寄存器：

这是上电之后进入的第一个程序模块，同时也是RESET进入的程序模块。

在这个程序模块中，系统首先对系统寄存器进行了初始设置，包括：

开中断，中断服务寄存器清零，TM0和BTM初始设置，定义PORTA为输入口、PORTB为输出口，定义PA1为38K载波红外发射口并对PSG进行红外发射初始化。

4.1.2.LCD初始化程序设计

LCD初始化程序包括清LCD和满屏显示2s程序。

这里之所以把两个模块放在一起，是因为尽管在总的看来这是两个模块，但实际上这两个模块公用了大段程序，只是从不同的入口进入，而从相同的出口返回。

4.1.3.键盘扫描程序设计

在这个程序中，PB0-PB3送出扫描码，PA0,PA2,PA3负责接收，可以从扫描码及接收码来判断哪一个键被按下，并将其值存储，然后转向键盘处理程序。

键盘扫描程序如图4-3。

4.1.4.低高频转换程序设计

低频转换到高频，在程序中应该先将高频打开，经过短暂时间后再切换，否则可能单片机不能得到马上相应而出错，高频转换到低频由相同原则。

4.1.5.系统休眠程序设计

调用键盘扫描程序后，如果没有有效按键，则启动定时器进行5s内是否有按键按下的判断。

如果在定时中断之前有键按下，则重新进行键盘扫描；如果没有键按下，则进入HALT模式，使系统进入省电模式，当有按键按下则系统退出HALT模式重新进行键盘扫描。

4.2软件主流设计