哈工程电子电路综合实验红外发射接收系统.docx
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哈工程电子电路综合实验红外发射接收系统
电子电路综合设计实验报告
设计实验选题七（接收部分）
---基于单片机的红外遥控收发系统的设计实现
姓名：
周迪
学号：
2010042105
2013年4月17日~~2013年4月24日
摘要
红外线是现代社会中已经极为常见，在遥测、遥控等领域中，往往使用微机与单片机组成多机通信系统来完成测控任务。
其中，常用的方法是使用微机的RS-232C串行接口进行串行数据通信。
由于受环境的影响以及RS-232C串行接口电气性能的限制，加上连接线长、接线麻烦等缺点，其通信的空间范围总是受到限制，并使人们感到不便。
因此，人们想到了无线传输。
常用的无线传输方式有无线短波传输和红外线传输，但这两种方式都有一定的局限性，如短波方式易受外界电磁场的干扰，线外线传输方式不能隔墙传输等等，本文将介绍采用最新的无线长波收发模块638以及三态编解码芯片MC145026/MC145027来设计无线数据通信装置的方法。
该装置具有抗干扰性能好、穿透性强、传输距离远等特点。
由于串行接口传输速度慢，信号处理电路复杂，外接模块困难。
因此，本装置选用并行接口通信，从而使得电路简单易做、可靠性高。
本设计是以STC89C51单片机为控制核心，本装置主要由数据编解码和发射接收两大模块组成，设计系统组成图如下：
发射部分电路模块：
STC889C51单片机作为主控核心，采用三态编解码芯片MC145026作为编码芯片，CD4011逻辑器件作为反相用途，采用单段的数码管显示发射的数字，采用八位按键输入，采用MAX232作为电平转换电路作为单片机与PC机之间的程序下载用途。
接收部分电路模块：
STC889C51单片机作为主控核心，与MC145026配对使用的三态编解码芯片MC145027作为解码芯片。
74LS02逻辑器件作为反相用途，采用单段的数码管显示发射的数字，八位的发光二极管显示顺序，638作为红外的接收头，采用MAX232作为电平转换电路作为单片机与PC机之间的程序下载用途。
实现方法：
本实验采用单片机控制，发射部分的数据经过调制编码后送入电光变换电路经过红外发射管转换为红外光脉冲发射出去，为了增加抗干扰能力将编码的信号调制在较高的频率载波上发射。
在接受部分接收头将接收到的光信号装换为电信号，经过解调将发射数据解调出来，输入单片机进行控制。
实现功能:
无线数据的发射与接收
特点及水平:
实现无线数据传输，在三米近距离的范围内可以收到发射数据
关键词：
单片机;可靠性;MC145026;MC145027；无线数据传输。
第一章：
系统概述
第一部分：
课题的任务及要求
设计选题：
基于单片机的红外遥控收发系统的设计实现
设计任务：
设计一个红外遥控收发系统
设计要求：
1.发射频率：
38kHz
2.电源：
9V/0.2A5V/0.1A
3.接受范围：
2m
4.传输速率：
27bit/s
5.反应时间：
2ms
设计目的：
1.掌握常用红外集成发射，接收头的设计使用方法。
2.掌握数字显示电路的设计构建方法。
3.掌握电子电路系统设计的基本方法。
4.培养提高综合利用多学科相关知识进行初步工程设计与实际装调系统电路的能力。
第二部分：
设计方案的对比
1.总体方案的选择
方案一
方案一系统框图
此方案的控制部分采用STC89C51单片机，整个系统可编程，使得系统灵活性大大增加，实现起来较为简单。
本方案采用的是用解码电路的解码送给单片机单片机直接对码值进行操作，输出进行显示。
方案二：
方案二系统框图
这种方法采用串口数据传输，一方面利用软件解码，，一方面完成电压的译码显示，单片机的任务较为繁重。
对于软件的依存大，对操作者的软件水平有较为高的要求。
方案比较与选择：
第一种方案优点：
（1）采用硬件解码，由解码芯片自动输出所接收取的数值。
（2）不需要繁琐的程序定义和解码程序。
（3）对操作者的软件要求相对较低。
更适合实验的考察和各学科知识的融合。
第一种方案缺点：
（1）硬件电路较为复杂。
（2）经济型相对较差。
第二种方案优点：
（1）电路较第一种简化。
（2）采用串口数据输入，对单片机的端口设置占用较少。
第二种方案缺点：
（1）对电路的准确性和防干扰能力要求高。
（2）软件解码相对繁琐。
（3）解码时间上来说采用串口输入时间会相对较长。
（4）软件要求高。
综合实验的条件和操作者的水平，以及实验的综合性质采用第一种方案。
第三部分：
模块的设计方案与选择
（1）单片机的选择：
方案一：
Motorola单片机
方案二：
飞思卡尔单片机
方案三：
凌阳单片机
方案四：
STC单片机
方案对比：
以上个方案的单片机均可以实现数据的发送以及端口的操作，对于本实验功能来说，都可以实现，考虑经济和实用性选择STC单片机。
（2）红外编码解码芯片的选择：
方案一：
PT2272-M6/PT2262-M6红外编码解码芯片。
方案二：
HT6221SOP-20红外遥控编码解码芯片。
方案三：
MC145026/MC145027红外编码解码芯片。
方案的对比选择：
由于本实验中采用发射与接收分开制作的模式，接收部分芯片必须与发射部分相匹配，在试验中发射部分采用Motorola公司的MC145026编码芯片，所以在接收部分也选择Motorola公司的MC145027解码芯片。
（3）显示模块的选择：
方案一：
数码管显示。
方案二：
采用1602液晶显示。
方案三：
采用12864液晶屏显示。
方案四：
采用LED点阵显示。
方案的对比与选择：
本实验显示接收到的一位数字，一位数码管已经足够显示信息。
对于其余的方案，在经济性上明显不如第一种。
而且方案二、三、四在软件上有较为繁琐的定义，故采用第一种方案。
（4）下载模块
方案一：
选用串口下载的方式，运用九针串口与MAX232相结合进行单片机与计算机的通信。
方案二：
选用USB下载的方式，运用USB口与PDIUSBD12相结合进行单片机与计算机的通信。
方案对比与选择：
鉴于MAX232更容易购得且均可达到预期目标，故选择方案一。
（5）显示顺序流水灯模块。
方案一：
八位发光二极管。
方案二：
1602液晶显示。
方案对比与选择：
仅仅显示顺序，发光二极管更为简单且便宜。
所以在实验里选择方案一。
（6）红外接收头模块
采用一体化的红外接收头638。
这一款的红外接收头具有小型设计、内置专用、IC宽角度、长距离接收抗干挠能力强、能抵挡环境干挠光线、低电压工作的特点，安全符合实验的要求。
综上，红外遥控收发系统以STC89C51单片机为控制核心，采用专用的集成编码芯片MC145026进行编码操作，利用逻辑芯片CD4011构成多谐振荡器产生38kHz的载波信号，采用普通的红外发射头将编码信号发射出去，通过集成一体化红外接收头638对编码信号进行接收、放大和整形，解码部分采用MC145027通用解码器将接收到串行数据进行编码，通过单片机控制数码管和流水灯进行相应显示。
该红外遥控系统主要分为编码、调制、发射、接收和解码等部分，其中发射部分包括键盘、编码调制、红外发射管和数码管显示，接收部分包括红外接收装置、解码电路、数码管和发光二极管显示电路。
实验的硬件部分已经基本成形，对于实验的各个模块的选择符合要求，并且经济适用。
而且此设计要求最终制作出实体，因此，设计原理图时应着重考虑设计最终的电路板的可行性。
在电路焊接之前要在在设计时要对每一个电路模块仔细检查，查阅其他书籍进行校对，还要对每个模块进行物理实验，以确保设计的可实现性。
在焊接过程中要尽量的注意保护器件不被损坏。
在后续的电路板的调试阶段，需要将诊断模块程序和单片机仿真机一起进行，从而克服调试程序本身的不可靠性，而且这种方法可方便地进行调试及错误诊断。
以上对设计中对于实验中可能遇到的较为重要的问题进行了分析并提出了解决方法。
综合实验所选的硬件芯片的价格合理，成本低，所以经济上本设计完全可行。
第四部分：
系统方框图
第五部分：
系统原理
接收系统在初始状态处于无限扫描状态，扫面是否有接收到红外输入，没有输入就一直扫描，如果有输入开始对输入进行处理，再由单片机进行对外部显示模块进行控制，从而达到显示的目的。
第六部分：
章节总结
系统制作的第一步是对要做系统的分析，此步必不可少，对后期的各部分制作有很大的帮助，要尽力做好此部分，为以下的过程节省时间和精力。
第二章：
单元电路设计与分析
第一部分：
STC89C52单片机
1．简介
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。
尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：
CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。
同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。
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。
2．晶振电路
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产生。
内部方式的时钟电路如图所示，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。
晶振电路
3.复位及复位电路
（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。
（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
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，。
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。
上电复位电路
按键手动复位有电平方式。
也是本系统的复位电路，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，其电路如图所示。
按键复位电路
4.STC89C52具体介绍：
（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
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。
PO口（Pin39～Pin32）：
8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7
P1口（Pin1～Pin8）：
8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7
P2口（Pin21～Pin28）：
8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7
P3口（Pin10～Pin17）：
8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7
第二部分：
数码管显示原理
1.数码管结构
输出电压采用7段数码管进行显示。
数码管由8个发光二极管（以下简称字段）构成，通过不同的组合可用来显示数字0~9、字符A~F、H、L、P、R、U、Y、符号“-”及小数点“.”。
数码管的外型结构如图（a）所示。
数码管又分为共阴极和共阳极两种结构，分别如图（b）和图（c）所示。
（a）外型结构（b）共阴极（c）共阳极
数码管结构图
2.数码管工作原理
共阳极数码管的8个发光二极管的阳极（二极管正端）连接在一起，通常，公共阳极接高电平（一般接电源），其它管脚接段驱动电路输出端。
当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能吸收额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
共阴极数码管的8个发光二极管的阴极（二极管负端）连接在一起，通常，公共阴极接低电平（一般接地），其它管脚接段驱动电路输出端，当某段驱动电路的输出端为高电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。
此时，要求段驱动电路能提供额定的段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
16进制数的编码
0xc0
0xf9
0xa4
0xb0
0x99
0x92,
0x82
0xf8
0x80
0x90
0x00
10进制数的编码
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
无显示
共阳数码管显示字表
3.数码管电路图
第三部分：
接收解码电路
1.模块简介
通过集成一体化红外接收头638对编码信号进行接收、放大和整形，解码部分采用MC145027通用解码器将接收到串行数据进行编码，通过单片机控制数码管和流水灯进行相应显示。
2.MC145027原理介绍
1.2MC145027的解码方式
MC145027是与MC145026配套使用的解码器（MC145027/145028）的一种,具有4位数据输出和5位
地址编码,根据其地址的不同组合可以产生
种不同的地址编码。
根据其地址的不同组合可以产生
种不同的地址编码。
MC145027的引脚功能和外部电路如图4所示,其功能框图如图5所示。
MC145027通过RC积分电路来完成宽窄脉冲的识别,图5中,定时元件R1、C1决定对宽窄脉冲的识别。
。
R2、C2是整个发送周期的辨别定时元件,用以确定各个有效单字,
。
当编码信号从数据输入端（9脚）输入时,6脚将出现与9脚相同的信号,该信号经R1、C1积分电路积分后由7脚送至数据提取电路,数据提取电路在输入信号的每一个上升沿通过检测7脚的状态来判断输入的是宽脉冲还是窄脉冲。
图6给出了6脚和7脚信号的波形,假定数据输入端输入的是“开路”编码（即一个宽脉冲和一个窄脉冲）,宽脉冲开始于t0时刻,结束于t1时刻,窄脉冲开始于t2时刻,结束于t3时刻,整个编码于t4时刻结束。
那么,在t1时刻,7脚的电压为：
在此时刻,数据提取电路检测到的7脚电平为高电平,说明上一个脉冲为宽脉冲;此后窄脉冲通过R1给C1充电,在窄脉冲结束时的t3时刻,7脚的电压为0.74Vcc,在此后的一段时间里C1通过R1放电,在编码结束的t4时刻,7脚的电压为0.1Vcc。
此时数据提取电路检测到7脚的电平为低电平,说明上一个脉冲为窄脉冲。
由此可见MC145027并不是对接收到的脉冲信号直接进行解码,而是将输入信号积分后进行解码,由于积分电路能滤除瞬间的尖脉冲干扰,因此MC145027接收的编码信号即使受到某种程序的干扰,MC145027依然能够进行正确的解码。
引脚
主要功能
引脚
主要功能
1
A1:
为地址线
9
DataIn:
数据输入端
2
A2:
为地址线
10
R2/C2
3
A3:
为地址线
11
VT:
接收数据有效输出端
4
A4:
为地址线
12
D9:
为数据线
5
A5:
为地址线
13
D8:
为数据线
6
R1
14
D7:
为数据线
7
C1
15
D6:
为数据线
8
VSS:
地
16
VDD:
电源
Mc145027引脚功能表
MC145026/MC145027时序图
3.解码电路图
74LS02内部结构和真值表
第四部分：
流水灯电路
1.模块简介
流水灯又称跑马灯，在本实验中采用八位流水灯，根据收到的信息进行依次循环的点亮。
2.电路图
第五部分：
电平转换
1.模块简介
利用MAX232进行电平转换，以实现PC机与单片机的通讯，将PC机里面的程序下载到单片机里。
MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。
2.结构及原理介绍
内部结构基本可分三个部分：
（1）电荷泵电路。
由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。
功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。
（2）数据转换通道。
由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。
其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。
8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。
（3）供电。
15脚DNG、16脚VCC（+5v）。
3.电路图
4.使用方法
由电路图知道在1、2、3、4、5、6引脚的四个电容用来产生+12V和-12V的电平，提供给MAX232所用。
引脚11、12接到了单片机的P3^0（RXD）和P3^1（TXD）脚数据的读取和传送端口。
引脚13、14与串口3、2脚相接，用于数据的传输。
引脚5共地端。
第六部分：
电源部分
1.模块简介
电源模块为整个的电路板供电。
用一个发光二极管指示是否上电，电阻R16作为限流电阻。
电容作为电路保护。
2.
模块电路
第七部分：
章节总结
综上，资料的查阅、电路的计算和电路的绘制已经准备完毕，对于各个电路的可实现性还有待于物理实验的检测。
第三章：
电路的焊接以及测试
第一部分：
电源模块
测试结果：
由测试结果知电源模块输出为接近5V的直流电源，其波动在允许的范围内，得到良好的波形图。
第二部分：
最小系统
测试结果：
本图是单片机的引脚30（ALE锁存允许端）信号，图中可以看出接近方波，其频率为接近2MHz，与已知的理论知识完全一致，电路正常工作。
本图是单片机最小系统的晶提振荡器（引脚18）的波形.。
由图可以看出其输入频率是12.05MHz，与晶振上标注的12M极其接近，电路正常工作。
由以上两张图可以明显得知单片机最小系统已经正常工作。
第三部分：
638接收部分
测试结果：
本图为638接收头接收到某一信号的显示图，此图说明638电路已经正常工作，图中的波是数据与载波的叠加结果。
第四部分：
电平转换
测试结果：
电平转调试结果说明图，本图是下载程序成功后的界面，程序下载到单片机说明电平转换的电路完全正常。
第五部分：
测试的问题
（1）单片机最小系统的输出波形与理论的波形差别较大。
解决办法：
第一步：
查电路是否有错，最小系统的焊接是否与电路图一致。
经检查焊接无误。
第二步：
检查有无虚焊，经检查无虚焊。
第三步：
查硬件部分是否有损坏。
检查单片机是否能正常工作，经检查单片机完好，检查复位电路是否好用，经测试在按键按下时复位端的确有持续的高电平，复位电路正常。
检查晶振部分是否正常，经检查竞争部分未正常工作，检查与其相接的电容是否有损坏，经检查电容被损坏，换上新的电容测试，最小系统正常工作。
问题
（1）总结：
硬件元件的好坏是电路正常工作的关键，有一个小部件的损坏就会影响整个电路的工作，在焊接前要对每个小的部件进行测试而且在焊接过程中要保证焊接质量的同时尽量快些，切勿损坏器件，造成不必要的麻烦。
（2）电平转换模块没有正常工作，程序无法下到单片机里。
解决办法：
第一步：
查询电路，焊接部分是否与电路图一致，经检查焊接部分与所绘制的电路图一致。
第二步：
查硬件部分电容有没有损坏的。
用万用表测电容的容值，经测试所有电容的值都正常。
第三步：
查看芯片是否好用。
将芯片放在已经确定好用的电路中测试能不能正常工作，经测试芯片好用。
第四步：
检查串口是否正常导通。
经检测串口正常好用。
第五步：
串口线是否匹配。
换另外的串口线，装上串口再次测试电路是否能正常工作。
经检测程序还是无法下到单片机里。
第六步：
换微机，将串口线与串口接到另外一台微机，再次尝试下载。
经测试下载成功。
问题
（2）总结：
由于串口线的不匹配问题导致下载失败，试验中要注意线路的匹配问题。
（3）数码管显示时候，显示的数字2和3不能正常显示。
解决办法：
第一步：
检查程序是否有写错的地方。
经检查程序并无错误。
第二步：
检查电路焊接是否有错误。
经检查电路焊接有错，将数码管的f、g脚焊接的顺序接反。
改正后经测试数字都可以显示正常。
问题（3）总结：
在焊接电路时候，注意与电路图的一致性，错一点结果相差就很远。
（4）发光二极管不能发光。
解决办法：
第一步：
断电后用万用表测试数码管是否损坏，经测试发光二极管并未损坏。
第二步：
查电路是否有错。
经检测电路焊接没有错。
第三步：
查是否有虚焊。
经检测焊点的确有虚焊，重新焊接后二极管正常发光。
问题（4）总结：
在焊接过程中，虚焊在所难免，在焊接结束是应该首先用万用表测试焊接是否有断点、虚焊、漏焊等等。
第六部分：
测试仪器
（1）数字示波器
（2）直流稳压电源
（3）万用表
（4）微机
第七部分：
章节总结
电路的测试是在做系统的必不可少的环节也是极其重要的环节，对每个模块的测试以及对整体电路的调试时做工程的基本，这就要求制作者对于电路的原理以及相关的知识熟练运用，同时对仪器的使用也得熟知。
在调试环节对于各种不同的环节会出现很多意想不到的错误，遇到错误从基本的电路开始查起，从硬件及软件两部分进行查错，一直到查处错误为止，学会解决问题的方法及其基本步骤。
第四章：
软件设计
第一部分：
系统总程序设计
系统的软件部分主要包括以下几个模块：
接收数据读取模块，数字显示模块，流水灯模块。
通过几个模块的有机结合和相互协调来实现输出设定电压的功能。
系统软件框图
第二部分：
系统程序流程图
第三部分：
软件基础
C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。
目前，使用C语言进行程序设计已经成为软件开发的一个主流。
用C语言开发系统可以大大缩短开发周期，明显增强程序的可读性，便于改进和扩充。
而针对8051的C语言日趋成熟，成为了专业化的实用高级语言。
应用C51编程具有以下优点：
（1）C51管理内部寄存器和存贮器的分配，编程时，无需考虑不同存储器的寻址和数据类型等细节问题。
（2）程序由若干函数组成，具有良好的模块化结构。
（3）有丰富的子程序库可直接引用，从而大大减少用户编程的工作量。
（4）C语言和汇编语言可以交叉使用.如果用汇编语言编写与硬件有关的部分程序，用C语言编写与硬件无关的运算部分程序，充分发挥两种语言的长处，可以提高开发效率。
同
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