多路遥控开关论文.docx
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多路遥控开关论文
毕业论文（设计）
论文（设计）题目：
多路遥控开关
河池学院
毕业论文（设计）开题报告
系别:
物理与电子工程系专业:
电子信息工程
论文
题目
多路遥控开关
学生姓名
钱东林
学号
2004105315
选题意义
进入21世纪以来，人们的生活水平有了进一步的提高，其中之一体现在智能楼宇智能家居和数字家庭。
微电子行业的快速发展，为智能家居提供了坚实的物质基础。
红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用遥控技术不仅完全可靠而且可以减少对人体的伤害。
由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。
采用单片机设计的遥控开关系统控制方便，适用于含有较多受控电器的场合，可实现多路多功能控制。
研究综述（前人的研究现状及进展情况）
红外遥控技术因其性能稳写、结构简单、技术成熟等优点而在工业控、仪器仪表、家电等领域中得到了广泛的应用。
但是通常使用专用的配对编、解码芯片，组成红外发射接收电路，在控制路数较少时矛盾并不是很突出。
但是当控制路数较多时，其接口的设计和实现就显得比较繁琐。
另外，某种解码芯片只能识别某种编码芯片的编码，对其它型号的编码芯片的编码不能识别。
虽然现在市面上有不少万能遥控器，但是只对于接收部分并不能完全受多个遥控器控制。
研究的主要内容
此论文主要研究的主要内容包括发下几个方面：
（1）对现有遥控技术进行研究分析；
（2）深入研究分析红外遥控的编码、解码原理，从而设计一个具有通用性的红外接收发系统；
（3）红外遥控开关在生活中、工业中的的应用，以及调光调速的使用；
（4）分析多路遥控开关未能大量普及日常生活的原因，以及解决红外遥控开关的在含有红外光灯具中遥控距离近的问题。
拟采用的研究方法、步骤
方法：
制作与调试相结合
步骤：
（1）收集资料
（2）整理资料确定方案并画出总电路图
（3）制板
（4）编写程序和论文
（5）硬件调试
（6）修改完善毕业设计
研究工作进度安排
2008年04月01—2008年04月25：
搜集资料
2008年04月25—2008年05月05：
整理资料做电路
2008年05月05—2008年05月15：
画硬件电路图和PCB板
2008年05月15—2008年05月26：
编写实验程序和论文
2008年05月26—2008年05月31：
硬件调试
2008年06月01—2008年06月05：
论文的修改及优化
参考文献目录
[1]何书森.实用遥控电路原理与设计速成[M].福建科学出版社,2002：
99-169
[2]王俊峰.现代遥控技术及应用[M].人民邮电出版社,2005:
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[3]李群芳,黄健.单片机原理及其接口技术[M].电子工业大学出版社,2002：
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[4]马忠梅.单片机C语言应用程序设计[M].北京航空大学出版社,2000
[5]楼然苗．51系列单片机设计实例[M]．北京航空大学出版社,2003:
91-103
[6]童诗白.模拟电子技术基础第三版[M].高等教育出版社,2001.1
指导教师意见
签字：
年月日
教研室主任意见
签字：
年月日
目 录
摘 要1
1绪论1
1.1遥控技术现状与发展1
1.2单片机的应用技术1
1.3课题背景及其意义2
2红外线遥控技术2
2.1遥控方式比较2
2.2红外线的特点2
2.3红外线的基本原理及工作方式3
3系统硬件电路设计4
3.1红外发射及接收驱动电路4
3.2发射模块设计5
3.3接收模块设计6
3.4控制模块的设计7
4软件设计9
4.1系统的功能实现方法9
4.2编码软件设计10
4.3解码软件设计11
5调试及性能分析12
5.1软件调试12
5.2硬件的调试与故障排除13
5.3性能指标13
5.4系统的改进13
6 总结14
致谢15
参考文献16
多路遥控开关
摘 要:
红外线遥控装置具有体积小，功耗低、功能强、成本低等特点。
本文主要围绕红外线遥控编码与解码相关理论和实践应用进行研究分析。
提出了一种利用单片机系统实现的红外遥控技术，即用AT89C2051单片机组成的发射电路发射编码。
而将经红外预接收电路预处理后的编码信号直接送入单片机AT89C51中进行解码。
关键词:
红外遥控，遥控开关，AT89C51，编码，解码
1绪论
红外遥控技术因其性能稳定、结构简单、技术成熟等优点而在工业控制、仪器仪表、家电等领域中得到了广泛的应用。
通常使用专用的配对编、解码芯片,组成红外发射和接收电路,完成对设备或电器的远动控制。
使用专用的配对编、解码芯片来组成红外发射电路和红外接收电路,在控制路数较少时矛盾并不突出。
但是当控制路数较多时,其接口的设计和实现就显得比较繁琐。
此外编、解码芯片通常是专用配对使用的,即某种解码芯片只能识别某种编码芯片的编码,对其他型号的编码芯片的编码则不能识别。
因此,不同的编、解码芯片几乎没有互换性[1]。
本文提出了一种利用单片机系统实现的红外遥控技术，采用AT89C2051组成的发射电路发射编码，将编码信号直接送入单片机AT89C51中进行解码。
红外遥控器已被广泛应用在各种类型的家电产品上，它的出现给家电应用提供了很多便利。
1.1遥控技术现状与发展
遥控技术是在自动控制技术和通信技术基础上发展起来的。
遥控系统既可传送离散的控制信息（例如开关的通断），也可传送连续的控制信息（例如汽车油门的大小）。
50年代以后，世界各国相继开始研制和试验各种导弹和人造地球卫星，从此遥控技术在航天方面得到广泛的应用和发展。
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[2]。
1.2单片机的应用技术
单片机就是将中央处理单元、存储器、定时/计数器和多种接口都集成到一块集成电路芯片上的微型计算机。
因此一块芯片就构成了一台计算机。
它已成为工业控制领域、智能仪器仪表、尖端武器、日常生活中最广泛使用的计算机。
单片机由硬件系统与软件系统组成，它们构成完整的单片微型计算机系统，两者相辅相成，缺一不可[3]。
1.3课题背景及其意义
随着电子技术的发展和人们生活水平的不断提高，越来越多的电子产品进人们的日常生活，而这些电器，绝大多数是采用红外遥控方式，遥控器的使用给日常的生活和生产带来了极大的便利。
工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅安全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
红外遥控不影响周边环境、不干扰电气设备；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，在室内近距离遥控中得到了广泛的应用；而采用单片机进行遥控开关的设计，具有编程灵活多样，操作个数可以随意设定等优点。
目前，市场上一般设备系统均采用专用的遥控编码及解码集成电路，但是由于功能受到特定的限制，只适合于某一专用电器产品的应用，应用范围受到限制。
本设计正是应用红外遥控系统的这些特点，实现了对多路开关的控制。
2红外线遥控技术
2.1遥控方式比较
遥控的种类有很多，无线遥控可分为声控、红外线控、无线电控等。
声控开关，通常声音来进行遥控。
它线路简单、易于制作，但误动作较多。
红外线遥控开关，通常以红外线作为载体来传送命令，它有较强的穿透能力。
还具有不易受干扰，易于制作等优点。
但它遥控距离较近，方向性较强。
因此被广泛用于家用电器上。
无线电遥控开关，通常是用无线电射频为载体来传送命令。
无线电遥控器可以向四周辐射，可以穿墙、没有方向性，容易引起互相干扰，这给人们生活带来许多的麻烦。
无线遥控受外界干扰十分大，对于在恶劣的环境下，可能无法达到遥控的目的。
红外线能穿透云雾等恶劣环境，可以应用于一些人很难到达的地方，也比较经济，带编码和不带编码都能工作。
它可以用对电视机、电风扇以及其他家用电器进行遥控，这样就大大方便了用户。
综合以上因素采用红外线遥控是此次设计的最佳选择[1]。
2.2红外线的特点
红外遥控是以红外线作为载体来传送遥控命令的。
红外线的波长介于红光与微波之间，0.77～3um为红外区，3～30um为中红外区，30～1000um远红外区。
红外线在通过云雾尘埃等充满悬浮粒子物质时不易发生散射，具有较强的穿透能力，还具有不易受干扰，易于产生等优点，因此被广泛应用于遥控装置[2]。
2.3红外线的基本原理及工作方式
红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，在实际使用中为了使信号能更好被传输发送端将基带二进制会信号调制为脉冲信号，通过红外发射管发射。
常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法。
红外遥控系统由发射和接收两大部分组成。
应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图2-1所示。
发射部分包括键盘矩阵、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、解码电路[2]。
图2-1红外线遥控系统框图
在同一个遥控电路中通常要使用实现不同的遥控功能或区分不同的机器类型，这样要求信号按一定的编码传送，编码则会由编码芯片或电路完成。
下面就以一个实际例子来说明编码与解码的原理。
以现在家庭最常用的DVD、VCD、音响等编码方式来说明编码的原理，当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。
这种遥控码具有以下特征：
采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”，其波形如图2-2所示。
图2-2遥控码的“0”和“1”
上述“0”和“1”组成的32位二进制码经38kHz的载频进行调制，提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。
然后通过红外发射二极管进行二次调制，产生红外线向空间发射，如图2-3所示。
当遥控器按键按下后发出连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，用以区别不同的电器设备，后16位为8位操作码（功能码）及其反码。
图2-3遥控信号编码波形图
按键按下超过36ms后，将发射一组108ms编码脉冲，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。
一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45～63ms之间，图2-4为发射波形图。
图2-4遥控连发信号波形
3系统硬件电路设计
硬件的主要工作原理是遥控器采用51单片机为核心，采用脉冲个数编码方式，4*8的矩阵键盘开关，可扩充到对32路电器的控制。
红外发射采用普通的红外发射二极管，信号从单片机的P3.4端口出来经一个NPN的三极管9013放大后发射出去。
红外接收头接收到遥控器发射过来的脉冲，送入AT89C51单片机来进行解码与输出控制，用单片机的P3.2端口作为红外接收头的信号输入端口，用外部中断0来实现遥控检测。
输出控制部分采用了三极管S8050驱动继电器，可以同时控制8路以上。
3.1红外发射及接收驱动电路
红外发射器件是红外遥控装置中不可缺少的重要器件。
如图3-1所示为NPN管驱动红外发射管的电路，使用控制信号来控制三极管的导通与截止，从而达到控制红外管发射或不发射的目的。
根据设计电路确定限流电阻。
图3-1红外发射驱动
红外接收器件是一种光电子器件，它的作用是将所接受的红外光转换为电信号。
为了提高抗干扰能力，防止误码操作。
因此在电源的输入端加入了一个100Ω的电阻和一个0.1uF的电容，它们组成一个低通滤波电路，可以滤除高频干扰。
图3-2红外接收典型应用
3.2发射模块设计
发射系统主要由单片机AT89C2051控制，AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大。
同时AT89C2051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，开关系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。
省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。
图3-3为该系统遥控发射器电路原理图，其中P1口和P3口作键盘扫描端口，具有32个功能操作键；第7脚为单片机的复位脚，采用简单的RC上电复位电路；15脚作为红外线遥控码的输出口，用于输出38KHz载波编码；4、5脚接受12MHz晶振，P0口需接上拉电阻。
图3-3遥控发射器电路原理图
3.3接收模块设计
为了使解码更灵活，接收模块同样采用单片机控制，但是根据题目要求实现多路控制，在此选用了有更多输出口的AT89C51。
AT89C51是一种带4K字节可编程可擦除只读存储器，内部有两个16位定时器/计数器和5个中断源能满足此次设计的需要。
图3-4为该系统遥控接收器电路原理图，其中P0.0～P0.7控制数码管的二进制数据输出,P1口作为8个电器的电源控制输出，用继电器作开关控制，P3.6口为可控硅调光灯的调光脉冲输出。
第12脚为中继输入口；第12脚用于接收红外遥控码输入信号。
图3-4接收模块原理图
3.4控制模块的设计
因为要控制的对象是多路的电源开关，因此为了达到电源隔离必须用继电器或者可控硅来控制电源开关，出于成本和安全考虑，普通的电源开关就用继电器来控制。
继电器是根据某种输入信号的变化，接通或断开控制电路，实现自动控制和保护电力装置的自动电器。
此次设计采用电磁式继电器，由于继电器用于控制电路，流过触点的电流比较小（一般5A以下），故不需要灭弧装置。
为了提高抗干扰能力，在继电器的输入端与单片机之间加入了光电耦合器。
为防止继电器误动作，在其电源端加上二极管1N4148，原理图如图3-5所示。
图3-5继电器应用电路图
为了使设计具有更有实用性，此次设计一路可调亮度的灯。
用晶闸管来控制脉冲的PWM调制输出的方法来进行调光。
光耦合器MOC3041为可控硅提供交流过流触发信号。
可控硅是一种具有三个PN结的四层结构的大功率半导体器件,一般由两晶闸管反向连接而成.它的功用不仅是整流，还可以用作无触点开关以快速接通或切断电路，实现将直流电变成交流电的逆变，将一种频率的交流电变成另一种频率的交流电等等。
可控硅和其它半导体器件一样，其有体积小、效率高、稳定性好、工作可靠等优点
图3-6可调光模块电路
为了让使此次的设计更具有多用性，单片机的P0口接上数码管。
通过遥控器可以控制数字的显示，有利于LED显示屏的控制。
为了提高输出电平P0口的管脚加上拉电阻，从而提高芯片输入信号的噪声容限增强抗干扰能力，如图3-7所示
图3-7数码显示
4软件设计
4.1系统的功能实现方法
1）遥控器的编码格式
该遥控器采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的码，最小为2个脉冲，最大为17个脉冲。
为了使接收可靠，第一位码宽为3ms，其余1ms，遥控码数据帧间隔大于10ms，如图4-1所示
图4-1输出调制波形
2）遥控编码发射
当某个操作按键按下时,单片机先读出键值,然后根据键值设定遥控码的个数,再调制成38KHz方波由红外线发光管发射出去。
P3.4端口的输出调制波4-1所示。
3）数据帧的接收处理
当红外线接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平将启动中断程序，实时接收数据帧。
在数据帧接收时，将对第一位（起始位）码的码宽进行验证。
若第一位低电平码的脉宽小于2ms时，将作为错误码处理。
当间隔大于3ms时，结束接收，然后根据累加器A的脉冲个数，执行相应输出口的操作。
如图4-2所示。
图4-2红外接收器输出的一帧遥控码波形图
4.2编码软件设计
红外摇控器的的发射软件部分包括了主程序，4*8的矩阵按键检测程序，编码发射程序。
主程序的作用主要是进行系统初始化和调用各模块的子程序，主程序的流程图：
图4-3键盘扫描程序流程图
键盘检测程序，是完成检测是否有按键按下，并要检测出是那个按键按下，最后要按键值返回给程序处理。
图4-4遥控发射器程序流程图
发送程序是要完成摇控的编码，这里采用的是脉冲个数为编码方式。
按键1按下时是发送1个脉冲，按键2则是发送两个脉冲，最后要停发10ms。
4.3解码软件设计
红外接收部分的软件设计包括了接收主程序、红外接收解码子程序、红外处理子程序、显示子程序。
红外接收程序和红外接收解码程序流程图分别如下图4-5所示
图4-5遥控接收器主程序、中断程序流程图
5调试及性能分析
5.1软件调试
在完成系统硬件的检查后主要进行软件的调试，对遥控的器的调试主要是用示波器观察能否在遥控接收器中输出如图4-2所示的波形。
由于遥控器发射的脉冲时间非常短，只能在示波器看到波形有所变化。
电灯亮度控制系统的调试主要是对可控硅延时时间的调整，控制延时经调试后确定如下：
最最暗时的移相角控制延时：
256us*26H=9728us;
最暗时的移相角控制延时：
256us*1CH=7168us;
次暗时的移相角控制延时：
256us*19H=6400us;
中间亮时的移相角控制延时：
256us*16H=5632us;
次亮时的移相角控制延时：
256us*12H=4608us;
最亮时的移相角控制延时：
256us*0EH=3584us;
5.2硬件的调试与故障排除
在硬件系统成型后,通过上电测量单片机各管脚的电压，发现射模块与接收模块CPU能正常运行，上电复位工作正常。
按遥控器的每一个按钮指示灯均有闪烁。
接着给接收模块通电，按下遥控器，但是接收模块没有任何的反应，给继电器电路加上+5V电压，继电器工作，这说明继电器电路是正确的，可能是接收头出了问题,但仔细查看接收头电路并没有错误,换了新的接收头情况还是一样。
最后上网查阅相关资料，发现为提高芯片输入信号的噪声容限，增强抗干扰能力，在单片机的P2口接上拉电阻来提高输出电平。
接上470Ω的电阻以后，接着测试，问题解决了。
5.3性能指标
调试后系统的性能指标测试如下：
遥控器的供电电压：
+3V；
最大遥控距离：
8m；
发射接收角：
水平最大90°；
遥控器发射时工作电流：
20mA；
5.4系统的改进
测试后，发现遥控的距离不能达到理想中那么远，原来，测试时采用灯光作为负载，灯具不同于其它家电，灯具发出的光线中含有大量的红外线，其强度大大淹没了遥控器发出的微弱信号。
一般的红外线遥控电路能实现8～10m的控制距离。
为了研究红外遥控距离，要提高遥控距离可采用以下几种措施：
（1）改进红外发射管驱动电路。
在原来的基础上增加一级电流驱动，并将串联在红外发射管电流回路中的限流电阻去掉，实验表明，由于红外线编码调制信号是占空比很小的脉冲方波且多数情况下持续时间也很短，适当提高红外发射管的工作电流对其使用寿命没有很大影响。
在增大发射电流的同时需要加强电流路中的电源滤波，以免电源纹波增大，串入前级编码调制，对电路产生干扰。
（2）用红外发射管多管并联起来提高发射功率，这种方法不仅可以提高发射功率，还能扩大发射角度，串联1Ω-10Ω的均流电阻，同时驱动级的工作电压最好适当提高，以抵消电阻带来的功率损耗，驱动三极管的集电极耗散功率及直流放大系数应足够大。
（3）选择合适的红外管。
这次设计的遥控角度受到一定的限制，这是由红外线的性质决定的，但是为了遥控角度更大，本次设计还设置了一个外置的红外接收头，控制板上也预留了+5V的电源接口，给红外接收头的电源提供了便利。
同时在遥控器上并联一个红外发射头，有效地提高了发射功率，遥控角度进一步扩大。
6总结
本次设计用单片机直接对红外遥控信号进行编码与解码，一方面，简化了单片机系统的输入接口电路而节省了硬件的开销；另一方面，由于采用软件解码，只要知道编码的格式，就可作相应的处理，很大程度上改善了编码器和解码器的互换性，在使用和设计上增加了更大的灵活性。
此外，由于充分利用了单片机的内部资源，使整个应用系统结构更为紧凑，从而降低了系统的设计和实施的成本。
在这短暂的毕业设计过程当中，对我个人而言，得到了许多锻炼，受益匪浅。
在整个设计期间，我接触到了很多不同的问题，运用不同的方法去解决。
本设计是软件与硬件相结合，有相当大的难度，但其具有很大的实用性。
虽然花了不少时间去完成此次设计但我认为是十分值得的。
通过这次毕业设计，我不仅学到许多的实用知识，还学会如何去克服困难和解决难题。
致谢
四年的本科学习生涯即将结束，在本人做毕业设计中，得到了韦庆进老师的悉心指导和无私帮助。
他严谨的治学态度和谦和的为人给我留下了深刻的印象。
在我的课题调研和设计阶段，虽然韦老师公务繁忙，教学任务繁重。
依然对我的设计工作悉心指导，对我的开题方向和研究内容做了大量的工作。
在设计实施阶段，感谢系实验室在毕业设计期间提供给我们优越的实验条件。
我要感谢班上每位帮助过我的同学，在毕业设计的短短3个月里，正是你们的配合和帮助，才使毕业设计得以顺利完成，在此我真诚的说声：
谢谢你们。
还有许许多多在学业上给予我鼓励和帮助的师长、朋友，在此无法一一列举，在此也表示忠心地感谢！
最后我要深深地感谢我的家人，正是他们含辛茹苦地把我养育成人，在生活和学习上给予我无尽的爱、理解和支持，才使我时刻充满信心和勇气，克服成长路上的种种困难，顺利的完成大学学习。
大学生活即将尾声，我将迎来新的人生生活，我将谨记老师们的教诲，将自己的所学奉献给社会。
参考文献
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[2]王俊峰.现代遥控技术及应用[M].人民邮电出版社,2005:
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[7]阎石.数字电子技术基础第四板[M]高等教育出版社,1998.1
[8]候继红.李向东.protel99se实用技术教程[M].中国电力出版社，2004.
MULTI-CHANNELREMOTECONTROLSWITCH
ABSTRACT:
Infraredremotecontroldevicecharacterizesinsmallsize,lowpowerconsumption,strongfunction,andlowcost.Thispapermainlyresearchesandanalyzesthetheoryoftheencodinganddecodingandtheapplicationoftheinfraredremote.Thispaperdescribesakin
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