基于单片机的红外通信本科学位论文Word文档下载推荐.docx
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infraredremotecontrol
第一章绪论
1.1研究背景
随着技术的进步和社会生产力的发展，单片机越来越广泛地应用于各个领域。
特别是在遥控应用领域单片机获得了全面且深入的应用。
在大多数单片机应用系统中，控制信息和数据信息常常利用非电信号（如电磁信号、光信号、超声波信号）来传送，以实现遥测或遥控功能。
红外线光信号在各种非电信号中是最常用的。
目前国内外对红外线技术的应用有很深入且多样的研究，红外技术近几年在先进科学技术领域占据越来越重要的地位，各领域都对它进行了很深入的利用，特别是在VCD、电视和音响等各种电子遥控设备的使用上，更是已经炉火纯青。
由于红外线为不可见光，这一特点使它不会被人用肉眼发现甚至被仪器轻易检测到，并且对信息的保护起到了很好的作用，从而红外线经常被应用在各种警备防护设备中。
几米至几十米为红外遥控的一般距离，有时候会更远。
与无线电遥控不同的是红外遥控不能穿过遮挡物（非屏蔽）去控制被控对象。
由于这一特点的存在，录像机、电视机、电风扇等家用电器的红外遥控在被工厂设计生产出来时，不是说像锁的特性一样，每套一定要有不同于其它套的结构（不然，钥匙就能打开多把锁，锁的用处也便失去了）；
同样也不需要和无线电遥控一样每套一定要有一种不同于其它的遥控频率或编码（不然就可能可以一样作用于隔壁邻居家的家用电器），相同的遥控频率或编码可以应用于所有产品的遥控器上，遥控信号“串门”的情况也不会出现。
这使得红外遥控在在家电器上的普及和工厂的大批量的生产得到了很大的便利。
1.4红外通技术的用途
红外通信技术的用途有很多，因为它成本低廉，并且传输效率高且稳定所以很多电子设备都对它进行了利用，21世纪电子发展趋势更是如此。
在许多工业生产中需要它来检测产品的精准度和是否达标；
医疗保健行业能够用它来对病人进行行医诊断，这大大提高了医生对疾病判断的准确率；
我们日常用电脑玩游戏的鼠标也有红外通信的身影，电脑本身也有利用到红外通信；
更常见的是打电话用的手机，还有其它通信设备如对讲机和家用电话；
各种日常用到的电子设备如随身拍照的数码相机、用于计算的计算器、小孩热衷的游戏机，学生不可少的电子表；
网络在红外通信调制解调信息上也有应用。
1.5本文的主要内容
设计一个小型的基于单片机的红外通信系统是本课题要实现的，不同于现在常见的红外遥控器的是：
特定的编解码芯片并不是它用来完成发收端的编解码的工具，信号的发收是C51单片机利用单片机的编码程序和解码程序完成的，使得红外遥控通信功能得以实现，当对此通信系统进行一定的扩展后，通用和各种专用红外遥控器的功能就能完全实现了。
红外接口电路和接口驱动程序两部分的设计是完成基于单片机的红外通信系统的重点。
第二章红外通信的基本原理
2.1协定标准
1993年，标准正式确定了下来，超过二十家企业如HP、COMPAQ、INTEL等建设起了红外数据协会InfraredDataAssociation不久后，Ir-DA1.0是其发布的第一个IrDA的红外数据通信标准。
SIRSerialInfrared（SIR）是Ir-DA1.0的缩写，进行通信的手段有很多不过HP－SIR的异步、半双工是它采用的并且在后来被一直沿用下去的红外通讯方式。
红外通信的器件还有很多，UART是系统的异步通信收发器，前面提到的红外通信的途径SIR就是必须得利用UART，少了它通信就不能正常进行。
而另一方面SIR则会被UART通信速率阻碍，SIR的通讯信速率只能达到115.2Kbps，这已经是它的极限，这就是说电脑串行端口的通信速率只能达到115.2Kbps。
1996年，红外数据协会进一步确定并提出了Ir-DA1.1标准，也就是FastIn-fraRed（FIR）。
和SIR不同的是，UART的FIR不是其所必需的，因此它的最高通信速率产生了显著的提高，最高可以有4Mbps。
目前最先进的4PPM调制解调PulsePositionModulation被FIR利用，FIR传输数据信息的方式相比较SIR的通信的方式，FIR是完全不一样的，它是利用分析脉冲的相位来区分，而且更有利于FIR的是在低于115.2Kbps速率时SIR的编解码方式它仍然用得到，这一点就使得FIR还可以与同样能与SIR通信的速度较低的设备之间通信，还有一个提升的点就是当FIR也能够和这些低速设备进行通信后，通信速率明显的有了提高。
2.2系统结构
本文所要论述的就是红外通信的一种应用，而我们所说的红外通信其实就是信号由发送端调制后转变成一道道脉冲信号，然后被调制后的信号会在红外发射管传输到接收器。
RS232串行传输标准与红外传输的串行传输标准是不一样的。
后者使用的是与前者有区别的专用的脉冲编码，RS232编码和IrDA编码可以在适当的时候来回运用，以应对串行红外通信。
发送器和接收器是红外收发器两部分。
发送器（transmitter）将脉冲转换为红外脉冲发出，其脉冲是由I/O或ENDEC获得的并且调制解调器解调后的。
红外光脉冲被接收器查收到，TTL或CMOS电脉冲会被其转换出来。
图2.1表示的就是红外通信系统的结构原理图。
图2.1红外通信系统结构原理图
2.3红外遥控原理
红外线的波段常用950nm近红外波段来，红外线是红外通信发出信号的载体，也就是我们常说的通信信道。
现在常用的调制方法有很多，红外通信发送端的调制方法是脉时调制，脉时调制的主要功能是将二进制数字信号调制成脉冲序列，此脉冲序列的频率不能确定，在脉冲序列被调制出来后，红外发射管会接收到命令，脉冲序列被其转换为光脉冲，不仅如此光脉冲还会从发射管发射出去，完成了红外通信发送端的工作；
接下来是接收端的工作，系统不可能识别光信号，所以接收端先要对接收到的光信号进行处理，这个时候光信号会转变成为电信号，电信号这个时候还不能直接传输到解调器解调，还必须对其进行一系列处理如放大、滤波，最终电信号会被还原成接收端可以识别的二进制数字信号并发送出去。
总之，红外通信的根本就是发送端和接收端对二进制数字信号的一系列调制与解调，这样会使得红外信道的传输变得更加方便。
图2.2就是红外遥控系统的大概原理框图。
图2.2红外遥控系统一般原理框图
上图很好的描述了红外通信的主要过程：
二进制信号信号由指令键发出通过发射器调制成为脉冲序列再经过发射器变为光信号传输到外面，光信号由接收器接收到后，经过一系列的处理并最终解调成为二进制信号，此信号就会回驱动系统执行发送端发出的命令
接下来介绍完成红外通信的两个最主要模块
一系列常见电路及器件如指令键、指令信号产生电路、调制电路、驱动电路及红外发射器件等构成了发射器。
当我们操作并按下指令键，控制指令信号便会自动的从指令信号产生电路发出。
这个时候会通过信号本身不同的特点来辨别控制指令信号。
一般我们会利用不同的控制指令信号之间拥有不同的频率和组码的来对其进行辨别，也就是说一种频率特性和一种码组特性只会表示一种控制指令信号。
当调制电路对这一系列不相同的指令信号开始调制，红外发射器件就会被驱动电路驱动，调制成功的红外遥控指令信号就会由此发出
同样一系列常见的电器件和电路如红外接收器件、前置放大电路、解调电路、指令信号检出电路、记忆及驱动电路、执行电路构成了接收器。
当发射器发出的带有指令信息的光信号被红外接收器件检测并接收到时，光信号还不能直接被识别，还需要被转换为电信号，由于此电信号太过微弱前置放大器会将其放大，然后还需要经过最后一道处理也就是解调器的解调，这个时候由发射器发出的指令才能被指令信号检出电路检出，经过这一系列运作后各种操作会由记忆及驱动电路驱动执行电路完成。
第三章红外通信电路方案设计
发射和接收两大部分组成了一般通用的红外遥控系统，控制操作是依靠具有编/解码作用的专用集成电路芯片实现的。
图3.1红外遥控系统框图
发射端由以下三个部分组成：
键盘矩阵产生并发出二进制信号;
编码解调对信号进行调制成为脉冲信号;
LED灯的发射器将指令信号以光信号发送出去。
接收端也由三个部分组成：
光电转换放大器将发射端发出的信号接收并把光信号转变为脉冲信号;
解调电路将脉冲信号解调为电信号；
解码电路最后将电信号转变为发射端发出的指令并执行。
3.1元器件介绍
电路设计的方案确定下来后，接下来对于电路设计中会要使用到的一部分主要元器件的电气特性，我们将其详细的描述一下。
3.1.1AT89C51单片机
AT89C51是单片机的一种，它其实是一个带有各种有效且功能实用的微处理器，其运作时所需电压很低，却可以发挥出很高的性能，现如今非常实用的ATMEL高密度非易失存储器制造技术在该器件上得到了很好的发挥，它显著地特点是兼容性高，常用的MCS-51指令集和输出管脚都能在单片机上使用。
因为其特殊的内部结构及多功能8位CPU和闪烁存储器被集中在一个芯片中，这样的集成使得单片机成为一种效率很高的微控制器，因此嵌入式控制系统对其进行了应用，产生了很多高灵活性且成本低廉的方案。
图3.2各种单片机引脚图
C51单片机的主要特征有：
当停掉时钟时，单片机的工作频率为0Hz-24Hz；
三级程序存储器锁定；
中断源有五个；
内部RAM达128*8位；
32可编程I/O线；
16位定时器/计数器不止一个；
串行通道可编程；
闲置和掉电模式功耗低。
C51单片机有跟多的管脚，最常见因为是大家熟知的VCC口和GND口，这两个管脚的作用都是非常基本的，即输入电压入口和接地，接下来我们简单的介绍其它的一些管脚的作用和特点。
P0口：
与其它口不同的是P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，其特点是8TTL门电流能被每脚吸收。
假如被定义为高阻输出，则1就会被P1口的管脚写入。
P0可以作为外部程序数据存储器来使用，以便于对P0口更加准确的表述，它能够被理解是数据/地址的第八位。
在实际使用C51单片机时，如FLASH编程，原码会从P0口输入，在FLASH被校验时，与其编程时正好相反，原码会从P0口输出，在这个时候一定要拉高P0外部。
P1口：
不同于其他接口P1口是内部提供上拉电阻的，P1口适用于许多电流，4TTL门电流就能能通过P1口缓冲器。
1写入P1口管脚后，内部会发生一些改变使得其成为高电平点，成为输入，当外部做出改变将P1口变为低电平点，电流将会从P1口输出，其主要原因是内部变为高电平所造成的。
同样在实际操作当中如当程序进行到编程和校验FLASH时，我们需要的第八位地址能够很成功的在P1口完成接收工作，并最终实现操作。
P2口：
P2口和P1口一样是内部提供上拉电压的，除此之外P1口与P2口还有很多共同点，是4个TTL门电流也能通过P2口缓冲器，当“1”写进P2口时，内部上拉电阻会做出一些反应，将P2口的内部电平变为高电平，充当输入。
这样会对P2口的外部造成影响，使得外部电平变为低电平，内部高电平，外部低电平，电流就会从P2口内部往外流出。
导致这一结果的原因是内部电压高于外部电压。
在地址“1”写进时，内部高电平的优势会被它充分的发挥，实际操作中在程序进行到P2口编程和校验FLASH时，我们所需的高八位地址信号和控制信号就能很好地被P2口接收工作，并完成接下来一系列的操作。
P3口：
P3口同样是内部提供上拉电压的，其特点是4个TTL门电流能被接收输出。
就如“1”写入P3口，内部就会把它们上拉为高电平，而且会把它们作为输出使用。
当其被看成输入时，在外部下拉为低电频的情况下，上拉会导致电流（ILL）将从P3口输出。
P3口不同于其它的管脚的是，在必要的时候它能够被作为一些具有别的管脚不能所不具备的功能的管脚，这样的管脚有：
P3.0管脚其名称是RXD，可以被用来充当串行输入口；
P3.1管脚其名称是TXD，可以被用来充当串行输出口；
P3.2管脚其名称是/INT0，可以被用来充当外部中断0；
P3.3管脚其名称是/INT1，可以被用来充当外部中断1；
P3.4管脚其名称是T0，可以被用来充当记时器0外部输入；
P3.5管脚其名称是T1，可以被用来充当记时器1外部输入；
P3.6管脚其名称是/WR，可以被用来充当写选通；
P3.7管脚其名称是/RD，可以奔涌来充当读选通。
一些闪烁编程和编程校验的控制信号同时可被P3口接收。
RST：
输入复位。
RST脚两个机器周期的高电平时间要保持，在振荡器复位器件时。
XTAL1：
不同于其他接口的是这个接口的输入是来自反向振荡放大器及内部时钟工作电路的，这使得它能够完成其它接口不能实现的作用。
XTAL2：
与XTAL1相似的是输出是来自反向振荡器的，这也赋予了它很多其它接口完成不了的使命。
振荡器特性是反向放大器的输入和输出分别为XTAL1和XTAL2。
其不同于其它器件的优点是片内振荡器可以被该反向放大器配置。
全部都可以运用石晶振荡和陶瓷振荡。
剩下的输入至内部时钟信号会经过一系列处理，单一个二分频触发器是它一定要经过的，因为这样就可以大大降低对外部时钟信号的脉宽的限制，不过脉冲的高低电平所需的宽度必须是能够确定的并且自由调整的。
可以利用正确的控制信号构成全部PEROM阵列，此部分对于实现接下来的操作至关重要，至于三个锁定位，我们可以用同样的方法将其构成出来。
芯片擦除的要求不是很多，但是必须满足的限制条件是ALE管脚在高电平的时候操作不能进行，只有在此管脚的电平足够低，直到电压拉低至10ms的时候才能实现芯片擦出。
还有一个限制条件就是在执行芯片擦出的时候，“1”会被全部写入代码阵列，这一项操作还必须得尽快进行，不然单片机会重复编程新的存储字节，这样就会导致芯片擦出的操作失败，不能再继续进行接下来的一系列操作。
除了这些，AT89C51还有许多实用的特点和功能，其中稳态逻辑可以说是它必不可少的。
因为这项功能能够让单片机在低至零频率的状态下保持静态逻辑，并且它还能加强单片机在掉电模式下的工作有多种选择来继续进行。
可以肯定的是当我们不用它进行任何操作，CPU会处于熄火状态。
但不是单片机的所有部分都像CPU一样，有些部分仍在继续工作，其中包括RAM，串口和中断系统等一系列能够持续工作的部分。
当然还会出现别的特殊情况就比方说掉电模式启动时，单片机内部会发生很多变化，RAM的内容不会消失而是被储存了下来，此时振荡器会被固定不让其发生任何变化，所用其他芯片也受到影响不能进行操作，这样的情况一直会延续到下一个硬件被复位才会回复正常。
3.1.2NE555时基电路芯片
DIP双列直插8脚封装和SOP-8小型（SMD）封装是NE555时基电路封装的两种形式。
另外不同的公司生产的有HA17555、LM555、CA555等不同的产品，具有相同的内部结构和工作原理。
CMOS工艺属于NE555的制造工艺，接下来我们将对其进行详述。
下面三幅图分别表示的是NE555的外形图、内部功能原理框图、内部等效电路。
一系列部件如三极管Q15和Q17加正反馈组成的RS触发器是构成NE555的内部中心电路。
我们可以在输入控制端无障碍的复位Reset端，接下来在比较器A1通过后，控制端的TH会被复位与此同时控制的T被比较器A2置位。
F在输出端，除此之外我们可以了解到集电极开路的放电管DIS。
R、T、TH是它们控制的优先权。
图3.3封装形式图
图3.4内部功能框图
图3.5内部方框图
NE555的作用很强大，大量的的应用电路可以利用它组成，其数量据说已经达数百种，许多教材和市面上常见的电子类读物都有对它进行描述，打比方说一系列日常电子设备及常用电器件如日常家用电器控制装置、门铃、报警器、信号发生器、元器件测量仪及其它各种各样的应用电路都有它的身影，这是因为模拟电路和数字电路被NE555巧妙地结合在一起的缘故。
下面图3.6展示的就是一些555的应用电路。
无稳态工作方式脉宽调制电路
脉宽调制电路单稳态电路
图3.6一些常用的555应用电路
下表列出的是NE555的极限参数表，这些参数不尽相同在不同的封装形式及不同的生产厂商的器件的情况下，在不损坏器件的情况下，厂商保证的界限即为极限参数，并不是能够工作的条件，假设你在使用它时在突破了规定的环境数值，那么就会出现一系列的安全问题，所以我们在使用元器件的时候一定要将它的极限参数考虑进去，以免发生危险事故。
3.1.3红外发射二极管
红外通信系统中元件有很多各自都有不同的作用，而在发射信号时必不可少的就是红外发射二极管，它看起来比较小并且不容易引起人们的注意，但是如果少了它，红外通信就根本不能实现。
它是完成红外通信必不可少的一个环节，其重要性就好像轮胎在赛车上的重要性一样，对于整个红外通信系统来说，它是一个焦点。
一般我们使用到的红外发光二极管例如SE303·
PH303，发光二极管LED的外形与其外形差不多，当为其通上电时红外光携带着发射段的指令信号从中发出。
这个时候管压降会有所拉高大概为1.4V，而工作电流不会太高通常情况不超过20mA。
工作电压时常会发生改变，这样会导致发射器不能正常工作，这个时候限流电阻就发挥了它的作用，使得回路中的电流能够一直保持在可以正常工作的数值。
这个时候接受端接收到红外光信号使得受控装置被发射红外线控制，发射功率越高控制距离越长。
红外线的控制距离增长的方法有很多，最简单且实用的的一种就是，直接将红外发光二极管设定在脉冲状态下工作，因为脉冲的峰值电流越大脉动光（调制光）的有效传送距离就越长，所以峰值IP与红外光的传输范围成正比。
使IP升高的手段有很多种，我们经常用到的是降低脉冲占空比，换句话说就是将压缩脉冲的宽度T缩短。
使小功率红外发光二极管的发射距离有显著的增加可以通过减小冲占空比实现。
经常使用的红外发光二极管有很多种类型，可以从几个方面定义它的不同类别，我们对它的功率有以下几个分类：
小功率范围从1mW到10mW不等；
处于中等功率20mW到50mW不等;
最后是大功率范围从50mW到100mW不等。
为了使调制光能够在红外发光二极管中顺利的出现，我们要进行还需要进行一项操作才行，那就是在驱动管上输入一种能使其适时工作的指令信号，也就是已经确定好的脉冲电压。
当受控装置接收到指令信息即发射端发出的包含在红外光里面的指令信息时，其中必不可少也是发挥着主要作用的红外光－电转换元件开始运作，像这样的元件有很多，现在经常用到的是红外按收二极管，像这样的二极管在很多领域都有着应用，特别是在完成红外发射和接收配对的操作上，它的利用日趋成熟。
直射式和反射式是红外线发射与接收的两种手段。
发光管和接收管分别位于发射与受控物的两边就是直射式，在它们两之间会相隔出一定的空间；
发光管和接收管并列一起就是反射式，一般的时候接收管会一直无光照，只有在发光管发出的红外光遇到反射物的时候，反射回来的红外线被接收管接收到才工作。
TLN107是本课题设计中采用的红外发射管，直射工作方式是红外线发射与接收的方式。
3.1.4红外接收器
红外发光二极管的受控装置是红外接收器，相应的红外光电转换电路包含在里面。
一种红外专用接收集成电路HS0038是我们这里采用的接收器，红外信号的光电转换及接收用它来完成。
HS0038其实是一个塑封一体化红外线接收器，这种接收器是一种集成电路集，它集红外线接收、放大、整形于一体，无论什么外接元件都不需要被添加，从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的一切操作就都能实现，一般在没有红外遥控信号时保持高电平，低电平会在收到红外信号时出现，普通的塑封三极管体积和它大小一样，无论什么红外线遥控和红外线数据传输都能对它进行有效且合适应用。
图3.7就是它实际的封装和引脚图。
图3.7一体化的红外接收头HS0038
3.2红外发射模块电路的实现
3.2.1发射模块总电路设计
整个红外线发射器的工作方块图如图3.8所示，当某一按键被按下后，一组句柄就会被遥控器上的遥控芯片（如C8051）编码出来，与此同时它会被结合载波电路的载波（38KHz）变为合成信号，不仅如此它还会经过放大器提升功率，以至于红外发射二极管被推动，并且红外线信号会被发射出去，信号传送的距离只有在所要发射的句柄上加上载波才能加长，7m为一般遥控器的有效距离。
图3.8红外发射器的工作方块图
3.2.2红外发射器部分电路的设计
基于I/O口的红外通信发射电路是本设计中发射器采用的电路，我们选择设计基于I/O口的红外通信的原因是因为这样能设计出灵活性较大的红外通信模式，
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