红外多路遥控发射与接收系统本科论文.docx

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红外多路遥控发射与接收系统本科论文

四川理工学院毕业设计

红外多路遥控发射与接收系统设计

学生：

王伟

学号：

10021022574

专业：

电子与信息工程

班级：

2010.5

指导教师：

伍乾永

四川理工学院自动化与电子信息学院

二○一四年六月

摘要

本文重点介绍了利用单片机AT89C51实现红外发射和接收电路的设计方法。

发射电路采用单片机AT89C51将待发送的二进制信号编码调制到40KHz的脉冲信号并通过红外发射管发射红外信号。

红外遥控编码/解码是采用专用的M145026/M145027。

红外接收端采用一体化红外接收头CX20106接收红外接收信号。

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，经单片机解码实现对不同设备的控制。

整个电路耗电省、简单可靠、操作灵活、性价比高，较好地满足了现代生活、生产和科研的需要。

广泛应用在家用电器、安全保卫、及人们日常生活的其他方面。

关键词：

遥控电路；红外发射；红外接收；单片机

ABSTRACT

ThisarticlemainlyfocusesonintroducingthedesignmethodofachievinginfraredemissionandreceivingcircuitbySCM（SingleChipMicyoco）AT89C51.ThesendingcircuitthroughtheSCM.AT89C51modulatesthebinarycodereadyingtosendinto40Hzpulsesignal,andthensendinginfraredsignaturesbyinfrared-rayemissiontube.Theinfraredremotecontrolcoding/decodingadoptstheappropriativeM145026/M145027.InfraredreceivergetstheinfraredreceivingsignalbyintegrativeIRM（InfraredReceiverModule）,CX20106.Meanwhile,itenlargesdetectionofsignals,thenshapesthemintocodedsignalsoflevelTTL,andfinallysendsthemtoSCM.AfterdecodingbySCM,differentequipmentwillbecontrolled.Therearesuperiorities,suchaspowersaving,simplicityandreliability,flexibleoperationandcost-effective,whichcaterstotheModernlifeandtherequirementsofproductionandscientificresearch.

Keywords:

RemoteControlCircuit;InfraredEmission;InfraredReceiver;Mcu

前言

红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。

由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输。

红外数据协会（IRDA）将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。

红外通讯以红外线作为通讯载体，通过红外光在空中的传播来传输数据，它由红外发射器和红外接收器来完成。

在发射端，发送的数字信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经红外发射管转变为红外光脉冲发射到空中；在接收端，红外接收器对接收到的红外光脉冲进行光电变换，解调译码后恢复出原信号。

红外通讯作为一种数据传输手段，可以在很多场合应用，如家电产品、娱乐设施的红外遥控，水、电、煤气耗能计量的自动抄表等。

红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。

通过红外接口，各类移动设备可以自由进行数据交换。

红外接口是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。

本次设计的红外通讯系统，主要用于研究和演示红外通讯的原理及过程。

目录

摘要I

ABSTRACTII

第1章绪论1

1.1设计任务要求1

1.2红外技术发展历史背景1

1.3本章小结2

第2章设计方案与论证3

2.1系统方案比较3

2.2硬件电路的方框图4

2.3红外多路遥控控制的红外光介绍6

2.4本章小结6

第3章多路红外遥控硬件电路设计7

3.1多路遥控红外发射电路7

3.1.1键盘电路7

3.1.2单片机小系统8

3.1.3数码显示电路12

3.1.4编码电路14

3.1.5多谐震荡电路16

3.1.6调制与发射电路18

3.2多路遥控红外接收控制电路20

3.2.1多路红外接收电路20

3.2.2放大电路22

3.2.3解码电路23

3.2.4显示电路25

3.3红外多路遥控发射与接收系统整机电路26

3.4本章小结26

第4章软件设计27

4.1软件设计概述27

4.2流程框图27

4.2.1发射部分流程框图27

4.2.2接收部分流程框图31

4.3程序清单34

4.4本章小结34

第5章使用软件介绍35

5.1KELL的使用35

5.2Proteus的使用38

5.3本章小结41

第6章系统的调试与仿真42

6.1发射系统的调试42

6.2接收系统的调试43

6.3整机联调及数据分析44

6.4仿真结果44

6.5本章小结44

第7章结束语45

致谢46

参考文献47

附录49

附录I：

红外多路遥控发射系统49

附录II：

红外遥控多路接收系统50

附录III：

红外多路遥控发射系统仿真51

附录IV：

红外多路遥控接收系统仿真52

附录V：

程序清单53

发送程序53

接收程序56

第1章绪论

1.1设计任务要求

本设计要求完成通过空间的传播实现对受控设备的控制，发射部分完成遥控指令的发射，接受部分完成遥控指令的接受。

功能要求：

发射端用数字显示所控的路数和状态级别，接受端用数码管作为被控对象并显示受控对象及工作状态。

遥控距离：

不小于3m。

即红外遥控发射机与红外接收机之间距离不小于3m；

a）遥控路数：

8路。

即可对8个受控设备进行开关控制；

b）工作频率：

40kHz。

即红外发射和接收的载频为40kHz；

c）功能要求：

由1台红外发射机和1台红外接收机实现对8个设备的控制。

每次发射只控制一个数码管的亮的路数和亮的方式；用数码管的亮的路数和亮的方式表示受控设备的开、关状态；要求用单片机完成设计。

1.2红外技术发展历史背景

红外光线就是波长介于0.75～3µm到1000µm之间的电磁辐射。

在红外技术领域中，由于不同波长的红外辐射在地球大气层中传播特性的不同，通常又把整个红外辐射分成下列几个波段，分别称为:

近红外：

波长范围0.75～3µm；中红外：

波长范围3～6µm；远红外：

波长范围6～15µm；极远红外15～1000µm。

红外实验和理论的发展，促进了红外技术的建立。

二十世纪初，科学工作者开创了红外学谱和精密辐射学的应用，对恒星和行星的温度进行了辐射测量并把红外光源用于医疗过程。

1920年到1950年间粗线了红外探测、保密通讯、放到预警、温度遥测等设备的专利文献。

近五十年以来，半导体工艺以及激光技术为它提供了了高灵敏度，响应速度快的光子探测器和单色性好、能量集中的相关光源，使得红外技术的得到了突飞猛进的发展。

到了今天，广泛应用工业、农业、国防、医疗、交通等各行各业，已经逐步形成了一个相对独立的红外线系统工程领域。

红外线是波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率高于微波而低于可见光，是一种人的眼睛看不到的光线。

由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通讯的场合，进行点对点的直线数据传输。

红外数据协会（IRDA）将红外数据通讯所采用的光波波长的范围限定在850nm至900nm之内。

红外通讯以红外线作为通讯载体，通过红外光在空中的传播来传输数据，它由红外发射器和红外接收器来完成。

在发射端，发送的数字信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经红外发射管转变为红外光脉冲发射到空中；在接收端，红外接收器对接收到的红外光脉冲进行光电变换，解调译码后恢复出原信号。

红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。

通过红外接口，各类移动设备可以自由进行数据交换。

1.3本章小结

本章主要讲述本设计的要求和红外线的发展历史。

第2章设计方案与论证

2.1系统方案比较

方案一:

用专用调制、解调芯片组成的红外发射、接收系统的核心——编码、解码电路。

代码产生电路由按键与其它元器件组成。

本设计通过VD5026对键盘电路产生的控制信号进行并/串转换，由17脚输出编码数据，再将编码数据通过脉调制电路调制在较高的载波上通过红外光发射。

红外接收管将光信号转换为电信号，由解码器进行解调，再由VD5027对解调出来的串行数据进行解码，使其成为控制代码去控制各电路。

红外发射/接收系统组成方框图如图2-1。

图2-1红外发射/接收系统组成方框图

方案二:

代码是按键组成的键盘电路产生，然后施密特触发器对按键信号进行整形所得，编码和调制用AT89C51单片机的定时器将按键信号调制在40KHz的载波信号上，然后通过功率放大后通过红外发射管发射出去。

接收电路用红外线接收二极管实现光电转换，然后用高频模拟锁相环进行信号解调，解调后的串行数据送单片机进行解码，同时实现对后续电路的控制功能。

红外发射/接收电路框图如图2-2所示。

（a）红外发射电路框图

（b）红外接收电路框图

图2-2红外发射/接收电路框图

方案一中采用专用芯片组成编码解码电路，可实现对16×211路电路的控制，其电路简单，抗干扰能力强，编码调制全部用硬件实现，各分支电路相互独立，设计调试比较简单、成本低，组装方便，易于推广。

容易发生故障，不易变换功能。

方案二利用AT89C51单片机对信号进行编码、解码，同时用单片机的定时器将信号进行调制，需用软件完成，其编程工作量大，要求严格，尤其是高频信号，程序稍有差错便使接收部分不能正常工作成本高，控制方便，易变换功能。

综上所分析，本次设计采用方案二。

2.2硬件电路的方框图

红外发射电路是由两部分组成，一是红外发射电路，二是红外接收电路。

本设计采用的单片机控制，所以发射电路是由键盘电路产生的信息经过单片机AT89C51控制输出，送给编码电路（以M145026位中心编码电路）产生已经编码的信息输出给红外发射电路。

同时单片机AT89C51输出指示显示信号的电路。

在信号编码后要加载到40KHZ载波上，所以还需要一个40KHZ载波产生器，本设计采用以555位核心的构成的多谐震荡器，最后经过红外发射电路将电信号转换成光信号发射出去。

红外多路遥控方框图如图2-3。

图2-3红外多路遥控发射方框图

红外接收部分是由红外接收电路将红外发射电路（以光敏二极管为核心）的信息经过光信号转化为电信号接收，将接收的信息经过一个放大电路放大，经放大的信息送入以M145027为核心组成的红外专用解码电路解码。

经解码的信息送入单片机AT89C51组成的控制电路中，去控制数码显示电路，最后数码显示器显示与发射电路的数码显示的一样。

红外多路遥控接收方框图如图2-4。

图2-4红外多路遥控接收方框图

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。

红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。

判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样：

用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。

的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉距法来粗略判定。

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。

　　由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100mW左右），所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱，因此就要增加高增益放大电路。

前些年常用μPC1373H、CX20106A等红外接收专用放大电路。

最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多都采用成品红外接收头。

成品红外接收头的封装大致有两种：

一种采用铁皮屏蔽；一种是塑料封装。

均有三只引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO或OUT）。

红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，可参考厂家的使用说明。

成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用起来如同一只三极管，非常方便。

但在使用时注意成品红外接收头的载波频率。

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。

此次遥控系统的设计要求载波频率为40KHz。

2.3红外多路遥控控制的红外光介绍

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。

一般情况下，接收端除了几位数据输出外，还应有一位“数据有效”输出端，以便后级适时地来取数据。

这种输出形式一般用于与单片机或微机接口。

除以上输出形式外，还有“锁存”和“暂存”两种形式。

所谓“锁存”输出是指对发射端每次发的信号，接收端对应输出予以“储存”，直至收到新的信号为止；“暂存”输出与上述介绍的“电平”输出类似。

2.4本章小结

本章是通过方案比较来确定方案，将方案用方框图来细化本方案的结构，最后简单介绍什么是多路红外遥控控制。

第3章多路红外遥控硬件电路设计

3.1多路遥控红外发射电路

多路红外发射电路是由键盘电路、单片机小系统、振荡器、编码电路、调制与发射电路和显示电路组成。

3.1.1键盘电路

由4×4开关组成，其中四行路是与单片机的P1.0~P1.3口相连，四列路是与单片机的P1.4~P1.7口相连。

键盘电路如下图3-1。

逐点扫描法：

设P1口的低4位置为0，高4位置为1，当无按键时P1口的数据始终保持F0H不变。

当有按键时，高位中的高电平会和低位中的低电平短路。

此时高位中的高电平就会被拉低（任何高电平遇到低电平都为低），即高4位中有0出现。

当单片机读P1口的值不为F0H时则表示有键按下，经过去抖处理后就开始扫描这一个键的位置了。

先把P1的高4位置0，低4位置1，下面置低第1列线并置高第1行，之后再读第1行的电平，为高说明不是第1行第1列的键被按下，跳到下一个点的扫描（第1列第2列）。

当其为0时表示第1行第1列的键被按下，调用相应处理程序。

逐点扫描的优点是它的编程简单，易于理解，可以作同时按多个键的识别。

缺点是它的速度慢，处理程序代码较长。

逐行扫描法：

和逐点扫描的方法相似，只是数据的处理是以一行的4位数据直接处理，也就是先使能第1行（置低电平），然后看哪一列的数据变成低电平了，如果高4位数据没有变为低电平则使能下一行。

找到了按键所在的行并测出列数据就可以调用相应处理程序。

逐行扫描的照逐点扫描要好的多，程序相对简单，速度快，也支持同时多按键处理。

一般的扫描键盘多用此法。

全局扫描法：

全局扫描是只先设P1的高4位为1，低4位为0，即F0H，然后读取P1口的数据如果不为F0H说明有键按下，经过延时去抖处理后读出P1口的值，因为低4位是0无论按键如果都不会影响它，只有高4位被改变。

将数据寄存起来后再把P1的状态反过来，将P1的高4位置0，低4位置1，即0FH，再读一次数据。

这时高4位的值是0依然不变。

这样两次读取我们就得到了2个字节的数据（XXXX0000和0000XXXX，X为读到的数据），最后我们将这两个数相或（将两个半字节数据溶合为一个字节），就得到了一个新的字节，用这个字节和我们的设定的数据比较来决定键值。

全局扫描只用两次扫描，速度快，易学易用，程序简单，可是它不支持同时多键处理，最佳适用4*4扫描键盘，可以用在一般的用途。

其键盘功能：

见表3-1。

表3-1键盘功能表

图3-1多路遥控红外发射键盘电路

3.1.2单片机小系统

采用AT89C51单片机芯片和由12MHZ晶振、220PF电容C1和C2组成的外部晶体震荡电路，能够产生外部12MHZ的频率送给单片机。

由上拉电阻10K和电解电容C3（10U）组成的复位电路。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高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。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C1单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

图3-2AT89C51管脚功能

主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

寿命：

1000写/擦循环

数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

  VCC：

供电电压。

  GND：

接地。

  P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

  P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

 P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

 /PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

单片机小系统电路如图3-3。

图3-3单片机小系统电路

3.1.3数码显示电路

由七段数码显示器和锁相器组成，锁相器采用的74HC537集成芯片，一端是与单片机的P0.0~P0.7相连，另一端是与数码显示器的段选相连，其中锁相器的11脚和1脚是锁存使能输入脚和状态使能输出脚，分别是单片机AT89C51的29脚、30脚相连。