红外线遥控电源开关 电子信息科学与技术专业毕业设计 毕业论文Word下载.docx
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1引言
随着电子技术的迅猛发展，红外遥控技术已渗透到国民经济的各部门及人们的日常生活中，在工业自动化控制、信息通信、环境检测、安全防范、家用电气控制、国防工业及日常生活等许多方面都得到了广泛的应用[1]。
红外线遥控装置的中心控制部件已从早期的分立组件、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。
根据被控对象的不同,选择不同的遥控方式，可达到节省资源、降低成本的目的[2,3]。
红外线的强生命力是由红外线的优点所决定的。
首先，红外线波长远小于无线电波的波长，所以红外遥控不会干扰其他无线设备的工作；
其次，其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会长生干扰；
再次，红外线电路调试简单，只要电路连接无误，并且编解码容易，调试后即可投入工作，进行单路或多路遥控。
另外红外遥控器作为控制系统的输入设备，具有成本低、灵活方便的特点[5]。
这里给大家介绍一种红外发射接收系统的设计，采用PT2262编码器、PT2272译码器为主要组件，适用于一般的干扰少，遥控装置分散的短距离环境中。
此装置能给人们的工作和生活带来很多的便利，具有较好的推广应用价值和经济效益[4]。
2主要性能指标
（1）、遥控距离不大于5米，即红外遥控发射器与红外接收器之间的距离不大于5米；
（2）、遥控路数为单路，对1个电源进行开关控制；
（3）、工作频率：
91—103KHz；
（4）、功能要求由一台红外遥控发射器和一台红外遥控接收器实现对单个电源开关的控制。
3红外线遥控开关原理
3.1红外线简介
红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术。
红外线由德国天文学家威廉·
赫歇耳于1800年发现，又称为红外热辐射，是太阳光线中众多不可见光线中的一种，人的眼睛能看到的波长最长的光是红光，从广义来讲，红外线是一种电磁波，电磁波家族按波长顺序是这样排列的：
长波、短波、超短波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线等。
其中长波的波长最长，顺序越来越短，X射线的波长一般不超过1nm。
红外线波长在无线电波与可见光波之间，约为0.75～1000μm之间，是一种肉眼看不到这种光线，但利用红外线发送和接收装置却可以发送和接收红外线信号[8]。
在近红外区，它和可见光相邻，因此具有可见光的某些特性，如直线传播、反射、折射、衍射、可被某些物体吸收以及可以通过透镜将其聚焦等。
在远红外区，由于它邻近微波区，因此它具有微波的某些特性，如有较强的穿透能力和能贯穿某些不透明物质等。
自然界中，不论任何物体，也不论其本身是否发光（指可见光），只要其温度高于绝对零度（-273℃），都会一刻不停地向周围辐射红外线。
只不过是温度高的物体辐射的红外线较强，温度较低的物体辐射的红外线较弱。
红外线摄像、红外线夜视、热释电红外探测以及某些导弹的瞄准等就是利用红外线的这一特性工作的。
它具有以下特点：
（1）、由于为不可见光，因此，对环境影响很小。
红外线的波长远小于无线电波的波长，所以，红外遥控不会干扰其它家用电器，也不会影响近邻的无线电设备。
同时，由于红外线不能穿透墙壁，所以不同的电器可以使用通用的遥控器而不会互相干扰，这是无线电遥控所不能做到的。
（2）、红外线为不可见光，具有很强的隐蔽性和保密性，因此在防盗，警戒等安全保卫装置中也得到了广泛的应用。
（3）、红外线遥控的遥控距离一般为几米至几十米或更远一点。
（4）、红外线遥控具有结构简单，制作方便，成本低廉，抗干扰能力强，工作可靠性高等一系列优点，特别是室内遥控的优先遥控方式。
同时，由于采用红外线遥控器件时，工作电压低，功耗小，外围电路简单，因此它在常工作生活中的应用越来越广泛。
它在技术上的主要优点是：
（1）、无需专门申请特定频率的使用执照；
（2）、具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点；
（3）、传输速率适合于家庭和办公室使用的网络；
（4）、信号无干扰，传输准确度高；
（5）、编解码容易，可进行多路遥控。
它的缺点是：
由于它是一种视距传输技术，采用点到点的连接具有方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物；
而且通讯距离较短，此外红管LED不是一种十分耐用的器件。
3.2系统总体设计方案
3.2.1方案一
红外线发射\接收控制电路均采用单片机来实现，输出控制方式可选择，实用性强。
红外线发射、接收系统组成框图如图1所示。
图1红外线发射、接收系统组成框图
当按下遥控按钮时，单片机产生相应的控制脉冲，由红外发光二极管发射出去。
当红外接收器接收到控制脉冲后，由控制方式选择开关选择是“互锁”还是单路控制，再由单片机处理后，对相应的受控电器产生控制。
当按下遥控按钮时，编码调制部分产生相应的调制后的信号，由红外发光二极管发射出去。
当红外接收器接收到控制脉冲后，由解码处理后，对相应的受控电源产生控制。
3.2.2方案二
使用由常规数字集成电路组成的红外遥控电路。
这种遥控电路使用配套的专用编译码器，因此制作起来比较方便。
红外线发射、接收系统组成框图如图2所示。
图2红外线发射、接收系统组成框图
3.2.3方案比较
综上所述通过比较二套方案，方案一和方案二都可实现控制多个电源开关。
方案一的红外线发射/接收控制电路采用单片机来实现，电路简单，实用性强，但方案一所需的单片机需要编程，比较复杂。
而方案二使用配套的编码和译码器，且用到的元器件较少，市场上都可以买到，电路相对简单实用。
所以本设计采用方案二作为设计蓝本。
4电路设计
4.1红外遥控发射电路设计
图3为红外遥控发射电路原理图，主要由编码芯片PT2262、四2输入与非门7400、编码开关SW-DIP8、红外线发射器PH303、电阻、三极管、电容、极性电容、按键SB组成。
图3中门电路U2~U4构成中心频率为40KHZ的方波振荡，用于调制从PT2262第17脚输出的编码信号及控制信号。
控制信号（数据）由PT2262的D1～D4管脚提供，调制后的信号由红外发射管PH303发射出去。
要发射信号时，按下发射键SB。
按键期间，PH303会不断发射红外信号。
图3红外遥控发射电路原理图
4.2红外遥控接收电路设计
图4红外遥控接收电路原理图，主要由译码芯片PT2272、编码开关、双稳继电器、红外接收头FPS-4091、5V电源电路等组成。
图4红外遥控接收电路原理图
图4中的红外接收组件FPS-4091接收到中心频率为40KHZ的红外信号后，从载波中解调出编码信号，经放大后从2脚输出，输进PT2272解码器输入端14脚，如果两机地址码相同，则PT2272进行解码，并把PT2262的控制信号锁存在PT2272的第10～13引脚上，同时在第17脚上输出一个正脉冲，用于双稳电路的控制。
PT2272解码器数据输出端第10～13脚具有记忆保持功能，当有数据输出时，此数据会保持直至电源关断。
PT2272第17脚“总线”输出端，当发、收两机地址码相同，正确译码时，输出转为高电平，而当发射机不发射信号时，则回落到低电平，没有记忆功能。
在PT2272的第17脚接一个有双稳态继电器和其驱动电路组成的双稳电路，双稳电路原理图如图5所示。
图5双稳电路的电路图
有上述可知，接收器在得电后收到第一个信号之前，PT2272第17脚输出为低电平时，VT2截止，继电器J1（JMX-94F）释放，其触点是断开状态，负载不工作。
遥控器的发射键SB按下后，接收器收到信号，PT2272第17脚输出为高电平时，VT2导通，继电器J1（JMX-94F）励磁吸合其触点动作，带动负载工作，从而实现了红外遥控的目的[12]。
4.3电源电路设计
图6为红外接收电路的电源电路原理图，主要由MC78L05三端稳压器、变压器、整流二极管及电容组成。
电源电路接220V交流电后，经变压器转换成9V交流电，接着送整流二极管转换成9V直流电、再由电容滤波和MC78L05三端稳压器稳压后提供5V直流电[6]。
图6红外接收电路的电源电路
5主要组件选择及介绍
5.1红外发光二极管和接收管
红外发光二极管实际是采用砷化嫁（GaAs）和砷铝化嫁（GaAlAs）等半导体材料制成的特殊的发光二极管，由于其内部材料不同于普通发光而激光，因而在其两端施加一定电压时，它发出的是红外线而不是可见光。
当我们在它两脚加恒定电压时经红外发光二极管产生直流电流，只要工作电流不超过PH303的性能参数表（如图7所示）给出的数值，红外发光二极管即可正常工作，发出的是光强恒定的红外光；
当在它两脚上加脉冲电压，红外发光二极管的驱动电流为直流脉冲电流，即可发出脉冲光信号，可用来传递数字遥控信号。
因此，对发光二极管来说，不管供电电源的电压如何，只要流过发光管的正向工作电流在所规定的范围之内，器件就可正常发光，关键是用什么方式以及如何来获得所需要的驱动电流[10]。
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，外形与普通的发光二极管相同，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。
常见的红外发光二极管，其功率分为小功率（1mW-10mW）、中功率（20mW-50mW）和大功率（50mW-100mW以上）三大类。
常用的发光二极管为PH303，本设计中用到的就是这种发光二极管，PH303的性能参数见图7所示[7]。
图7PH303的性能参数
红外发光二极管的伏安特性曲线如图8所示。
红外发光二极管的正向压降VF与材料及正向电流有关。
砷化嫁红外发光二极管的正向压降在1～2V之间；
小功率管的正向压降在1～1.3V之间；
中功率管的正向压降在1.6～1.8V之间；
大功率管的正向压降小于等于2V。
在使用时应注意驱动电源电压的数值应大于红外发光二极管的正向压降，否则不能克服死区电压产生的正向电流IF。
红外发光二极管的反向击穿电压VR较低，约为5~30V。
所以，在实际使用中需加限流电阻予以保护[10]。
图8红外发光二极管的伏安特性曲线
红外发光二极管的输出特性曲线如图9所示，它表示红外发光二极管的输出光功率PO与正向工作电流IF之间的关系。
图9红外发光二极管的输出特性曲线
由图9可见，在工作电流IF较小时，输出光功率Po与工作电流IF成线性关系。
当工作电流较大时，曲线快速弯曲，红外发光二极管进入饱和，Po与IF就不再成线性关系了，形成了非线性工作区，即饱和区。
在红外线遥控电路中，红外发光二极管一般都工作在开状态（数字调制）。
因此，对于输出特性是否在线性区没有要求。
当红外发光二极管用在简单的光通信中时，它的工作状态为调幅工作状态（模拟调制），这时必须使红外发光二极管工作在线性区[10]。
红外发光二极管的指向特性是指它的发光强度与光辐射的几何角度的关系即发光强度的角分布（是描述红外发光二极管在空间各个方向上光强分布），它是由封装透镜的形状、管芯、顶端的位置与封装的工艺（包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否）决定的。
发光强度（法向光强）是表征发光器件发光强弱的重要性能。
红外发光二极管大量应用要求是圆柱、圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向特性：
位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90°
。
当偏离正法向不同θ角度，光强也随之变化。
发光强度随着不同封装形状而强度依赖角方向。
图10（a）、（b）分别画出了球面透镜封装与平面封装的红外发光二极管的指向特性曲线。
由图10可见，球面封装的红外发光二极管指向角度较小，在偏离发射中心（零发射角）10o的位置上，发射光强只有0o位置上的50％。
平面封装的管子指向角度较大，在偏离0o发射角40o时发射光强为0o位置上的50％。
采用多只发射管并列安装的方法，可以改善发射光的指向特性[10]。
图10红外发光二极管的指向特性曲线
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（E极接负，C极接正），它才能正常工作，获得较高的灵敏度[7]。
PH302的性能参数见图11所示。
图11PH302的性能参数
5.2成品红外接收头
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，PH302、PH303的最大接收距离一般在5m。
当要求更长的遥控距离时，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，大多采用成品红外接收头。
所以本设计也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。
均有三个引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO和OUT）。
红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，需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。
但使用时需注意成品红外接收头的载波频率。
本设计中用到的成品红外接收头是FPS-4091。
FPS-4901高灵敏红外线接收器，外形尺寸：
13.5mm×
14.4mm×
16.3mm。
该红外线接收器内含一个红外线接收管（PH302）和一个放大电路（CX20106），红外线接收管产生的光电流有前置放大器放大。
该接收器可以直接和红外线发射管配合组合成各种遥控系统。
FPS-4091主要光电参数见表1所示[7]。
表1FPS-4901主要光电参数
参数名称
最小值
典型值
最大值
工作电压Vcc（V）
4.7~5.3
6.3
遥控距离L（m）
6.5（30o）
8.5（30o）
10（轴向）
高电平脉冲宽度Twh（us）
290
540
790
低电平脉冲宽度Twl（us）
410
660
910
载波频率fo（kHZ）
38
工作环境温度（℃）
-10~+60
图12是FPS-4901接收器的内部电路图。
该电路功耗低，Vcc=5V时，PCM=9mW；
工作电压为4.5~17V，建议使用5V；
工作温度-20~+75℃。
其中第2脚外接电阻与电容决定前置放大器的放大倍数，当第2脚外接电阻由4.7减少到0时，灵敏度最高，遥控距离可达12m，但易受干扰。
第5脚外接决定接收的中心频率fo。
CX-20106可用KA2184直接代换，功能完全一样。
图13是电路的工作波形图。
由图13分析可知，FPS-4091接收器在红外接收电路中起转换、放大和解调信号的作用。
此接收器内部电路也可用分立组件代替，但体积较大，不宜配套使用，所以本设计直接使用成品红外线接收头FPS-4091[7]。
图12FPS-4901接收器的内部电路图
图13FPS-4901接收器电路的工作波形图
5.3编码器和译码器的选择
PT2262、2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262、2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平），可以组合成531441个不同的地址码；
PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出。
PT2262为编码芯片，PT2262外形图如图14所示，PT2262引脚功能如图15所示。
工作电源范围为2.6V～15V，A0～A11为地址管脚，其中A6～A11既可以作为地址也可以作数据使用，它们按三态即“0”、“1”、高阻态（悬空、开路）三种状态编码，输出数据有效电平为高电平。
TE为编码、输出启动，低电平时17脚送出编码数据。
OSC1、OSC2为内部振荡电路输入、输出端，外接电阻确定振荡频率。
17脚DOUT为串行数据输出端，平时为低电平。
表2为PT2262的极限参数（Ta=25℃），表3为PT2262的电气参数表（除非特殊说明Tamb=25℃VDD=12.0V）。
图14PT2262外形图
图15PT2262引脚功能
表2PT2262的极限参数
参数
符号
参数范围
单位
电源电压
Vcc
2～15.0
V
输入电压
Vi
-0.3～Vcc+0.3
输出电压
Vo
最大功耗
Pa
300
mW
工作温度
Topr
-20～+70
℃
储存温度
Tstg
-40～+125
表3PT2262的电气参数表
测试条件
2
12
电源电流
Icc
Vcc=12V振荡器停振
A0～A11开路
0.02
0.3
uA
Dout输出驱动电流
Ioh
Vcc=5V,Voh=3V
-3
mA
Vcc=8V,Voh=4V
-6
Vcc=12V,Voh=6V
-10
Dout输出陷电流
Iol
Vcc=5V,Vol=3V
Vcc=8V,Vol=4V
5
Vcc=12V,Vol=6V
9
PT2272是与PT2262配对的译码电路，PT2272外形图如图16所示，PT2272引脚功能如图17所示。
工作电源为+5V。
A0～A11的功能同PT2262。
PT2272的A0～A11必须与PT2262的A0～A11完全相同，PT2272才输出解码数据，否则不输出。
PT2272一旦解码成功，VT端就会输出一个“解码有效”的正脉冲作为标志，同时D0-D5端送出与PT2262的D0-D5端相同的数据[9]。
表4为PT2272的极限参数，表5为PT2272的电气参数表。
图16PT2272外形图
图17PT2272引脚功能
表4PT2272的极限参数表
-0.3～15
mW
表5PT2272的电气参数表
15
Vcc=10V振荡器停振
Vcc=10V,Voh=6V
Vcc=10V,Vol=6V
输出高电平
Vih
0.7Vcc
输出低电平
Vil
0.3Vcc
编码芯片PT2262发出的编码信号由：
地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。
当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。
在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：
悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码
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