红外发射和接收电路设计Word格式文档下载.docx
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前 言
近年来随着计算机在社会各领域的渗透，单片机的应用正在不断地走向深入，同时也带动传统的控制、检测等工作日益更新。
传统的遥控器大多采用无线电遥控技术，随着科技的进步，红外线遥控技术的进一步成熟，红外遥控也逐步成为了一种被广泛应用的通信和遥控手段。
为了方便实用，传统的家庭电器逐渐采用红外线遥控。
工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等有害环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
红外线的光谱位于红色光之外，波长是0.76～1.5μm，比红光的波长还长。
红外遥控是利用红外线进行传递信息的一种控制方式，红外遥控具有抗干扰，电路简单，容易编码和解码，功耗小，成本低的优点。
红外遥控几乎适用所有家电的控制。
红外遥控是以调制的方式发射数据，就是把数据和一定频率的载波进行“与”操作，这样既可以提高发射效率又可以降低电源功耗。
目前有很多种芯片可以实现红外发射，可以根据选择发出不同种类的编码。
由于发射系统一般用电池供电，这就要求芯片的功耗要很低，芯片大多都设计成可以处于休眠状态，当有按键按下时才工作，这样可以降低功耗芯片所用的晶振应该有足够的耐物理撞击能力。
红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。
根据发射端调制载波的不同应选用相应解调频率的接收头。
红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头的供电脚上须加上滤波电容，一般在22uf以上。
红外遥控的特点是不影响周边环境、不干扰其它电器设备。
由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；
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。
红外遥控虽然被广泛应用，但各产商的遥控器不能相互兼容。
当今市场上的红外线遥控装置一般采用专用的遥控编码及解码集成电路，但编程灵活性较低，且产品多相互绑定，不能复用，故应用范围有限。
而本文采用单片机进行遥控系统的应用设计，遥控装置将同时具有编程灵活、控制范围广、体积小、功耗低、功能强、成本低、可靠性高等特点，因此采用单片机的红外遥控技术具有广阔的发展前景。
红外线是一种光线，具有普通光的性质，可以以光速直线传播，强度可调，可以通过光学透镜聚焦，可以被不透明物体遮挡等等。
特别制造的半导体发光二极管，可以发出特定波长（通常是近红外）的红外线，通过控制二极管的电流可以很方便地改变红外线的强度，达到调制的目的，因此，在现代电子工程应用中，红外线常常被用做近距离视线范围内的通讯载波，最典型的应用就是家电遥控器。
使用红外线做信号载波的优点很多：
成本低、传播范围和方向可以控制、不产生电磁辐射干扰，也不受干扰等等。
因此被广泛地应用在各种技术领域中。
第1章 概 述
第1.1节 基于单片机的红外遥控系统概述
当今社会科学技术的发展与日俱增，人们生活水平也是日益提高，为了减少人们的工作量，所以对各种家用电器、电子器件的非人工控制的要求越来越高，针对这种情况，设计出一种集成度比较高的控制体系是必然的。
现代科技的飞速发展在许多危险、不可近场合也对远程控制提出了越来越高的要求。
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。
而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。
单片机的集成度很高，它体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化、使用方便等突出特点，尤其耗电少，又可使供电电源体积小、质量轻。
所以特别适用于“电脑型产品”，它的应用已深入到工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活用品（家电、玩具）等各种领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
单片机特别适合把它做到产品的内部，取代部分老式机械、电子零件或元器件。
可使产品缩小体积，增强功能，实现不同程度的智能化[1]。
特别制造的半导体发光二极管，可以发出特定波长（通常是近红外）的红外线，通过控制二极管的电流可以很方便的改变红外线的强度，以达到调制的目的，因此，在现代电子工程应用中，红外线常常被用做近距离视线范围内的通讯载波。
由于红外线为不可见光，因此对环境影响很小，再由红外光波动波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。
最典型的应用就是家电遥控器。
红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力，所以，在设计家用电器的红外线遥控器时，不必要像无线电遥控器那样，每套（发射器和接收器）要有不同的遥控频率或编码（否则，就会隔墙控制或干扰邻居的家用电器）。
同类产品的红外线遥控器，也可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。
这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方面。
本设计主要研究并设计一个基于单片机的红外发射及接收系统，实现对八路开关的隔离控制并对工作状态设备计数。
控制系统主要是由MCS-51系列单片机、电源电路、红外发射电路、红外接收电路、LED显示电路等部分组成，单片机编码发射遥控信号经红外接收处理传送给单片机，单片机根据不同的信息码控制四路LED发光二极管各个状态，并完成相应的状态指示[2]（如图1.1）。
图1.1 红外线遥控系统框图
第1.2节 设计方案思路
本设计主控芯片采用目前比较通用的MCS-51系列单片机。
此类单片机的运算能力强，软件编程灵活，自由度大，市场上比较多见，价格便宜且技术比较成熟容易实现。
红外传输利用载波对信号进行调制从而减少信号传输过程中的光波干扰,提高数据传输效率。
由单片机AT89S51定时器T0产生周期性的26.3的矩形脉冲,即每隔13us，定时器T0产生中断输出一个相反的信号使输出端产生周期的38KHz脉冲信号。
再由单片机将键盘信息及系统识别码等数据调制在红外载波上经红外发射头发射出去。
接收方由红外一体化接收头实现对接收信号的放大解调并还原为数据流，经由单片机解码后对相关IO口进行操作[3]（如图1.1）。
第1.3节 研发方向和技术关键
随着电子技术的发展，当前数字系统的设计正朝着速度快、容量大、体积重量轻的方向发展。
在其推动下，现代电子产品几乎渗透了社会的各个领域，有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高，同时也使现代电子产品性能进一步提高，产品更新换代的节奏也越来越快。
（1）合理设计硬件电路，使各模块功能协调；
（2）红外发射信号的脉冲波形；
（3）红外发射信号的编解码；
（4）单片机对IO口的操作；
第1.4节 主要技术指标
（1）遥控距离4到6m；
（2）遥控路数为8路，即可对8个受控设备同时进行开关控制；
（3）工作频率为38KHz，即红外发射和接收的载频为38KHz；
（4）接收端可显示受控状态。
第2章 总体设计
红外遥控系统是集中集光、电于一体的系统。
其工作原理是用户按键信号经单片机编码处理后转化为脉冲信号，经由红外发射头发送出去；
接收端由红外一体化接收头实现对接收信号的放大解调并还原为数据流，经由单片机解码后对相关IO口进行操作，从而完成整个遥控操作。
整个系统主要是由电源电路、红外发射电路、红外接收电路、LED指示电路和LCD液晶显示电路等部分组成。
系统硬件由以下几部分组成：
红外数据发射电路，键盘采用普通按键键盘，按键统一接在单片机P1口。
整体设计思路为：
根据扫描到不同的按键值对发射脉冲编码赋值后AT89S51将按照数据处理要求从P3.4输出控制脉冲与T0产生的8KHz的载波（周期是26us）进行调制，经NPN三极管对信号放大驱动红外发光管将控制信号发送出去。
红外数据接收则是采用SM0038一体化红外接收头，内部集成红外接收、数据采集、解码的功能，只要在接收端INT0检测头信号低电平的到来，就可完成对整个串行的信号进行分析得出当前控制指令的功能。
然后根据所得的指令去操作相应的用电器件工作，如图2.1所示。
图2.1
图2.1 系统总体结构框图
第2.1节 红外遥控发射部分
红外遥控发射部分系统框图见图2.2。
发送端采用单片机的定时中断功能，由定时器T0产生周期为26us的矩形脉冲,即每隔13us定时器T0产生中断输出一个相反的信号使单片机输出端产生周期为38KHz的脉冲信号。
脉冲图如图4所示。
系统通过直连单片机的按键获取用户遥控信息，经按键扫描确认，然后交由单片机对将要发射数据进行整理，将待发送的二进制信号编码调制在38kHz脉冲基波上，生成脉冲发射信号,最后通过红外发射管发射红外信号。
红外发射电路的作用是当接收到外界信号时，驱动红外发光二极管发出调制红外光[4]。
发射系统一般要求芯片的功耗要很低，芯片大多都设计成可以处于休眠状态，当有按键按下时才工作，这样可以降低功耗。
红外线通过红外发光二极管（LED）发射出去，红外发光二极管内部材料和普通发光二极管不同，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[5]。
单片机红外遥控发射器主要有单片机、行列式键盘、低功耗空闲方式控制电路、红外管发射电路以及单片机的一些电源、复位、震荡子电路组成[6]。
单片机不工作时一直处于低功耗状态，采用了空闲节电工作方式。
当遥控器的某一按键被按下以后，外部中断1产生中断，唤醒单片机进入工作状态，查询键盘按下的是哪一个按键，当确认按键后，控制软件启动定时器T0、T1，T1作为发射时间控制器，T0作为红外线发射频率控制器，T0定时溢出时中断程序使红外管接口电平反转一次，写入定时器的初值不同，在输出端口就得到不同的发射频率。
T1定时溢出时中断程序关闭关闭T0定时器，停止红外线发射[7]。
驱动
图2.2红外遥控发射电路框图
图2.3 38KHz载波信号
第2.2节 红外遥控接收部分
红外遥控接收电路框图见图2.4。
红外接收端普遍采用价格便宜,性能可靠的一体化红外接收头（SM0038,它接收红外信号频率为38KHz,周期约26μs）。
它能同时对信号进行放大、检波、整形,得到TTL电平的编码信号。
红外接收头收到信号后单片机立即产生中断，开始接收红外信号。
接收到的信号经单片机解码得到用户遥控信息并转至IO口执行,同时单片机还完成对处于工作状态的设备进行计数并显示。
红外接收电路的作用是接收红外发光二极管发出的调制红外光，并通过运算放大器放大后输入到音频锁相环译码器集成电路进行选频。
单片机红外遥控接收器主要有单片机、红外遥控接收电路、状态指示电路、控制电路以及单片机的一些外围电路组成。
利用单片机中的T0作为红外脉冲计数器，T1作为计数时间控制器。
当电路中红外接收管接收到第一个红外脉冲时，外部中断1被触发，启动计数器T0和定时器T1。
定时溢出，中断程序关闭计数器T0，读入计数值并进行判断，确定操作对象（遥控按键）对其进行反转操作，控制电路对所控制的负载进行开或关。
还可对接收电路实行上锁功能，对控制电路上锁后，遥控器不能对控制电路实施遥控功能。
红外线接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。
红外线接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头的供电脚上须加上滤波电容，一般在22uf以上。
有的厂家建议在供电脚和电源之间接入330欧电阻，进一步降低电源干扰。
接收电路可以使用一种集红外线接收和放大于一体的一体化红外线接收器，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。
图2.4 红外遥控接收电路框图
第2.3节红外编码标准
本设计中采用不同的脉宽宽度来实现二进制信号的编码,编码由发送单片机来完成。
以间隔0.56ms、脉宽为0.565ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“1”；
以间隔1.685ms、脉宽为0.565ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“0”，其波形如图2.5所示。
Bit“1”
1.125ms
0.56ms
2.25ms
1.685ms
Bit“0”
图2.5 二进制信号“1”和“0”的编码
遥控编码脉冲信号由引导码、识别码、识别反码、控制码、控制反码信号组成。
引导码也叫起始码，由宽度为5ms的高电平和宽度为3ms的低电平组成，用来标志遥控编码脉冲信号的开始。
如图2.6所示。
3ms低电平
5ms高电平
图2.6 信号引导码图
识别码也叫系统码，它用来指示遥控系统的种类，以区别其它遥控系统，防止各遥控系统的误动作。
控制码也叫功能码，它代表了相应的控制功能，接收机可根据功能码的数值完成各种功能操作。
识别反码与控制反码分别是识别码与控制码的反码，反码的加入是为了能在接收端校对传输过程中数据是否产生差错。
脉冲位置表示的“0”和“1”组成的32位二进制码前16位控制指令，控制不同的红外遥控设备。
而不同的红外家用电器又有不同的脉冲调控方式，后16位分别是8位的控制码和8位的控制反码。
2.3.1 二进制信号的调制
二进制信号的调制仍由发送单片机来完成,如图2.7所示,A是二进制信号的编码波形,B是频率为38KHz（周期为26μs）的连续脉冲,C是经调制后的间断脉冲串（相当于C=A×
B）,用于红外发射二极管发送的波形。
图2.7中,待发送的二进制数据为101。
图中脉冲个数仅为示意非真实情况。
图2.7 二进制信号的调制
2.3.2 二进制信号的解调
二进制信号的解调由一体化红外接收头SM0038来完成,它把接收到的红外信号（图2.8中波形D,也是图9中波形C）经内部处理并解调复原,在输出脚输出图2.8中波形E（正好是对图2.7中波形A的取反）,SM0038的解调可理解为:
在输入有脉冲串时,输出端输出低电平,否则输出高电平。
可直接与单片机串行输入口及外中断相联，以实现随时接收遥控信号并产生中断，然后由单片机对编码还原。
图2.8 红外接收头接收及输出波形
2.3.3 二进制信号的解码
解码是指用特定方法把数码还原成它所代表的内容或将电脉冲信号、光信号、无线电波等转换成它所代表的信息、数据等的过程。
解码在无线电技术和通讯等方面广泛应用[8]。
进而二进制信号的解码由接收单片机来完成,它把红外接收头送来的二进制编码波形通过解码,还原出发送端发送的数据。
如图2.8,把波形E解码还原成原始二进制数据信息101。
第3章 硬件设计
第3.1节 主控芯片AT89S51
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器,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8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中[9]。
3.1.1 主要特性
8031CPU与MCS-51兼容
4K字节可编程FLASH存储器（寿命：
1000写/擦循环）
4.0－5.5V的工作电压范围
全静态工作：
0Hz-33MHz
三级程序存储器保密锁定
128*8位内部RAM
32条可编程I/O线图3.1 AT89S51
两个16位定时器/计数器
6个中断源
全双工串行UART通道
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
低功耗空闲和掉电模式
灵活的在系统编程
3.1.2 功能概述
AT89S51提供以下标准功能：
4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I／O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时／计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时／计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
AT89S51其他主要功能列举如下：
（1）为一般控制应用的8位单芯片
（2）晶片内部具时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHz）
（3）内部程式存储器（ROM）为4KB
（4）内部数据存储器（RAM）为128B
（5）外部程序存储器可扩充至64KB
（6）外部数据存储器可扩充至64KB
（7）32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O的控制
（8）5个中断向量源
（9）2组独立的16位定时器
（10）1个全多工串行通信端口
（11）8751及8752单芯片具有数据保密的功能
（12）单芯片提供位逻辑运算指令
AT89S51方框图如图3.2所示：
图3.2 AT89S51内部功能框图
3.1.3 引脚功能说明
Vcc：
电源电压（5V）。
GND：
电源接地。
P0：
P0口是一组8位漏极开路型双向I／0口，也即地址／数据总线复用口。
作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活
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