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智能红外线家电遥控系统的设计 海 南 大 学本科生毕业论文（设计）题 目: 智能红外线家电遥控系统的设计 28摘 要 家电产品几乎都具备有 红外线遥控功能，人们也早已习惯按遥控器的动作，桌上摆满了各式红外线遥控器也是常有的事，而这些遥控器也只能 控制本身家电用品，本系统特别设计一个接收器，可接收这些遥控器的控制码，并达到控制继电器 ON/OFF输出的目的，使这些遥控器又增添一项用途。在系统中以红外线传输为主要媒介，对现有红外线遥控开关的产品的红外发射码进行分析，并藉由单片机系统进行解码，同时提供二个通道的控制 ，并提供两AC负载插座共 1500W的输出控制。 为了让使用者方便操作本系统，系统分成电源供应模组及微电脑控制接收模组，两模块间以一条缆线连接。本系统藉由红外线接收感测元件接收遥控器的发射码，经由89C51的处理后，可以控制电源供应模块上的两个插座通道的接通或关闭。关键词： 红外线；单片机；89C51；继电器；遥控器Abstract Most of the household appliances in the market are equipped with infrared remote control. People accustom to turn on and off appliances with this device. People have their living rooms littered with remote controls. However, each remote control can only manipulate a single appliance that they are designated for. We have designed a special infrared receiver in this research which can receive the control codes in order to turn on and off a control relay. In this system that we designed, analyse signals emit from infrared remote and decode by SCM. The controller also provides two AC overload sockets with 1500W output control. In order for user to easily learn how to manipulate this system, we separated this system into two parts: a power supply module and a micro-computer controlling receiver module. An wire links both modules together. After an infrared receiver detects an incoming signal, through 89C51, we can manipulate the current flows to either one of the sockets. Key words: infrared ，SCM ，89C51 ，relay ，remote目 录第一章 绪论11.1 背景简介11.2 红外线遥控器动作原理21.3 研究动机3第二章 系统架构与硬件42.1 整体系统构架42.2 电源供应模组52.3 89C51解码控制模组62.4 红外线收发接收模组82.4.1 红外线发射模组82.4.2 红外线接收模组92.5遥控格式与编码方式102.6 红外线遥控器编码信号测量112.6.1波形图122.6.1.1启始位元 122.6.1.2 短码位元132.6.1.3 长码位元142.6.2 PT2221电源键波形量测信号说明15第三章 系统软件架构173.1 程序说明及流程图173.2 程序清单203.3 程序执行说明27致 谢28参考文献29第一章 绪论1.1 背景简介家中许多的电器产品只要有遥控的功能者 ，例如电视机、冷气器及影音等家电产品，都是以红外线遥控的方式来控制 。其控制的按键有基本功能遥控，或是做较复杂的功能控制。本论文系以东芝牌电视遥控器 ，收录其遥控发射码数据，及分析其波形 ，进而利用单片机89C51来进行解码控制，制作一个红外线接收开关，本装置的程序部份必须能够准确遥控码数据 ，使接收动作无误。1.2 红外线遥控器动作原理 红外线 LED发光波长在940nm 左右为不可见光，是以GaAs组成的二极体装置，当它被 加上顺向偏压时，就能发出红外光，其顺向电压约为1.2V, 顺向电流最大值一般可达50mA, 有的甚至可达150mA, 其所工作的顺向电流愈大，所发出之红外线愈强 。红外线LED 之逆向电压最大值为 36V，使用时需多加注意。 红外线LED的应用很多，家电用遥控器算是其中之一，发射红外光是以脉 波调驱动红外线 LED，其好处是当脉波宽度愈小时，其工作周期愈小，可使红外线 LED承受较大的峰值电 流，以产生较强的发射光束，通常可采用不稳态多谐振荡器来做，其所形成的脉波束去驱动红外线 LED ，可以较高的频率传送，而得到较远的传送距离。 一般只以红外线接收二极管做为接收感测元件时，其接收灵敏度通常较低，遥控距离很短。另有一种红外线接收模块，其采积体化的设计，将红外线接收二极体及所需的信号放大，检波、波形整形电路等电路积体化，外加金属外壳，增加了感应灵敏度及遥控距离，红外线接收模块只有3支脚，一支接正电源、一支接地 、另外一支为输出，供应电压4.7V5.3V 之间 输出信号位准，TTL IC相容，可以直接与89C51配合使用。 1.3 研究动机 在现代化家庭中，遥控开关应用在各类电器产品中，已相当的普遍，举凡电视机冷气机、音响 、数位影音光盘机等等 ，几乎是一般家庭的基本配备，且都具备有遥控的功能，这些伴随而来的遥控器 ，除了控制指定的电器产品外，似乎也只能摆在角落一方 ，听候主人作单调的操弄。然而，若能利用微控制器，将这些各式各样的遥控器所发射的码加以分析 ，再由89C51执行解码，则上述遥控器将会被额外赋予控制另一个电器用品的功能。 本论文重点在于如何利用现有之遥控器非常少用之按键, 不仅可遥控原本之电器，亦可操控本装置；利用红外线的指向特性，让这二电器可以分别遥控。一般市售的遥控开关 ，大都以随机附送专有遥控器来控制开关，最 现实的一点，减少一支遥控器成本,会使本装置极具竞争 力(遥控器约占本装置成本之1/2)第二章 系统架构与硬件2.1 整体系统构架 整个系统由电源供应模组及89C51微电脑解码组所组成，为了增强实用性，在结构部分采用分离式，如同一般的延长线外加一个小型的接收器。电源部分乃直接取自交流电220V，且在成本上的考量与缩小体积上的考虑，使用电容降压式的设计，所提供的DC5V给微控制器及DC24V给继电器，图2.1为整体系统架构图。 图 2.1 系统架构图2.2 电源供应模组 AC220V直接接一个塑胶电容器承受大部份压降 ，再经稳压电路得到DC5V，给89C51解码组，降压电路原理为C1阻抗Xc= 1/(2f*C)，本设计采1.5u之塑胶电容，Xc= 1/(6.28*60*1.5)=1.77k能提供，最大负载电流是2200/1.77k=124mA, 电容器两端需并联一个放电电阻，以防插头拔掉后误触电容两端而触电，另外，全波整流后接一稽纳二极管除输出 DC24V给 两个继电器外，亦接至7805提供稳定的5V给89C51用。图2.2为电源供应模块图2.2电源供应模块电路图2.3 89C51解码控制模组 微控制解码器采用89C51。在红外线接收界面则使用模组元件，且在元件输入端加上退耦合电路以降低感度，以防光杂讯干扰本系统，另外，在机壳方面亦罩上暗红色之压克力板，有助于红外线光谱接收。压电喇叭以及LED作状态指示用图2.3.1为89C51解码控制模组电路图（P3.2，P3.5接口作为动作指令输出口分别接电源模块LOAD1与LOAD2）图2.3.2为电源稳压模组电路图图2.3.3为压电喇叭工作模组电路图图2.3.1 89C51解码控制模组电路图图2.3.2 电源稳压模组电路图图2.3.3 压电喇叭工作模组电路图2.4 红外线收发接收模组2.4.1 红外线发射模组图2.4.1为红外线发射器的工作方块图，当按下某一按键后，遥控器上的控制芯片(8051单片机)便进行编码产生一组句柄，结合载波电路的载波信号(一般采用38kHz)而成为合成信号，经过放大器的提升功率而推动红外线发射二极管，将红外信号发射出去，所要发射的句柄必须加上载波才能使信号的传送距离加长，一般的遥控器有效距离为7米。 图2.4.1 红外线发射器的工作方块图2.4.2 红外线接收模组 图2.4.2（1）为红外线接收的工作方块图，其主要控制组件为红外接收模块，其内部含有高频滤波电路，专门用来滤除红外线合成信号的载波信号（38kHz）而送出发射器的控制信号。当红外线合成信号进入红外线接收模块，在其输出端便可以得到原先的数字控制编码，只要经过单片机的译码程序进行译码，便可得知按下了哪个键，而做出相对应的控制处理完成红外线遥控操作。图2.4.2 （1）红外线接收的工作方块图图2.4.2 （2）红外线发射LED及接收模块2.5遥控格式与编码方式 由于每家厂商设计出 来的遥控器都不 一样，即使是使用相同的控制芯片，也会做特殊的编码设计，以避免遥控器间互相的干扰。本论 文以国内较常用的厂牌之电视机及冷气机遥控器做实验 ，首 先，以TOSHIBA电视机遥控器 为例 ，其使用国内遥控器最常用的编码芯片PT2221 ，编码方式由前导信码、编码资料、结束信号共32位元 ，其中的编码资 料包含厂商固定编码及按键编码 ，厂商固定编码为避免与其他家电厂商重复 ，而按键编码则是遥控器上的各个按键编码。图2.5为红外线发射信号编码格式。图2.5 红外线发射信号编码格式2.6 红外线遥控器编码信号测量 由于红外线数位信号并非周期信号，因此必须靠数位式示波器的记忆功能来记录并追踪信号的存在。示波器首先调在 AUTO调整适当的 Tim/Div待波形信号 出现，将Trigger调在中央位置后，再 切换至 Normal观察设定无误则调至 Single准备正式量测记 录波形，观测之前红外线接收模块之输入端须做处理 图2.6为观察红外线遥控器信号电路 。图 2.6.1 观察红外遥控器信号电路2.6.1波形图以储存式示波器量测 PT2221 红外线编码芯片电源键的波宽。2.6.1.1启始位元 (start bit) 低准位波宽为 9ms,高准位波宽为4.6ms 图2.6.2启始位元低准位波宽波形图，图2.6.3启始位元高准位波宽波形图。图2.6.2启始位元低准位波宽波形图2.6.3启始位元高准位波宽波形图2.6.1.2 短码位元 短码的波宽为 1.18ms,图2.6.4为短码的波宽波形图。2.6.4 短码的波宽波形图2.6.1.3 长码位元 长码的波宽为2.26ms,图2.6.5为长码的波宽波形图。图2.6.5为长码的波宽波形图2.6.2 PT2221电源键波形量测信号说明 由储存式 示波器之ch1量测遥控器编码芯pt2221电源键的一组发射码，经记录波宽值并与程序模拟器测定值比较如下表所示，表 2.1及表 2.2为示波器量测值与程序模拟器量测值比较。表2.1 示波器量测值与程序模拟器量测值比较表2.2 示波器量测值与程序模拟器量测值比较(续)第三章 系统软件架构3.1 程序说明及流程图 红外线家电遥控器的控制程序文件名为IB.ASM。控制程序包含遥控器的译码程序及继电器的控制程序 图为主程序控制的工作流程。在主控程序循环中主要工作为等待红外线信号的出现，并跳过前导信号，开始收集连续32位的编码数据，存入内存的连续空间。红外线信号译码后输出4字节数据，经由程序比较处理，再控制继电器动作及压电喇叭发出声响做动作指示。工作指示灯LED所扮演的角色为状态指示，当确认红外线的信号出现时，LED会亮起做指示。信号收集译码完毕后，LED会熄图3.1 主程序流程图 IR_IN 是将红外线信号译码的子程序，其输出结果为4字节数据，其动作原理及程序设计译码第二章已经作出分析，红外线信号译码数据是存放存在变量IRCOM处，占用连续4字节的内存空间，并以R0寄存器间接寻址方式做存取。而程序中实际程序比较处理时，只比较了第3个字节（即按键编码），程序中使用数字键1234，其第3个字节正是数字1234，程序代码定义如下： ；IR 遥控器按键 1 2 3 4 比较码CODE_K1 EQU 01HCODE_K2 EQU 02HCODE_K3 EQU 03HCODE_K4 EQU 04H在比较时便可以轻易处理。在一般情况下都可以正常动作，但在有噪声干扰的时候则会产生误动作。通常较理想的比较应该是完整比较，比较完4个字节数据，才做出相应动作，则较难产生误动作。 控制程序说明如下： DELAY: 延迟子程序。LED_BL： 工作指示灯闪烁。BZ： 压电喇叭发出声响。DE： 短暂延迟。DEL： 0.1ms延迟子程序OP: 红外线译码后执行相应的动作。IR_IN: IR译码4字节数据。3.2 程序清单本程序清单如下：1 ；IB.ASM IO51 DECODE RC99 +RELAY22 ; IO51 PCB COPYRIGHT CMY 20033 ; ASM :KEIL4 ; -5 ; decode C0 C1 C2 C3 ；IR译码4字节数据6 ; check C2 ；比较第3字节 7 ;-8 ; IR遥控器按键1 2 3 4 比较码9 CODE_K1 EQU 01H10 CODE_K2 EQU 02H11 CODE_K3 EQU 03H12 CODE_K4 EQU 04H1314 IRCOM EQU 30H ；红外线信号译码数据放置变量起始位置15 COM EQU 32H ；比较第3字节16 ;-17 IRIN EQU P3.2 ；红外线IR信号输入位18 WLED EQU P3.7 ；工作指示灯引脚定义19 SPX EQU P3.4 ；压电喇叭控制信号20 RY1 EQU P3.5 ；继电器1控制引脚21 RY2 EQU P3.6 ；继电器2控制引脚22 ;-23 ORG 0H ；程序代码由地址0开始执行24 JMP BEGIM25 ;-26 BEGIN:27 CLR RY1 ；继电器1状态设为OFF28 CLR RY2 ；继电器2状态设为OFF29 CALL BZ ；红外线信号IR输入位设为高电平30 SETB IRIN ；LED闪动，表示程序开始执行31 CALL LED_BL32 LOOP3334 MOV R0,#IRCOM ；设置IR译码起始位置35 CALL IR_IN ；IR解码36 CALL OP ；执行译码动作37 JMP LOOP ；继续循环执行38 ;-39 ; DELAY R5*10 ms ；延迟子程序40 DELAY: ；总延迟时间R5*10ms41 MOV R6,#5042 D1: MOV R7,#10043 DJNZ R7,$44 DJNZ R6,D145 DJNZ R5,DELAY46 RET47 ;-48 LED_BL: ；工作指示灯闪烁49 MOV R4,#450 LE1: CPL WLED ；位方向51 MOV R5,#10 ；延迟100ms52 CALL DELAY53 DJNZ R4,LE154 RET55 ;-56 BZ: ；压电喇叭发出哗的一声57 MOV R6,#058 B1: CALL DE59 CPL SPK60 DJNZ R6,B16162 MOV R5,#563 CALL DELAY64 RET65 ;-66 DE: MOV R7,#180 ；短暂延迟67 DE1: NOP68 DJNZ R7,DE169 RET70 ;-71 TITLE: DB"IB.ASM IO51 DECODE RC99 4 KEY 1234+RELAY2"72 ; DELAY R5*0.1 ms ；0.1ms延迟子程序73 DEL:74 MOV R5,#175 DELAY1:76 MOV R6,#277 E1: MOV R7,#1778 E2: DJNZ R7,E279 DJNZ R6,E180 DJNZ R5,DELAY181 RET82 ;-83 OP: ；执行译码动作84 MOV A,COM 85 CJNE A,#CODE_K1, A1 ；不是按键1则继续比较86 CALL BZ ；压电喇叭发出哗的一声87 CPL RY1 ；继电器1位反向88 RET89 A1:90 MOV A,COM91 CJNE A,#CODE_K2, A2 ；不是按键2则继续比较92 CALL BZ ；压电喇叭发出哗的一声93 CALL BZ94 CPL RY2 ；继电器2位反向95 RET96 A2:97 MOV A,COM98 CJNE A,#CODE_K3, A3 ；不是按键3则继续比较99 CALL BZ ；压电喇叭发出哗的一声100 CALL BZ101 CALL BZ102 RET103 A3:104 MOV A,COM105 CJNE A,#CODE_K2, A4 ；不是按键4则继续比较106 CALL BZ ；压电喇叭连续四次发出哗的一声107 CALL BZ108 CALL BZ109 CALL BZ110 RET111 A4112 RET113 ;-114 ; IR 译码 4 字节数据115 IR_IN:116 I1: JNB IRIN,I2 ；等待IR信号出现117 JMP I1118 I2: MOV R4,#20 ；延迟一次119 I20: CALL DEL120 DJNZ R4,I20121 JB IRIN,I1 ；确认IR信号出现122 CLR WLED ；LED亮起123 I21: JB IRIN,I3 ；等IR变为高电平124 CALL DEL125 JMP I21126 I3: MOV R3,#0 ；8位计数清0127 ; COLLECT TO 8 BITS lo8+hi4->0 lo8+hi16->1128 LL: JNB IRIN,I4 ；等IR变为低电平129 CALL DEL130 JMP LL131 I4: JB IRIN,I5 ；等IR变为高电平132 CALL DEL 133 JMP I4134 ;high level count, about 1.4/1.6 ms JUDGE 0/1135 I5: MOV R2,#0 ；0.1ms计数136 L1: CALL DELL137 JB IRIN,N1 ；等IR变为高电平138 ; IR=0 CHECK COUNT VALUE R2139 MOV A,#8140 CLR C141 SUBB A,R2 ；判断高地位142 ; IF C=0 BIT=0143 MOV A,R0144 RRC A145 MOV R0, A146 ; PROCESS 1 BIT OK 处理完一位147 INC R3148 CJNE R3,#8, LL ；需处理完八位149 ; 1 BYTE OK, COLLECT NEXT BYTE 8 BITS150 MOV R3,#0151 INC R0152 CJNE R0,#34H, LL ；收集到4字节了153 JMP OK154 N1: INC R2155 CJNE R2,#30, L1 ；0.1ms计数过长则时间到自动离开156 OK: SETB WLED ；LED OFF157 RET158 ;-159 END3.3 程序执行说明程序执行后工作指示灯LED闪动表示程序开始执行，红外线遥控器数字键14编号为S1S4.当按下4按键后有效，工作指示灯闪动，表示有收到红外线信号。操作如下：（1）按下遥控器上的S1键，则继电器1将ON，压电喇叭发出哗的一声，再次按下遥控器上的S1键，继电器1将OFF。 （2）按下遥控器上的S2键，则继电器2将ON，压电喇叭连续两次发出哗的一声，再次按下遥控器的S2键，继电器2将OFF。 （3）按下遥控器上的S3键，则压电喇叭连续三次发出哗的一声，表示程序侦测到遥控器按键数字键3. （4）按下遥控器上的S4键，则压电喇叭连续四次发出哗的一声，表示程序侦测到遥控器按键数字键4 （5）若按下遥控器的其他按键，工作指示灯会闪烁，表示收到了红外线信号。但是并无其他额外动作。 （6）由控制继电器的开启和关闭（ON/OFF），可以直接控制家电的开启与关闭（ON/OFF）。致 谢四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我感觉“山穷水复疑无路,柳暗花明又一村”。 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者，是他们给我鼓励，时刻提醒着我论文不是一个人的事，任何时候在我需要帮助的时候，他们会毫无保留，不遗余力给予我援助，他们在帮助我的同时亦发扬了革命先烈的那种无私贡献的精神。参考文献1 陈明荧8051单片机课程设计实训教材清华大学出版社，2004，（4）：198-2052 李建华实用遥控器原理与制作人民邮电出版社1996，（2）3 周航慈.单片机应用程序设计技术M.北京航空航天大学出版社，2002：56-624 杜国信. 脉码调制通信技术M. 中国铁道出版社，1990