智能家用电扇红外遥控系统设计 本科毕业论文.doc

摘 要作为传统的家用电器，随着空调的普及，电风扇的市场地位受到了巨大的冲击，传统的开/关、调速功能已经不能满足市场的需求。人们希望电风扇在体积小、作方便等的基础上能够拥有更多的功能，而红外遥控的广泛应用及单片机技术的成熟，则使得智能红外遥控系统成为了电风扇的发展趋势。 本设计方案基于市场的需求，结合红外遥控设计简单、作方便、成本低廉等特点，采用了51单片机作为遥控发射接收芯片，HS0038作为红外一体化接收发射管，在此基础上设计了一个简易的智能红外遥控电风扇系统。系统包括接收和发射两大部分，本文设计实现了几项电风扇的基本功能：开/关功能、多级调速功能、0.5-7.5小时不同时间段的定时功能，以及自然、正常两种风类的选择功能。另外本系统有16个按键，可用于扩展控制其他电器。关键字：红外遥控；信号调制；编码；解码AbstractWith the popularity of air conditioners, the market position of the electric fans which are the traditional household appliances will receive a huge impact, the traditional on / off and speed control function have been unfit for the needs of the market. It is hoped that the fans in small, easy to operate, and so on the basis can have more features. When the application of infrared remote control becomes wilder and technologies of SCM become mature, the remote control system is the trend.The design was based on the needs of the market. Considering that infrared remote control is simple, easy to operate, low-cost, I use a special launching and receiving chip which depends on remote control. On the basis of this chip a system of intelligent infrared remote-control was designed for the fan. The system consists of the launching part and the receiving part. This system is designed to achieve some basic functions of fans: on / off function, three kinds of speed, the timing function which can be chosen at different times of 0.5-7.5 hours, and the function of two kinds of wind which are the natural wind and the normal wind.Key words: Infrared Remote Control; Signal Modulation; Encoding; Decoding目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 绪 论- 1 -1.1 课题背景- 1 -1.2 课题内容- 3 -1.3 红外遥控简介- 4 -1.4 设计应用前景和意义- 6 -第二章 系统方案设计- 7 -2.1 方案设计思路- 7 -2.2 方案论证- 8 -2.3 系统的设计- 10 -2.3.1 电源电路设计- 10 -2.3.2 行列式操作键盘- 10 -2.3.3 显示部分的设计- 10 -2.3.4 红外发射电路- 11 -2.3.5 红外接收电路- 11 -第三章 系统的硬件结构设计- 12 -3.1 红外发射电路的设计- 13 -3.2 红外检测接收电路- 14 -3.3 控制电路- 14 -3.4 电源电路设计- 16 -3.4.1 稳压电路- 16 -3.4.2 直流稳压电源的设计- 17 -3.5 显示部分的设计- 17 -3.6 键盘设计- 19 -第四章 系统软件的设计- 22 -4.1 定时/计数器应用- 22 -4.1.1 定时/计数器功能简介- 22 -4.1.2 定时器相关的控制寄存器- 22 -4.1.3 定时计数器的操作模式- 24 -4.2 遥控码的发射- 25 -4.2.1 遥控码的发射- 25 -4.2.2 发射端程序流程图- 26 -4.3 红外接收- 27 -4.3.1 数码帧的接收处理- 27 -4.3.2 接收端程序流程图- 28 -4.4 调速单元- 29 -4.4.1 调速原理- 29 -4.4.2 调速方法- 30 -4.5 按键抖动问题- 31 -结 论- 33 -致 谢- 34 -参 考 文 献- 35 -附 录一- 38 -附 录二- 39 -附 录三- 40 -第一章 绪 论1.1 课题背景随着家电行业的不断发展，如今家电市场的竞争越来越激烈。作为家电的重要部件之一，遥控器的竞争也是可想而知的。红外遥控器是一种用户可以在几米甚至十几米外就能对各种电器进行操作控制的装置，在家电产品中有广泛应用，但各产品的遥控器不能相互兼容，使得生活中遥控器数目也越来越多，使用时常常混淆。另外若遥控器丢失，找到配套的遥控器也很困难。具有学习功能的智能遥控器以普通的低成本单片机为核心，能解码与记忆遥控器编码，并模拟发射，使一个遥控器可以代替多个遥控器控制多个电器，是一种智能化的控制工具。目前市面上常见的智能遥控器大多只能对某几种产品进行控制，不是真正的“万能”。本文利用普通单片机对遥控器的发射信号的波形进行测量，然后将测量的数据回放。由于只关心发射信号波形中的高低电平的宽度，而不管其如何编码，因此做到了真正的“万能”，而且成本很低。红外数据传输，使用传播介质红外线。红外线是波长在750nmlmm之间的电磁波，是人眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长在0.75m一25m之间，红外数据协会成立后，为保证不同厂商的红外产品能获得最佳的通信效果，限定所用红外波长在850nm900nm。红外数据通讯指的是两台设备之间通过红外线进行无线数据传输的一种数据传输方式。为了建立一个统一的红外数据通讯标准，1993年由HP、COMPAQ、INTEL等二十多家公司成立了红外数据协会Infrared Data Association(IRDA)。红外线数据协会(Infrared Data Association，IrDA)是第一个踏入短距离无线通讯领域的世界最初由HP、IBM、Sharp及Sony等业者创立,现在己超过100家公司加入，其中包含费业者、资讯业者、通讯业者、软体业者、半导体业者和研究机构，主要目的是建立红外线短距离无线传输之统一标准，并开发相关联之新技术与新市场，以低价位、点对点(point一to一point)、半双工及串列红外线标准为目标。这个标准定义了一个低成本、高传送速度、点对点的通信介面，因此广受各方瞩目。目前IrDA界面的主要用途之一，是在电脑之间提供近距离无线式的通信连线来交换彼此的资料，加上IrDA拥有低耗电的特性，特别适合用在可携式、可用电池操作的产品中。因此应用的领域相当广泛，目前饱和的市场有:PDA、膝上型电脑和笔记型电脑，现阶段高成长的应用产品有:台式电脑、数码相机、打印机、移动电话、腕表、转接器、车用等;另一兴新应用产品有智慧型电话(smartphone)、电子钱包、电子交易、互动电视、视讯转换器、影音设备、键盘、滑鼠、摇捍、资讯家电和玩具等。红外传输距离在几厘米到几米，发射角度通常在015°，发射强度与接收灵敏度因不同器件不同应用设计而强弱不一，使用时只能以半双工方式进行红外通信。目前无线传输主要有蓝牙和红外两种方式，蓝牙(Bluetooth)技术可说是近一、二年来最热门的产品，不论是被媒体炒热或真能达到低成本且短距离无线资料传输的梦想，全球的半导体厂、零组件厂、系统厂、软体业者，正在进行前所未有的联盟动作。Bluetooth在传输距离、安全保密性与连接点数上优于IrDA，IrDA在频宽、成本优于Bluetooth。在技术上蓝牙涵盖的范围较广泛、距离长，可以穿过不同的介质抵达接收端，同时可与多个装置连结。但亦都因为它穿透性强，易对飞航产生千扰，因此不适合在飞航中等使用，而且高功耗、体积大、与造价高是它的弱点。而IrDA虽然网络功能较Bluetooth薄弱，但在无线外围的连接方面，因为一般外围使用的范围都在设备的周围，距离不是为主，相反造价及耗电在这类外围上才是首先要考虑的，如:个人计算机和打印机、扫描器、鼠标、键盘等，它内置IrDA会比Bluetooth更适合。当然，它也适合体积小的设备如:HTC、PDA、LaPtop、耳机、麦克风等。再之IrDA最大的优势在于普及较早，目前己拥有广大的装机量，而且每年仍以50%的比率在增长，以及目前市面上之众多操作系统均己提供支持，甚至微软宣布其Windows2000将支持高速16Mbps之VFIR标准，故此Bluetooth的出现并取代不了IrDA，应用商品的需求及定位的差异，而今到内置无线传输功能时必然会有所取舍，可能有传输距离、成本、体积等方面权衡考虑。这也令到lrDA能够在新世纪里仍可与Bluetooth并存，并不会因Bluetooth的出现而被取代。红外通讯技术一般采用红外光波段内的近红外线，波长在0.75m至25m之间。由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力较差，所以红外通讯技术更适合应用在短距离无线通讯的场合。目前，红外通讯主要应用于数据通信和遥控这两方面。数据的红外通信具有数据传输量大，传输速率高等特点，但距离较近，至多可达到lm。红外遥控所需传输的数据量较小，一般仅为几个至几十个字节的控制码，传输距离相对较远(小于10米)。由于红外线的直射特性，红外通讯技术不适合传输障碍较多的地方，因此红外通讯技术多数情况下传输距离短、传输速率不高。红外发送器大多是使用Ga、As等材料制成的红外发射二极管，其能够通过的LED电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大，发射强度越大，红外传输距离就越远，传输距离正比于发射强度的平方根。有少数厂商的红外发送器件内置有驱动电路。红外检测器件的主要部件是红外敏感接收管，有独立接收管构成的器件，有内含放大器的，有集成放大器与解调器的。接收灵敏度是衡量红检测器件的主要性能指标，接收灵敏度越高，传输距离越远，误码率越低。内部集成有放大与解调功能的红外检测器件通常还含有带通滤波器，这类器件常用于固定载波频率(如40KHz)的应用。 红外收发器件集发射与接收于一体。通常器件的发射部分含有驱动器，接收部分含有放大器，并且内部集成有关断控制逻辑。关断控制逻辑在发送时关断接收，以避免引入干扰，不使用红外传输时，该控制逻辑通过SD引脚接受指令，关断器件电源供应，以降耗节能。使用器件时需要在LED引脚接入适当的限流电阻。大多数红外收发器件带有屏蔽层，该层不要直接接地，可以通过串联一个磁珠再接地，以免引入干扰影响接收灵敏度。红外遥控收发电路，如彩电、空调、VCD等家用电器的遥控收发是单向传输，通信距离通常在35m，调制/解调的载波频率通常在3640Hz，可用“集成键盘编码IC+带驱动的红外发射管”构成发射遥控器I4，用“带放大与解调功能的红外检测器”构成接收端，接收后的信息可直接送给简易单片机(如AT89C2051)，由单片机通过软件进行遥控功能识别并产生相应动作。红外遥控是目前家用电器中用得较多的遥控方式，在车载影音导航系统也被广泛的应用。近几年来，随着遥控制造业的不断成熟与发展，遥控市场的竞争十分激烈，除了国外市场，国内自身的需求量也十分巨大。因此，进行红外遥控接收芯片电路的研究工作显得十分必要。1.2 课题内容本课题利用89S51芯片制作的红外发射和红外接收器，它具有学习和记忆的功能。红外遥控器是由遥控发射集成电路、振荡器及键盘扫描电路组成的。当遥控器有键被按下时。振荡电路立即接通并起振。扫描信号发生器随即发出多路不同时序的扫描时序脉冲。依次对键盘矩阵进行扫描，键盘编码器则由接收到的回送信号判断出被按键位置。并输出相应的编码至译码器，经译码器进行码元变换后的信号被重新编码调制后输出。不同的红外遥控器之间的主要区别在于拥有不同的遥控发射集成芯片和编码的调制方式。经过大量的研究分析发现，绝大多数的遥控器具有相同的载波频率。1.3 红外遥控简介红外遥控的功能:  红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它是把红外线作为载体的遥控方式。由于红外线的波长远小于无线电波的波长，因此在采用 红外遥控方式时，不会干扰其他电器的正常工作，也不会影响临近的无线电设备红外遥控是利用波长为0.76m-1.5m之间的近红外线来传递控制信号的。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。 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，因此它在日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；  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，此外红外LED不是一种十分耐用的器件。 常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。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。目前大量的使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940mm左右，外形与普通5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。红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉锯法来粗略判判定。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。红外发光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pc1373H、CX20106A等红外接收专用放大集成电路。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。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz÷1237.9kHz38kHz。也有一些遥控系统采用36 kHz、40 kHz、56 kHz等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。1.4 设计应用前景和意义随着科技的发展，人们生活的节奏也越来越快，随之人们对方便，快捷的要求也随之不断增高！遥控器的出现，在一定程度上满足了人们这个要求！遥控器是由高产的发明家Robert Adler在五十年代发明的。而红外遥控是20世纪70年代才开始发展起来的一种远程控制技术，其原理是利用红外线来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制，具体来讲，就是有发射器发出红外线指令信号，有接收器接收下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远程控制。 红外遥控具有独立性、物理特性与可见光相似性、无穿透障碍物的能力及较强的隐蔽性等特点。随着红外遥控技术的开发和迅速发展，很多电器都应用了红外遥控，而电风扇也不例外。从单纯的在电风扇面板上通过按钮控制，到短距离(10M以内)的遥控，虽然改变不大，但其带来的便利无疑是巨大的。而红外遥控技术的成熟，也使得遥控电风扇变得设计简单，价格低廉。 作为一种老牌的电器，电风扇具有价格便宜、摆放方便、体积轻巧等特点。虽然现在空调在城市中已经相当普遍，并有替代电风扇的趋势，但由于大部分家庭消费水平的限制，电风扇作为一个成熟的家电行业的一员，尤其在中小城市，以及乡村将来一段时间内仍然会占有市场的大部分份额。 市场的需求促使了电风扇的发展。随着“智能化”的兴起，电风扇的功能也越来越多，越来越贴进人们生活。因此，对于电风扇的开发和设计依然有着较大的实用价值。在现有市场上多功能遥控电风扇的基础上，人们提出了一种新型的智能电风扇，相对于过的电风扇，智能电风扇添加了很多人性化的设计，如安全保护，倾倒保护，智能照明等功能，使电风扇更加人性化，相信其丰富的功能，人性化的设计将会大大提高电风扇的市场竞争力10。 而本设计就是以电风扇为对象，通过红外遥控实现电风扇的几种常用功能如开关、调速、定时等的控制，相对于传统的机械控制，体现出了更加方便快捷的优点。第二章 系统方案设计目前,市场上设备系统一般均采用专用的遥控器编码及解码集成电路,具有制作简单、间隔低廉等特点,但由功能键数及功能受到特定的限制,只适合于某一专用电器产品的应用,应用范围受到限制。而采用单片机进行遥控系统的应用设计，具有编程灵活多样，操作码个数可随意设定等优点。2.1 方案设计思路本系统的框图设计如下：（1）发射端电路：单片机系统及显示电路、红外发射电路以及按键电路，稳压电路等组成。其设计原理图如下：图 2-1 手持端遥控器框图 （2）发射端电路：单片机系统及显示电路、红外发射电路以及按键电路，电源电路，控制单元等组成。其设计原理图如下： 图 2-2 红外接收端框图 红外遥控是单工的红外通信方式，整个通信中，需要一个发射端和一个接收端。发送端采用单片机将待发送的二进制信号编码调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。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接收红外信号，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，经单片机解码并控制相关对象14。 图2-3 遥控器原理框图 2.2 方案论证 红外编码有很多种方式，下面列举两种实现方案12： 方案一：脉宽调制的串行码。这种遥控码具有以下特征： 以脉宽为0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。 其相关的波形图如下: 图 2-4 串行码编码 方案二：码分制。采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的被控对象，最小为2个脉冲。为了使接收可靠，第一位码宽为3ms，其余为1ms，遥控码数据帧间隔大于10ms，如图2-5所示。电器0的遥控输出码电器1的遥控输出码图 2-5 码分制编码波形图本设计采用方案二，码分制编码编程简单，在按键较少的情况下优势明显。2.3 系统的设计2.3.1 电源电路设计 电源电路包含了稳压电路和直流稳压电源两部分。 稳压电路典型应用电路如图3-8所示。图中C5用于频率补偿，防止自激振荡和抑制高频干扰；C6采用电解电容，以减少电源引入的低频干扰对输出电压的影响；D4是保护二极管，当输入端短路时，给C4一个放电的通路，防止C4激穿。 直流稳压电源的主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。框图如图3-9所示。2.3.2 行列式操作键盘单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。 1、编码键盘本身除了按键之外，还包括产生键码的硬件电路。只要按下编码键盘的某一个键，它就能产生这个键的代码，并称为键码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知CPU接收键码，编码键盘的优点是使用比较方便，亦不需要编写太复杂的程序。其缺点是使用的硬件较复杂。2、非编码键盘的按键是排列成行、列矩阵形式的。按键的作用只是简单地实现接点的接通或断开，因此必须有一套相应的程序与之配合，才能产生相应的键码，非编码键盘几乎不需要附加什么硬件电路。因此为了简洁电路，我使用非编码键盘。但使用非编码键盘需要通过软件来解决按键的识别、防抖动以及如何产生键码的问题。2.3.3 显示部分的设计由LED组成的7段发光管显示器是不太复杂的单片机应用系统常用外部设备之一。 1、7段发光管显示器由7段发光线段组成，并按“日”字形排列，每一段都是一个发光二极管，如图3-10 a所示。图中将7个LED的阴极连在一起，称之为共阴极接法。反之为共阳极接法。2、如果将公共阴极接地，而在ag各段的阳极加上不同的电压，就会使各段的发光情况不同，形成不同的发光字符。加在7段阳极上的电压可以用数字量表示，如果某一段的阳极为数字量1，则这个段就发光；如为0，则不发光，如图3-10 b所示。数字量与段的对应关系如表3-1所示。2.3.4 红外发射电路本遥控发射器采用码分制遥控方式，码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。在确定选择AT89S51作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制键后，加上一个简单红外发射电路和12M晶体震荡器便可实现红外发射。2.3.5 红外接收电路在接收过程中，脉冲通过光学滤波器和红外二极管转换为40KHZ的电信号，此信号经过放大，检波，整形，解调，送到解码与接口电路，从而完成相应的遥控功能。接收部分主要元件是红外接收管，它是一种光敏二极管（实际上是三极管，基极为感光部分）。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。第三章 系统的硬件结构设计单片机红外遥控系统电路分遥控发射器电路和遥控接收系统电路两部分。单片机应用系统要求用单片机作为控制芯片制作一个遥控器，另一个单片机控制系统能被遥控操作。本遥控系统要求用单片机作为控制芯片制作一个遥控器8，另一个单片机控制系统能被遥控操作。本系统要求遥控器具有多级调速，开关，定时，以及自然风，睡眠风切换等功能！将单片机、控制、键盘组合在一起完成了人机对话。 用 AT89S51单片机来作主芯片控制，采用红外HS0038接收头，用双向可控硅MC97A6控制电机开关，具有红外遥控功能。 自然风的处理流程 : 图 3-1 自然风的循环图 睡眠风的处理流程 : 图 3-2 自然风的循环图 正常风的处理流程 : 3-3 正常风循环图3.1 红外发射电路的设计本遥控发射器采用码分制遥控方式，码分制红外遥控就是指令信号产生电路以不同的脉冲编码（不同的脉冲数目及组合）代表不同的控制指令。在确定选择AT89S51作为本设计发射电路核心芯片和点触式开关作为控制键后，加上一个简单红外发射电路和12M晶体震荡器便可实现红外发射。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，它发出的便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5发光二极管相同，只是颜色不同。 遥控发射通过键盘，每按下一个键，即产生具有不同的编码数字脉冲，这种代码指令信号调制在40KHz的载波上，激励红外光二极管产生不同的脉冲，通过空间的传送到受控机的遥控接收器。P1口作为按键部分，P0.7口作为发射部分。电路图如图3-4。3-4 红外发射电路3.2 红外检测接收电路在接收过程中，脉冲通过光学滤波器和红外二极管转换为40KHZ的电信号，此信号经过放大，检波，整形，解调，送到解码与接口电路，从而完成相应的遥控功能。接收电路图见图3-5。通常，红外遥控器将遥控信号(二进制脉冲码)调制在40KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，产生红外信号发射出去。将上述的遥控编码脉冲对频率为40KHz(周期为26s)的载波信号进行脉幅调制(PAM )，再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。根据遥控信号编码和发射过程，遥控信号的识别即解码过程是去除40KHz载波信号后识别出二进制脉冲码中的0和1。由MCS51 系列单片机AT89S51、一体化红外接收头、还原调制与红外发光管驱动电路组成。接收部分主要元件是红外接收管，它是一种光敏二极管（实际上是三极管，基极为感光部分）。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18。 图 3-5 红外接收电路3.3 控制电路在控制部分采用了隔离驱动电路，用光电器件作为隔离元件，利用光耦来隔离强电，以防止强电影响单片机的工作。光电隔离的目的是割断两个电路的电气联系，使之相互独立，从而也就割断了噪声从一个电路进入另一个电路的通路。光电隔离是通过光电耦合器实现的。光耦又称光电隔离器或光电耦合器，它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器与受光器封装在管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接收后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“光电光”的转换。光电耦合器是把一个发光二极管和一个光敏三极管封装在一个外壳里的器件。外壳有金属的或塑料的两种。发光二极管和光敏三极管之间用透明绝缘体填充，并使发光管与光敏管对准，以提高其灵敏度，光电耦合器的电路符号如图3-6所示。对于数字量，当输入为低电平“0”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1”；当输入为高电平“1”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0”。图3-6 光电耦合器原理图输入信号使用权发光二极管发光，其光线又使光敏三极管产生电信号输出，从而既完成了信号的传递又实现了电气上的隔离。光电耦合的响应时间一般不超过几个微秒。光电耦合器的输入端与输出端在电气上是绝缘的，且输出端对输入端也无反馈，因而具有隔离和抗干扰两方面的独特性能。通常使用光电耦合器是为实现以下两个主要功能：电平转换：TTL电路与电源电路之间不需另加匹配电路就可以传输信号，从而实现了电平转换。隔离：这时由于信号电路与接收电路之间被隔离，因此即使两个电路的接地电位不同，也不会形成干扰。光电耦合器中光敏三极管的基极有引出和不引出两种形式。基极引出通常是经一个电阻接地。通过接地电阻可以控制耦合的响应速度和灵敏度。总的来说，电阻越小，响应速度越高。其控制电路如图3-7所示。图 3-7 控制电路3.4 电源电路设计3.4.1 稳压电路典型应用电路如图3-8所示。图中C5用于频率补偿，防止自激振荡和抑制高频干扰；C6采用电解电容，以减少电源引入的低频干扰对输出电压的影响；D4是保护二极管，当输入端短路时，给C4一个放电的通路，防止C4激穿 。 图3-8稳压电路3.4.2 直流稳压电源的设计直流稳压电源的主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。如图3-9所示。图3-9 直流稳压电源3.5 显示部分的设计由LED组成的7段发光管显示器是不太复杂的单片机应用系统常用外部设备之一。 a）7段发光管显示器由7段发光线段组成，并按“日”字形排列，每一段都是一个发光二极管，如图3-10 a所示。图中将7个LED的阴极连在一起，称之为共阴极接法。反之为共阳极接法。b）如果将公共阴极接地，而在ag各段的阳极加上不同的电压，就会使各段的发光情况不同，形成不同的发光字符。加在7段阳极上的电压可以用数字量表示，如果某一段的阳极为数字量1，则这个段就发光；如为0，则不发光。数字量与段的对应关系如表3-1所示。数码管原理图如3-10 b所示： a） b）图 3-10 数码管原理图表3-1 七段LED字形码显示字符共阳极字符码共阴极字符码03FHC0H106HF9H25BHA4H34FHB0H466H99H56DH92H67DH82H707HF8H87FH80H96FH90H在本设计中使用了四个7段LED显示器，而多位显示器连用有两种方法。其一，每一位都用各自的8位输出口控制，在显示某字符时，相应的段恒定发光或不发光。这种显示方法属于静态显示。显然，静态显示需占用较多的I/O口线。其二，是动态显示。即将多个7段LED的段选端复接在一起，只用一个8位输出口控制段选，段选码同时加到各个7段LED显示器上，通过控制各个显示器公共阳极轮流接高电平的办法，逐一轮流地启动各个LED。在这种方法中，只要恰当地选择点亮时间和间隔时间，就会给人以这样一种假相：似乎各位LED是“同时”显示的。动态显示法是目前各种单片机采用的流行方法。其优点是硬件简单，“动态”由软件实现。因而我选用动态显示的方法。其显示格式如表3-2，其驱动电路如图3-11所示。表3-2 数码管显示格式数码管1数码管2风速D相应数字模式E相应数字定时A相应数字图 3-11 数码管显示电路 3.6 键盘设计 单片机系统所用的键盘有编码键盘和非编码键盘两种。 1、编码键盘本身除了按键之外，还包括产生键码的硬件电路。只要按下编码键盘的某一个键，它就能产生这个键的代码，并称为键码，与此同时还产生一个脉冲信号，以通知CPU接收键码，编码键盘的优点是使用比较方便，亦不需要编写太复杂的程序。其缺点是使用的硬件较复杂。2、非编码键盘的按键是排列成行、列矩阵形式的。按键的作用只是简单地实现接点的接通或断开，因此必须有一套相应的程序与之配合，才能产生相应的键码，非编码键盘几乎不需要附加什么硬件电路。因此为了简洁电路，我使用非编码键盘。但使用非编码键盘需要通过软件来解决按键的识别、防抖动以及如何产生键码的问题。基于键数少的原因我采用独立式键盘接口与单片机相连接，因为它占用的I/O口不多。图中每个按键占用一个口，彼此独立，互不影响。上拉电阻保证按键没被按下时，I/O口输入高电平。独立式键盘可工作在查询方式下，通过I/O口读入键状态，当有键被按下时I/O口变为低电平，而未被按下的键对应为高电平，这样通过读电平状态可判断是否有键按下和哪个键被按下。 发射端采用矩阵按键，其中0，1，2按键用于风扇的定时，模式，调速切换。其他按键用于扩展控制其他家用电器，如电脑等，也可以用于设置密码锁等功能，其具体事情由用户自己设定。而接收端采用独立按键，根据不同的电器，其具体功能各不相同。本设计中，P1.0用于定时切换，P1.1用于模式切换，P1.2用于调速切换。a) 矩阵键盘 b)独立按键 图 3-14 按键原理图 第四章 系统软件的设计 该系统的控制软件主要可以分为测温和红外两个大的部分，其中具体有单片机初始化程序、定时服务程序、红外发射编码和红外接收解码程序等模块。4.1 定时/计数器应用4.1.1 定时/计数器功能简介AT89S51单片机内部设有两个16位可编程的定时/计数器，简称定时器0和定时器1，分别用T0和T1表示。其功能同一般定时计数器，主要作用是：第一，作为一段特定时间长短的定时；第二，可以计算由T1或T0引脚输入的脉冲数，前者在应用上可以产生正确的时间延迟及定时去执行中断服务程序，而后者则是计数器或者计频器的设计。在本设计中这两种作用都用到了。这两个定时器本身有四种工作模式可供使用，如表4.1所示。表4-1 四种工作模式M1 MO工作方式功能说明0 0模式013位计数器 0 1模式116位计数器1 0模式28位自动重装计数器1 1模式3定时器0：分成两个8位计数器定时器1：停止计数4.1.2 定时器相关的控制寄存器TMOD为模式控制寄存器，主要用来设置定时/计数器的操作模式；TCON为控制寄存器，主要用来控制定时器的启动与停止。两个16位的定时/计数器T0和T1均可以分成2个独立的8位计数器即TH0、TL0、TH1、TL1，它们用于存定时或计数的初值。1、模式控制寄存器-TMOD TMOD是一个专用寄存器，用于控制T1和T0的操作模式及工作方式，其各位定义如下：表4-2 TMOD寄存器D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/M1M0GATEC/M1M0· GATE：门控位。当GATE0，定时器只由软件控制位TR0或TR1来控制启停。位为1，定时器启动开始工作；为0时，定时器停止工作。当GATE1时，定时器的启动要由外部中断引脚和位共同控制。只有当外部中断引脚或为高时，置1才能启动定时器工作。·C/：功能选择位