毕业设计（论文）基于RC5编码的红外遥控器的设计.doc

专科毕业设计（论文）题 目 基于RC5 编码的红外遥控器的设计 系（院） 物理与电子工程学院 年 级 06 级 专 业 应用电子 班 级 06应用电子 学 号 学生姓名 指导教师 职 称 讲师 论文提交日期 2009.5.27 基于RC5编码的红外遥控器的设计摘要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，是近距离遥控、特别是室内遥控的优选遥控方式。该文介绍了基于RC5协议的红外遥控器的设计，红外遥控器由红外遥控发射电路和红外遥控接收电路组成。红外遥控发射电路使用了MSP430F2274单片机，用RC5协议将键盘采集到的信号进行编码，并通过发送电路将信号发送出去；红外遥控接收电路中有MSP430F2274单片机，一体化红外接收管，输出控制组成，一体化接收管接收发送来的红外信号，输入到单片机后采用RC5协议进行解码，最后输出控制信号。本设计在IAR Embedded Workbench开发环境中运行，采用C语言进行编程。关键词：红外遥控 MSP430单片机 一体化红外接收头 RC5协议The Design of Infrared Remote Control Based on the RC5 CodingAbstractInfrared remote control has many advantages, for example, simple structure, making convenient, low-cost, anti-interference capability and high reliability work. It is close quarters remote control, particularly the preferred indoor remote control mode.The paper describes the design of infrared remote control, which is based on the RC5 protocol. Infrared remote control includes transmitter and receiver circuit. Infrared remote control transmitter uses MSP430F2274 microcontroller. The keyboard collects singal, then the controller encodes it to send infrared signals by the circuit using RC5 protocol. Infrared remote control receiver circuit includes MSP430F2274 microcontroller, the integration of the infrared receiver and output control. Integration of the receiver to receive infrared signals enters into the SCM and then decode by RC5 protocol. Finally it outputs control signals. The design operation is in the IAR Embedded Workbench development environment, using C-language programming.Key Words：Infrared Remote Control; MSP430 MCU; The integration infrared receiver; RC5 Protocol目录基于RC5编码的红外遥控器的设计摘要. Abstract 目录.第一章 绪 论11.1 红外遥控的发展.21.2 本文的研究内容.3第二章 红外遥控器总体结构.42.1 系统总体框架及工作流程.42.2 红外遥控器的开发环境.4第三章 红外遥控器的硬件结构及设计.63.1 MSP430单片机介绍.63.2 红外遥控发射电路.63.2.1 MSP430单片机.63.2.2电源.73.2.3键盘电路.73.2.4红外发送电路.73.3 红外遥控接收电路.83.3.1 MSP430单片机.93.3.2一体化红外接收头.103.3.3输出控制.11第四章 红外遥控器的软件结构及设计114.1 RC5协议 .114.2红外遥控发射程序 . 124.2.1键盘扫描程序.134.2.2红外信号发送程序.134.3红外遥控接收程序.14结束语16参考文献17第一章 绪 论红外线IrDA，简称IR，是一种无线通讯方式，常常可以使用红外线进行无线数据传输，能够取代复杂的连接线。自1974年发明红外线以来，它已经过风风雨雨二十多年的发展，如今，已经是一种很成熟的传输技术。不光我们可以在手机上找到IR口，我们还可以在一些很普遍的地方找到红外线，最好的例子就是电视机或VCD机上的遥控。所谓遥控，就是指对被控对象，按照所规定的意图对其内部参数、工作状态等进行远距离操纵。遥控技术在现代工农业生产、科研、国防等领域均有非常广泛的应用，随着现代科技的发展，它们的应用也越来越普遍。遥控技术一般应用于操作者不能或难以到达受控对象的场合。而对于移动式的受控对象，则更不得不使用遥控技术，例如在恶劣环境下作业的机器，人难以到现场操作，就必须使用遥控技术进行远距离操纵。现代遥控技术也十分普遍的应用于各类家用电器中，例如电视遥控、电灯遥控、电风扇遥控、空调器遥控等。这类应用提高了家电的功能和档次，更重要的是给使用者带来极大的方便。设有遥控功能的电视机使用者不必离开座位只需使用手持红外遥控器就可以进行节目切换，以及对音量、对比度、亮度等的调节。在这些应用中，操作者与受控者之间并非“遥”，也非“难以到达”，仅为方便而已，因此对“遥控”的定义，应广义的理解为操作者没有直接对受控对象进行操作。遥控的种类有很多，若以遥控信息传送方式区分，可以分为有线遥控和无线遥控两大类，而无线遥控又包含了红外线遥控、超声波遥控和无线电遥控三类。有限遥控和无线电遥控可以达到很远的距离，而红外线和超声波遥控只能在十几米之内，因此多用于家用电器方面。1由于红外线为不可见光，因此对环境影响很小。由于红外光波的波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会干扰其他家用电器，也不会影响邻近的无线电设备。另外，波长小于1.5us的近红外光，在透明大气中的传输特性要比可见光好的多。而且由于它靠近可见光的红光边缘，其直线传播、反射、折射和被物质吸收等物理特性与可见光非常相似。因此，它可以使用与可见光类似的聚焦透镜等光学装置。红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过遮挡物去控制被控对象的能力。正是由于这个特点，工厂设计生产电视机、录像机、电风扇等家用电器的红外线遥控器时，不必像制作锁那样，每套（锁和钥匙）必须有一种新的结构（否则，钥匙就变为通用，锁的作用便会失去）；也不必像无线电遥控那样，每套（发射器与接收器）要有不相同的遥控频率或编码（否则，就会隔墙去控制或干扰邻居的家用电器），所有同类产品的遥控器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。这对于工厂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便。红外线为不可见光线，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。1.1 红外遥控的发展随着人们生活水平的提高，人们对生活环境和生活质量的要求也在不断提高。空调、音响、以及一些电动玩具应运而生，与此同时，这些电器都会配备一个遥控器以方便用户使用。而红外遥控在其中扮演了不可或缺的角色。红外遥控有二十五年的历史了，是控制电子设备的一种经济有效的方法。60年代初，一些发达国家开始研究民用产品的遥控技术，但由于受当时技术条件的限制，遥控技术发展很缓慢。70年代末，随着大规模集成电路和计算机技术的发展，遥控技术才得到快速的发展。在遥控方式上大体上从有线到无线的超声波、从振动子到红外线、再到使用总线的微机红外遥控这样几个阶段。无论你采用何种方式，准确无误传输信号，最终达到满意的控制效果是非常重要的。最初的无线遥控装置采用的是电磁波传输信号，由于电磁波容易产生干扰，也易受干扰，因此逐渐采用超声波和红外线媒介来传输信号。与红外线相比，超声传感器频带窄，所能携带的信息量少，易受干扰而引起误动作。较为理想的是光控方式，逐渐采用红外线的遥控方式取代了超声波遥控方式，出现了红外线多功能遥控器，成为当今时代的主流。由于红外线在频谱上居于可见光之外，所以抗干扰性强，具有光波的直线传播特性，不易产生相互间的干扰，是很好的信息传输媒体。1.2 本文的研究内容本文研究的主要内容是红外遥控器的设计，在查阅了相关的文献的基础上，利用德州仪器公司的MSP430F2274单片机芯片设计电路，包括红外发射电路、红外接收电路，其中有键盘电路、红外发送电路以及一体化红外接收头等电路。发送与接收之间采用RC5协议。第二章 红外遥控器总体结构本章主要描述了红外遥控器的总体框图，包括发射电路框图和接收电路框图。接着说明了红外遥控器的开发环境。2.1 系统总体框架及工作流程遥控器在现代社会的使用是非常广泛的。例如红外遥控电视机或VCD机等电器产品。红外遥控器需要有发射电路来发送红外信号，其中电源给单片机供电，使单片机能够正常工作。键盘主要是用来采集信号，单片机接收到键盘采集的信号后，通过RC5协议进行编码，再由单片机去控制红外信号的发送。发送的总体框图见图2.1：图2.1 红外发射电路框图发送出来的红外信号，通过一体化红外接收管接收，并将接收到的红外信号进行放大和滤波，把中心频率38KHz附近的信号保留，带通之外的信号被滤除。单片机实际获得的是滤除红外载波的RC5编码信号，再根据RC5协议进行解码，得到控制功能码，最终单片机输出控制信号来控制电器。接收的总体框图见图2.2：图2.2 红外接收电路框图2.2 红外遥控器的开发环境对红外遥控器的设计，需要一定的开发环境。MSP430单片机通常使用IAR公司的集成环境IAR Embedded Workbench嵌入式工作平台以及调试器C-SPY来编译程序并直接下载到片内Flash存储器。它的C编译器可以生成高效可靠的可执行代码，并且应用程序规模越大，效果明显。IAR Embedded Workbench工作平台同时支持汇编和C语言，这里仅采用C语言进行编译，来实现红外遥控发射的编码和红外遥控接收的解码。同时MSP430系列单片机支持C语言开发。采用C语言开发可以大大提高开发效率，缩短开发周期，并且开发的程序具有较好的可读性和移植性。3MSP430系列单片机是一款具有高性能模拟功能的超低功耗16位单片机，由于手头资源的欠缺，以现有的MSP430F2274单片机为设计的芯片，它属于MSP430F22X系列，其片内外设模块丰富，而且，学习板上已经集成了仿真调试电路，无需另购仿真器，我通过一根并口线将主机和学习板连接起来，就可以很轻松地进行仿真调试。由图2.3可以很清楚的看到MSP430F2274单片机与整个学习板的结构。4图2.3 学习板实物图第三章 红外遥控器的硬件结构及设计本章主要介绍了红外遥控器的硬件设计，包括红外遥控发射电路的设计和红外遥控接收电路的设计，其中还详细说明了键盘电路、红外发送电路和一体化红外接收头等电路。这两个电路都是在MSP430单片机上实现设计的，在此先对MSP430单片机进行简单了解。3.1 MSP430单片机介绍MSP430系列是一个16位的。具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。它的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点：强大的处理能力，MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768Hz），有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。53.2 红外遥控发射电路图3.1所示为红外遥控的发射电路。它由电源、键盘、红外发送等部分组成，电源给单片机供电。键盘是必不可少的部分，它用来确定遥控功能。发送部分是通过三极管的截止与饱和来控制红外信号的发送与停止。当红外信号被发送时，与红外发送二极管并联的发光二极管被点亮；如果发光二极管未被点亮，则不发送红外信号。图3.1 红外遥控发射电路63.2.1 MSP430单片机在图3.1红外遥控发射电路中所标注的1为 MSP430F2274单片机。由于MSP430单片机具有强大的处理能力，它将键盘采集到的信号通过RC5协议进行编码，再将信号通过P2.3管脚输出到红外发送部分，进行红外发送。3.2.2 电源如图3.1中所标注的2所示，它是红外发射电路的电源部分。在这个设计中所用到的电源是CR2032锂电池，它给单片机供电，使单片机能够正常工作。3.2.3 键盘电路如图3.1中所标注的3所示，键盘电路在红外发射部分起着重要作用。此为两列三行的键盘扫描电路。行值和列值的组合就是识别这个按键的编码。每个按键的状态都有数字“0”和“1”。当值为“1”时，键盘被按下；反之，则没有键盘被按下。键盘处理程序的任务是：确定有无键按下，判断哪一个键被按下，键的功能是什么。P2.0，P2.1，P2.2作为键盘的行信号，为输出。P1.0，P1.1作为键盘的列信号，为输入。其中的二极管有保护作用，当P2口有低电平输出时，二极管利用单向导电性，就可以首先判断出这一行不会产生输出。该电路在程序处理时，先定义P1口值为低电平，P2口轮流输出0x01，0x02，0x04。在此基础上逐列判断是否有键按下。如果有键按下，就记录此时的行值和列值，行值放在低四位，列值放在高四位。当没有键按下的时候，P1.0，P1.1通过R4，R5电阻接地，显示为低电平。各按键所对应的功能和键值如下表：键号功能键值1自然风、睡眠风、正常风的调节0x112彩灯的开启与关闭0x213低档、中档、高档的调节0x124定时调节0x225开启与关闭电风扇0x143.2.4 红外发送电路如图3.1中所标注的4所示，它是红外发射电路的红外信号发送部分，单片机将键盘所采集到的红外信号，通过红外发送部分发送出去，用来实现控制功能。P2.3作为红外数据发送管脚。IR LED为红外发送二极管，由于红外数据发送时具有突发性，为了满足发送瞬时的电流要求，在电路中并联了一个电容C1，起到辅助电源的作用。由图3.1中可以看出， CR2032锂电池给MSP430单片机供电时，当红外发送部分的MMBT2222三极管处于截止状态时，红外信号不被输出，此时的电容C1和电阻R3组成充电电路；当MMBT2222处于饱和状态时，三极管可看作近似接地，此时红外发送二极管被接通，同样的发光二极管也被接通。如果判断出RC5码的位信号为“0”，则先要输出38KHz载波信号，此时电容C1作辅助电源，和电阻R2组成放电电路，使红外信号可被完全发送，同时发光二极管也被点亮；再输出低电平，表示红外信号不被输出，此时电容C1继续充电，发光二极管也不被点亮。如果判断出RC5码的位信号为“1”，则先输出低电平，不发送红外信号，电容C1充电，发光二极管不被点亮；再输出38KHz载波，由电容C1辅助供电，发送红外信号，同时发光二极管被点亮。7电阻R3决定了充电的快慢，该阻值的选择非常重要，因为它不仅影响充放电的时间，还影响电池的寿命。电阻R2决定了放电的快慢，因此该阻值的选择同样很重要。此外，电容的值应该足够大，以保证能够在一次充电的情况下发送完数据包。3.3 红外遥控接收电路图3.2所示为红外遥控接收电路。它由一个晶振、MSP430F2274单片机芯片、TPS77033、一体化红外接收头、发光二极管组成。红外遥控接收电路的主要作用是将遥控发射器发来的红外光信号转换成电信号，再放大、限幅、检波、整形，形成遥控指令脉冲，输出至遥控处理器。由于红外发送二极管的发射功率较小，一体化红外接收头收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。TPS77033是一个低压电压调节器，起着低功耗的作用。 图3.2 红外遥控接收电路83.3.1 MSP430单片机在红外遥控接收电路中的单片机同样采用MSP430F2274单片机，它的作用是将一体化红外接收头接收到的红外信号，通过RC5协议进行解码，再将红外信号输出到被遥控的电器上进行控制。3.3.2 一体化红外接收头以前的红外接收头主要由CX20106、uPC1373等集成电路加电容元件、红外接收管、滤光片（防光干扰）、金属屏蔽罩（防电磁干扰）组成，体积较大。这里我们使用HS0038A2接收头。图3.3是它的原理图：图3.3 一体化红外接收头原理图9由图3.3可知，HS0038A2系列是红外线遥控系统的小型化接收器。它将接收头、输入给定信号、自动增益控制、控制电路、带通滤波器、解调器、三极管放置在金属屏蔽盒内。仅有电源、接地和输出三个管脚。它将红外接收电路简单化，使用也非常方便。仅将输出接到适当位置即可，这里接到P1.2。电源与接地分别接到电源端与地端。当一体化红外接收头接收到红外信号，由接收头内部的自动增益控制器自动放大红外信号到一个信号范围内，使红外装置可以很容易的实现控制，再通过带通滤波电路，它的中心频率是38KHz，所以中心频率附近的频率将被保存。然后再输出到三极管，由三极管判断输出高低电平。如果三极管基极为高电平，则输出的是低电平；反之，基极为低电平，则输出为高电平。第四章 红外遥控器的软件结构及设计本章主要介绍了红外遥控器的软件设计，包括红外发射电路和红外接收电路的软件设计。整个程序都是采用C语言进行编程的。在进行编程之前，首先要理解RC5协议。4.1 RC5协议来自飞利浦的RC-5码可能是爱好者使用最多的协议，可能是因为便宜的遥控装置的广泛实用性。它具有以下特征：5位地址和6位命令的长度（RC-5有7个指令位）、双相编码（又名曼彻斯特编码）、载波频率为36KHz、恒定位时间1.778ms（64周期的36KHz）、飞利浦制造该协议使用双相位调制（或者是所谓的曼彻斯特译码）一个36KHz的红外载波频率。在这个协议里所有位是平等的长度都等于1.778ms，位时间的一半填满一个脉冲是36KHz的载波，另外一半被闲置。逻辑“0”代表一个脉冲位时间的前半时。逻辑“1”代表后半时。36KHz载波的占空比是1/3或是1/4，可以减少能量消耗。如下图所示：前两个脉冲是开始脉冲，都是逻辑“1”。广大的RC-5仅仅使用一个开始位。S2位被转换成命令位6，倘若有7个命令位。S2值必须被反向的给第7个命令位。第3位是一个触发位。这位在一个键被释放和被重新按下总是反向的。这种情形接收器可区别按键保持按下或者是被重复按下。其余5位代表红外设备地址，它首先发送最高有效位。地址遵循6位命令，再一次发送最高有效位。一个信息包含总的14位，总的持续时间合计达25ms。有时出现短缺因为开始位S1上半时保持短缺。如果信息最后位是逻辑“0”，那信息的最后半位也空闲。一个按键保持按下足够长时间信息将每114ms重复一次。控制位将保留一样的逻辑电平在所有重复信息期间。它从事接收软件来解释自动重复特征。114.2 红外遥控发射程序如图4.1所示，是红外遥控发射总程序，可以很清楚的看出程序的总体步骤。图4.1 红外遥控发射程序流程图4.2.1 键盘扫描程序如图4.2所示，为键盘扫描子程序流程图。图4.2 键盘扫描子程序流程图4.2.2 红外信号发送程序如图4.3所示，此为红外信号发送部分的流程图。图4.3 红外信号发送流程图当键盘被按下后，单片机通过键盘采集到信号，采用RC5协议进行编码，最后将采集到的键盘信号通过红外发送二极管发送出去。首先要获得按键的指令代码，判断发送控制位是否被控制，如果是，则表示要进行红外信号的发送。这里的载波频率为38KHz。首先通过RC5协议进行编码，由于RC5协议采用双相编码（又名曼彻斯特码），它的每一位都有两个电平组成，“1”包含“0”和“1”；“0包含”1“和”0“。所以当发送位为逻辑“0”时，则先将38KHz的载波频率输出，再输出低电平，则示38KHz的载波不被输出。当采集到的键盘信号为“1”时，则先输出低电平，再输出38KHz的载波。4.3 红外遥控接收程序如图4.4所示，它为红外遥控接收流程图。图4.4 红外接收流程图红外信号被发送出来之后，要进行红外信号接收，同样这里采用C语言进行编程。同样首先要初始化程序，设置看门狗，初始化管脚的输出与输入，使P1.2为红外接收端，接收发送端发来的红外信号。通过一体化红外接收头，已经将接收来的红外信号进行了滤波，只将在中心频率38KHz附近的信号保留，其他的信号被滤除，所以输入到单片机的信号是一个矩阵脉冲。通过RC5协议进行解码，RC5码是由曼彻斯特编码的，所以它的每一位由两个电平“0“和”1“组成。如果是”0“、“1”组合的话，则RC5码为“1”；如果是“1”、“0”组合的话，则RC5码是“0“。所以判断接收位是否为“1”，如果为“1”，则记录低电平；如果为“0”，则记录高电平，然后将寄存器移到下一位。同样也是采用RC5协议，所以也要判断它的14位码是否都解码完成，如果没有，则继续返回判断接收位是否为“1”。解码完成后，由单片机输出控制信号。结束语2008年12月，我开始了我的毕业论文，时至今日，论文已经完成。从最初的茫然，再到对思路逐渐地清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我真是感慨万千，在这次毕业设计的过程中，也拥有了无数难忘的回忆和收获。从最初的课题选定，再到搜集相关的资料，撰写文献综述、开题报告，最后到毕业论文，期间遇到了很多的困难，在这儿我要感谢一下我的指导老师，都是因为在她的帮助下，我才能掌握各部分的重点和方法，并克服了一个个的困难。当我终于完成了所有打字、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。这次毕业论文的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程。在论文中我充分地运用了大学期间所学到的知识。我不会忘记这难忘的几个月的时间。毕业论文的制作给了我难忘的回忆。在我徜徉书海查找资料的日子里，面对无数书本的罗列，最难忘的是每次找到资料时的激动和兴奋；为了论文我曾赶稿到深夜，但看着亲手打出的一字一句，心里满满的只有喜悦毫无疲惫。这段旅程看似荆棘密布，实则蕴藏着无尽的宝藏。我从资料的收集中掌握了红外遥控器的知识，并且让我对当今红外遥控器的最新发展有所了解。在整个过程中，我学到了新知识，增长了见识。在今后的日子里，我仍然要不断地充实自己，争取在所学领域有所作为。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。在此要感谢我的导师，是你的细心指导，使我能够顺利的完成毕业论文。老师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。参考文献1 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