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正文
自学习型红外遥控器设计
作者:
xxx指导老师:
xx
(安徽农业大学工学院xx级机械设计制造及其自动化合肥230036)
摘要:
自学习型红外遥控器广泛应用于电子信息领域,为了能让用户方便实用的操作遥控器,本文自主设计了一类基于AT89C51的自学习型红外遥控器的硬件电路,并对其中的关键技术进行详细的分析。
该遥控器硬件电路以AT89C51最小系统为主控电路,而其外围电路主要包括接收电路、发送电路、键盘电路以及存储电路四大模块。
经试验测试,文中所设计的学习型红外遥控器能学习不同类型的红外编码,并且准确的还原、发送红外遥控信号。
因此其可以实现遥控多种不同家用电器的功能。
关键词:
自学习型遥控器;红外学习;红外编码;单片机控制
1引言
随着家用电器种类的增加和无线遥控产品的普及,红外遥控器的使用频率越来越高,针对国内红外遥控学习技术成熟,但产品化程度低的特点,本文自主设计一种具有红外学习的红外遥控器,借此促进红外遥控学习技术在国内市场的产品化推广。
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。
文中提出基于51系列单片机的红外智能遥控器设计方案。
该遥控器采用测量脉冲宽度的原理,具有自学习功能,能记忆与学习遥控器编码,并模拟发射,使得一个遥控器能够代替多个遥控器控制不同的家电。
同时针对使用中发现的抗干扰问题进行研究,适用于多数电子产品的遥控。
2红外遥控概述
随着科技的进步无线遥控器也扩展到了许多种类,简单来说常见的有2种,一种是家电常用的红外遥控模式(IRRemoteControl),另一种是防盗报警设备、门窗遥控、汽车遥控等等常用的无线电遥控模式(RFRemoteControl)。
两者各有不同的优势,应用的领域也有所区别。
红外遥控是目前使用最为广泛的一种通信和遥控手段。
红外装置具有体积小、微功耗、功能强、线路简单、保密性好、成本低等特点。
一般的红外遥控系统是由红外遥控信号编码发送器(编码芯片或者单片机)、载波振荡器、红外遥控信号接收器和编码器(解码芯片或者单片机)及其他外围电路等组成。
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成,应用编码、解码专用集成电路芯片进行控制操作。
接收部分包括红外接收管(集成了光电转换、放大装置和解调电路)、指令检出、记忆驱动以执行驱动电路。
发射部分包括键盘矩阵电路、编码电路、定时信号发生器,码元调制电路,发射驱动电路、红外发射电路等。
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
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。
学习型遥控器具有拷贝功能,可以拷贝任意一款固定码遥控器,学习型遥控器就相当于钥匙坯子,可以刻出任意形状的钥匙。
3硬件设计
自学习型红外遥控器相对于传统遥控器最大的改进在于增加了接收与信号处理部分,能将接收到的信号解调,然后通过测量其脉宽对信号解码,并存储于EEPROM中,供发射指令时调用。
设计的电路具有执行学习、预存编码、模拟发射编码等功能。
自学习型红外遥控器系统由红外遥控信号发射器、红外遥控信号接收器、单片机及其外围电路构成。
采用EEPROM用来存储红外遥控编码。
考虑到有些红外遥控编码较长,EEPROM选用24C02,它是可在线电擦除和电写入的存储器,容量为4KB,32x128Bit。
图3.1为整个遥控器的系统组成框图。
图3.2为自学习型红外遥控器的硬件电路设计图。
图3.1自学习型遥控器系统组成框图
图3.2自学习型遥控器硬件电路设计图
3.1红外接收电路设计
图3.3红外接收电路
该接收电路最主要部分就是一体化红外接收头,它将红外接收二极管、放大、解调、整形等电路做在一起,只有三个引脚。
分别是+5V电源、地、信号输出。
本文一体化红外接收头采用NB1838,其光电检测和前置放大器集成于同一封装,中心频率为37.9kHz。
该一体化红外接收头能够接收各种不同类型的红外遥控编码信号,而且NB1838的环氧树脂封装结构为其提供了一个特殊的红外滤光器,对自然光和电场干扰有很强的防护性。
NB1838的目的是对接收到各种红外遥控编码信号进行放大、检波、整形,并解调出红外遥控编码,得到TTL电平,输入至AT89C51的P1_0口。
在搭建红外接收电路时,首先得注意区别红外接收头的三个引脚:
电源、地、信号输出。
其次由于一体化红外接收头信号输出端初始值都是高电平,只有接收到红外信号时,输出端电平才变为低电平。
由于程序里面将遥控基带信号调制到载波上采取方式的不同,单片机所需要输入电平(P1_0口)可能会与NB1838所产生的电平反相。
这时候就得把红外接收电路输出的TTL电平经过反相后才能输入P1_0口。
在实际的红外接收电路制作中应该通过示波器观察输入与输出的电平。
如果两者出现反相,则需在红外接收电路的输出端接个反相器,再接入P1_0口。
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(图3.3如示)。
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,外形与普通发光二极管相同,只是颜色不同。
选材的时候应注意。
3.2红外发送电路设计
图3.4红外发送电路
红外发送电路主要由单片机内部的软件来产生38kHz载波信号,并把遥控码调制到载波上后通过P1_1口输出已经调制好的红外遥控信号。
具体的流程如下:
首先不断扫描矩阵键盘,若有键按下,从外存储器中取出对应键值的存储数据取反后作为T0的初始值,同时启动T0和T1,并用T1产生38kHz的载波信号。
在高电平且T0没溢出时,从P1_1口不断地输出载波信号,从P2_1口输出的就是已调制到载波上的红外脉冲信号,经三极管9013和8050进行两级放大以驱动红外发射管辐射出940nm的红外脉冲信号。
在搭建发射电路时候得注意如果采用一级放大电路,红外发送管所发出的红外线信号弱,可遥控距离十分有限。
经过多次实验表明,一级放大可遥控距离大概只有1m左右,不能达到用户的使用要求。
而本文中的二级放大电路其有效距离可在5~10m,基本满足用户的遥控距离需要。
还有就是红外发光二极管的选用,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(图1.4如示)。
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,外形与普通发光二极管相同,只是颜色不同。
选材的时候应注意。
3.3外存储电路设计
图3.5外存储电路
自学习型遥控器所能存储代码的数量也是衡量一个自学习型遥控器性能好坏的重要指标。
自学习型遥控器在学习完某个遥控器的代码后得把该代码存储起来,由于AT89C51内部的数据存储器RAM所能存储的数据有限而且不能掉电保护。
所以就需要合适大小的外存储器来存储所学习到的代码。
在搭建外存储电路时,最重要的是如何选用合适的外存储器。
由于自学习型遥控器得学习多种不同的家电,而且得把所学习的全部代码存储在外存储器中以备以后调用。
所以得对遥控器所需要的存储空间进行很好的估算后才能选出合适大小的外存储器。
算法是影响遥控器所需要的存储空间的最重要因素。
单片机学习到红外遥控信号以后,运用怎样的算法把该压缩、存储都会最终影响存储器的选用。
3.4键盘电路
由图可以看出该矩阵扫描键盘由行线和列线组成,P1_8、P1_9、P1_10和P1_11构成了键盘的列线,P1_4、P1_5、P1_6和P1_7构成了键盘的行线。
键盘的行线作为键盘的控制输出端,键盘的列线作为键盘的输入端。
键盘的列线通过上拉电路将管脚拉高,这样在没有按键按下的情况下,管脚的电平为高电平,如果有按键按下时,则相应的列线管脚为低电平,这时通过设置列线为低电平触发中断方式,低电平就触发中断而进入中断服务程序,从而获得输入的数据。
具体分析一下键盘的工作原理,首先将列线设置为输出,将行线设置为输入,并将列线设置成低电平中断触发方式;将P1_8设置为高电平,如果该列上有按键按下的话,则列线上为低电平,就会触发中断,进入中断服务程序,获得输入的数据。
如果没有键按下的话,则列线均为高电平,不会进入中断服务程序。
依次将P1_8、P1_9、P1_10和P1_11设置为高电平来判断该列是否有输入,如果没有输入的话,P1_8、P1_9、P1_10和P1_11均为高电平,如果有输入的话,P1_8、P1_9、P1_10和P1_11上为低电平,就会触发中断,进入中断服务程序,获得输入的数据。
键盘的扫描时间时很短的,仅仅几微秒的时间,然而按键的时间一次至少需要几十毫秒,所以只要有键按下的话是都可以被扫描到的,但是按键按下时有一定的时间抖动,因此一定要考虑键盘的抖动处理
图3.6键盘电路
3.5复位电路
上电复位的工作过程是在加电时,复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号,此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落,即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。
为了保证系统能够可靠地复位,RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。
图3.7复位电路
3.6晶振电路
单片机系统里都有晶振,在单片机系统里晶振作用非常大,全程叫晶体振荡器,他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率,单片机晶振提供的时钟频率越高,那么单片机运行速度就越快,单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。
图3.8晶振电路
4软件设计
对于红外线遥控对于很多电子爱好者来讲,都感觉到非常神奇,看不到,摸不着,但能实现无线遥控,其实控制的关键就是我们要用单片机芯片来识别红外线遥控器发出红外光信号,即我们通常所说的解码,单片机得知发过来的是什么信号,然后再做出相应的判断与控制,如我们按电视机遥控器的频道按钮,则单片机会控制更换电视频道,如按的是遥控器音量键,则单片机会控制增减音量。
下面我们来简单看看它的原理:
4.1红外遥控编码格式
图4.1红外发射接收图
红外线遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上,它的出现给使用电器提供了很多的便利。
红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。
红外发射装置又可由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成。
红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成。
通常为了使信号能更好的被传输发送端将基带二进制信号调制为脉冲串信号,通过红外发射管发射。
常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制(PWM)和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制(PPM)两种方法。
遥控器发射的信号由一串O和1的二进制代码组成.不同的芯片对0和1的编码有所不同。
而当前应用最为广泛的为:
NECProtocol的PWM(脉冲宽度调制)和Philips:
RC-5Protocol的PPM(脉冲位置调制)。
4.2遥控器软件程序设计
4.2.1主程序流程图
图4.2为主程序流程图,单片机上电复位后,首先对定时器T0、T1和I/O口进行初始化并不断扫描矩阵键盘,当检测到有键按下时,进入相应的键盘处理程序。
4.2.2红外接收程序
一体化红外接收头NB1838作为输入接至单片机的P1_0口,由于NB1838的反相作用,在无红外信号时为高电平,一旦检测到有红外信号,起始输入变成低电平。
当系统进入学习状态时,开启T0来检测P1_0口的电平变化,并记录下每一个高、低电平的脉冲宽度,当脉冲宽度超过66ms(即超出红外信号的电平宽度)时,确认接收红外信号完毕,T0溢出并产生中断,中断程序中把RAM的数据存入EEPROM。
这样,红外脉冲信号就被原封不动地全部记忆和存储。
若误进入学习状态,则按下复位键,系统自动退出学习状态,单片机重新扫描键盘。
图4.3为系统学习程序流程图。
图4.2主程序流程图
图4.3学习程序流程图
4.2.3红外发射程序
单片机不断扫描矩阵键盘,若有键按下,从EEPROM中取出对应键值的存储数据取反后作为T0的初始值,同时启动T0和T1,并用T1产生38KHz的载波信号。
在高电平且T0没溢出时,从P1_1口不断地输出载波信号,T0溢出后关闭T0、T1。
然后重新启动T0,把EEPROM中下一个地址的数据取反并作为T0的初始值,此时关闭T1,在这个脉冲周期内不产生载波。
如此循环反复,从P1_1口输出的就是已调制到载波上的红外脉冲信号,经三极管两级放大来驱动红外发射管输出红外遥控信号。
图4.4为系统发射程序流程图。
图4.4发射程序流程图
4.3系统软件调试
4.3.1数据压缩
考虑到单片机的时钟周期较长,可以将接收信号的计数数据进行压缩,可以节省存储空间。
通过对信号波形测量与分析的方法来解码的,在此系统中默认第一周期为O。
凡是测量结果近似于第一周期测量结果的为0。
否则为1.然后按位将8个0或I压缩为一个字节。
经过压缩处理,数据量只有原来的大约1/9。
4.3.2晶振选择及时间补偿系数
由于在每次测量完一个周期的高低电平的波形后,必须执行一些程序进行判断与压缩,而不能马上连续的测量,这些指令占用了下个周期测量波形的时闯,所以必须减少这些指令的时间消耗。
将晶振提高到24M,就可将晶振频率误差率减少一半,在程序中许多不方便加时间补偿系数来补偿指令消耗时间的部分,这种调整起到了很关键的作用。
4.3.3软件抗干扰措施
为了防止误操作,增加系统的抗干扰能力。
在接收信号时给计数值设定了一个范围,只有在这个范围以内的计数值才有效,否则自动中断程序,并向错误信号灯发出高电平,信号灯点亮。
软件上设置了陷阱防止程序“跑飞”,设置软件“看门狗”解决程序死循环同题,采用指令冗余技术。
结论
毕业设计是一种讲学习与以后的工作结合在一起的教育模式,需要学生自己动手动脑、研究专研,从根本上改变了传统教育的不足,为将来毕业学生踏上社会提供了良好的平台,缩短了学生与企业之间的距离,从而使得学生在步入各个岗位之前就对工作过程、工作环境等有了一个大概的认识。
本文通过对自学习型遥控器的原理及过程的研究,采用测量脉冲宽度的原理,设计出的遥控器且能够学习和控制各种不同类型的红外遥控器,系统稳定可靠。
本设计能自动学习市面上流行的各种红外遥控器的遥控指令,从而控制各种不同类型的红外遥控设备。
该学习型遥控器操作灵活,可以很好地学习市面上流行的各种遥控器的红外遥控编码,并且能够学习和控制各种不同类型的红外遥控设备,系统稳定可靠。
致谢
经过几个月的努力,终于完成了本学期的论文设计。
本论文从选题到完成,每一步都是在导师的指导下完成的,倾注了xx老师大量的心血。
x老师以其严谨求实的治学态度,督促我完成这篇毕业设计。
在此,谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢!
在此次毕业设计中,我学到了许多了关于51系列单片机方面的知识,除此以外自己的实验技能有了很大的提高。
在设计的过程中,很多人都给予了我许多无私的帮助,除了导师、各位老师的督促教导外,许多同学也细心给我讲解,令我感激万分。
这次设计虽然时间不长,但是给予我的帮助却是可见的,为我今后踏上社会起到了一定的引导性。
感谢在本科学习期间给我诸多教诲和帮助的工学院的各位老师,是你们让我在校期间学会许多专业知识,才使得这次设计可以顺利完成。
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9.LeonOChua,CADesor,ESKuth.LinearandNon-linearCircuits.McGraw-HillInc.,1987
TitleTheDesignofSelf-learningInfraredRemoteController
Abstract
Self-learningInfraredRemoteControllercanbewidelyusedelectronicinformationfields.Inordertoensureuserstousecontrollermoreconvenientandpractical.Thepaperhavedesignedsomeelectriccircuitsoftheself-learninginfraredremotecontrollerbasedonthesinglechipmicrocomputeroftheAT89C51,andhaveanalyzedsomekeytechnologiesofthecircuitsindetail.TheminimumsystemoftheAT89C51isusedasthemaincontrolcircuitinthedesignofthecontroller.Receivingcircuit,transmittingcircuit,keyboardcircuit,andstoragecircuithavecomposedoftheperipheralcircuitofthecontroller.Itisshowedbytestingthatthecontrollerdesignedinthepapercanlearnmanydifferenttypesofinfraredcodes,reduceandsendtheinfraredremote-controlsignal.
KeywordsSelf-learningInfraredRemoteController,infraredlearning,infraredcodes,singlechipmicrocomputercontrol.
附录A:
硬件电路设计图
附录B:
实物图
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