一种红外收发集成电路的应用设计.docx
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一种红外收发集成电路的应用设计.docx
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一种红外收发集成电路的应用设计
南阳理工学院
本科生毕业设计(论文)
学院(系):
电子与电气工程学院
专业:
电气工程及其自动化
学生:
XXOO
指导教师:
胡冬梅
完成日期2012年5月
南阳理工学院本科生毕业设计(论文)
一种红外收发集成电路的应用设计
ApplicationDesignofInfraredTransceiverIntergratedCircuit
总 计:
毕业设计(论文)27页
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19幅
南阳理工学院本科毕业设计(论文)
一种红外收发集成电路的应用设计
ApplicationDesignofAnInfraredTransceiverIntergratedCircuit
学院(系):
电子与电气工程学院
专业:
电气工程及其自动化
学生姓名:
xxoo
学号:
097108063
指导教师(职称):
胡冬梅(正高级工程师)
评阅教师:
完成日期:
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
一种红外收发集成电路的应用设计
电气工程及其自动化专业 XXOO
[摘 要]红外发射器是一种红外数据通讯产品,具有成本低廉、连接方便、简单易用、结构紧凑和传输速率快等特点,在电子设备和日常生活中有着广泛的应用。
本课题的主要任务是以单片机PIC12F683为核心控制器,结合红外线的特点设计一种红外报警电路,实现电路的报警防盗功能。
本设计包括硬件和软件设计两个部分。
硬件电路有七部分,分别是电源电路、红外发射与接收电路、放大电路、时钟电路、复位电路、发光二极管报警电路、声音报警电路;软件部分用汇编语言编写,通过系统仿真证明此设计可行。
[关键词]单片机;红外数据发射与接收;定时;遥控器
ApplicationDesignofAnInfraredTransceiverIntegratedCircuit
ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyXXOO
Abstract:
Infraredtrsnsceiverisaproductofthiscommunication,whichhasalotofadvantagessuchaslowcost,covenientconnectingandapplication,compactstructure,fasttransmissionspeedandsoon.
ThemaintaskofthisprojectisonPIC12F683single-chipmicrocomputerasthecorecontroller,combinedwiththecharacteristicsoftheinfrareddesignainfaraedalarmcircuit,realizethecircuitalarmsecurityfunction.Thisdesignincludinghardwareandsoftwaredesignoftwoparts.Hardwarecircuithassevenpartswhichisthepowersupplyciucuit,infraredemittingandreceivingcircuit,amplifyingcircuit,colockingcircuitandresetcircuit,lightemittingdiodealarmcircuit,voicealarmcircuit;softwarepartlyinassemblylanguageprogram,throughthesastemsimulationprovethisdesignisfeasible.
Keywords:
single-chipmicrocomputer;sendandreceiveIRdata;timing;remotecontrol.
目录
1引言1
1.1课题的提出及研究意义1
1.2国内外研究现状1
2基础知识介绍1
2.1常用报警器的介绍1
2.1.1气体报警器2
2.1.2防盗器2
2.1.3红外线探测器3
2.2红外遥控器的基本原理3
2.3PIC12F683单片机简单概述5
2.4PIC12F683单片机引脚的特点5
2.4.1弱上拉5
2.4.2电平变化中断5
2.4.3超低功耗唤醒6
3总体方案6
3.1总体设计思路6
3.1.1系统控制方框图6
3.1.2原理图的设计6
3.2具体电路模块设计7
3.2.1电源电路的设计7
3.2.2红外发射与接收电路的设计8
3.2.3放大电路的设计9
3.2.4时钟电路的设计9
3.2.5复位电路的设计10
3.2.6发光二极管报警电路的设计10
3.2.7声音报警电路的设计10
3.3软件的程序实现11
3.3.1主程序工作流程图11
3.3.2中断服务程序工作流程图11
4电路仿真11
4.1Multisim仿真软件介绍11
4.2Multisim仿真软件的特点:
13
4.3Protel99SEPCB软件介绍14
4.3.1.电路设计部分14
4.3.2.电路仿真与PLD部分14
4.4仿真与验证15
结束语17
参考文献18
附录19
致谢21
1引言
1.1课题的提出及研究意义
红外收发器产品具有成本低,小型化,传输速率快,点对点安全传输,不受电磁干扰等优点,可以实现信息在不同产品之间快速,方便,安全的交换和传送,在距离无线传输方面拥有十分明显的优势。
红外收发器产品在可携式产品中的应用潜力很大。
目前,全世界1亿5千万台设备采用红外技术,比如95%的笔记本电脑就安装了红外收发器接口,现在很多手机上也配置了红外收发器接口,而且随着交换的数据变大,红外数据通讯将使手机的数据传输越来越方便。
而在许多应用场合还没有得到应有的开发或者还没进入市场阶段,比如数码相机等产品的应用到现在还处于未成熟阶段,距离市场化还有一定距离。
随着技术成熟,成本下降,红外收发器在短距离通讯领域必将得到更广泛的应用。
1.2国内外研究现状
目前已经开发生产出来的具备红外通讯能力的设备已有一百多种,红外模块的年装机量已经达到一亿五千套。
尽管现在有了同样是近距离的无线通讯蓝牙技术,但是红外通信技术的低廉成本和广泛的兼容性的优势,红外收发技术仍旧会在将来很长一段时间内在短距离无线数据通讯领域扮演重要的角色。
国外收发器的产业结构有以下几个部分组成:
sharp等公司主要提供红外收发光二极管和光敏二极管;Agilent等公司主要涉及制作红外收发器芯片;Infineon等公司主要从事红外收发器封装;IBM,Microsoft等公司推出红外收发器的驱动程序和红外通讯软件。
根据台湾光电科技工业协会(PIDA)的资料表明,在台湾地区也形成这样一批红外收发器产品的生产厂家和公司,大陆地区有很多销售公司在做这些国际公司和台湾公司的产品代理。
据市场调研了解到,目前国内也有不少电子公司开发研制出具有自主产权的该类产品。
常用带负荷调压变压器与并联电容补偿配合使用的运行方式,如果没有带负荷调压装置,一般是将电容器组分成若干组,实行分组投切。
2基础知识介绍
2.1常用报警器的介绍
红外报警器分主动式和被动式两种。
主动式红外线报警器,是报警器主动发出红外线,红外线碰到障碍物,就会反弹回来,被报警器的探头接收。
如果探头监测到,红外线是静止不动的,也就是不断发出红线线又不断反弹的,那么报警器就不会报警。
当有会动的物体触犯了这根看不见的红线的时候,探头就会检测到有异常,就会报警。
被动式报警器少了一项功能,就是发射红外线。
物理学上告诉我们,当物体的温度高于0K的时候,就会发出红外线,换句话说任何物体都能发出红外线。
而其后的原理,被动式报警器和主动式是一样的。
红外线报警器对温度敏感,温度越高的物体辐射出的红外线越强,当感应到环境中存在高出背景强度的辐射时,就触发反警。
在温度异常的情况下,也会产生误报警的情况。
2.1.1气体报警器
气体报警器就是气体泄露检测报警仪器。
当工业环境中可燃或有毒气体泄露时,当气体报警器检测到气体浓度达到爆炸或中毒报警器设置的临界点时,报警器就会发出报警信号,以提醒工作采取安全措施,并驱动排风、切断、喷淋系统,防止发生爆炸、火灾、中毒事故,从而保障安全生产。
工业用固定式气体报警器由报警控制器和探测器组成,控制器可放置于值班室内,主要对各监测点进行控制,探测器安装于气体最易泄露的地点,其核心部件为内置的气体传感器,传感器检测空气中气体的浓度。
探测器将传感器检测到的气体浓度转换成电信号,通过线缆传输到控制器,气体浓度越高,电信号越强,当气体浓度达到或超过报警控制器设置的报警点时,报警器发出报警信号,并可启动电磁阀、排气扇等外联设备,自动排除隐患。
2.1.2防盗器
防盗器主要利用现有的电话网络或者无线手机GSM网络,通过无线或则有线的方式,连通主人电话,或则手机,实现远程防盗功能的电子产品。
目前市面上流行的产品主要有一个接受信号的防盗主机和一系列警情探测头组成。
如红外探测器、门磁、烟雾探测器、红外栅栏等。
主要功能如下:
(1)防盗:
若有非法入室盗窃者,立刻现场报警,同时向外发送报警信号。
(2)防窃:
若遭遇坏人入室抢劫,可即时发送报警信号。
(3)求助:
可用于家中老人、小孩意外事故和急病呼救报警。
(4)防火:
通过烟感探测器及时探测室内烟雾,发出失火警报。
(5)防可燃气体中毒:
能够探测到煤气、液化石油气、天然气等气体的泄露,及时报警。
(6)全自动报警:
一旦发生警情,主机自动循环拨打设置电话,如联网向报警中心报警,或者发出语音报警信号。
(7)远程监听:
接通报警电话后可即时监听和判断室内现场动静,以便可采取行动。
(8)异地遥控:
主人在异地远距离通过手机或电话对家中主机进行布防或撤防等操作。
还可以部分布防,比如人在家里客厅撤防,阳台窗户布防。
(9)分类:
根据使用用途可分为汽车防盗报警器,摩托车、电动车防盗报警器,家庭防盗监控报警器,办公用防盗报警器等。
2.1.3红外线探测器
在红外线探测器中,热电元件检测人体的存在或移动,并把热电元件的输出信号转换成电压信号。
然后,对电压信号进行波形分析。
一种红外线探测器,其特征在于,包括:
热电元件;电流-电压变换器,它把来自所述热电元件的电流变换成电压信号。
红外探测器是靠探测人体发射的红外线来进行工作的。
探测器收集外界的红外辐射进而聚集到红外传感器上。
红外传感器通常采用热释电元件,这种元件在接收了红外辐射温度发出变化时就会向外释放电荷,检测处理后产生报警。
这种探测器是以探测人体辐射为目标的。
所以辐射敏感元件对波长为10μm左右的红外辐射必须非常敏感。
为了对人体的红外辐射敏感,在它的辐射照面通常覆盖有特殊的滤光片,使环境的干扰受到明显的控制作用。
红外探测器,其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。
而且制成的两个电极化方向正好相反,环境背景辐射对两个热释电元几乎具有相同的作用,使其产生释电效应相互抵消,于是探测器无信号输出。
一旦入侵人进入探测区域内,人体红外辐射通过部分镜而聚焦,从而被热释电元接收,但是两片热释电元接收到的热量不同,热释电也不同,不能抵消,经信号处理而报警。
多视场的获得,一是多法线小镜而组成的反光聚焦,聚光到传感器上称之为反射式光学系统。
另一种是透射式光学系统,是多面组合一起的透镜-菲涅尔透镜,通过菲涅尔透镜聚焦在红外传感器上。
这要指出的是红外面的几束光表示有几个视场,并非红外发红外光,视场越多,控制越严密。
红外线报警器具有很多优势,器件功耗很小,隐蔽性较好,价格低廉,性能稳定,这几项优点使它在报警系统市场上分得一片天地。
2.2红外遥控器的基本原理
人的眼睛能看到的可见光,若按波长排列,依次(从长到短)为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,红光的波长范围为0.62μm~0.7μm,比红光波长还长的光叫红外线。
红外线遥控器就是利用波长0.76μm~1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。
红外线的特点是不干扰其他电器设备工作,也不会影响周边环境。
电路调试简单,若对发射信号进行编码,可实现多路红外遥控功能。
红外线发射和接收,人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。
发射部分的发射元件为红外发光二极管,它发出的是红外线而不是可见光。
常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φ5mm发光二极管相同,只是颜色不同。
一般有透明、黑色和深蓝等三种。
判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。
单只红外发光二极管的发射功率约100mW。
红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定,而业余条件下,只能凭经验用拉距法进行粗略判定。
接收电路的红外接收管是一种光敏二极管,使用时要给红外接收二极管加反向偏压,它才能正常工作而获得高的灵敏度。
红外接收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较小,红外接收二极管收到的信号较弱,所以接收端就要增加高增益放大电路。
然而现在不论是业余制作或正式的产品,大都采用成品的一体化接收头。
红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块,性能稳定、可靠。
所以,有了一体化接收头,人们不再制作接收放大电路,这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高。
红外遥控器的协议,鉴于家用电器的品种多样化和用户的使用特点,生产厂家对红外遥控器进行了严格的规范编码,这些编码各不相同,从而形成不同的编码方式,统一称为红外遥控器编码传输协议。
了解这些编码协议的原理,不仅对学习和应用红外遥控器是必备的知识,同时也对学习射频(一般大于300MHz)无线遥控器的工作原理有很大的帮助。
到目前为止,笔者从外刊收集到的红外遥控协议已多达十种,如:
RC5、SIRCS、SONy、RECS80、Denon、NEC、Motorola、Japanese、SAMSWNG和Daewoo等。
我国家用电器的红外遥控器的生产厂家,其编码方式多数是按上述的各种协议进行编码的,而用得较多的有NEC协议。
红外遥控器的结构特征,红外遥控发射器由键盘矩阵、遥控专用集成电路、激励器和红外发光二极管组成。
遥控专用集成电路(采用AT89S52单片机)是发射系统的核心部分,其内部由振荡电路、定时电路、扫描信号发生器、键输入编码器、指令译码器、用户码转换器、数码调制电路及缓冲放大器等组成。
它能产生键位扫描脉冲信号,并能译出按键的键码,再经遥控指令编码器得到某键位的遥控指令(遥控编码脉冲),由38KHZ的载波进行脉冲幅度调制,载有遥控指令的调制信号激励红外二极管发出红外遥控信号。
在红外接收器中,光电转换器件(一般是光电二极管或光电三极管,我们这里用的是PIN光电二极管)将接收到的红外光指令信号转换成相应的电信号。
此时的信号非常微弱而且干扰特别大,为了实现对信号准确的检测和转换,除了高性能的红外光电转换器件,还应合理地选择并设计性能良好的电路形式。
最常用的光电转换器件是光电二极管,当光电二极管PN结的光敏面受到光照射后,PN结的半导体材料吸收光能,并将光能转换为电能。
当光电二极管上加有反向电压时,二极管中的反向电流将随入射光照强度的变化而变化,光的辐照强度越大,其反向电流越大。
也就是说,光电二级管的反向电流随入射的光脉冲作同频率的变化。
红外遥控器的应用,红外遥控器由于受遥控距离、角度等影响,使用效果不是很好,如采用调频或调幅发射接收编码,则可提高遥控距离,并且没有角度影响。
红外遥控发射和接收模块可以用在室内红外遥控中,它不影响周边环境、不干扰其它电器设备。
由于其无法穿透墙壁,所以不同房间的家用电器可使用通用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。
现在红外遥控在家用电器、室内近距离遥控中得到了广泛的应用。
另外模块还可以用在其他红外遥控系统中,应用前景十分广阔。
在家用电器和工业控制系统中红外线遥控器已得到广泛应用,了解他们的工作原理和性能、进一步自制红外遥控系统,也并非难事。
2.3PIC12F683单片机简单概述
PIC单片机(PeripheralInterfaceController)是一种用来开发去控制外围设备的集成电路有分散作用(多任务)功能的CPU。
与人类相比,大脑就是CPU,PIC共享的部分相当于人的神经系统。
PIC单片机有计算功能和记忆内存像CPU并由软件控制运行。
然而,处理能力—存储器容量却很有限,这取决于PIC的类型。
但是它们的最高操作频率大约都在20MHz左右,存储器容量用做写程序的大约1K—4K字节。
时钟频率与扫描程序的时间和执行程序指令的时间有关系。
但不能仅以时钟频率来判断程序处理能力,它还随处理装置的体系结构改变。
如果是同样的体系结构,时钟频率较高的处理能力会较强。
2.4PIC12F683单片机引脚的特点
2.4.1弱上拉
除了GP3,每个GPIO引脚都有各自的可配置内部弱上拉电路。
控制位WPUx使能或禁止每个弱上拉。
当将端口引脚配置为输出时,其弱上拉电路会自动切断。
在上电复位时,弱上拉由GPPU位(OPTION<7>)禁止。
当GP3被配置为MCLR时,自动使能弱上拉;当GP3被配置为I/O引脚时,自动禁止弱上拉。
无法使用软件对MCLR上拉进行控制。
2.4.2电平变化中断
每个GPIO引脚都可以被独立配置为电平变化中断引脚。
控制位IOCx使能或禁止每个引脚的电平变化中断功能。
上电复位时禁止引脚的电平变化中断功能。
对于已使能电平变化中断的引脚,将该引脚上的值与上次读GPIO时锁存的旧值进行比较。
将与上次读操作不匹配”的所有输出进行逻辑或运算,来将INTCON寄存器中的GPIO电平变化中断标志位(GPIF)置1。
2.4.3超低功耗唤醒
GP0的超低功耗唤醒(UltraLow-PowerWake-up,ULPWU)功能允许电压缓慢跌落,从而可在不消耗额外电流的情况下,产生GP0引脚的电平变化中断。
通过将ULPWUE位(PCON<5>)置1选择这种模式。
产生一个小的灌电流使GP0上的电容放电。
要使用这项功能,GP0引脚需要被配置为输出高电平以给电容充电、使能GP0的电平变化中断并且将GP0配置为输入。
将ULPWUE位置1以开始放电,同时执行LEEP指令。
当GP0上的电压降至VIL以下时,将产生一个中断,从而唤醒器件。
根据GIE位(INTCON<7>)状态的不同,当发生中断事件时器件会跳转到中断向量(0004h),或执行下一条指令。
3总体方案
3.1总体设计思路
3.1.1系统控制方框图
如图1所示,该系统通过PIC12F683单片机采集中断信号,在单片机软件程序中,进行判断到底是哪个中断,然后在报警器响之后,在通过红外的信号,进入单片机的红外信号中断,从而解除警报。
图1控制方框图
3.1.2原理图的设计
如图2所示,以单片机PIC12F683为核心控制器,它有六个GPIO口,定义一个GPIO口为输出,用于驱动蜂鸣器报警电路;定义两个GPIO口为按键式输入,分别连接一颗按键,通过按键为GPIO口提供高低电平;定义一个GPIO口为红外式输入,连接一颗红外接收器,通过外配遥控器为GPIO口提供输入(涉及到遥控器代码的编写使用)。
本题目外围电路有电源模块、输入模块(可以用按键的形式代替)、蜂鸣器报警模块(属于终端)。
电源给单片机供电,拟选用手机充电器(5V),然后设计一个DC5V转DC3.3V的电源电路。
软件部分主要实现思路:
通过检测到各输入GPIO口的状态,来判断决定输出该GPIO口应该如何输出。
图2控制原理图
3.2具体电路模块设计
3.2.1电源电路的设计
电源电路在整个硬件电路中是很重要的,要求电源抗干扰,电源洁净、稳定等等。
很多从事电子行业的人对于5V电源电路的设计是非常熟练的,但是如何稳定地,可靠地实现对2.4V~3.6V电压的控制,则有各式各样的设计方法,曾经有人在5V电源上串联连个二极管,来充当3.6V电源,很明显这种电压是不稳定的,偶尔也会出现单片机不工作的现象。
下面就是我们要设计的电源电路,运用专门的电压转换芯片,来实现产生稳定,精度高的电源。
如图3所示,在5V转3.3V电路中,3.3V的VDD电源是C8051F020单片机的供电电源,电压转换芯片用的是LM1085-3.3。
与其它电压转换芯片相比,LM1085-3.3的一个比较大的优点就是转换精度比较高,能基本将电压稳定在3.3V左右,而且转换过程中功率损耗较小,比较稳定。
如图4所示,因为板子上总共有2类电压,所以板子上的两种地得隔离,其中0欧姆电阻起到的就是隔离的作用。
PCB中接地线只是个虚地,不一定非要接大地,它是信号、电源的一个公共回路线的地,一般以宽粗线条,包围式或一点式接地布设,一般地线需要25mil,其中1mil=0.0254mm。
图35V转3.3V电路
图4接地电路
3.2.2红外发射与接收电路的设计
如图5所示,单片机1号管脚接的是地。
4号管脚接的是蜂鸣器,做输出端使用。
5号管脚接的是红外接收端,用于解除警报的信号输入。
6、7号两个管脚接的是按键输入端口。
8号管脚接的是电源。
如图6电路设计过程中没有考虑到按键的消抖,在按键I/O口没有接二极管,所以只能使用软件消抖。
图5红外收发集成电路图
图6按键电路
3.2.3放大电路的设计
如图7所示为最基本的放大电路,Vi是输入电压信号,Vo是输出放大的电压信号。
图7放大电路图
3.2.4时钟电路的设计
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接。
因为一个机器周期含有6个状态周期,而每个状态周期为2个振荡周期,所以一个机器周期共有12个振荡周期,如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ,一个振荡周期为1/12us,故而一个机器周期为1us。
如图8所示为时钟电路。
图8时钟电路图
3.2.5复位电路的设计
复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位,单片机在时钟电路工作以后,在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。
例如使用晶振频率为12MHz时,则复位信号持续时间应不小于2us。
本设计采用的是外部手动按键复位电路。
如图9为复位电路。
图9复位电路图
3.2.6发光二极管报警电路的设计
由4个发光二极管接上电阻后连上单片的RXD的引脚,外接VCC,当单片机的RXD引脚被置低电平后,发光二极管被点亮,起到报警作用。
图10所示为发光二极管报警电路。
图10发光二极管报警电路图
3.2.7声音报警电路的设计
如下图所示,用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的TXD引脚上,构成声音报警电路,如图11为声音报警电路。
图11声音报
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