一種簡易的紅外遙控開關原理與設計

摘 要：用電阻、電容、晶體管和繼電器等模擬元器件設計一種紅外遙控開關，系統供電采用電容降壓型直流穩壓輔助電源；利用電容充放電時間的不同解決了開和關的問題。詳細介紹各單元電路的工作原理，與數字式遙控開關相比，它具有結構簡單、體積小、重量輕以及安全可靠等優點，可廣泛應用于中、短距離電器設備的開關控制。該設計已在實驗室得到使用，效果良好。

關鍵詞：紅外遙控；延時電路；繼電器；開關控制

中圖分類號：TM56，TN710 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1803503

Principle and Design of a Simple Infrared Remote Control Switch

SHAO Sifei1，YANG Yanning1，2，LIU Genju2，SU Pengfei3，MIAO Xiaofeng2，WANG Haijun2

(1.Xi′an Innovation College，Yan′an University，Xi′an，710100，China;2.Information College，Yan′an University，Yan′an，716000，China;

3.Network Center，Yan′an University，Yan′an，716000，China)

Abstract：An infrared remote control switch is designed with analog components such as relays resistors，capacitors，transistors and so on，its power supply systems using capacitance DC buck regulator auxiliary power supply.Opening and shutting is resolved through the different time with capacitor charging and discharging.It introduces the work that the unit circuit theory in adeatil.Comparing with digital remote control switch，it is simple in structure，small size，light weight，as well as the advantages of safe and reliable，can be widely used in electrical equipment shortdistance switch control.It has been applied in the laboratory，and made good use of effects.

Keywords：infrared remote control;delay circuit;relay;switch control

電源開關廣泛應用于汽車、通訊、電腦、家用電器、玩具工廠、倉庫、家庭居室以及辦公室等場所。傳統的機械式電源開關存在接觸電阻大、易磨損、可靠性低以及壽命短等缺點，而紅外遙控開關可以解決這一問題。紅外遙控開關是無觸點電子開關，不產生電火花，安全、方便、在可燃氣體等場所使用尤為安全；用電視機的遙控器就可以實現開關操作，安裝和代換都很方便，可以用它代換家居中非常普及的墻壁開關，在小家電領域具有廣泛的實用價值；將它用于石油存儲、液化氣、天然氣等化工設備中，大大提高了設備的工作安全性與可靠性。

1 設計總體方案

紅外遙控開關電路由紅外接收頭(實現紅外接收、放大、整形)、信號延時形成電路、繼電器控制電路和電源電路等組成，原理框圖如圖1所示。

紅外線作為短距離的控制信號有其自身優點：易于編碼，信號傳輸過程不易產生干擾等，所以采用紅外線作為控制信號。遙控開關系統由紅外接收、信號放大、積分平滑電路、繼電控制以及電源部分組成。要想對各種電器實現遙控，那么控制信號一定要穩定、安全。在傳輸過程中要使信號足夠強，就不能衰減太多，這就要求電路的電源能夠獨立給電路各部分供電。電源供電部分可選擇用干電池和直流穩壓電源2種方案。方案一：干電池供電。其電流穩定，是純直流電，調試過程會比較容易，不會因電壓不穩或電流波動而出現調試不成功的現象。但考慮到此開關可以廣泛應用在家電領域，控制對象多為220 V電壓，一般固定安裝在某個位置更換電池不方便，且由于控制器件一般耗電較多，經濟上也不劃算。所以不宜采用。方案二：采用220 V電壓供電。由于此開關部件多數采用了耐壓值不高的電子元器件，要用220 V，電源部分要經過處理才能給電路供電。這里主要有個高壓變低壓的問題，采用電容直接降壓再加上橋式整流器是不錯的選擇，然后用7805三端穩壓器對整流過的電壓進行串聯調整式的穩壓，可以達到設計所要求的效果。如果可以直接加在220 V電源上工作，此開關就能夠得到更加廣泛的應用。比較2種方案的利與弊，選用方案二。

2 電路設計

紅外發射可以直接采用國內很多電視機的飛利浦遙控器。接收與控制電路如圖2所示。

2.1 紅外信號接收及放大電路

RI為一體化紅外線接收頭，其外型如圖3所示。1腳信號輸出、2腳接地、3腳接電源。在未接收到紅外信號時，1腳輸出高電平，當RI接收到遙控器發射出的紅外線后，經內部放大、整形、濾出載波后從1腳輸出不同的編碼信號的脈沖串^［1］；每按一下發射器，就會產生這樣的一組脈沖串，由C₁耦合到Q₁放大、D₁整流后，再去觸發后續電路。

2.2 信號延時形成電路

該電路主要是解決延時問題。Q₁在接收到紅外信號時輸出方波脈沖，經過D₁和R₄，C₂和R₇，C₃組成電容積分濾波電路，在高電平期間，輸入電壓保持為U_m，U_m通過電阻R按指數規律向電容C充電，電容C上的電壓按U_c=u_m(1-e^-t/RC)規律上升。當輸入跳變為低電平時，電容C上的電壓通過R放電，電壓按U_C=U_me^-T/RC指數規律下降。這樣由于充電時時間常數τ₁(τ₁=R₄C₂)小于放電時間常數τ₂［τ₂=(R₄+R₃)C₂］，所以隨著時間電容上的電壓上升，對于R₇，C₃情況相同，通過調整R₃改變共同的電壓上升速度，也就改變了延長時間。通過調整R₄，R₇也可以改變2個電路的延時時間的差異。這里主要通過C₃，C₂來改變他們的延時差異。由于電容C₃的數值較大，即R₇C₃時間常數大，B點電位從0上升很慢，而電容C₂的數值較小，即R₄C₂時間常數較小，A點電位從0上升較快，使晶體管Q₂比Q₃較早到達導通狀態，如果繼續有輸入信號，到一定時間時Q₃也到達導通狀態。這樣利用時間的不同實現了開和關的目的。

2.3 繼電器控制電路

電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點(常開觸點)吸合。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力下返回原來J1，J2的位置，使動觸點與原來的靜觸點(常閉觸點)吸合。同時常開觸點斷開。這樣選用合適的繼電器就可以用小電壓和電流控制大功率的設備，由于控制部分和觸點電氣絕緣，就比較方便和安全。圖3中繼電器有2個常開接點。當產生較短時間的紅外信號時，Q₂經延時導通，C點為高電平，此時Q₅導通，繼電器動作，其接點J1，J2同時吸合，J2接通被控制的電器電源，J1閉合使繼電器不通過Q₂就繼續吸合，這種情況通常稱為“自鎖”。所以這時即使RI不再收到信號，因電源經R₁₁向Q₅提供偏置，故Q₅一直保持導通。當接收到較長時間的紅外信號時，Q₃導通，使得Q₄導通這時Q₅強迫截止，繼電器中的磁感應線圈沒有電流通過，銜鐵釋放。被控電器電源斷開，其接點J1，J2斷開。

2.4 電源電路

降壓整流濾波電路。大多數開關都是直接接到220 V交流電上的，考慮到這一點，此開關采用電容降壓和橋式整流電路。采用電容C₇降壓，該電容要求耐壓要高、雙極性，耐壓一般取45O_V，容量與負載電流和要求整流電壓相關，取合適的C₇非常重要，R₁₄是斷電時給C₇上存流電壓放電。整流采用最常用的橋式整流。電容濾波電路是最常見的濾波電路，在整流電路的輸出端并聯一個電容即構成濾波電路，濾波電容容量較大，因此一般均采用電解電容，再接線時需要注意電解電容的正負極。電容濾波電路利用電容的充放電作用，使輸出電壓趨于平滑。三端穩壓電路。由于考慮到了從橋路整流電路中輸出的電壓不穩定，會對整體的電路產生影響，所以在電源外部加一個三端穩壓器W7805，其輸入端和輸出端之間的電壓允許值為3~13 V；三端穩壓器輸出交流噪聲小，溫度穩定性很好。為了提高性能，在輸入端加接電容C₅，取值為0.33 μF；再輸出端加接電容C₅，取值為0.1 μF，其目的是改善負載的順穩態響應，防止自激震蕩和減少高頻噪聲。D₄保護穩壓器在C放電時不被損壞。

3 工作原理

220 V交流電壓經電容C₇降壓，D₆~D₉整流，C₆濾波后，給三端穩壓器 W7805和后續電路供電。從W7805出來后的5 V電壓被進一步經電阻R₁₂濾波供給紅外線接收頭RI。在靜態時，紅外線接收頭未接收到紅外信號，1腳輸出高電平，為接收到紅外線信號時，1腳輸出一連串低電平脈沖。經過Q₁放大整形后經集電極送給R₄，C₂與R₇，C₃組成兩個積分電路；Q₄，Q₅， J組成繼電器控制電路。平時待機或上電后的初始狀態是：Q₁導通，Q₂截止，Q₅截止，繼電器不動作。電路設計如圖2所示。

3.1 開機過程

在靜態時，脈沖放大管Q₁處于飽和狀態，集電極輸出低電平，此時短按遙控器按鈕(各類彩電，VCD遙控器均可)小于0.5 s，在這較短的時間里，因C₃容量遠大于C₂，故A點電位很快生到高電位(約1 V左右)而B點電位上升不到0.6 V，因此Q₃不能導通，只有Q₂導通，這樣，C點為高電平，Q₅導通，繼電器J動作，其接點J1，J2同時吸合，J2接通電器電源。這時即使RI不在收到信號，因電源經R₁₁向Q₅提供偏置，故Q₅保持導通，J仍繼續吸合，達到短按遙控器實現開機的目的。由于接點J₁由電源經電阻R₁₂直接供電，即繼電器自鎖，所以，即使RI不再收到紅外線信號，前端的電路沒有導通，繼電器仍然可以正常工作。

3.2 關機過程

長按遙控器按鈕(3 s以上)時，RI輸出低電平脈沖，經D₁整流后送至A點，B點進行積分處理，最終使B點電位大于1V(大概為1.3V左右)，Q₃導通，R10端點處為高電平，Q₄導通，C點為低電平，致使Q₅截至，J釋放，J1，J2斷開，達到長按遙控按鈕時關機的目的。松開遙控按鈕后，RI不再收到紅外線信號，C₂，C₃放電，Q₂，Q₃截止，電路又進入等待狀態。只有再次短按遙控器按鈕，電路才會重新動作，重復遙控開機的過程。

4 結 語

利用模擬器件設計的遙控開關所用的器件較少，電路比較簡單，容易實現預期功能，成本較低。整個電路可以放在15 cm2大小的電路板上，易于集成，在日常生活中能夠得到廣泛的應用。用紅外線作為控制信號，開關的開、斷是由繼電器的動作控制，所以達到了開關應有的小巧，安全的要求。在調試過程中，電容C₃容量太小，使B點升壓不明顯，遙控開機不穩定，換了大電容后，問題解除。如果負載功率較大，可以選用功率較大的繼電器，此時，電源也應做相應的調整，以滿足繼電器的工作要求。

目前的家用電器，如電視機、VCD、DVD和功放機等一般都配備了遙控器及智能化控制技術，給人們的使用帶來了極大的方便。隨之而來的小家電如電燈的控制也在向自動化、智能化操作方面發展，這樣才能滿足人們的生活需求。如果把現在的照明燈開關做成經“紅外線遙控”的方式，一定會受到社會的歡迎。目前，市場上雖然也有上述開關出售，但多數都是采用單片機控制的，普遍價格較貴。該開關可以替換原墻壁開關，不用再增加連線，為安裝和使用提供了方便。把原機械式墻壁換成該電子開關不僅實用，也很安全和經濟。可以加大宣傳和推廣力度，如與房地產商合作使用，與零售、批發商合作經銷等多種方式推廣，就會很快被用戶接受，并迅速深入到千家萬戶，從而贏得市場。

參 考 文 獻

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作者簡介 邵思飛 男，1965年出生，副教授，延安大學西安創新學院副院長。主要從事電子電路設計的研究工作。

楊延寧 男，1969年出生，博士，副教授，延安大學電子研究所副所長。主要從事電視技術、平板顯示技術的研究工作。