紅外線智能遙控開關(guān)的設(shè)計(jì)＊

武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院（武漢430073) 楊 帆 肖 貝 湯 路 程 雯

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，人民生活水平的提高，智能家居是發(fā)展的趨勢(shì)。作為智能家居控制系統(tǒng)中最為基本的部分，開關(guān)的智能化是必然的要求。目前，大多數(shù)家用電器的開關(guān)都是手動(dòng)控制，多有不便，尤其是對(duì)于老人或是殘疾人更是煩惱。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款紅外智能遙控開關(guān)[1-3]。該紅外線智能遙控開關(guān)主要用于控制220V供電的各種家用電器，其中又以日光燈、白熾燈等照明燈具為主。

1 總體方案設(shè)計(jì)

規(guī)劃設(shè)計(jì)一套4路紅外線遙控開關(guān)，遙控系統(tǒng)主要由發(fā)射模塊和接收模塊組成，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示[4-5]。其中發(fā)射模塊包括編碼和38kHz方波信號(hào)產(chǎn)生部分；接收模塊包括開關(guān)電源、解碼鎖存以及繼電控制三部分。遙控器發(fā)射板上設(shè)有5個(gè)按鍵，分別記為1～5號(hào)。其中1～4號(hào)四個(gè)按鍵分別相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，每按一個(gè)按鍵，接收模塊解碼后即可控制相應(yīng)的220V電路回路。四路開關(guān)在同一時(shí)刻只能有一路工作，即四路開關(guān)是互鎖的，5號(hào)按鍵可以關(guān)閉任意一個(gè)開關(guān)。這樣用戶只需將接收部分接入220V家電回路上，手持遙控器即可通過按鍵實(shí)現(xiàn)電器的遙控通斷。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

PT2262/PT2272是一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路，它們最多可有12位(A0-A11)三態(tài)地址端管腳(懸空，接高電平，接低電平)，任意組合可提供531441地址碼。編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272-M4中M表示非鎖存輸出，后綴4表示采用4路并行數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)應(yīng)的地址編碼應(yīng)該是8位。SM0038是一種特殊的紅外接收電路，它將紅外接收管與放大電路集成在一體。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射模塊

設(shè)計(jì)中使用的PT2262不是紅外專用芯片，其片內(nèi)并沒有載波信號(hào)的分離，也沒有載波信號(hào)與編碼信號(hào)的調(diào)制。因此，在發(fā)射部分中需要單獨(dú)制作一個(gè)載波發(fā)生器對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理。本設(shè)計(jì)采用門電路構(gòu)成的多諧振蕩器來產(chǎn)生38kHz方波信號(hào)。發(fā)射模塊整體電路如圖2所示[6-7]。

發(fā)射模塊工作過程如下：以1號(hào)按鍵按下為例，其他鍵工作方式與之類似。當(dāng)1號(hào)按鍵按下時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，PT2262的Vcc得電開始工作，對(duì)數(shù)據(jù)位和地址位狀態(tài)進(jìn)行編碼，與此同時(shí)PT2262的第17腳不斷地串行輸出其編碼串，編碼器用不同的占空比及組合表示不同的狀態(tài)。這些編碼串就是基帶信號(hào)，基帶信號(hào)接著通過一個(gè)與門與多諧振蕩器產(chǎn)生的38kHz載波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。這樣調(diào)制之后的信號(hào)通過兩個(gè)三極管加在紅外發(fā)射二極管DS1上，由紅外光將信號(hào)發(fā)射出去。

2.2 接收模塊

接收模塊由開關(guān)電源部分、解碼部分和繼電器控制部分構(gòu)成。解碼和繼電控制部分的整體電路如圖3所示。當(dāng)SM0038感光面接收到紅外信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大解調(diào)和濾波后，將發(fā)射部分的編碼信號(hào)由2腳輸出，信號(hào)經(jīng)過三極管放大后，送到PT2272-M4進(jìn)行解碼。PT2272-M4對(duì)信號(hào)解碼后由D0～D3的相應(yīng)引腳輸出互鎖的高電平信號(hào)，該信號(hào)約4～5V。由于PT2272-M4沒有鎖存的功能，所以外加了一個(gè)74LS373先將信號(hào)進(jìn)行鎖存處理后送到繼電器驅(qū)動(dòng)端。C8050作為一個(gè)開關(guān)元件使用，當(dāng)鎖存器的某一個(gè)輸出引腳為高電平時(shí)，相應(yīng)的三極管導(dǎo)通，繼電器的線圈得電，由繼電器的觸點(diǎn)開關(guān)控制220V的電路回路的通斷。這樣就實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的接收解碼以及控制的整個(gè)過程。

2.3 開關(guān)電源

紅外遙控開關(guān)體積要盡量小，開關(guān)電源是最好選擇，省掉了體積龐大的變壓器[7]。此外，由于開關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和或截止的狀態(tài)，因而發(fā)熱量小，且效率比線性電源要高兩倍以上。開關(guān)電源主要包括輸入電網(wǎng)濾波器、輸入整流濾波器、逆變器、輸出整流濾波器、控制電路、保護(hù)電路。本設(shè)計(jì)的開關(guān)電源原理圖如圖4。

圖2 發(fā)射部分電路原理圖

圖3 接收模塊原理圖

L，N兩端接入220V的市電，本設(shè)計(jì)中L、N兩端能承受的最大電壓是260V交流電(有效值)，也不能太低，低于110V會(huì)影響到電路的正常工作。接通電源后，220V交流電首先經(jīng)過橋式整流和C1濾波，得到約 +300V的直流高壓，再通過高頻變壓器T的一次側(cè)繞組N1，給開關(guān)電源控制器WS157提供所需工作電壓。從二次側(cè)繞組N3上輸出的脈寬調(diào)制功率信號(hào)，經(jīng)D6、C3、L和 C4進(jìn)行高頻整流濾波后，獲得+5V/1.6A的穩(wěn)壓輸出。由VD5、R1和C2構(gòu)成反向峰值電壓的箝位電路，能有效抑制 WS157漏極的反向尖峰電壓。電路中的光電耦合器(CNY75A)和可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器(TL431)構(gòu)成精密的反饋調(diào)壓回路。R3為限流電阻，R4和R5為取樣電阻。D1～D5選用1N4007(1A/1000V)型硅整流管；D7選擇1N4148型硅高速開關(guān)二極管；D6須采用3A/40V以上的肖特基二極管，可選B82-004型(15A/40V)。C2宜選2200pF/1kV高壓陶瓷電容。R1為 C2的泄放電阻，可防止斷電后在 C2上積累電荷，形成高壓。為降低空載電壓，在輸出端并聯(lián)一只560!的負(fù)載電阻。該電源的電壓調(diào)整率 SV＜011%，負(fù)載調(diào)整率 SI＜1%。

圖4 5V/1.6A開關(guān)電源原理圖

圖5 載波波形

圖6 編碼信號(hào)

圖7 已調(diào)信號(hào)

圖8 解調(diào)信號(hào)

3 調(diào)試結(jié)果

將設(shè)計(jì)遙控器的輸出信號(hào)用外接USB存儲(chǔ)功能的示波器記錄下來。圖5是門電路構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生的38KHz載波波形。

圖6是按下1號(hào)按鍵時(shí)，PT2262的14號(hào)引腳輸出的編碼波形，其頻率為260Hz左右。圖7是按下1號(hào)鍵后，已調(diào)信號(hào)的波形，頻率約為38KHz。圖8是一體化紅外接收頭解調(diào)后經(jīng)過一級(jí)放大送給PT2272-M4的波形，可以對(duì)比該波形恰好是發(fā)射波形的反相波。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)中由于采用了專用解碼芯片PT2272，解碼速度很快，控制非常迅速。實(shí)際制作出來的紅外遙控開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)5米左右的控制，該套裝置總共可以控制4路220V家居電路，通過調(diào)節(jié)與紅外管串聯(lián)的電位器還可以適當(dāng)增加控制距離，不過最好不要讓紅外管的工作電流超過100mA，否則會(huì)嚴(yán)重影響紅外管的壽命。本設(shè)計(jì)中發(fā)射部分只有按下按鍵時(shí)PT2262才工作，因此比較節(jié)能，但是振蕩器卻一直在工作，可以將1N4148更換為低壓差的二極管1N60，然后將74HC00的VCC與PT2262的VCC相連，這樣在沒有按下鍵時(shí)整個(gè)電路基本上不耗電。接收部分由于增加了74LS373鎖存電路，導(dǎo)致電路的功耗增大，如果將芯片PT2272-M4換成帶有鎖存功能的PT2272-L4，則開關(guān)電源的供電要求只需5V/300mA即可。本設(shè)計(jì)如果采用單片機(jī)解碼，則電路可以變得更靈活，而且可以輕易地實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)等功能，不過成本也會(huì)相應(yīng)的增加。

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