基于單片機的紅外遙控LED設計

杜路泉，劉德春，莫建麟，王玉晶

(阿壩師范學院 電子信息與自動化學院，四川 阿壩州 623002)

1 紅外線遙控概述

按照波長由長到短劃分，可見光依次分為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。紅光的波長范圍為0.62～0.76 μm；紫光的波長范圍為0.38～0.46 μm.紅外線的波長比紅光的波長長，紫外線的波長比紫光的波長短。利用波長在0.76～1.5 μm之間的紅外線來傳輸控制信號稱為紅外線遙控技術[1]。

紅外遙控設備一般由發射器和接收器兩個部分組成，發射器通常由鍵盤電路、紅外編碼芯片、電源部分和發射部分構成。當按鍵被按下后，發射器在識別對應的按鍵后通過編碼芯片產生相應的控制信號，生成的控制信號再經過紅外發射電路的驅動發射出去。接收器通常由紅外接收電路、執行電路、電源電路和紅外解碼芯片組成。當紅外接收器收到紅外光信號后，會將收到的光信號轉化為對應脈沖電信號發送到紅外解碼芯片處進行解調。解調后芯片會控制執行電路產生對應狀態來表示應答[2]。

2 總體方案的選定

綜合考慮成本和資源使用程度等方面選擇了STC89C52單片機作為系統設計的編解碼芯片。將紅外發射模塊和紅外接收模塊分別用不同的電路板焊接成兩個獨立的模塊，使其在50～100 cm甚至更遠范圍內能穩定控制。該方案提高了設備靈活性、節省人工、符合遙控概念，和目前電子行業發展理念相同[3]。表1給出了方案對比分析。

表1 設計方案對比分析

3 遙控系統的硬件設計

單片機最小系統是指使單片機正常工作所需最少元器件的組合。52單片機最小系統除了單片機以外還包括電源電路、復位電路、時鐘電路、下載電路。表2分析了硬件選型，考慮到價格以及基本功能實現即可的原則，選擇STC89C52單片機。

表2 硬件對比分析

紅外發射電路是由一個NPN三極管S9013、兩個1k電阻和一個紅外發射管構成的開關電路，電路中三極管基級連一個電阻后與單片機P2.7引腳相連。當P2.7引腳輸出為1時，電路導通，紅外發射管會發出頻率為38 kHz的脈沖。

紅外接收電路主要由一個紅外接收頭HS0038連接在接收器的P3.2(外部中斷0)引腳。當產生紅外信號的時候，HS0038會給出低電平，單片機進行中斷解碼，并將產生的數據存在一個數組內。圖1所示為電路原理圖[4]，圖2為PCB設計。

圖1 電路原理圖

圖2 PCB設計

鍵盤設計電路由八個按鍵組成，每一個按鍵都有不同的功能。表3給出了各個按鍵的作用。

表3 按鍵功能說明

在硬件電路設計完成后，進行最后電路板焊接，應當仔細檢查是否與仿真一致。在沒接電源的情況下用萬用表通斷開關檢查每條線路有沒有短路或者虛焊，并且檢查各元器件的值是否與仿真一致。以上檢查均準確無誤時再給設備接上電源，打開開關，檢查是否有短路現象，最后進行性能測試。

4 遙控系統的軟件設計

為了讓通信信號高效準確地到達接收端，將二進制信號進行編碼并轉換為脈沖信號，然后經過紅外發射管傳輸出去。通常有兩種方法進行調制，以脈沖串之間的時間間隔來實現信號調制的脈位調制(PPM)和以脈沖寬度來實現信號調制的脈寬調制(PWM)，軟件設計采用PPM調制[5]。圖3為發射接收波形圖。

發射端 接收端

發射程序將嚴格遵循NEC紅外編碼協議來完成。紅外發射設備通過識別按鍵后在38 kHz的載波上依次將引導碼、用戶碼、用戶反碼、數據碼、數據反碼以脈沖的形式傳給發送引腳。

Proteus仿真里面必須要求嚴格遵循NEC編碼和誤差，雖然實際面包板模擬設備能通訊仿真卻通不過。經過測試發現，一般紅外接收頭設計的信號載波頻率為38 kHz，實際上能接收36～40 kHz之間的載波信號，并且每個指令的誤差可以增加到28 μs左右也能進行通信，但是在仿真軟件上就需要精確無誤。圖4給出了發射主程序流程圖。

圖4 發射主程序流程圖

圖5 接收主程序流程

接收程序主要用到外部中斷0來解碼，當接收到紅外信號時進入中斷通過一個延遲函數來判斷每個電平變化的時間。對比相應的紅外編碼時間來判斷出指令是0還是1.在程序編碼中主要是要掌握好信號每個高低電平變化的瞬間，計時并識別。在編碼的前期因為邏輯問題導致很久都沒有解碼成功，一組指令32個是一次性發送，所以一個完整指令的解碼都需要在一個邏輯里完成，并且不能有延遲的錯誤性，調試方法和發送類似[6～10]。解碼流程圖分為初始化和解碼兩個部分，初始化負責單片機的復位和外部中斷的初始化，并將執行電路電平拉低。主程序主要負責信號的解碼和功能的執行。圖5給出了接收主程序流程圖。

5 系統的調試分析

利用Proteus完成電路圖的設計和搭建。通過Keil編寫遙控編碼和遙控解碼的程序，編后顯示0錯誤、0警告。將生成的HEX文件導入Proteus仿真，運行仿真，觀察通信結果。將LED顯示需要修改的地方在Keil上重新編寫編譯后執行。將發射程序和接收程序下載到發射設備和接收設備上。將所有功能都進行測試，分析不符合或者不正常的現象。將燈光效果不滿意的地方進行軟件或硬件調整再測試[11～15]。表4給出了功能測試。

表4 功能測試

圖6與圖7所示，給出了發射電路與測試電路。

圖6 發射器圖

圖7 發射電路圖

6 總結

紅外遙控LED系統制作以單片機為核心，實現紅外發射電路與紅外接收電路設計，同時完成紅外LED燈的紅外信號通信，燈組各種不同的功能和變化測試。但是該系統中仍然存在不足之處即遙控距離，通常要求系統的控制距離為5 m左右，而該系統遙控距離在1 m左右；另外針對系統功能的擴展等都是后續研究需要改進的部分。