红外多路遥控系统课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,红外多路遥控系统,*,红外多路遥控发射接收系统,红外多路遥控系统,摘 要,：,简述了以红外线作为传输媒介的数据通信的工作原理及其广阔的应用前景，给出了多路红外线遥控发射、接收系统的结构原理及其应用电路。该设计以 VD5026、VD5027专用编码解码芯片为核心器件，来实现以红外线为传送信息媒介的短距离无线遥控控制电路，具有准确度高、速度快的特点，本设计广泛应用于工业、医疗、家用电器等设备的开启和关闭控制。因为可以扩展1万多个编码状态，所以也可用于手机、计算机、PDA等的信息传输和对多种工作状态进行控制，因而有很大的推广、实用价值。,红外多路遥控系统,1 引言,红外通信由来已久，但是进入90年代，随着科学技术的不断进步和地球空间技术的发展，使人们对红外线技术的研究越来越深入，应用范围更广泛，尤其是在红外遥感技术和红外通信技术领域里，数字锁相技术和传感器技术的巨大进步，大大加速了这个进程，目前无线产品在商业销售中的使用已相当普遍，但大多存在着很大的局限性，电路繁杂，计算难度大且多为模拟电路，抗干扰能力差,准确度底,电路的维护调试很不方便。越来越多的远距离控制和数据通信系统引入了不可见的红外线作为传输媒介进行通信，组成了无线红外遥控通信系统,此方法以其成本底、精度高、保密性强、技术性能稳定的特点而受到广大用户和专业人士的欢迎。,目前市场上流行的各类红外线通信系统都是以调制解调的方式，在数字锁相环技术的基础上加以应用，这种方法对发送信号进行编码、调制，其可靠性、误差小、成本低、传输距离远、功耗低。红外遥控器的家电给我们的生活带来极大的方便，红外线遥控是目前应用最广泛的一种通信和遥控手段，因而有广泛的实用价值,值得借鉴和推广。,红外多路遥控系统,2 红外多路遥控系统,2.1 红外线数据通信的工作原理,2.1.1 红外线定义,人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比紫光波长还短的光叫紫外线，比红光波长还长的光叫红外线，红外线遥控就是利用波长为0.761.5m之间的近红外线来传送控制信号的。,2.1.2 红外通信定义,红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成，通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。1,红外多路遥控系统,2.1.3 红外遥控原理,常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管，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是红外线而不是可见光。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5发光二极管相同，只是颜色不同，红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。,接收部分的红外接收管是一种光敏二极管，只对红外光线有敏感作用，在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。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一般都较小（100mW左右），所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱，因此就要增加高增益放大电路。2,红外多路遥控系统,2.1.4 红外通信优点,保密性强，信息容量大，结构简单，既可以是室内使用，也可以在野外使用，由于它具有良好的方向性，适用于国防边界哨所与哨所在之间的保密通信， 但在野外使用时易受气候的影响。,红外多路遥控系统,2.2 系统方案论证,2.2.1 方案一,用专用调制、解调芯片组成的红外发射、接收系统的核心编码、解码电路。代码产生电路由按键与其它元器件组成。本设计通过VD5026对键盘电路产生的控制信号进行并/串转换，由17脚输出编码数据，再将编码数据通过脉调制电路调制在较高的载波上通过红外光发射。红外接收管将光信号转换为电信号，由解码器进行解调，再由VD5027对解调出来的串行数据进行解码，使其成为控制代码去控制各电路。3,4其原理框图如图1。,红外多路遥控系统,图1 红外发射、接收系统组成方框图,红外多路遥控系统,2.2.2 方案二,代码是按键组成的键盘电路产生，然后施密特触发器对按键信号进行整形所得，编码和调制用89C2051单片机的定时器将按键信号调制在38KHz的载波信号上，然后通过功率放大后通过红外发射管发射出去。接收电路用红外线接收二极管实现光电转换，然后用高频模拟锁相环进行信号解调，解调后的串行数据送单片机进行解码，同时实现对后续电路的控制功能。5,6 其原理框图如图2所示。,红外多路遥控系统,红外发射电路,键盘电路,调制电路,单片机电路,控制电路,红外接收电路,单片机电路,解调电路,(a) 红外发射电路框图,(b) 红外接收电路框图,图2 红外发射/接收电路框图,红外多路遥控系统,方案一中采用专用芯片组成编码解码电路，可实现对16211路电路的控制，其电路简单，抗干扰能力强，编码调制全部用硬件实现，各分支电路相互独立，设计调试比较简单、成本低，组装方便，易于推广。,方案二利用89C2051单片机对信号进行编码、解码，同时用单片机的定时器将信号进行调制，需用软件完成，其编程工作量大，要求严格，尤其是高频信号，程序稍有差错便使接收部分不能正常工作成本高。,综上所分析，我们采用方案一。,红外多路遥控系统,2.3 系统总体原理框图,红外多路遥控发射、接收系统原理方框图如下所示，,键盘及代码产生电路,编码电路,调制电路,红外信号发射电路,图3 红外发射、接收系统原理方框图,(a) 红外发射电路原理框图,红外信号接收电路,解码电路,译码电路,终端设备控制电路,(b) 红外接收电路原理框图,红外多路遥控系统,各个部分功能：,键盘及代码产生电路：由轻触开关组成的键盘阵列电路实现。,编码电路：对控制信号代码（由键盘阵列产生）和地址代码（本设计预先设定，也可改变地址段）进行编码，并转换成一定格式的串行数据，在电路中我们选用专用编码模块VD5026实现该功能（VD5026在后面介绍）。,调制电路：调制电路由与非门构成的低频脉冲调制器组成，工作原理是该振荡电路在有控制信号时产生40KHz的振荡信号，没有控制信号是停止振荡，对其进行脉冲调制，形成ASK信号 。,红外信号发射电路：该电路的功能是将经调制后的信号进行功率放大，并转换成红外信号发射出去，发射管采用SE303。,红外信号接收电路：将接收到的红外光信号转换成电信号，并放大将接收到的红外信号解调后转换成一定格式的串行数据传送给解码电路。,解码电路：将解码电路传送过来的串行数据按照预定规则转换成对某个地址段和某路设备的控制信号，这部分功能主要由与VD5026配套使用的译码芯片VD5027完成。,译码电路：译码电路是将解码器输出的四位二进制控制信号代码译为与发射端相应的控制信号。,终端设备控制电路: 对受控设备进行开/关控制。,红外多路遥控系统,2.4 系统硬件电路设计,2.4.1 键盘及其代码产生电路设计,键盘及其代码产生电路的功能是产生6个控制信号，并将这6个控制信号进行BCD编码，形成控制代码，其电路如图4所示。图中S1-S6是按键式键盘开关，依次表1-6路控制信号，开关按下有效。若开关没有被按下，则电阻R1-R4形成高电平ViH。ViH应大与3.5V，可以输出四位并行数据传给编码电路。,红外多路遥控系统,图4 键盘及编码电路,红外多路遥控系统,2.4.2 编码电路设计,由VD5026组成的编码电路如图4所示。编码器把得到的并行数据转换成串行数据（Dout）出输。A1-A7是地址线，A8/D0-A11/D3是地址数据复用线，即VD5026对四位并行输入数据进行编码，并在收到传输启动信号（）时，输出串行数据。是传输启动信号输入端。当为低电平时，器件开始启动传输过程；为高电平时，器件完全被阻塞，无信号输出。Dout是串行数据输出端，依次送出经过编码的串行数据。R5为编码器VD5026的振荡电阻，它和配对的解码器VD5027的振荡电阻应该取相同的阻值，以保证时钟频率一致，否则将不能译码。振荡频率由（1）式中R5（图5RS）决定。,(1),红外多路遥控系统,VD5026内部结构如图5所示，振荡器输出经4分频电路送至并/串电路作为时钟，将输入代码按A1-A7、A8/D0-A11/D3的顺序移至四态编码器，对输入信号进行编码，这些编码地址线如用于两态（高、低）编码，可有2048种组合，如用于三态（高、低、开路）。编码可有177147种组合，在进行四态编码的时候，共有419430种组合，（A0为第四态端子4TH）。编码数据在TE为低电平时发出，如果TE为一低脉冲，编码将被发送两次；如果TE一直为低电平，编码数据则一直连续的发出，直到TE变为高电平。事实上，VD5026没有设计成在第一次收到数据就马上应用的原因是因为第一次的数据可能有错误，在两次传送数据之间有三个数据周期没有数据发出（如图6）。每四态数据都被变成脉冲信号（如图6）。每个输入脚，都是一个先高后低的弱输出端，若是两次检测中只有一个高电平状态，则该输入被认为是连接到电源VSS，如果高低都有则该引脚为开路状态，被编码为70%高和30%的低的脉冲，弱输出端在5V电源下可灌入灌出110uA的的电流。,红外多路遥控系统,图5 VD5026内部结构图,红外多路遥控系统,输入脚被上拉为高电平，只需一只简单的开关即可将其置为低电平，当TE为高电平并且第二次编码发送完毕时，编码器就处于等待状态，振荡器工作被禁止，当前的功耗就是静态功耗，当TE为低电平时，振荡器起振，编码开始，编码输入连续的被选种，并将其进行编码，并由Dout引脚连续的发出。,本设计要求由一部发射机控制6个受控设备，即只需一个固定的地址码，因此A1-A7接低电平。,红外多路遥控系统,图6 D5026、VD5027波形图,红外多路遥控系统,2.4.3 脉冲码调制振荡电路设计,为了提高传输信号的抗干扰能力，还需将编码信号调制在较高的载波上发射。本课题要求载波频率为40KHz，故可采用CMOS门电路构成的脉冲调制振荡电路。,2.4.3.1 门电路构成的时钟源,图7为由CMOS门电路构成的简易时钟源，由于门电路的输入阻抗很高，定时电容Ct的值不上是很大就能获得较大的时间常数，尤其适与对频率准确性要求不太高的低频时钟源（小于100KHz）。常取补偿电阻RsRt（定时电阻），即Rs=10Rt。由3脚输出，频率（2）式决定。,（2）,红外多路遥控系统,图7 门电路构成的时钟源及其波形,红外多路遥控系统,2.4.3.2 脉冲调制器,图8 脉冲调制器及波形,红外多路遥控系统,由与非门构成的低频脉冲调制器如图8所示，当编码信号A为高电平时，由与非门组成的时钟源电路产生振荡，输出为载频信号；当编码信号为低电平时停振，输出为低电平。输出的编码调制信号由3脚输出，波形如图8中的Vo所示。要求调制方波的频率远低于振荡频率。,课题要求载频为40KHz，取Ct=580PF，则Rt=20.2K可用一个50K的可变电阻代替使用。Rs=10Rs=202K，取标称值Rs=200K。,2.4.4 红外发射电路设计,图9是红外发射电路，由放大电路和红外发射管组成。图中，G3A、G4A为隔离级，其作用是减小发射时的大电流对振荡级的影响；T1、T2组成复合三极管，对发射信号进行电流放大，红外管MLED81的工作电流为（200-300）MA。流经发光二极管的电流ID=IC1+IC2IC2，当G4输出为高电平VOH时，T1、T2导通，红外管工作，当G4输出为低电平VOL时，T1、T2截止，红外管不工作。7,红外多路遥控系统,图9 红外发射电路,红外多路遥控系统,2.4.5 红外接收电路设计,红外接收电路通常由一片专用集成电路和少量外围器件组成。目前此类专用集成电路很多，如NEC公司生产的uPC1373、uPC1490HA，夏普公司生产的IX0614CE、IX0986CE，索尼公司生产的BX1323、CX20106等，其中CX20106是应用较为广泛的芯片之一，其内部结构如图10所示，图11是由CX20106组成的红外接收电路。,红外接收管PH3028将光信号转换为电信号，从CX20106的脚输入，经前置放大器、限幅放大后送至带通滤波器，带通滤波器的中心频率与红外发射载波频率相同。检波器、积分器组成解调电路，对接收信号进行解调。施密特触发器对解调输出信号进行整形，从脚输出，该输出为集电极开路电路，因此要接上拉电阻R3。,红外多路遥控系统,外围器件R1、C1的参数决定放大器的增益，当R1=4.7，C1=1uF时，电压增益约为79dB，R1增大、C1减小则会使增益降低。R2确定带通滤波器的中心频率，调节R2使变化范围为30KHz-60KHz。C3是检波电容，一般取值为2.2uF-4.7uF。R3是上拉电阻，一般取值为1K-3K。图11是设计举例中调试完成后的红外接收电路。其各引脚对地的静态工作电压如下：,引脚： ,电压/V：2.5 2.5 1.5 0 1.4 1.0 0.2 5,各点波形如图12所示。,红外多路遥控系统,图10 CX20106内部结构图,红外多路遥控系统,图11 CX20106构成的红外接收电路,红外多路遥控系统,图12 CX20106各引脚输出波形图,红外多路遥控系统,2.4.6 解码电路设计,解码电路的功能是将解调后的串行数据进行解码，使其成为BCD控制代码，并使控制代码并行输出。VD5027是与VD5026配对使用的通用接收解码器，VD5027的内部结构如图13所示，其组成的解码电路如图14示。工作原理为：收到的串行数据从VD5027的第14脚输入，经数据提取电路判别后与序列发生器产生的本地地址码一比特一比特地进行校验。如果第一次收到的地址码和本地地址码相符，则将进接着收到的4位数据码存储在内部4bit移位寄存器中（不移到输出锁存器）。第二次收到的地址码仍与本地地址相符，则将新收到的数据码与上一次储存的数据码加以比较，若两次相同则控制逻辑电路使有效传输输出端VT为高电平，4bit移位寄存器中的数据码转移到输出锁存器，并且在输出锁存器保留，直到新的数据代替它。保留在锁存器的数据经缓冲器后输出，同时有效传输输出端VT保持高电平。若两次不相同或4个数据周期内没有收到信号，则VT为低电平。,注意 在发送端，VD5026的地址信息和数据信息均可用三态码表示，但在接收端，地址可置成三态地址，而数据中的“开路”将被译成为1。因此数据信息必须是1或0。,红外多路遥控系统,图13 VD5027内部结构图,红外多路遥控系统,图14 解码电路,红外多路遥控系统,2.4.7 译码与控制电路,译码电路是将解码器输出的四位二进制控制信号代码译为与发射端相应的六路控制电平，译码器CC4028（内部结构如图15）是4-10线译码器。它对于输入控制代码的任意一种状态，只有一路输出与其对应，输出有效状态为高电平。CC4028真值表如表一所示。,红外多路遥控系统,图15 4线-10线译码器内部结构,红外多路遥控系统,表 1 CC4028真值表,红外多路遥控系统,CC4028逻辑结构为两级译码。第一级译码将输入数据译成以下7项：,红外多路遥控系统,第二级译码将上述7项分别组合，从而得到如下的表达式：,红外多路遥控系统,本设计中，各按键按下对应的关系如表2：,红外多路遥控系统,根据设计要求，每路的控制为0N/0FF两种状态。若用1位二进制数来描述，则后一次的状态是前一次状态的加“1”。选择3个双D触发器74LS74，按照图16连接，则可实现对6路信号的状态进行控制，每收到一次信号，控制状态就转换一次。,74LS74为带预置和清除端的两组D型触发器， 功能表如表3所示。工作电压为5V，最高不能超过7V。工作环境温度在-55度和+125度之间，存储温度在-65度和+150度之间。引出端符号分别为：,1CP、2CP 时钟输入端,1D、2D 数据输入端,CLR1、CLR2 直接复位端（低电平有效）,PR1、PR2 直接置位端（低电平有效）,红外多路遥控系统,表3 74LS74的功能表,红外多路遥控系统,图16 译码及控制电路,红外多路遥控系统,复位电路有两种，一种是电平触发，一种是边沿触发。8我们这里采用的是74LS74，复位属于低电平有效，所以我们采用电平触发。图16中，R6、C6，R7、C7，R8、C8组成积分电路，实现上电复位功能，保证系统在开机时，对系统进行初始化，使六个LED灯的状态为灭。工作原理是：在接通电源后，电源通过电阻R6（R7、R8）给C6（C7、C8）充电，CLK端得到一个初始为低电平的信号，宽度为tt=（3-5）RC。由于CLK为低电平使能，所以在Q端输出状态为“0”。在t时间后，CLK端为高电平，复位结束。,红外多路遥控系统,2.4.8 系统电路原理图,红外发射与接收系统的电路图如附页1，附页2 所示。,附页1为红外多路遥控发射部分的电路图，该部分由接收键盘电路、编码电路、调制电路、红外信号发射电路组成。键盘电路由S1S6、D1D4、R1R4组成，在按下相应的按键时会产生相应的编码，VD5026在得到编码信号后，电路中地址选择信号全部接低电平，经过VD5026按照一定的规则编码后，编码信号由VD5026的17脚输出送至调制电路，调制电路由U2、R7、Rp、C2组成，改变Rp的阻值可以调制频率的大小，经调制后的信号最后送到输出级经功率放大后由红外发射管发射出去。,附页2为红外多路遥控接收电路的电路图，给部分由红外信号接收电路、解码电路、译码电路、终端设备控制电路组成。红外信号接收电路由D1、CX20106、C1、C2、C3、R1、R2、R3组成，D1为接收管，CX20106为专用解调芯片，由D1接收到的红外信号经CX20106处理后从7脚送到解码电路，解码电路由VD5027、DM74LS04N、R5组成，VD5027的地址选择信号也是全部接低电平。解码后信号从VD5027的10、11、12、13脚送到译码电路，译码电路由HCC4028BF组成，将解码电路送出的信号去控制每一路设备的工作状态。6路控制电路由U5、U6、U7、R6、R7、R8、C6、C7、C8组成的双稳态触发器组成，其中R6、R7、R8、C6、C7、C8为上电复位电路，保证在加电时控制设备都处于关闭状态。,红外多路遥控系统,3 结束语,本电路适合遥控距离在10m以下的控制电路,如要达到更远距离的遥控，可以增加驱动电路的电流驱动能力，且选用大功率的红外发射管和接收管并可以对接收到的红外线信号进行一定的聚焦处理，使较分散的红外光束能聚焦于一个较小的面积，以提高接收功率，或采用专用接红外收头，增强接收效果。,通过这次设计，使我明确了以下几点：1、调试前要先拟订调试步骤，一定要有计划有原则有目的的调试。2、在调试中一定要注意调试的方法，不要随意的在电路中间级加信号，如果某一级需要加测试信号，一定要与前面的电路断开。3、在测试过程中，接地一定要安全正确可靠，确保安全。4、在设计和调试的过程中要养成做记录的习惯，每完成一步就总结以下，纠正错误，这样才可以不断提高。,红外多路遥控系统,参考文献,1 吕惠智. 红外技术M. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2002.,2 谢自美. 电子线路设计实验测试(第二版)M. 武汉: 华中科技大学社, 2002.,3 陈燕春. 学习型14路红外遥控开关J. 单片机开发与应用, 2005, (6): 22-25.,4 瞿贵荣. 15通道红外遥控电路J. 实用电子制作, 2005, (7): 10.,5 李增茂. 基于AT89C2051的红外线遥控器测码器J. 单片机制作, 2006, (10): 23-25.,6 赵 亮. 单片机C语言编程与实例M. 北京: 人民邮电出版社, 2003.,7 任致程. 经典智能电路300例M. 北京: 机械工业出版社, 2004.,8 美Paul Horowitz. 电子学课程指导与实验M. 北京: 清华大学出版社, 2003.,9 吴良斌. 现代电子系统的电磁兼容性设计M. 北京: 国防工业出版社, 2004.,红外多路遥控系统,