智能家居中紅外遙控模塊的設(shè)計(jì)方案 - 全文

本文通過遙控技術(shù)和單片機(jī)的相互結(jié)合設(shè)計(jì)在智能家居應(yīng)用的燈光控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，用遙控的方式對(duì)系統(tǒng)燈光進(jìn)行控制。本方案主要解決信號(hào)的發(fā)射和接收，在信號(hào)的處理接收之后對(duì)不同信號(hào)的程序處理，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)燈泡的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)。

　　引言

　　智能家居是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù) ,將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起 ,通過統(tǒng)籌管理 ,讓家居生活更加舒適、安全、有效。

　　隨著人們生活水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，家居智能化已經(jīng)開始走進(jìn)了我們?nèi)粘５纳?。人們已?jīng)不滿足于按鍵式的手動(dòng)開關(guān)來控制燈具，從而開發(fā)出了智能化水平更高的專業(yè)照明控制的遙控系統(tǒng)，其成本低，質(zhì)量高，應(yīng)用靈活方便。而由于具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，紅外線遙控已經(jīng)是目前應(yīng)用最廣泛的一種通信和遙控手段。

　　1 紅外線遙控基本原理

　　紅外線遙控就是利用紅外線(又稱紅外光)來傳遞控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的遠(yuǎn)距離控制。具體來講，就是由發(fā)射器發(fā)出紅外線指令信號(hào)，由接收器接收下來并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并識(shí)別，再通過相應(yīng)的控制芯片，最后根據(jù)接收到的不同信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的各種功能的遠(yuǎn)距離控制。

　　紅外線發(fā)射器由指令按鍵、信號(hào)產(chǎn)生電路、頻率調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路及紅外線發(fā)射器件組成，如圖1 所示。當(dāng)指令鍵按下時(shí)，指令信號(hào)產(chǎn)生電路便產(chǎn)生所需要的控制指令信號(hào)。

　　這里的控制指令信號(hào)是以某些不同的特征來區(qū)分的。常用的區(qū)分指令信號(hào)的特征是頻率特征和碼組特征，即用不同的頻率或不同的編碼的電信代號(hào)代表不同的指令。這些不同的指令信號(hào)經(jīng)過頻率調(diào)制，最后由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射器件，發(fā)出紅外線遙控指令信號(hào)。

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　　圖1 紅外線發(fā)射的組成

　　紅外接收器由紅外線接收器件、前置放大電路、信號(hào)解調(diào)電路、指令檢測(cè)電路組成，如圖2。當(dāng)紅外線接收器件接收到發(fā)射器的紅外線指令信號(hào)時(shí)，它將紅外光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)并送入前置放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后由指令信號(hào)檢出電路將指令信號(hào)檢出，實(shí)現(xiàn)各種操作。

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　　圖2紅外線接收器的組成

　　要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙控功能，就必須先選擇信號(hào)指令傳送的方式。根據(jù)遙控的方式和使用者場(chǎng)合不同，可以把這些控制信號(hào)特征進(jìn)行各種組合編碼。如電壓極性的組合方式，電信號(hào)相位的組合方式，電信號(hào)幅值的組合方式，頻率的組合方式，脈沖的寬度、相位、幅度等參數(shù)的組合方式及脈沖編碼組合方式等。脈沖編碼組合方式具有指令容量大，抗干擾能力強(qiáng)，保密性好及便于用邏輯電路來實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案

　　紅外遙控電路由發(fā)射電路和接收電路組成，發(fā)射部分由按鍵開關(guān)電路、控制芯片和紅外發(fā)射電路三部分組成。當(dāng)按下遙控按鈕時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去。接收部分由紅外接收頭、控制芯片、調(diào)光電路組成，當(dāng)紅外接收器接收到控制脈沖后，經(jīng)單片機(jī)處理，判斷是否對(duì)電燈進(jìn)行調(diào)光或開關(guān)，根據(jù)需要執(zhí)行相應(yīng)的操作，接收系統(tǒng)采用的是5 伏單電源電壓供電。如下圖所示：

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　　圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

　　2.1 遙控系統(tǒng)主控芯片

　　在本系統(tǒng)中選擇的是51 系列的AT89C51芯片，AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C51 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40 個(gè)引腳，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2 個(gè)外中斷口，2 個(gè)16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2 個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。

　　其將通用的微處理器和Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。

　　2.2 紅外發(fā)射電路模塊

　　在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)如何被紅外發(fā)射管識(shí)別，發(fā)射管能否正常發(fā)射紅外信號(hào)是發(fā)射電路要解決的關(guān)鍵問題。

　　要發(fā)射紅外信號(hào)，必須要有紅外發(fā)射器件。紅外發(fā)光二極管是一種能產(chǎn)生紅外光的發(fā)光二極管，目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)為940nm 左右，外形與普通發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。常見的紅外發(fā)射二極管有黑色，透明色，它與普通發(fā)光二極管的最大區(qū)別在于所發(fā)出的光為不可見光，而普通發(fā)光二極管發(fā)出的是各種顏色的可見光[5]，通常，紅外發(fā)光二極管分為兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是遙控發(fā)射型紅外發(fā)光二極管(即最常用的手持遙控器所用的紅外發(fā)射二極管);一種是近距離發(fā)射型紅外發(fā)光二極管，這種二極管把紅外光的發(fā)射與接收共集為一體。由于本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是家居遙控，因此采用第一種即可。

　　如圖4 所示為系統(tǒng)遙控發(fā)射原理圖，P1.0 口為按鍵輸入口;P2.0 口為紅外發(fā)射端口，用于輸出38kHz 載波編碼，脈沖經(jīng)9013(NPN)放大然后由紅外發(fā)射管輸出;第9 腳為單片機(jī)的復(fù)位腳，采用RC 手動(dòng)復(fù)位電路;18、19 腳接晶振。

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　　圖4紅外發(fā)射電路圖

　　2.3 紅外接收電路模塊

　　1). 紅外接收器件介紹。

　　一般的紅外接收頭主要由集成電路外加阻容元件，紅外線接收管及濾波光片等組成，電路設(shè)計(jì)相對(duì)繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用中不方便。而紅外遙控接收頭SM0038 集紅外接收管，前置放大解調(diào)等于一體，無外部電路，體積小，密封性好，靈敏度高，應(yīng)用簡(jiǎn)單，用小功率紅外發(fā)射管發(fā)射信號(hào)接收距離達(dá)35 米，并且價(jià)格低廉。它僅有三條管腳，分別是電源正極、電源負(fù)極以及信號(hào)輸出端，其工作電壓在5V 左右，接收頻率為38kHz,它的主要功能包括放大，選頻，解調(diào)幾大部分，要求輸入信號(hào)需是已經(jīng)被調(diào)制的信號(hào)。從而使電路達(dá)到最簡(jiǎn)化，靈敏度和抗干擾性都非常好，是一個(gè)接收紅外信號(hào)的理想裝置。如圖5 所示：

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　　圖 5 SM0038

　　2). 接收電路及調(diào)光電路設(shè)計(jì)。

　　接收電路和調(diào)光電路的實(shí)現(xiàn)均是通過繼電器實(shí)現(xiàn)的，給每一個(gè)繼電器串聯(lián)一個(gè)電阻，構(gòu)成一個(gè)回路，本電路將四個(gè)繼電器回路并聯(lián)，連接在P0 口上，當(dāng)四個(gè)繼電器均閉合時(shí)，燈最亮，當(dāng)三個(gè)繼電器工作時(shí)，燈較亮，當(dāng)兩個(gè)繼電器工作時(shí)燈次亮，當(dāng)一個(gè)繼電器工作時(shí)，燈最暗，當(dāng)四個(gè)繼電器都不工作時(shí)，燈泡處于關(guān)閉狀態(tài)。接收電路圖如圖6 所示：

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　　圖 6 接收電路圖

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)所用的紅外線接收器SM0038 的解調(diào)中心頻率為38KHz,故發(fā)射頻率也采用38kHz,本電路采用一路按鍵，一種編碼方式實(shí)現(xiàn)對(duì)家居燈的控制，接收端根據(jù)接收到的不同編碼個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)燈的不同亮度的調(diào)節(jié)控制。每一次P1.0 口為低電平時(shí)，則確定鍵被按下，由P2.0 口發(fā)射一個(gè)編碼。接收端接收編碼時(shí)進(jìn)行判斷，首個(gè)低電平是否大于2ms，如果是，再判斷是否是正確的編碼，如果是，num加1，亮度調(diào)暗一檔。

　　3.1、遙控發(fā)射程序控制流程圖

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　　圖 7 發(fā)射程序流程圖

　　初始化程序后，開定時(shí)器產(chǎn)生38kHz 脈沖，再判斷有無按鍵按下，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，根據(jù)定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間發(fā)一幀脈沖，首先發(fā)3ms 高電平，再發(fā)1ms 低電平，1ms 高電平，接著停發(fā)10ms。

　　3.2. 遙控接收程序控制流程圖

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　　圖8 接收部分調(diào)光程序流程圖

　　接收端采用查詢方式接收，當(dāng)查詢到P1.0 口為低電平時(shí)，累加器工作，通過累加器中變量個(gè)數(shù)判斷控制燈的亮度及開關(guān)。當(dāng)num為0 時(shí)，燈最亮，加1則調(diào)暗一個(gè)檔次，當(dāng)num等于4 時(shí)，繼電器全部斷開，燈滅。

　　4 結(jié)論

　　為了減少電路的繁瑣，我使用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)軟件編碼解碼，大大提高了電路的靈活性，降低了成本，僅僅使用一個(gè)鍵就能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)燈具的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)，若是把一個(gè)按鍵開關(guān)改設(shè)成一個(gè)矩陣鍵盤，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)家里的燈具的開關(guān)和亮度控制，實(shí)用性很強(qiáng)。