智能紅外遙控開(kāi)關(guān)原理及設(shè)計(jì)

0 引言
    紅外遙控是當(dāng)前使用最為廣泛的通信和控制手段之一，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高及成本低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于家電產(chǎn)品、工業(yè)控制和智能儀器系統(tǒng)中。然而市場(chǎng)上的絕大部分遙控器都是針對(duì)各自特定的遙控對(duì)象設(shè)計(jì)的，不能直接應(yīng)用于通用的智能儀器研發(fā)及其更一般的控制場(chǎng)合。通常情況下，一般家庭所使用的電視機(jī)、空調(diào)、VCD／DVD等家用電器都使用了紅外遙控器，而這些紅外遙控器都是針對(duì)各自產(chǎn)品所設(shè)計(jì)的，從而導(dǎo)致了一般家庭中擁有數(shù)個(gè)遙控器，那么，能否將這些遙控器的功能進(jìn)行復(fù)用，進(jìn)而減少遙控器的數(shù)量，使遙控器的功能更加強(qiáng)大，就顯得十分必要了。
    電源開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于家庭、工廠、倉(cāng)庫(kù)、以及辦公室等場(chǎng)所。傳統(tǒng)的機(jī)械式電源開(kāi)關(guān)存在接觸電阻大、易磨損、可靠性低以及壽命短等缺點(diǎn)，特別是當(dāng)家用電器的遙控器繁多的情況下，如果能借助這些遙控器設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式電源開(kāi)關(guān)，不僅節(jié)約了成本，而且操作方便。使用電視機(jī)等家用電器的遙控器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)，從而提高遙控器在家電領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值。

1 工作原理
    智能紅外遙控開(kāi)關(guān)主要由紅外接收、放大整形、微控制器、開(kāi)關(guān)控制以及降壓電源等模塊組成，其原理框圖如圖1所示。

    智能紅外遙控開(kāi)關(guān)的功能是將常見(jiàn)家用電器的遙控器，如電視機(jī)、VCD／DVD等，由用戶任意指定一個(gè)按鍵作為這個(gè)紅外遙控開(kāi)關(guān)的控制鍵。使用時(shí)，用戶按下智能紅外遙控開(kāi)關(guān)的“學(xué)習(xí)”按鍵，然后再對(duì)準(zhǔn)遙控開(kāi)關(guān)的紅外接收頭按下遙控器上指定的這個(gè)開(kāi)關(guān)控制按鍵，遙控器發(fā)出的紅外編碼信號(hào)經(jīng)過(guò)紅外接收頭接收后，再經(jīng)過(guò)放大整形，輸入到微控制器，微控制器通過(guò)內(nèi)置的E2PROM記住遙控器這個(gè)指定按鍵的編碼。那么，用戶下次使用時(shí)，當(dāng)按下遙控器這個(gè)指定按鍵后，其發(fā)出的紅外編碼信號(hào)同樣經(jīng)過(guò)紅外接收頭，放大整形后輸入到微控制器，由微控制器發(fā)出控制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)控制模塊里面繼電器的導(dǎo)通與斷開(kāi)，進(jìn)而控制輸出電壓的通斷。
    為了保證對(duì)各種用電器實(shí)現(xiàn)遙控開(kāi)關(guān)控制，那么控制信號(hào)就一定要穩(wěn)定、安全。為此，在傳輸過(guò)程中要使各模塊間的通信信號(hào)足夠強(qiáng)，這就要求電路的電源能夠獨(dú)立給電路各部分供電。因此，紅外遙控開(kāi)關(guān)還必須擁有降壓電源模塊。

2 電路設(shè)計(jì)
    硬件電路設(shè)計(jì)包括電源電路的設(shè)計(jì)和解碼電路的設(shè)計(jì)兩部分。電源電路是為解碼電路提供電源而設(shè)計(jì)的，除了要求電壓穩(wěn)定外，還要求其體積小，成本低。解碼電路要求能對(duì)紅外編碼進(jìn)行可靠地接收，同時(shí)要能夠穩(wěn)定地控制繼電器的開(kāi)關(guān)。
2．1 電源設(shè)計(jì)
    考慮到解碼電路的功耗很小，所以電源的設(shè)計(jì)采用電容降壓式電源。它比變壓器電源和開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多，而且體積小、成本低，適合作為遙控開(kāi)關(guān)的電源。電源設(shè)計(jì)的原理圖如圖2所示。MC2為降壓電容器，D1為半波整流二極管，D2在市電的負(fù)半周時(shí)給MC2提供放電回路，ZD1是5．1 V穩(wěn)壓二極管，R1為關(guān)斷電源后MC2的電荷泄放電阻。

    電容降壓式電源是利用電容在一定的交流信號(hào)頻率下產(chǎn)生的容抗來(lái)限制最大工作電流。當(dāng)交流電壓為220 V，頻率為50 Hz的工作條件下，電容器MC2在電路中的容抗Xc(單位：Ω)為：
   
    流過(guò)電容器MC2的充電電流Ic(單位：mA)為：
   
    通過(guò)降壓電容MC2向負(fù)載提供的電流Io，實(shí)際上是流過(guò)MC2的充放電電流IC。顯然，電容MC2容量越大，容抗Xc越小，則流經(jīng)MC2的充、放電電流越大。當(dāng)負(fù)載電流Io小于MC2的充放電電流時(shí)，多余的電流就會(huì)流過(guò)穩(wěn)壓管。若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax<IC-Io時(shí)易造成穩(wěn)壓管燒毀。
    雖然流過(guò)電容MC2的電流IC有69．08 mA，但在電容器上幾乎不產(chǎn)生功耗，這是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)理想電容，流過(guò)電容的電流為虛部電流，它所作的功為無(wú)功功率?？梢?jiàn)，電容降壓式電源的效率也很高。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該電源電路通電后輸出4．88 V的直流電壓，交流電壓分量小于3 mV，輸出電流在50 mA時(shí)，電壓不低于4．7 V，可以滿足解碼電路的電源需求。
2．2 解碼電路設(shè)計(jì)
    智能紅外遙控開(kāi)關(guān)的硬件核心部分是微控制器和紅外接收部分，其原理圖如圖3所示。

    紅外解碼電路中的微控制器選用ATmega8L的AVR單片機(jī)。它的工作電壓為2．7～5．5 V，4 MHz(3 V，25℃)時(shí)功耗，工作模式為3．6mA，空閑模式為1．0 mA，掉電模式僅為0．5μA，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，除了擁有8 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH存儲(chǔ)器，還有512 B的E2PROM，可用于記憶各類遙控器發(fā)射出的各種紅外編碼信號(hào)。
    紅外接收電路使用集成紅外接收器成品，同時(shí)實(shí)現(xiàn)紅外接收、放大、整形的功能，一般不需要任何外接元件就能完成從紅外接收到輸出TTL電平兼容信號(hào)的所有工作。接收器對(duì)外只有3個(gè)引腳：電源Vcc，公共地GND和1個(gè)脈沖信號(hào)輸出OUT。由圖3可以看出，其與單片機(jī)接口非常方便。
    當(dāng)按下“記憶”按鍵S1時(shí)，紅外接收頭SPH開(kāi)始記錄遙控器發(fā)出的信號(hào)，同時(shí)將接收到的信號(hào)保存在單片機(jī)ATmega8L的E2PROM中。以后當(dāng)遙控器發(fā)出同樣的紅外脈沖信號(hào)時(shí)，通過(guò)紅外接收頭接收并與E2PROM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果一致，就發(fā)出控制信號(hào)控制開(kāi)關(guān)的通斷。

3 程序設(shè)計(jì)
    紅外遙控接收頭解調(diào)出的編碼是串行二進(jìn)制碼，包含著遙控器按鍵信息。但它還不便于CPU讀取識(shí)別，因此需要先對(duì)這些串行二進(jìn)制碼進(jìn)行解碼。本設(shè)計(jì)采用的是軟件解碼方式對(duì)接收到的紅外信號(hào)進(jìn)行解碼。
3．1 紅外遙控器發(fā)射編碼簡(jiǎn)介
    目前應(yīng)用中的各種紅外遙控系統(tǒng)的原理都大同小異，區(qū)別只是在于各系統(tǒng)的信號(hào)編碼格式不同。遙控器所產(chǎn)生的脈沖編碼的格式一般為：
   
其中，引導(dǎo)脈沖為寬度是10 ms左右的一個(gè)高脈沖和一個(gè)低脈沖的組合，用來(lái)標(biāo)識(shí)指令碼的開(kāi)始。識(shí)別碼、鍵碼、鍵碼的反碼均為數(shù)據(jù)編碼脈沖，用二進(jìn)制數(shù)表示。“O”和“1”均由毫秒量級(jí)的高低脈沖的組合代表識(shí)別碼(即用戶碼)是對(duì)每個(gè)遙控系統(tǒng)的標(biāo)識(shí)。當(dāng)指令鍵按下時(shí)，指令信號(hào)產(chǎn)生電路便產(chǎn)生脈沖編碼。鍵碼后面一般還要有鍵碼的校驗(yàn)碼，用來(lái)檢驗(yàn)鍵碼接收的正確性，防止誤動(dòng)作，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
3．2存儲(chǔ)編碼程序設(shè)計(jì)
    當(dāng)按下“記憶”按鍵S1時(shí)，單片機(jī)進(jìn)入存儲(chǔ)記憶紅外遙控編碼的狀態(tài)。ATmega8L單片機(jī)首先關(guān)閉中斷，等待遙控器發(fā)出的紅外遙控編碼輸入。當(dāng)紅外遙控編碼輸入后，單片機(jī)將其保存至E2PROM中。這樣，即使斷電之后，單片機(jī)存儲(chǔ)在E2PROM中的信息也不會(huì)丟失，可以保證斷電后的正常使用。存儲(chǔ)紅外信號(hào)的編碼程序流程圖如圖4所示。

3．3 軟件解碼程序設(shè)計(jì)
    軟件解碼則由ATmega8L單片機(jī)的外部中斷、定時(shí)器以及軟件構(gòu)成一個(gè)紅外遙控接收系統(tǒng)。定時(shí)器用于延時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖串之間的間隔。外部中斷用于當(dāng)接收到紅外脈沖信號(hào)時(shí)觸發(fā)定時(shí)器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。當(dāng)紅外接收管接收到紅外脈沖時(shí)，程序首先出發(fā)外部中斷，由外部中斷啟動(dòng)定時(shí)器，每個(gè)一段時(shí)間間隔就采樣一次，并將采樣到的紅外脈沖編碼保存到RAM變量中，然后與存儲(chǔ)編碼程序中所保存的編碼進(jìn)行比較，當(dāng)
兩者相同時(shí)則認(rèn)為是按下了開(kāi)關(guān)按鍵，進(jìn)行相應(yīng)的開(kāi)關(guān)操作，否則程序不執(zhí)行開(kāi)關(guān)操作。軟件解碼程序的流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    目前的家用電器，如電視機(jī)、VCD、DVD和功放機(jī)等一般都配備了遙控器及智能化控制技術(shù)，給人們的使用帶來(lái)了極大的方便。隨之而來(lái)的小家電如電燈的控制也在向自動(dòng)化、智能化操作方面發(fā)展，這樣才能滿足人們的生活需求。智能紅外遙控開(kāi)關(guān)充分利用了現(xiàn)在家用電器繁多的遙控器，實(shí)現(xiàn)了遙控器的功能復(fù)用，而且在軟件解碼紅外遙控系統(tǒng)中，解碼的核心是CPU，電路極為簡(jiǎn)單無(wú)須外圍器件，體積小，抗干擾能力強(qiáng)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)多次測(cè)試，該開(kāi)關(guān)可以替換原墻壁開(kāi)關(guān)，不用再增加連線，為安裝和使用提供了方便。把原機(jī)械式墻壁換成該遙控開(kāi)關(guān)不僅實(shí)用，也很安全經(jīng)濟(jì)。