紅外發(fā)射與接收原理和應用實例

紅外線遙控器在家用電器和工業(yè)控制系統(tǒng)中已得到廣泛應用，了解他們的工作原理和性能、進一步自制紅外遙控系統(tǒng)，也并非難事。
1.紅外線的特點 人的眼睛能看到的可見光，若按波長排列，依次（從長到短）為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。 可見，紅光的波長范圍為0.62μm～0.76μm，比紅光波長還長的光叫紅外線。紅外線遙控器就是利用波長0.76μm～1.5μm之間的近紅外線來傳送控制信號的。 紅外線的特點是不干擾其他電器設(shè)備工作，也不會影響周邊環(huán)境。電路調(diào)試簡單，若對發(fā)射信號進行編碼，可實現(xiàn)多路紅外遙控功能。 2.紅外線發(fā)射和接收 人們見到的紅外遙控系統(tǒng)分為發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分的發(fā)射元件為紅外發(fā)光二極管，它發(fā)出的是紅外線而不是可見光
 常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940nm左右，外形與普通φ5mm發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。一般有透明、黑色和深藍色等三種。判斷紅外發(fā)光二極管的好壞與判斷普通二極管一樣的方法。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約100mW。紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率需用專用儀器測定，而業(yè)余條件下，只能憑經(jīng)驗用拉距法進行粗略判定。 接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管，使用時要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作而獲得高的靈敏度。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率較小，紅外接收二極管收到的信號較弱，所以接收端就要增加高增益放大電路。然而現(xiàn)在不論是業(yè)余制作或正式的產(chǎn)品，大都采用成品的一體化接收頭。紅外線一體化接收頭是集紅外接收、放大、濾波和比較器輸出等的模塊，性能穩(wěn)定、可靠。所以，有了一體化接收頭，人們不再制作接收放大電路，這樣紅外接收電路不僅簡單而且可靠性大大提高。常用兩種紅外接收頭的外形，均有三只引腳，即電源正VDD、電源負(GND)和數(shù)據(jù)輸出(Out)。接收頭的引腳排列因型號不同而不盡相因接收頭的外形不同而引腳的區(qū)別。 紅外接收頭的主要參數(shù)如下： 工作電壓：4.8～5.3V 工作電流：1.7～2.7mA 接收頻率：38kHz 峰值波長：980nm 靜態(tài)輸出：高電平 輸出低電平：≤0.4V 輸出高電平：接近工作電壓 3．紅外線遙控發(fā)射電路 紅外線遙控發(fā)射電路框圖如圖4所示。 框圖4是目前所有紅外遙控器發(fā)射電路的功能組成，其中的編碼器即調(diào)制信號，按遙控器用途的編碼方式可以很簡單、也可以很復雜。例如用于電視機、VCD、DVD和組合音響的遙控發(fā)射的編碼器，因其控制功能多達50種以上，此時的編碼器均采用專用的紅外線編碼協(xié)議進行嚴格的編程，然而對控制功能少的紅外遙控器，其編碼器是簡單而靈活。前者編碼器是由生產(chǎn)廠家的專業(yè)人員按紅外遙控協(xié)議進行編碼，而后者適用于一般電子技術(shù)人員和電子愛好者的編碼。圖4中的38kHz振蕩器即載波信號比較簡單，但專業(yè)用的和業(yè)余用的也有區(qū)別，專業(yè)用的振蕩器采用了晶振，而后者一般是RC振蕩器。例如彩電紅外遙控器上的發(fā)射端用了455kHz的晶振，是經(jīng)過整數(shù)分頻的，分頻系數(shù)為12，即455kHz÷12=37.9kHz。當然也有一些工業(yè)用的遙控系統(tǒng)，采用36kHz、40kHz或56kHz等的載波信號。因紅外遙控器的控制距離約10米遠，要達到這個指標，其發(fā)射的載波頻率(38kHz)要求十分穩(wěn)定，而非專業(yè)用的RC(38kHz)載波頻率穩(wěn)定性差，往往偏離38kHz甚至很遠，這就大大縮短了遙控器的控制距離。因晶振頻率十分穩(wěn)定，所以專業(yè)廠家的遙控器全部采用晶振的38kHz作遙控器的載波發(fā)送信號。 編碼器的編碼信號對38kHz的載波信號進行調(diào)制，再經(jīng)紅外發(fā)射管D向空間發(fā)送信號供遙控接收端一體化接收頭接收、解調(diào)輸出、再作處理。利用紅外線的特點，可以制作多路遙控器。在遙控發(fā)射電路中，有兩種電路，即編碼器和38kHz載波信號發(fā)生器。在不需要多路控制的應用電路中，可以使用常規(guī)集成電路組成路數(shù)不多的紅外遙控發(fā)射和接收電路，該電路無需使用較復雜的專用編譯碼器，因此制作容易。
1．頻分制編碼的遙控發(fā)射器 在紅外發(fā)射端利用專用(彩電、VCD、DVD等)的紅外編碼通訊協(xié)議作編碼器，對一般電子技術(shù)人員或業(yè)余愛好者來說，是難于實現(xiàn)的，但對路數(shù)不多的遙控發(fā)射電路，可以采用頻分制的方法制作編碼器，而對一路的遙控電路，還可以不用編碼器，直接發(fā)射38kHz紅外信號，即可達到控制的目的。一路的紅外遙控發(fā)射電路，在該電路中，使用了一片ICl高速CMOS型4-2輸入的“與非”門74HC00集成電路，組成低頻振蕩器作編碼信號(f1)，用IC2 555電路作載波振蕩器，振蕩頻率為f0(38kHz)。f1對f0進行調(diào)制，所以IC2的③腳的波形是斷續(xù)的載波，該載波經(jīng)紅外發(fā)光二極管發(fā)送到空間。電路中的關(guān)鍵點A、B、B’波形，其中B’是未調(diào)制的波形。 選用555電路作載波振蕩器，其目的是說明電路的調(diào)制工作原理，即利用大家熟悉的555產(chǎn)生38kHz方波信號，再利用555的復位端④腳作調(diào)制端，即當④腳為高電平時，555是常規(guī)的方波振蕩器；當④腳為低電平時，555的③腳處于低電平。④腳的調(diào)制信號是由ICl的與非門的低頻振蕩器而獲得。 在實際應用中，遙控發(fā)射器是3V電池供電，為此只需把555電路ICl剩余的兩個與非門組成的38kHz取而代之，如所示。注意：這里未引用CMOS 4-2輸入的“與非”門CD4011作電路中的編碼器和載波發(fā)生器，是因為CD4011作振蕩產(chǎn)生方波信號時，屬于模擬信號的應用。為了保證電路可靠起振，其工作電壓需4.5V以上，而74HC00的CMOS集成電路的最低工作電壓為2V，所以使用3V電源，完全可以可靠的工作。
2．遙控接收解調(diào)電路 紅外接收解調(diào)控制電路，IC2是LM567。LM567是一種鎖相環(huán)集成電路，采用8腳雙列直插塑封裝，工作電壓為+4.75～+9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)電流約8mA。⑧腳為輸出端，靜態(tài)時為高電平，是由內(nèi)部的集電極開路的三極管構(gòu)成，允許最大灌電流為100mA。鑒于LM567的內(nèi)部電路較復雜，這里僅介紹該電路的基本功能。 LM567的⑤、⑥腳外接的電阻(R3+RP)和電容C4，決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f01，f01=1/1.1RC，①、②腳接的電容C3、C4到地，形成濾波網(wǎng)絡(luò)，其中②腳的電容C2，決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬，電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。①腳接的電容C3為②腳的2倍以上為好。 弄清了LM567的基本組成后，再來分析圖4電路的工作過程。ICl是紅外接收頭，它接收紅外線信號，接收的調(diào)制載波頻率仍為38kHz，接收信號經(jīng)ICl解調(diào)后，在其輸出端OUT輸出頻率為f1的方波信號，只要將LM567的中心頻率f01調(diào)到(用RP)與發(fā)射端f1相同，即f01=fl，則當發(fā)射端發(fā)射時，LM567開始工作，⑧腳由高電平變?yōu)榈碗娖剑摰碗娖绞谷龢O管8550導通，在A點輸出開關(guān)信號驅(qū)動D觸發(fā)鎖存器，再由它驅(qū)動各種開關(guān)電路工作。這樣，只要按一下圖1電路的微動開關(guān)K，即發(fā)射紅外線，接收電路圖4即可輸出開關(guān)信號開通控制電路，再按一下開關(guān)K，控制開關(guān)信號關(guān)閉，這就完成了完整的控制功能。
3. 頻分制多路控制器 利用電路，可以實現(xiàn)多路遙控器，即在發(fā)射端，將ICl組成的低頻振蕩器，其電路模式不變，只改變電阻R2，即可構(gòu)成若干種R組成的多個頻率不同的低頻振蕩器(即編碼)，利用微動開關(guān)轉(zhuǎn)接，38kHz的載波電路共用；在接收電路中，一體化紅外接收頭共用，再設(shè)置與接收端編碼器相同個數(shù)的LM567鎖相器和后級鎖相驅(qū)動控制電路，各鎖相環(huán)的振蕩頻率與各編碼器的低頻編碼信號的頻率對應相等。這樣發(fā)射端按壓不同的按鈕，載波信號接入不同頻率編碼的調(diào)制信號時，在接收端，各對應的LM567的⑧腳的電平會發(fā)生變化，從而形成多路控制信號。上述所述的工作方式，稱為頻分制的編碼方式。這種頻分制工作方式，其優(yōu)點是可實現(xiàn)多路控制，但缺點是電路復雜，對于路數(shù)不多的控制電路，因電路工作原理簡單，對一般電子技術(shù)人員仍然是有用的。