基于Atmega8單片機(jī)的紅外遙控電路設(shè)計(jì)與分析

1 引言

紅外遙控器已被廣泛使用在各種類(lèi)型的家電產(chǎn)品上，它的出現(xiàn)給使用家器提供了很多的便利。紅外遙控系統(tǒng)一般由紅外發(fā)射裝置和紅外接受設(shè)備兩大部分組成。紅外發(fā)射裝置又可由鍵盤(pán)電路、紅外編碼芯片、電源和紅外發(fā)射電路組成。紅外接收設(shè)備可由紅外接收電路、紅外解碼芯片、電源和應(yīng)用電路組成。通常為了使信號(hào)能更好的被傳輸發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制為脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射。本設(shè)計(jì)采用Atmega8作為紅外發(fā)射編碼和接收解碼芯片。

2 系統(tǒng)功能分析

一個(gè)完整的照明燈的紅外遙控電路應(yīng)具有以下功能：

按下任意一個(gè)開(kāi)關(guān)能使相應(yīng)的燈實(shí)現(xiàn)亮滅的功能，按下總開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)所有燈的亮滅，按下相應(yīng)的定時(shí)關(guān)閉鍵能實(shí)現(xiàn)電燈在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉。

3 系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)方案

3.1 系統(tǒng)原理圖

通用紅外遙控系統(tǒng)由調(diào)制、發(fā)射和接收三大部分組成，本系統(tǒng)以Atmega8單片機(jī)作為紅外發(fā)射編碼和接收解碼芯片，另外再以HS5104作為發(fā)射編碼芯片，5個(gè)鍵盤(pán)輸入模塊中的三個(gè)用于給3路電燈分別進(jìn)行亮滅操作，一個(gè)鍵盤(pán)輸入模塊用于操作所有燈的亮滅，最后剩下的一個(gè)鍵盤(pán)輸入模塊用于實(shí)現(xiàn)電燈在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉的功能。紅外遙控系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 紅外遙控系統(tǒng)

(1)發(fā)射系統(tǒng)

發(fā)射系統(tǒng)一般用電池供電，這就要求芯片的功耗要很低，芯片大多都設(shè)計(jì)成可以處于休眠狀態(tài)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)才工作，這樣可以降低功耗。紅外線通過(guò)紅外發(fā)光二極管(LED)發(fā)射出去，紅外發(fā)光二極管內(nèi)部材料和普通發(fā)光二極管不同，在其兩端施加一定電壓時(shí)，它發(fā)出的是紅外線而不是可見(jiàn)光。

圖2a 簡(jiǎn)單驅(qū)動(dòng)電路

圖2b 射擊輸出驅(qū)動(dòng)電路

如圖2a和圖2b是LED的驅(qū)動(dòng)電路，圖2a是最簡(jiǎn)單電路， 選用元件時(shí)要注意三極管的開(kāi)關(guān)速度要快，還要考慮到LED的正向電流和反向漏電流，一般流過(guò)LED的最大正向電流為100mA，電流越大，其發(fā)射的波形強(qiáng)度越大。

圖2a電路有一點(diǎn)缺陷，當(dāng)電池電壓下降時(shí)，流過(guò)LED的電流會(huì)降低，發(fā)射波形強(qiáng)度降低，遙控距離就會(huì)變小。圖2b所示的射極輸出電路可以解決這個(gè)問(wèn)題，兩個(gè)二極管把三級(jí)管基極電壓鉗位在1.2V左右，因此三級(jí)管發(fā)射極電壓固定在0.6V左右，發(fā)射極電流IE基本不變，根據(jù)IE≈IC,所以流過(guò)LED的電流也基本不變，這樣保證了當(dāng)電池電壓降低時(shí)還可以保證一定的遙控距離。

(2)接收系統(tǒng)

紅外信號(hào)接收系統(tǒng)的典型電路如圖3a所示：

圖3a 紅外線接收頭內(nèi)部電路

該電路包括紅外監(jiān)測(cè)二極管，放大器，限副器，帶通濾波器，積分電路，比較器等。紅外監(jiān)測(cè)二極管監(jiān)測(cè)到紅外信號(hào)，然后把信號(hào)送到放大器和限幅器，限幅器把脈沖幅度控制在一定的水平，而不論紅外發(fā)射器和接收器的距離遠(yuǎn)近。交流信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過(guò)30khz到60khz的負(fù)載波，通過(guò)解調(diào)電路和積分電路進(jìn)入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號(hào)波形。注意輸出的高低電平和發(fā)射端是反相的，這樣的目的是為了提高接收的靈敏度。

以上電路被集成在一個(gè)元件中，成為一體化紅外線接收頭，如圖3b所示：

圖3b 紅外線接收頭

紅外線接收頭的種類(lèi)很多，引腳定義也不相同，一般都有三個(gè)引腳，包括供電腳，接地和信號(hào)輸出腳。根據(jù)發(fā)射端調(diào)制載波的不同應(yīng)選用相應(yīng)解調(diào)頻率的接收頭。

紅外線接收頭內(nèi)部放大器的增益很大，很容易引起干擾，因此在接收頭的供電腳上須加上濾波電容，一般在22uf以上。有的廠家建議在供電腳和電源之間接入330歐電阻，進(jìn)一步降低電源干擾。

(3)調(diào)制

紅外遙控發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)采用調(diào)制的方式，即把數(shù)據(jù)和一定頻率的載波進(jìn)行“與”操作，這樣可以提高發(fā)射效率和降低電源功耗。

調(diào)制載波頻率一般在30khz到60khz之間，大多數(shù)使用的是38kHz，占空比1/3的方波，如圖3.4所示，這是由發(fā)射端所使用的455kHz晶振決定的。在發(fā)射端要對(duì)晶振進(jìn)行整數(shù)分頻，分頻系數(shù)一般取12，所以455kHz÷12≈37.9 kHz≈38kHz。

圖4 載波波形

圖5a為系統(tǒng)發(fā)射硬件方框圖：

圖5a 發(fā)射系統(tǒng)方框圖

圖5b為系統(tǒng)接受硬件方框圖：

圖5b 接收系統(tǒng)方框圖

3.2 各模塊電路原理圖

(1)Atmega8MCU介紹

系統(tǒng)的控制核心Atmega8單片機(jī)，是Atmel公司推出的基于AVR RICS低功耗CMOS 8位高性能單片機(jī)。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間， ATmega8 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。圖6為其引腳排列圖。

圖6 Atmega8引腳排列圖

在本設(shè)計(jì)中的發(fā)射電路中，Atmega8單片機(jī)的PC6、PD0～PD3口用于鍵盤(pán)輸入;PB1口接紅外發(fā)光二極管以及發(fā)射指示燈。在接受電路中Atmega8單片機(jī)的PB1～PB3用于接三路電燈，PD5～PD7、PB0、PB6、PB7接六路指示燈，PD2接紅外接受頭。

(2)HS5104紅外遙控編碼發(fā)射電路

本設(shè)計(jì)中，還另外采用了編碼器BA5104組成紅外發(fā)射電路。K1～K8與地構(gòu)成按鍵開(kāi)關(guān)電路，這里只用了K1～K5。其指令經(jīng)三極管Q放大，驅(qū)動(dòng)L1紅外發(fā)射管發(fā)射出經(jīng)編碼后的紅外遙控信號(hào)。HS5104引腳排列圖如圖7所示：

圖7 HS5104引腳排列圖

腳位說(shuō)明：

(3)其他電路

紅外發(fā)射二極管的接法如圖8所示：

圖8 紅外發(fā)射二極管連接原理圖

3.3 系統(tǒng)電路原理圖

發(fā)射電路硬件原理圖如圖9a和9b所示。

圖9a 發(fā)射電路(M8)硬件原理圖

圖9b 發(fā)射電路(hs5104)硬件原理圖

接收電路硬件原理圖如圖9c所示：

4 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)方案

4.1 系統(tǒng)總流程圖

本設(shè)計(jì)采用的BASCOM編程，是MCS公司開(kāi)發(fā)的以BASIC高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為平臺(tái)的AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件，它簡(jiǎn)要清晰，易于理解、掌握。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖10a和圖10b所示：

圖10a 發(fā)送程序流程圖

圖10b 接收程序流程圖

5 系統(tǒng)軟硬件的調(diào)試

5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試

在電腦上仿真以后按照硬件電路圖連接好電路，將編寫(xiě)的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)之前先校驗(yàn)下載線是否接通，然后再寫(xiě)入。調(diào)試時(shí)，先連接好下載線與上位機(jī)、目標(biāo)板，給單片機(jī)系統(tǒng)供電，芯片選擇ATMEGA8，它的下載環(huán)境如圖11所示。

圖11 智峰下載軟件界面圖

5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試

本系統(tǒng)使用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是BASCOM-AVR IDE，它是MCS公司開(kāi)發(fā)的以BASIC高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言為平臺(tái)的AVR單片機(jī)開(kāi)發(fā)軟件，該軟件具有可視化圖形界面，是與VB/QB高度兼容的結(jié)構(gòu)化BASIC語(yǔ)言，簡(jiǎn)要清晰，易于理解、掌握。除了有專(zhuān)門(mén)為AVR單片機(jī)串行和并行接口、外圍器件開(kāi)發(fā)的語(yǔ)句外，另外還擴(kuò)充了許多通用的單片機(jī)外部設(shè)備的專(zhuān)用語(yǔ)句，調(diào)用各種硬件資源更加得心應(yīng)手。

在BASCOM-AVR IDE中，程序經(jīng)過(guò)編譯之后，編譯產(chǎn)生的hex文件，供下載之用。同時(shí)也可進(jìn)入BASCOM-AVR IDE提供的軟件仿真窗口進(jìn)行仿真運(yùn)行，從實(shí)物圖形化的硬件仿真平臺(tái)上，可以直觀地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。圖12為BASCOM-AVR IDE的開(kāi)發(fā)環(huán)境主界面。

圖12 BASCOM-AVR開(kāi)發(fā)環(huán)境圖

6 結(jié)語(yǔ)

紅外線遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。由于紅外線遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，因而，繼彩電、錄像機(jī)之后，在錄音機(jī)、音響設(shè)備、空凋機(jī)以及玩具等其它小型電器裝置上也紛紛采用紅外線遙控。當(dāng)然，紅外遙控照明燈如果要投入大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)，還需要對(duì)它不斷的進(jìn)行優(yōu)化。