基于Atmega8單片機的紅外遙控電路設(shè)計與分析

1 引言

紅外遙控器已被廣泛使用在各種類型的家電產(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。通常為了使信號能更好的被傳輸發(fā)送端將基帶二進制信號調(diào)制為脈沖串信號，通過紅外發(fā)射管發(fā)射。本設(shè)計采用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：

按下任意一個開關(guān)能使相應(yīng)的燈實現(xiàn)亮滅的功能，按下總開關(guān)實現(xiàn)所有燈的亮滅，按下相應(yīng)的定時關(guān)閉鍵能實現(xiàn)電燈在設(shè)定的時間內(nèi)關(guān)閉。

3 系統(tǒng)硬件的實現(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個鍵盤輸入模塊中的三個用于給3路電燈分別進行亮滅操作，一個鍵盤輸入模塊用于操作所有燈的亮滅，最后剩下的一個鍵盤輸入模塊用于實現(xiàn)電燈在設(shè)定的時間內(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)計成可以處于休眠狀態(tài)，當有按鍵按下時才工作，這樣可以降低功耗。紅外線通過紅外發(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，它發(fā)出的是紅外線而不是可見光。

圖2a 簡單驅(qū)動電路

圖2b 射擊輸出驅(qū)動電路

如圖2a和圖2b是LED的驅(qū)動電路，圖2a是最簡單電路， 選用元件時要注意三極管的開關(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LED的最大正向電流為100mA，電流越大，其發(fā)射的波形強度越大。

圖2a電路有一點缺陷，當電池電壓下降時，流過LED的電流會降低，發(fā)射波形強度降低，遙控距離就會變小。圖2b所示的射極輸出電路可以解決這個問題，兩個二極管把三級管基極電壓鉗位在1.2V左右，因此三級管發(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LED的電流也基本不變，這樣保證了當電池電壓降低時還可以保證一定的遙控距離。

(2)接收系統(tǒng)

紅外信號接收系統(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)測二極管監(jiān)測到紅外信號，然后把信號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近。交流信號進入帶通濾波器，帶通濾波器可以通過30khz到60khz的負載波，通過解調(diào)電路和積分電路進入比較器，比較器輸出高低電平，還原出發(fā)射端的信號波形。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很多，引腳定義也不相同，一般都有三個引腳，包括供電腳，接地和信號輸出腳。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，進一步降低電源干擾。

(3)調(diào)制

紅外遙控發(fā)射數(shù)據(jù)時采用調(diào)制的方式，即把數(shù)據(jù)和一定頻率的載波進行“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)射端要對晶振進行整數(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，是Atmel公司推出的基于AVR RICS低功耗CMOS 8位高性能單片機。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， ATmega8 的數(shù)據(jù)吞吐率高達 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)計中的發(fā)射電路中，Atmega8單片機的PC6、PD0～PD3口用于鍵盤輸入;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L1紅外發(fā)射管發(fā)射出經(jīng)編碼后的紅外遙控信號。HS5104引腳排列圖如圖7所示：

圖7 HS5104引腳排列圖

腳位說明：

(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)軟件的實現(xiàn)方案

4.1 系統(tǒng)總流程圖

本設(shè)計采用的BASCOM編程，是MCS公司開發(fā)的以BASIC高級程序設(shè)計語言為平臺的AVR單片機開發(fā)軟件，它簡要清晰，易于理解、掌握。軟件設(shè)計流程圖如圖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，將編寫的程序?qū)懭雴纹瑱C之前先校驗下載線是否接通，然后再寫入。調(diào)試時，先連接好下載線與上位機、目標板，給單片機系統(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)使用的軟件開發(fā)環(huán)境是BASCOM-AVR IDE，它是MCS公司開發(fā)的以BASIC高級程序設(shè)計語言為平臺的AVR單片機開發(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語言，簡要清晰，易于理解、掌握。除了有專門為AVR單片機串行和并行接口、外圍器件開發(fā)的語句外，另外還擴充了許多通用的單片機外部設(shè)備的專用語句，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)過編譯之后，編譯產(chǎn)生的hex文件，供下載之用。同時也可進入BASCOM-AVR IDE提供的軟件仿真窗口進行仿真運行，從實物圖形化的硬件仿真平臺上，可以直觀地進行實驗操作。圖12為BASCOM-AVR IDE的開發(fā)環(huán)境主界面。

圖12 BASCOM-AVR開發(fā)環(huán)境圖

6 結(jié)語

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、成本低等特點，因而，繼彩電、錄像機之后，在錄音機、音響設(shè)備、空凋機以及玩具等其它小型電器裝置上也紛紛采用紅外線遙控。當然，紅外遙控照明燈如果要投入大規(guī)模生產(chǎn)時，還需要對它不斷的進行優(yōu)化。