一種多路紅外遙控系統(tǒng)的電路設(shè)計和實現(xiàn)

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是跨入2000年后，紅外技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。紅外遙控已滲透到國民經(jīng)濟的各行各業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，在工業(yè)自動化、生產(chǎn)控制過程、信息采集和處理、通信、紅外制導(dǎo)、激光武器、電子對抗、環(huán)境監(jiān)測、紅外育種安全防范、家用電器控制及日常生活各個方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

針對國內(nèi)外的發(fā)展情況，可見紅外遙控系統(tǒng)是我國未來智能化發(fā)展方向。本課題要設(shè)計的紅外多路遙控系統(tǒng)，主要紅外發(fā)射和紅外接收這兩部分，本設(shè)計依托市面上常見的紅外發(fā)射和紅外接收元器件，使設(shè)計具有傳輸距離一般、硬件簡單、安裝方便、價格便宜的優(yōu)點。本文所介紹的紅外多路遙控系統(tǒng)，是采用碼分制多通道紅外遙控系統(tǒng)裝置。早期的碼分制的脈沖指令編碼多采用分離元器件及小規(guī)模數(shù)字集成電路，編碼、譯碼電路弄得很復(fù)雜，可靠性也差。但隨著大規(guī)模數(shù)字集成技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，各種大規(guī)模專用集成編、譯碼集成器件的層出不窮，使外圍元器件很少，電路簡單，功能完善。

本文設(shè)計的多路遙控系統(tǒng)主要針對的是目前家庭眾多的家用電器設(shè)備需要集中控制管理。其主要特點是一改傳統(tǒng)鍵盤控制電路設(shè)計往往以總線方式外接8155、8255或8279芯片來擴展并行口，而采用MOTOROLA公司最新推出的串行可編程多路開關(guān)檢測接口芯片MC33993與價格低廉的單片機芯片AT89C2051實現(xiàn)鍵盤控制；并且在遙控輸出控制方面，利用MC33993可以驅(qū)動MOSFET/LED之功能，再次采用MC33993與AT89C2051實現(xiàn)多路輸出控制，從而以CPU較少的I/O口資源滿足了較多路的輸出控制。因此，MC33993的使用大大節(jié)省了系統(tǒng)有限的I/O口資源，同時有利于實現(xiàn)系統(tǒng)更多的其它控制功能，而且也使系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計更加簡潔。

1 多路紅外系統(tǒng)組成及其原理

紅外線又稱紅外光波，在電磁波譜中，光波的波長范圍為0.01um~1000um.根據(jù)波長的不同可分為可見光和不可見光，波長為0.38um~0.76um的光波可為可見光，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色。光波為0.01um~0.38um的光波為紫外光（線），波長為0.76um~1000um的光波為紅外光（線）。紅外光按波長范圍分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極紅外4類。紅外線遙控是利用近紅外光傳送遙控指令的，波長為0.76um~1.5um.用近紅外作為遙控光源，是因為目前紅外發(fā)射器件（紅外發(fā)光管）與紅外接收器件（光敏二極管、三極管及光電池）的發(fā)光與受光峰值波長一般為0.8um~0.94um,在近紅外光波段內(nèi)，二者的光譜正好重合，能夠很好地匹配，可以獲得較高的傳輸效率及較高的可靠性。多路紅外系統(tǒng)組成如圖1所示。

紅外遙控發(fā)射電路的功能是對輸入控制指令信號進行掃描、產(chǎn)生遙控編碼脈沖、驅(qū)動紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號。紅外遙控接收電路的功能是接收紅外遙控信號并將之放大、檢波、整形，解調(diào)出編碼脈沖。遙控編碼脈沖是一組組串行二進制碼，對于一般的紅外遙控系統(tǒng)，此串行碼輸入到微控制器，由其完成遙控指令的解碼；微控制器根據(jù)解出的控制指令輸出相應(yīng)的控制信號，由輸出控制電路去執(zhí)行相應(yīng)的遙控功能。

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2 紅外遙控發(fā)射電路的設(shè)計

整個多路紅外遙控發(fā)射電路包括遙控指令輸入電路部分和編碼發(fā)射電路部分。多路紅外發(fā)射電路如圖2所示。它主要由MC33993、AT89C2051、HX2262、LTE5208A等器件構(gòu)成。

2.1 遙控指令輸入電路設(shè)計

系統(tǒng)的遙控指令輸入電路是基于MOTOROLA公司新近推出的可編程多路開關(guān)檢測接口集成電路MC33993設(shè)計的，它可檢測多達(dá)22路開關(guān)量輸入信號，并可將檢測到的多路開關(guān)的狀態(tài)（三態(tài)）信號通過該芯片的SPI（串行外圍接口）傳送給單片機。該器件具有22路模擬多路開關(guān)的功能，用以讀取多路模擬輸入信號，模擬輸入信號經(jīng)緩沖器緩沖后由模擬多路開關(guān)輸出以供單片機讀取。除此之外，MC33993還具有許多其它靈活的應(yīng)用，諸如可為傳感器提供電源、作為模擬傳感器的輸入、驅(qū)動MOSFET/LED和控制管理系統(tǒng)電源等。

在這里主要利用其基本的開關(guān)檢測功能。MC33993與單片機AT89C2051的接口電路設(shè)計（參見圖2）如下：22路遙控開關(guān)分別與MC33993的SP0~SP7及SG0~SG13共22個輸入端口連接，MC33993的SPI通信口的SI、SO、CS、SCLK分別與AT89C2051的P3.0、P3.1、P3.4、P3.5相連接，MC33993的中斷輸出與AT89C2051的中斷輸入連接。MC33993的WAKE端控制電源管理芯片MC33998的5V電源輸出，平時MC33993等處于睡眠模式。遙控指令的檢測工作原理是這樣的：首先單片機通過與MC33993的SPI口的通信對MC33993進行初始化，將MC33993的22個檢測輸入口全部設(shè)置為高電平。當(dāng)有鍵盤按下時，MC33993可被喚醒，即可向單片機產(chǎn)生中斷請求，單片機通過MC33993的SPI口讀取鍵盤的狀態(tài)變化，并將按下的按鍵指令編成一個6比特數(shù)，由AT89C2051的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5輸出給編碼芯片HX2262.MC33993的應(yīng)用使系統(tǒng)省去了CPU對鍵盤的不斷掃描，因此提高了CPU 的利用率。

2.2 編碼發(fā)射電路設(shè)計

紅外遙控編碼電路采用HX2262芯片，它的A0~A5為地址輸入，可編程三種狀態(tài)：1、0、浮空。在這里A0~A5全部設(shè)為低電平。D0~D5為數(shù)據(jù)輸入，可為1或0兩種狀態(tài)，輸入的指令編碼由AT89C2051的P1口提供。HX2262與單片機的接口參見圖2.TE為發(fā)射使能端，低電平有效，它由單片機的P3.7控制。OSC1與OSC2外接振蕩電阻，決定電路時鐘頻率，振蕩頻率 f =1000×16/Rosc（kHz），Rosc為振蕩器電阻，其值選為470kΩ。DOUT為數(shù)據(jù)串行輸出。每傳送一組編碼，編碼串都自動連發(fā)四次，編碼器用不同的占空比及組合表示不同的狀態(tài)。輸出數(shù)據(jù)調(diào)制在38kHz的載波上，非門芯片CD4011構(gòu)成38kHz的振蕩器。整個編碼脈沖調(diào)制在38kHz的載波上后由紅外發(fā)射管LTE5208A發(fā)射出去。

3 紅外接收及遙控輸出電路設(shè)計

3.1紅外接收及其解碼電路的設(shè)計

紅外接收電路如圖3所示，它由集成紅外接收管、解碼芯片HX2272、AT89C2051組成。其中HX2272是與HX2262配對使用的解碼芯片，A0~A5是地址輸入，要求與發(fā)射端的HX2262設(shè)定的狀態(tài)一致，因此全都設(shè)置為低電平。D0~D5為數(shù)據(jù)輸出，脈沖編碼信號自Din輸入，振蕩器電阻選為1M?贅。當(dāng)接收到有效信號時，VT端由低電平變?yōu)楦唠娖健X2272與AT89C2051的接口參見圖3,HX2272的6位數(shù)據(jù)口D0~D5分別與AT89C2051的P1口連接。當(dāng)NJL41V328的感光窗接收到紅外發(fā)射器發(fā)來的紅外線調(diào)制信號時，經(jīng)內(nèi)部電路處理輸出給HX2272解碼芯片；在HX2272對接收的數(shù)據(jù)解碼成功后， VT端由低電平變?yōu)楦唠娖?，三極管導(dǎo)通，給單片機INT0中斷口一個低電平，AT89C2051立即響應(yīng)中斷，通過P1口讀取HX2272的輸出數(shù)據(jù)；然后單片機根據(jù)讀取的來自發(fā)射端的控制指令編碼，通過其P3口與MC33993的SPI口的串行通信輸出相應(yīng)的控制信號給MC33993,利用MC33993的22個可編程開關(guān)檢測口驅(qū)動MOSFET/LED的功能去控制三端雙向可控硅的光絕緣驅(qū)動電路MC3021.AT89C2051與MC33993的接口如圖3所示。

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3.2 遙控輸出電路設(shè)計

由于本多路遙控系統(tǒng)主要是針對目前家庭眾多的家電設(shè)備的集中管理，所以該系統(tǒng)的控制對象大都是220V交流負(fù)載。首先AT89C2051對MC33993進行初始化，將MC33993的所有的開關(guān)檢測端口均設(shè)置為浮空狀態(tài)，在遙控接收電路成功解調(diào)出遙控指令后，由AT89C2051通過與MC33993的SPI口的串行通信輸出對應(yīng)的控制信號給MC33993,使MC33993相應(yīng)的端口為可控硅光絕緣驅(qū)動器MC3021的輸入發(fā)光二極管提供驅(qū)動電流，然后MC3021驅(qū)動三端雙向可控硅BT136導(dǎo)通，交流負(fù)載接通電源開始工作。當(dāng)再次按下同一遙控按鍵時，AT89C2051輸出控制信號取反，使MC33993相應(yīng)的端口斷開，不再為可控硅光絕緣驅(qū)動器MC3021的輸入發(fā)光二極管提供驅(qū)動電流，BT136喪失了MC3021的驅(qū)動，BT136截止，交流負(fù)載電源斷開使其停止工作。輸出控制電路參見圖3.由于篇幅限制，圖中只畫出了第一路和第22路輸出控制。

通常，需要大量開關(guān)接口和輸出控制電路的系統(tǒng)往往由許多分立器件組成，眾多的分立器件不僅在電路板上占據(jù)較大空間，而且必須仔細(xì)檢查焊接的完整性。而將功能靈活的MC33993應(yīng)用于多路遙控的鍵盤控制與輸出控制中，減少了電路板的焊接和尺寸，同時又可提供非常靈活的接口，并且還具有睡眠工作模式，大大降低了系統(tǒng)的功耗。這樣，用較少的CPU資源和簡潔的電路設(shè)計，既解決了多控制按鍵的輸入問題，又解決了多控制輸出問題。MC33993是電子產(chǎn)品開發(fā)中非常理想的選擇。

由于紅外線遙控不具有像無線電遙控那樣穿過障礙物去控制被控對象的能力，所以，在設(shè)計家用電器的紅外線遙控器時，不必要像無線電遙控器那樣，每套（發(fā)射器和接收器）要有不同的遙控頻率或編碼（否則，就會隔墻控制或干擾鄰居的家用電器），所以同類產(chǎn)品的紅外線遙控器，可以有相同的遙控頻率或編碼，而不會出現(xiàn)遙控信號"串門"的情況。