智能紅外遙控開關(guān)原理及設(shè)計(jì)

摘 要:介紹基于AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)的一種智能紅外遙控開關(guān)的原理及設(shè)計(jì)。該遙控開關(guān)能夠?qū)崟r(shí)識(shí)別和記憶常用遙控器發(fā)出的紅外信號(hào)編碼，并通過將接收到的紅外信號(hào)與單片機(jī)存儲(chǔ)在E2PROM的數(shù)據(jù)比較，從而控制遙控開關(guān)的通斷，同時(shí)達(dá)到遙控器功能復(fù)用的效果。系統(tǒng)采用電容降壓式直流穩(wěn)壓電源供電，與機(jī)械開關(guān)相比，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕以及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于家用電器的開關(guān)控制。

關(guān)鍵詞:紅外遙控; 功能復(fù)用; 軟件解碼; 開關(guān)控制

中圖分類號(hào):TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)15-0163-03

Principle and Design of Intelligent Infrared Teleswitch

XIANG Yan1， YU Bing-xiong2， L Li-yi3

(1. Guandong Institute of Science and Technology， Zhuhai 519090， China;

2. School of Phiysics Telecommunication Engineering， South China Normal University， Guangzhou 510006， China;

3. Raoping Gongtian Vocational School， Chaozhou 515700， China)

Abstract: The principle and design of an intelligent infrared teleswitch are introduced. The teleswitch is designed on the basis of AVR signal chip computer， can identify and remember the infrared signal coding emitted by the common remote controller， and can compare the received infrared signal with the data stored in the E2PROM by the single chip microcomputer to achieve the control of the on-off of the teleswitch and the multiplexing function of the controller. The system using the capacitance step-down DC power has the quality of simple structure， small size， light weight， and is safe and reliable for the household appliances.

Keywords: infrared teleswitch; function multiplex; software decoding; switch control

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[1]。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[1-3]。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。

電源開關(guān)廣泛應(yīng)用于家庭、工廠、倉庫、以及辦公室等場(chǎng)所。傳統(tǒng)的機(jī)械式電源開關(guān)存在接觸電阻大、易磨損、可靠性低以及壽命短等缺點(diǎn)[4]，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)開關(guān)用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械式電源開關(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

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

圖1 原理框圖

智能紅外遙控開關(guān)的功能是將常見家用電器的遙控器，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)紅外遙控開關(guān)的控制鍵。使用時(shí)，用戶按下智能紅外遙控開關(guān)的“學(xué)習(xí)”按鍵，然后再對(duì)準(zhǔn)遙控開關(guān)的紅外接收頭按下遙控器上指定的這個(gè)開關(guān)控制按鍵，遙控器發(fā)出的紅外編碼信號(hào)經(jīng)過紅外接收頭接收后，再經(jīng)過放大整形，輸入到微控制器，微控制器通過內(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)控制開關(guān)控制模塊里面繼電器的導(dǎo)通與斷開，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。

圖2 電源電路

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:

XC=12πfC=12×3.14×50×1×10-6=3 18471

流過電容器MC2的充電電流IC(單位:mA)為:

IC=UXC=2203 18471=69.08

通過降壓電容MC2向負(fù)載提供的電流Io，實(shí)際上是流過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)流過穩(wěn)壓管。若穩(wěn)壓管的最大允許電流Idmax<IC-Io時(shí)易造成穩(wěn)壓管燒毀[5]。

雖然流過電容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，流過電容的電流為虛部電流，它所作的功為無功功率。可見，電容降壓式電源的效率也很高。經(jīng)過實(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。

圖3 解碼電路原理圖

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3.6 mA，空閑模式為1.0 mA，掉電模式僅為0.5 μA，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)[6-7]。

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VCC，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:

引導(dǎo)脈沖識(shí)別碼(用戶碼)鍵碼鍵碼的校驗(yàn)碼

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，用來標(biāo)識(shí)指令碼的開始。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。“0”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[8-9]。

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。

圖4 存儲(chǔ)編碼程序流程圖

圖5 軟件解碼程序流程圖

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)為是按下了開關(guān)按鍵，進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)操作，否則程序不執(zhí)行開關(guān)操作[10]。軟件解碼程序的流程圖如圖5所示。

4 結(jié) 語

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)，給人們的使用帶來了極大的方便。隨之而來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)單無須外圍器件，體積小，抗干擾能力強(qiáng)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)多次測(cè)試，該開關(guān)可以替換原墻壁開關(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關(guān)不僅實(shí)用，也很安全經(jīng)濟(jì)。

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