基于單片機的無線遙控教鞭的設計

羅星華,張碧鋒

（1.西北工業大學,陜西 西安 710072；2.空軍駐廣深地區軍事代表室,廣東 廣州 510310）

傳統教學中，教師以黑板和粉筆為最主要的教學用具，這種教學手段單一，課堂效率低，不能激起學生學習的興趣。多媒體輔助教學模式的興起，彌補了傳統教學的不足，在實際操作中教師在進行多媒體演示時，要不時地進行鼠標操作，使之不得不中斷與學生的互動。無線遙控教鞭是一個很好的解決方案[1]。

1 系統框架

整個系統由發射電路、接收電路和計算機軟件三部分組成。發射部分，即手持教鞭部分，以日本NEC的uPD6121G為控制核心。首先，當按下按鍵后，掃描鍵盤得到遙控碼，不同的鍵值對應不同的編碼信息，此鍵值信息代表著向計算機中演示的軟件PowerPoint發送的控制命令，然后將此編碼信息經調制后由紅外發光管向外發射。接收部分的控制核心為TI公司推出的低功耗MSP430單片機，主要完成發射端傳送來的紅外調制信息的接收和解碼操作，將解析出的控制命令信息經串口轉USB接口傳送至計算機，此硬件模塊可直接插在計算機的USB接口中，直接由USB接口供電；計算機中的上位機軟件采用C#編寫，使用Microsoft Studio 2005自帶的SerialPort組件。SerialPort對象接收到數據時，將在輔助線程上引發DataReceived事件。處理此事件，得到從串口發送來的控制命令數據信息，實現控制多媒體演示軟件PowerPoint的目的。系統框架如圖1所示。

2 硬件系統

2.1 紅外遙控發射模塊

通用紅外遙控發射電路由編/解碼專用集成電路芯片uPD6121G進行控制操作，發射部分包括鍵盤矩陣、編碼調制、LED紅外發送器等部分。電路原理圖如圖2所示。

日本NEC公司的uPD6121G組成發射電路的編碼原理描述如下，當發射器按鍵按下后，即有遙控碼發出，所按的鍵不同遙控編碼也不同，具有以下特征：采用脈寬調制的串行碼,以脈寬為 0.565 ms、間隔 0.56 ms、周期為1.125 ms的組合表示二進制的“0”；以脈寬為 0.565 ms、間隔1.685ms、周期為2.25 ms的組合表示二進制的“1”[2]，其波形如圖 3所示。

上述“0”和“1”組成的 32 bit二進制碼，經 38 kHz的載頻進行二次調制以提高發射效率，達到降低電源功耗的目的。然后再通過紅外發射二極管產生紅外線向空間發射，如圖4所示。

由圖可知，遙控編碼是連續的32 bit二進制碼組，其中前16 bit為用戶地址和地址反碼，防止不同機型互相干擾，后16 bit為用戶操作碼和操作反碼，也可以稱為功能碼[3]。本次設計就采用此種紅外遙控。

2.2 紅外遙控接收模塊

接收電路使用一體化紅外接收頭HS0038，接收紅外信號頻率為38 kHz，接收距離可達35 m。它能將遙控信號的接收、放大、檢波、整形集于一身，并且輸出可以讓單片機識別的TTL信號，這樣大大簡化了接收電路的復雜程度和電路的設計工作，方便使用。其與單片機連接原理圖如圖5所示，由單片機采集紅外遙控命令并在內部完成解碼工作。

圖5 單片機與紅外接收電路

2.3 基于PL2302的串口轉USB接口模塊

由于RS232標準串行接口已逐漸在電腦主板中淘汰，為了充分利用USB接口即插即用的特點，本設計采用了PL2303芯片實現了RS232與USB接口的轉換，省去了RS232電平以TTL電平的裝換。用PL2303實現的USB轉串口的電路如圖6所示。

3 軟件系統

3.1 單片機系統軟件

單片機采用TI的低功耗MSP430F149為控制核心，其主要功能是解碼紅外遙控器發送來的信號和驅動液晶顯示。其中解碼紅外遙控信號是實現本設計的關鍵，紅外接收電路的信號輸出接到單片機的外部中斷0上，當單片機接收到信號后進入中斷函數，首先判斷是否為引導碼，如果是則進入解碼程序，否則丟棄。解碼程序通過精確的延時函數，判斷每個發送過來的每一位為0還是 1，并把數據保存到 date數組中，其中 date[0]保存地址碼，date[1]中保存地址反碼，date[2]中保存數據碼，date[3]保存數據反碼。解碼的流程圖如圖7所示。

3.2 上位機軟件

上位機軟件采用C#編寫，使用Microsoft Studio 2005自帶的SerialPort組件。SerialPort對象接收到數據時，將在輔助線程上引發 DataReceived事件。處理此事件，得到從串口發送來的數據，并給計算機發送相應的命令。本軟件界面人性化，用戶在設置過程中有簡單的操作提示，使得人機對話更為簡單，當設置完成后可以讓程序隱藏到后臺運行。小軟件還有漂亮的皮膚界面，上位機軟件截圖和軟件的工作流程如圖8所示。

圖7 系統軟件流程圖

本設計以MSP430F149單片機為控制核心,所設計的遙控教鞭功耗低，僅須兩節電池供電；命令接收采用USB接口，其供電可直接通過計算機取電。工作時，只要打開控制軟件和PPT演示軟件，其操作就可通過手執部分隨意控制，可方便地應用于教學、會議室等需演示的場合。

[1]郭平平,崔志琴.基于PPT演示的無線放映控制器設計[J].電子測試,2010(5)：77-80，85.

[2]李澤光.基于單片機的紅外遙控器解碼器的設計[J].現代電子技術,2007,30(9):36-37.

[3]翟祥林,王景成.紅外遙控在嵌入式系統中的實現[J].微型電腦應用,2010,26(5).

[4]陳佛敏,潘春華,呂洋波,著.C#程序設計簡明教程[M].北京：人民郵電出版社,2008.

[5]周峰.Visual C#.NET 2005中文版基礎與實踐教程[M].北京:電子工業出版社,2007.

[6]HOFFMAN K,KRUGER L.C#.NET技術內幕[M].董梁,高猛,譯.北京：清華大學出版社,2006.

[7]胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設計與開發[M].北京：北京航空航天大學出版社,2003.

[8]沈建華,楊艷琴,翟曉曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社,2004.

[9]芯片數據庫.VS1003英文資料[EB/OL].http://www.21 icsearch.com/s_VS1003.html.

[10]來清民.傳感器與單片機接口及實例[M].北京：北京航空航天大學出版社,2008.