第2章 红外遥控系统原理与硬件设计
第2章 红外遥控系统原理与硬件设计
2.1 红外通信基本原理
红外通信，即以红外线作为通信载体，通过红外光在空中的传播来传输数据的通信方式，它由发射端和接收端来完成。在发射端，发送的数字信号经过适当的调制编码后，送入电光变换电路，经红外发射管转变为红外光脉冲发射到空中；在接收端，红外接收器对接收到的红外光脉冲进行光电变换，解调译码后恢复出原信号。
红外发射端发送数据时，是将待发送的二进制数据调制成一系列的脉冲信号后发射出去。红外载波为频率38 kHz的方波，采用脉宽调制PWM方式发送，通过待发送二进制数据的“0”或“1”控制两个脉冲之间的时间间隔，及PWM的占空比。红外载波既可以通过外围硬件电路实现，也可以使用单片机内部的定时器的PWM功能实现。
红外接收端在收到38 kHz的载波信号时，会输出低电平，否则输出高电平，从而可以将“时断时续”的红外光信号解调成一定周期的连续方波信号，经单片机处理，便可以恢复出原数据信号。
2.1.1 红外遥控发射及其编码
红外遥控发射器采用一块大规模集成电路(LSI)，当按压功能指令键盘时，由LSI产生经过调制的串行编码，通过激励电路，驱动红外线发光二极管发光，将编码信号经红外线二次调制后发射出去。二次调制首先是用与键盘操作相对应的控制信号对38到40 kHz左右的载波信号进行脉冲调制，然后再去对波长约为950 nm的红外光载波进行第二次幅度调制，即用驱动红外线发光二极管方法产生红外遥控信号。
遥控发射器专用芯片很多，根据编码格式可以分成两大类，这里我们以运用比较广泛，解码比较容易的一类来加以说明，现以日本NEC的uPD6121G组成发射电路为例说明编码原理。当发射器按键按下后，即有遥控码发出，所按的键不同遥控编码也不同。这种遥控码具有以下特征：
采用脉宽调制的串行码，以脉宽为0.565 ms、间隔0.56 ms、周期为
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燕山大学本科生毕业设计（论文）
1.125ms的组合表示二进制的“0”；
以脉宽为0.565 ms、间隔1.685 ms、周期为2.25 ms的组合表示二进制的―1‖，其波形如图2-1所示[11]：
图2-1 遥控器的“0”和“1”
上述―0‖和―1‖组成的32位二进制码经38 kHz的载频进行二次调制以提高发射效率，达到降低电源功耗的目的。然后再通过红外发射二极管产生红外线向空间发射，如图2-2所示[11]：
图2-2 完整的红外数据编码图
遥控信号编码是连续的32位二进制码组，其中前16位为用户识别码，能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰。后16位为8位操作码(功能码)及其反码。
遥控器在按键按下后，周期行地发出同一种32位二进制码，周期约为108 ms。一组码本身的持续时间随它包含的二进制“0”和“1”的个数不同而不同，大约在45~62 ms之间。
当一个键按下超过36 ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲，这108 ms发射代码由一个起始码(9 ms)，一个结束码(4.5 ms)，低8位地址码(9 ms~18 ms)，高8位地址码(9 ms~18 ms)，8位数据码(9 ms~18 ms)和这8位数据的反码(9 ms~18 ms)组成。如果键按下超过108 ms仍未松开，接下来发射的代码(连发代码)将仅由起始码(9 ms)和结束码(4.5 ms)组成。
红外数据编码体制规律如下：
(1)一次按键动作的遥控编码信息包含一个引导脉冲和32位串行二进制码。前16位为用户码，不随按键的不同而变化。它是为了表示特定用户而
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设置的一个辨识标志，以区别不同机种和不同用户发射的遥控信号，防止误操作与干扰。后16位码随着按键的不同而改变，是按键的识别码。前8位为键码的正码，后8位为键码的反码。
(2)遥控信号不是高电平或低电平表示“1”或“0”的，而是通过脉宽来表示的，对于二进制信号“0”，一个脉冲占1.2 ms；对于二进制信号“1”，一个脉冲占2.4 ms，而每一个脉冲内低电平均为0.6 ms。
2.1.2 红外遥控接收及其解码
红外遥控接收器的作用是将接到的红外发光遥控信号，经二次解调输出功能指令操作码，在送到微处理器去识别和处理。红外遥控信号通过红外滤光片后作用于红外光电二极管，红外光信号变成电信号。该信号经过放大器后在经过选频电路选频，然后经过检波电路取出调制信号，在经过施密特电路整形后，还原成代码波形，最后送给微处理器进行信息识别和处理。
解码的关键是如何识别“0”和“1”，由于接收代码是发射代码的反码，发射代码中“0”和“1”的高电平宽度相同，低电平宽度不同，所以，从位的定义我们可以发现接收代码中“0”、“1”均以0.56 ms的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同，“0”为0.56 ms，“1”为1.68 ms，所以必须根据高电平的宽度区别“0”和“1”。如果从0.56 ms低电平过后，开始延时，0.56 ms以后，若读到的电平为低，说明该位为“0”，反之则为“1”，为了可靠起见，延时必须比0.56 ms长些，但又不能超过1.12 ms，否则如果该位为―0‖，读到的已是下一位的高电平，因此取(1.12ms+0.56ms)/2=0.84ms最晚可靠，一般取0.84 ms左右均可。
2.2 红外系统硬件设计
红外遥控系统主要由遥控发射器、一体化接收头、单片机、接口电路组成。遥控器用来产生遥控编码脉冲，驱动红外发射管输出红外遥控信号，遥控接受他完成对遥控信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲。遥控编码脉冲是一组串行二进制码，对于一般的红外遥控系统，此串行码输入到微控制器，由其内部CPU完成对遥控指令解码，并执行相应的遥控功能。使用遥控器作为控制系统的输入，需要解决如下几个关键问题：如何接收红
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外遥控信号；如何识别红外遥控信号以及解码软件的设计、控制程序的设计。
2.2.1 整体设计思路与系统框架
课题所设计的这款红外遥控器，不仅能设置控制对象的给定值或控制参数，并通过红外线发送给对象，而且能接收并显示对象通过红外线反馈回的实际值，这是它不同于普通红外遥控器的地方。因此，实际应用中，红外遥控器和控制对象上都装有红外发送电路和红外接收电路。红外遥控器的硬件部分主要包括五个模块：电源模块、键盘模块、液晶模块、红外发送模块和红外接收模块。总体硬件框图如图2-3所示。由于MSP430、红外发送模块和红外接收模块都可采用3 V电源，所以电源模块采用两节1.5 V电池供电即可。键盘模块采用4×4行列扫描式键盘。液晶模块由MSP430直接驱动。
LCD1602液晶模块红外发送模块电源模块MSP430单片机键盘模块红外接收模块 图2-3 红外系统整体设计框图
2.2.2 红外接收电路设计
接收电路使用集成一体化红外接收头SM0038，SM0038对外只有3个引脚：VS、GND和1个脉冲信号输出引脚OUT。与单片机接口非常方便。VCC接电源(+5 V)并经电容进行滤波，以避免电源干扰；GND接系统的地线(0 V)；脉冲信号输出接CPU的中断输入引脚。采取这种连接方法，软件解码既可工作于查询方式，也可工作于中断方式。
2.2.3 红外发射电路设计
因为发光二极管的发光距离与其发射功率成正比，为了提高发光二极管的发光距离，必须提高它的发射功率，也就是使红外发光二极管工作于脉冲状态。可以用两种方法来实现：一是用硬件方法，即设计脉冲电路来产生占
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