一種多路紅外遙控系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)和實(shí)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(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?，在工業(yè)自動(dòng)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(duì)抗、環(huán)境監(jiān)測(cè)、紅外育種安全防范、家用電器控制及日常生活各個(gè)方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況，可見紅外遙控系統(tǒng)是我國(guó)未來智能化發(fā)展方向。本課題要設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)具有傳輸距離一般、硬件簡(jiǎn)單、安裝方便、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。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(jiǎn)單，功能完善。

本文設(shè)計(jì)的多路遙控系統(tǒng)主要針對(duì)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(diǎn)是一改傳統(tǒng)鍵盤控制電路設(shè)計(jì)往往以總線方式外接8155、8255或8279芯片來擴(kuò)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(cè)接口芯片MC33993與價(jià)格低廉的單片機(jī)芯片AT89C2051實(shí)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(dòng)MOSFET/LED之功能，再次采用MC33993與AT89C2051實(shí)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(shí)有利于實(shí)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(jì)和軟件設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)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(zhǎng)范圍為0.01um~1000um.根據(jù)波長(zhǎng)的不同可分為可見光和不可見光，波長(zhǎng)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(zhǎng)為0.76um~1000um的光波為紅外光（線）。紅外光按波長(zhǎng)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(zhǎng)為0.76um~1.5um.用近紅外作為遙控光源，是因?yàn)槟壳凹t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(zhǎng)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(duì)輸入控制指令信號(hào)進(jìn)行掃描、產(chǎn)生遙控編碼脈沖、驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號(hào)。紅外遙控接收電路的功能是接收紅外遙控信號(hào)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(jìn)制碼，對(duì)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(hào)，由輸出控制電路去執(zhí)行相應(yīng)的遙控功能。

2 紅外遙控發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

整個(gè)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(jì)

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(cè)接口集成電路MC33993設(shè)計(jì)的，它可檢測(cè)多達(dá)22路開關(guān)量輸入信號(hào)，并可將檢測(cè)到的多路開關(guān)的狀態(tài)（三態(tài)）信號(hào)通過該芯片的SPI（串行外圍接口）傳送給單片機(jī)。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(hào)，模擬輸入信號(hào)經(jīng)緩沖器緩沖后由模擬多路開關(guān)輸出以供單片機(jī)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(dòng)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(cè)功能。MC33993與單片機(jī)AT89C2051的接口電路設(shè)計(jì)（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(gè)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(shí)MC33993等處于睡眠模式。遙控指令的檢測(cè)工作原理是這樣的：首先單片機(jī)通過與MC33993的SPI口的通信對(duì)MC33993進(jìn)行初始化，將MC33993的22個(gè)檢測(cè)輸入口全部設(shè)置為高電平。當(dāng)有鍵盤按下時(shí)，MC33993可被喚醒，即可向單片機(jī)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，單片機(jī)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(gè)6比特?cái)?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(duì)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(jì)

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(jī)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(jī)的P3.7控制。OSC1與OSC2外接振蕩電阻，決定電路時(shí)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(dòng)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(gè)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(jì)

3.1紅外接收及其解碼電路的設(shè)計(jì)

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(duì)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(hào)自Din輸入，振蕩器電阻選為1M?贅。當(dāng)接收到有效信號(hào)時(shí)，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(hào)時(shí)，經(jīng)內(nèi)部電路處理輸出給HX2272解碼芯片；在HX2272對(duì)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(jī)INT0中斷口一個(gè)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(jī)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(hào)給MC33993,利用MC33993的22個(gè)可編程開關(guān)檢測(cè)口驅(qū)動(dòng)MOSFET/LED的功能去控制三端雙向可控硅的光絕緣驅(qū)動(dòng)電路MC3021.AT89C2051與MC33993的接口如圖3所示。

3.2 遙控輸出電路設(shè)計(jì)

由于本多路遙控系統(tǒng)主要是針對(duì)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(duì)象大都是220V交流負(fù)載。首先AT89C2051對(duì)MC33993進(jìn)行初始化，將MC33993的所有的開關(guān)檢測(cè)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(duì)應(yīng)的控制信號(hào)給MC33993,使MC33993相應(yīng)的端口為可控硅光絕緣驅(qū)動(dòng)器MC3021的輸入發(fā)光二極管提供驅(qū)動(dòng)電流，然后MC3021驅(qū)動(dòng)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(shí)，AT89C2051輸出控制信號(hào)取反，使MC33993相應(yīng)的端口斷開，不再為可控硅光絕緣驅(qū)動(dòng)器MC3021的輸入發(fā)光二極管提供驅(qū)動(dòng)電流，BT136喪失了MC3021的驅(qū)動(dòng)，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(shí)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(jiǎn)潔的電路設(shè)計(jì)，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(duì)象的能力，所以，在設(shè)計(jì)家用電器的紅外線遙控器時(shí)，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(huì)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(huì)出現(xiàn)遙控信號(hào)"串門"的情況。