红外遥控开关的设计与实现.doc

电子电路实验3
综合设计总结报告
题目：红外遥控开关的设计与实现
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一、 摘 要
随着科学技术的发展，各种电器，如电视机、DVD、加湿器等都用红外遥控器进行控制，使用起来不够方便，而且浪费资源。本实验江设计一套通用新的红外遥控装置来对家电进行控制。
红外光是波长介乎微波与可见光之间的电磁波,其波长比红外光长的非可见光.
红外遥控器原理比较简单。通过遥控器里红外发射管把控制信号转换成不可见的红外线发射出去。被遥控电器里的红外线接收头接受红外线后,转成控制信号来控制电器。红外遥控系统主要分为调制、发射和接收三部分.
调制：红外遥控发射数据时采用的调制方式即把数据和一定频率的载波进行与操作，这样可以提高法神效率和降低电源功耗.调制载波频率一般为30kHz-60kHz之间。大多数使用38kHz占空比为1/3的方波.
发射系统：目前有许多芯片实现红外发射，可以根据不同的选择，发出不同种类的编码.犹豫发射系统一般不提供电池供电，要求芯片功耗要低，芯片 大多数都设计成处于休眠状态。党有案件按下时才工作，这样可降低功耗.
新片所用金针应该有足够耐物理撞击的能力不能选用普通石英晶体.一般选用陶瓷共鸣器.红外线通过红外发光二极管发射出去,一般最大正向电流为100mA，电流越大其发射波形强度越大。
接收：红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中，成为一体化红外接收头。
二、设计任务
2.1 设计选题
选题三 红外遥控开关的设计实现
2。2 设计任务要求
设计制作一款双路红外遥控开关，能够分别遥控两路负载，可用于控制灯具,电风扇，加湿器等常用家具电器。作用距离大于2cm.红外光峰值辐照度不得小于40μW/cm²。指向性要求：圆椎角不小于30°。欠压条件下的红外光峰值幅照度:遥控器所用电源电压为额定工作电压的80%时，遥控器的红外光峰值辐照度不小于20μW/cm²。指向性要求圆椎角不小于30°.静态工作电流不大于3μA
三、方案设计与论证
方案一：
红外遥控系统一般分发射和接收两个部分,发射部分的主要元件为红外发光二极管，接收部分的红外接收管是一种光敏二极管,如果需要其具有加密功能,这就需要使用锁相环路。
（1）发射器电路由3V电源供电。低频信号、40KHZ的载波形成皆用与非门加外部元件实现,具有较高的稳定性,这部分电路用到了一个与非门集成电路。
（2）接收器电路又有几部分组成。使用了LM567集成块实现锁相环加密功能,用双稳态电路对继电器进行控制，利用继电器的开关对负载实现控制。
总体框图：
发射部分：
红外发射
调制放大
振荡器

接收部分：
红外接收
继电器
信号放大

方案二：
用单片机制作一个红外电器遥控器，可以分别控制5个电器的电源开关。
红外发射部分：

单
片
机
按键
控制
红外
发射

图1.3方案三红外发射部分示意图
当按下遥控按钮时，单片机产生相应的控制脉冲，由红外发光二极管发射出去。
红外接收部分：

单
片
机
显示
红外接收
受控电器电源开关

图1.4方案三红外接收部分示意图
当红外接收器接收到控制脉冲后，经单片机处理由显示设备显示出当前受控电器的序号。
方案比较
综上所述通过比较两套方案，方案一未采用单片机控制，功能单一，但是技术难度低，实际操作更简单，而且元件成本低；方案二的红外线发射/接收控制电路采用单片机来实现，电路简单，但是对于单片机相关水平要求高，且设备元件成本高。故选择方案一来实现设计目的。
四、电路单元参数的选定和设计实现
4.1 接收电路的设计
红外发射电路由1KHZ音频振荡器，3KHZ音频振荡器，40KHZ载波振荡器和驱动输出电路组成如图2所示.1KHZ音频振荡器由四与非门集成电路IC1（D1-D4）内部的D1和电阻器R1、R2、电位器RP1、控制按钮S1组成.3KHZ音频振荡器由IC1内部的D2和电阻器R3电位器RP2、电容器C1，控制按钮S2组成。40KHZ载波振荡器由IC1内部的D3、D4和电阻器R4、R5、电容器C2组成。驱动输出电路由电阻器R6、晶体管V1和红外发光二极管VL组成。
当按下红外发射电路中的控制按钮S1时，1KHZ音频振荡器振荡工作，产生1KHZ的指令信号,该信号经40KHZ载波振荡器调制后，通过V1驱动VL发射出红外光信号。
当按下红外发射电路中的控制按钮S2时，3KHZ音频振荡器振荡工作，产生3KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后，通过V1驱动VL发射出红外光信号

本实验中，四与非门电集成电路选用CD4011搭建。上亮图为CD4011芯片的功能图和引脚图.在焊接发射电路时，将D1的两个输入分配到1、2管脚，输出为3管脚；D2的两个输入为5、6管脚，输出为4管脚；D3的两个输入为8、9管脚，输出为10管脚；D4的两个输入为12、13管脚，输出为11管脚。由于VDD的电压范围为-0.5V~18V,而发射电路中已有的电源为3V,故取VDD=3。0V方便搭建电路，Vss管脚为接地管脚。
4.2 接收与控制电路的设计
红外接收控制电路由红外线接收头IC2、音频译码器、反相器、双稳态触发器（A1、A2)和控制执行电路组成，如图所示。
音频译码器由音频锁相环集成电路IC3、IC4和外围阻容元件组成。反相器由晶体管V2、V3和电阻器R8—R10、R13—R15组成。双稳态触发器由双D触发器集成电路IC5（A1、A2）担任.控制执行电路由电阻器R11、R16、晶体管V4、V5和继电器K1、K2组成.
当按下红外发射电路中的控制按钮S1时,1KHZ音频振荡器振荡工作，产生1KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后，通过V1驱动VL发射出红外光信号。
红外接收头IC2接收到VL发射出的红外指令信号并对其进行放大和解调处理，解调后的指令信号经IC3译码、V2反相后去触发双稳态触发器A1，使A1翻转，V4饱和导通,K1吸合，其常开触头闭合，将第一路负载的工作电源接通。再按动一下S1，A1又翻转为另一种稳态，使V4截止，K1释放，第一路负载的工作电源被K1的常开触头切断。
当按下红外发射电路中的控制按钮S2时，3KHZ音频振荡器振荡工作，产生3KHZ的指令信号，该信号经40KHZ载波振荡器调制后,通过V1驱动VL发射出红外光信号.
IC2将接收到的红外光信号进行放大和解调处理后，得到解调后的指令信号，该信号经IC4译码，V3反相后使A2翻转,V5饱和导通，K2吸合，其常开触头接通,使第二路负载运行工作。再次按动S2后,则A2翻转为第一种状态,使V5截止，K2释放,第二路负载的工作电源被K2的常开触头切断。
调RP1和RP2可分别改变1KHZ音频振荡器和3KHZ音频振荡器的工作频率，从而改变遥控的灵敏度。调试时按S1调RP1使K1动作，按S2调RP2使K2动作。
在本次实验中,双D触发器集成电路选用CD4013,上图为CD4013功能引脚图。焊接中,F/F1的管脚对应电路图中的A1，F/F2对应A2。
4。3 锁相环电路
LM567是一个锁相环集成电路，内部包含了相位比较器、压控振荡器，正交相位检测器以及放大等功能，结合少量的外接元件能完成红外遥控的锁相环加密功能。它采用8脚双列直插塑封，其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄.①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。⑧脚是逻辑输出端,其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA.LM567的工作电压为4.75~9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号;如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。
LM567内部集成电路
LM567的引脚图
而音频锁相环集成电路选用LM567搭建。上图为LM567的引脚图。与电路中一一对应焊接即可。
4。4一体化红外接收
接收部本次实验选用了SFH506—38实现。经实验测得其3个管脚以此为：受光面向外，管脚从左到右依次为out，Vss,Vcc.
由于本次实验使用的一体化接收头电压最大不能超过5V，而CD4013芯片供电电压为12V，故需另行分压,我们选择3个20K的电阻串联分压,分压之后红外接收头处电压大约为4V左右，可以正常工作，符合要求。
图4系统软件程序流程图
五、装调测试过程
5.1 测试仪器
（1)示波器；TDS3502B 500MHz （2）电源：EM1712 DC
5.2 输入电路部分电路测试
1kHz输出波形
3kHz输出波形
使用示波器观察输入到CD4011中的两个波形，正常工作状态时是1。KHz和3kHz的方波信号。在此次实验中，由于元件本身的误差问题，使用原理图中电路参数无法利用变阻器将频率调节到正常状态，于是调整了电路参数，将发射电路中R2由20K改为330K；R3由10K改为100K；而C1由0.33μ改为100pf,使得CD40113管脚与4管脚处输入波形符合要求为1kHz和3kHz。
(注：由于时间问题等，本次实验不成功，电路其它问题没有解决，故只附上检测无误的电路部分检测波形图）
六、实验注意事项及主要可能故障分析
本次实验中未能完成全部任务,所做作品仍有不少问题存在，由于时间的问题没能解决。实验过程中也出现过许多问题。
发射电路的输入频率调节问题，最后确认电路无误之后选择修改参数最终得到解决。但是仍有另一个问题就是CD4011芯片输出的波形不是经过调制的波形，个人认为应该是由于芯片造成的结果，由于开始资料信息收集不足在供电上出现过问题，可能对芯片有造成损坏，导致最后的调制波形未能出现。
接收电路中也有一些问题，如一开始出现过短路情况，最后排查电路之后发现由于焊接的过程中基本使用焊锡布线，可能导致电路版过热，在某些地方焊接的时候，使得附近使用细线跨线的地方线外部熔破导致裸露和接触短路。在认真检查电路之后更换了两根线，然后电路没有再出现短路情况.在使用遥控器检测之后，显示接收装置安装完好，音频锁相环电路也检测完好之后，仍然最终安装上继电器无法实现设计目的，个人经过反复排查电路，检测电阻电压确认电路无误之后，认为可能是由于前期有过短路情况导致电路中一些部件可能出现了损坏，而且在电路通电之后芯片会出现发热略微严重的情况。
由于时间限制，未能在规定的时间内完成设计任务，没能排查并解决所有问题导致本次实验并不成功。但是我仍然有了不少收获。首先是电路的焊接，经过焊接发射电路与接收电路的过程,基本掌握了电路焊接的方法和能力,知道在使用电路图焊接电路之前先自行设计好焊接元件的排布，然后再进行焊接，并且先焊接管脚较多较复杂的元件。其次是电路鼓掌的排查,比如检查电路的焊接是否有误，使用万用表检查出现短路的可能情况，发射电路无法达到正常频率时检测是否是元件问题，并进行相应的调整等。同时也了解并认识了红外发射电路与接收电路的工作原理，认识了各个原件的 工作情况。了解了几种常用的元器件的工作情况和焊接时的引脚问题以及使用的时候的注意事项。
综上所述，本次实验不仅是锻炼了动手操作能力和解决问题的能力，也学到了相关的不少知识和技能，对本人产生了非常重要的影响。再次诚挚的感谢指导老师的耐心指导和帮助。
七、参考文献
[1］ 康华光.电子技术基础(数字部分)［Ｍ］第五版.北京：高等教育出版社，2006
[2］ 洪志良。模拟集成电路的分析与设计［Ｍ］北京：科学出版社，2005
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[4] 王玉萍， 邵锋.电工电子实验报告[Ｍ］河南:河南科技学院出版社，2006
[5］ 余小平。电子系统设计基础篇［Ｍ]北京：北京航天大学出版社,2007
附录1 系统电路图
发射电路电路图
接收电路电路图
附录2 元器件清单
元件种类
元件规格
数量
电阻
10KΩ
8
20KΩ
3
30KΩ
1
100KΩ
4
电容
1000p
1
0。33μf
1
100μf
2
0.1μf
3
0。033μf
2
1μf
2
电位器
47kΩ
2
红外发射管

1
三极管
9013
3
8050
2
红外接收头
SFH506—38
1
音频锁相环
LM567
2
四与非门电路
CD4011
1
双D触发器
CD4013
1
微型开关

2
12V直流继电器

2
插座
DIP8
2
DIP14
2
电路板

2
附录3实物照片
实验焊接实物图
上图为实拍焊接之后的电路版图片。