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38kHz 红外发射与接收

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38kHz 红外发射与接收
    红外线遥控器在家用电器和工业控制系统中已得到广泛应用，了解他们的工作原理和性能、进一步自制红外遥控系统，也并非难事。

    1.红外线的特点
    人的眼睛能看到的可见光，若按波长排列，依次（从长到短）为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，如图1所示。

    由图可见，红光的波长范围为0.62μm～0.76μm，比红光波长还长的光叫红外线。红外线遥控器就是利用波长0.76μm～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。
     红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。电路调试简单，若对发射信号进行编码，可实现多路红外遥控功能。

2.红外线发射和接收

      人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是可见光，如图2所示。

      常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通φ5mm发光二极管相同，只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。单只红外发光二极管的发射功率约100mW。红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定，而业余条件下，只能凭经验用拉距法进行粗略判定。
      接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现在不论是业余制作或正式的产品，大都采用成品的一体化接收头，如图3所示。红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定、可靠。所以，有了一体化接收头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高。 

     图3是常用两种红外接收头的外形，均有三只引脚，即电源正VDD、电源负(GND)和数据输出(Out)。接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，图3列出了因接收头的外形不同而引脚的区别。
      红外接收头的主要参数如下：
      工作电压：4.8～5.3V
      工作电流：1.7～2.7mA
      接收频率：38kHz
      峰值波长：980nm
      静态输出：高电平
      输出低电平：≤0.4V
      输出高电平：接近工作电压

3．红外线遥控发射电路

      红外线遥控发射电路框图如图4所示。

      框图4是目前所有红外遥控器发射电路的功能组成，其中的编码器即调制信号，按遥控器用途的编码方式可以很简单、也可以很复杂。例如用于电视机、VCD、DVD和组合音响的遥控发射的编码器，因其控制功能多达50种以上，此时的编码器均采用专用的红外线编码协议进行严格的编程，然而对控制功能少的红外遥控器，其编码器是简单而灵活。前者编码器是由生产厂家的专业人员按红外遥控协议进行编码，而后者适用于一般电子技术人员和电子爱好者的编码。图4中的38kHz振荡器即载波信号比较简单，但专业用的和业余用的也有区别，专业用的振荡器采用了晶振，而后者一般是RC振荡器。例如彩电红外遥控器上的发射端用了455kHz的晶振，是经过整数分频的，分频系数为12，即455kHz÷12=37.9kHz。当然也有一些工业用的遥控系统，采用36kHz、40kHz或56kHz等的载波信号。
      因红外遥控器的控制距离约10米远，要达到这个指标，其发射的载波频率(38kHz)要求十分稳定，而非专业用的RC(38kHz)载波频率稳定性差，往往偏离38kHz甚至很远，这就大大缩短了遥控器的控制距离。因晶振频率十分稳定，所以专业厂家的遥控器全部采用晶振的38kHz作遥控器的载波发送信号。
      图4中编码器的编码信号对38kHz的载波信号进行调制，再经红外发射管D向空间发送信号供遥控接收端一体化接收头接收、解调输出、再作处理。

      利用红外线的特点，可以制作多路遥控器。在遥控发射电路中，有两种电路，即编码器和38kHz载波信号发生器。在不需要多路控制的应用电路中，可以使用常规集成电路组成路数不多的红外遥控发射和接收电路，该电路无需使用较复杂的专用编译码器，因此制作容易。

4.频分制编码的遥控发射器

      在红外发射端利用专用(彩电、VCD、DVD等)的红外编码通讯协议作编码器，对一般电子技术人员或业余爱好者来说，是难于实现的，但对路数不多的遥控发射电路，可以采用频分制的方法制作编码器，而对一路的遥控电路，还可以不用编码器，直接发射38kHz红外信号，即可达到控制的目的。

       图5是一种一路的红外遥控发射电路，在该电路中，使用了一片ICl高速CMOS型4-2输入的“与非”门74HC00集成电路，组成低频振荡器作编码信号(f1)，用IC2 555电路作载波振荡器，振荡频率为f0(38kHz)。f1对f0进行调制，所以IC2的③脚的波形是断续的载波，该载波经红外发光二极管发送到空间。电路中的关键点A、B、B’波形如图2所示，其中B’是未调制的波形。

       在图5中，选用了555电路作载波振荡器，其目的是说明电路的调制工作原理，即利用大家熟悉的555产生38kHz方波信号，再利用555的复位端④脚作调制端，即当④脚为高电平时，555是常规的方波振荡器；当④脚为低电平时，555的③脚处于低电平。④脚的调制信号是由ICl的与非门的低频振荡器而获得。
      在实际应用中，遥控发射器是3V电池供电，为此只需把555电路ICl剩余的两个与非门组成的38kHz取而代之，如图7所示。

     注意：这里未引用CMOS 4-2输入的“与非”门CD4011作图5电路中的编码器和载波发生器，是因为CD4011作振荡产生方波信号时，属于模拟信号的应用。为了保证电路可靠起振，其工作电压需4.5V以上，而74HC00的CMOS集成电路的最低工作电压为2V，所以使用3V电源，完全可以可靠的工作。

5．遥控接收解调电路

      图8为红外接收解调控制电路，图8中IC2是LM567LM567是一种锁相环集成电路，采用8脚双列直插塑封装，工作电压为+4.75～+9V，工作频率从直流到500kHz，静态电流约8mA。⑧脚为输出端，静态时为高电平，是由内部的集电极开路的三极管构成，允许最大灌电流为100mA。鉴于LM567的内部电路较复杂，这里仅介绍该电路的基本功能。

   LM567的⑤、⑥脚外接的电阻(R3+RP)和电容C4，决定了内部压控振荡器的中心频率f01，f01=1/1.1RC，①、②脚接的电容C3、C4到地，形成滤波网络，其中②脚的电容C2，决定锁相环路的捕捉带宽，电容值越大，环路带宽越窄。①脚接的电容C3为②脚的2倍以上为好。
      弄清了LM567的基本组成后，再来分析图8电路的工作过程。

ICl是红外接收头，它接收图1发出的红外线信号，接收的调制载波频率仍为38kHz，接收信号经ICl解调后，在其输出端OUT输出频率为f1(见图2)的方波信号，只要将LM567的中心频率f01调到(用RP)与发射端f1(见图2)相同，即f01=fl，则当发射端发射时，LM567开始工作，⑧脚由高电平变为低电平，该低电平使三极管8550导通，在A点输出开关信号驱动D触发锁存器，再由它驱动各种开关电路工作。这样，只要按一下图1电路的微动开关K，即发射红外线，接收电路图4即可输出开关信号开通控制电路，再按一下开关K，控制开关信号关闭，这就完成了完整的控制功能。

6. 小结   

      利用图5和图8的电路，可以实现多路遥控器，即在发射端，将ICl组成的低频振荡器，其电路模式不变，只改变电阻R2，即可构成若干种R组成的多个频率不同的低频振荡器(即编码)，利用微动开关转接，38kHz的载波电路共用；在接收电路中，一体化红外接收头共用，再设置与接收端编码器相同个数的LM567锁相器和后级锁相驱动控制电路，各锁相环的振荡频率与各编码器的低频编码信号的频率对应相等。这样发射端(图5)按压不同的按钮，载波信号接入不同频率编码的调制信号时，在接收端(图8)，各对应的LM567的⑧脚的电平会发生变化，从而形成多路控制信号。上述所述的工作方式，称为频分制的编码方式。这种频分制工作方式，其优点是可实现多路控制，但缺点是电路复杂，对于路数不多的控制电路，因电路工作原理简单，对一般电子技术人员仍然是有用的。 

光谱位于红色光之外， 波长为0.76～1.5μm，比红色光的波长还长，这样的光被称为红外线。
红外遥控是利用红外线进行传递信息的一种控制系统，红外遥控具有抗干扰，电路简单，编码
及解码容易，功耗小，成本低的优点，目前几乎所有的视频和音频设备都支持这种控制方式。

一、红外遥控系统结构
红外遥控系统主要分为调制、发射和接收三部分，如图1 所示：

图1 红外遥控系统

1.调制

红外遥控发射数据时采用调制的方式，即把数据和一定频率的载波进行“与”操作，这样可以提高发射效率和降低电源
功耗。

调制载波频率一般在30khz到60khz之间，大多数使用的是38kHz，占空比1/3的方波，如图2所示，这是由发射端所使用的
455kHz晶振决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz÷12≈37.9 kHz≈38kHz。

图2 载波波形

1.发射系统

目前有很多种芯片可以实现红外发射，可以根据选择发出不同种类的编码。由于发射系统一般用电池供电，这就要求芯片
的功耗要很低，芯片大多都设计成可以处于休眠状态，当有按键按下时才工作，这样可以降低功耗芯片所用的晶振应该有
足够的耐物理撞击能力，不能选用普通的石英晶体，一般是选用陶瓷共鸣器，陶瓷共鸣器准确性没有石英晶体高，但通常
一点误差可以忽略不计。

红外线通过红外发光二极管(LED)发射出去，红外发光二极管内部材料和普通发光二极管不同，在其两端施加一定电压时，
它发出的是红外线而不是可见光。

图3a 简单驱动电路                        图3b 射击输出驱动电路

如图3a和图3b是LED的驱动电路，图3a是最简单电路， 选用元件时要注意三极管的开关速度要快，还要考虑到LED的正向
电流和反向漏电流，一般流过LED的最大正向电流为100mA，电流越大，其发射的波形强度越大。

图3a电路有一点缺陷，当电池电压下降时，流过LED的电流会降低，发射波形强度降低，遥控距离就会变小。图3b所示的
射极输出电路可以解决这个问题，两个二极管把三级管基极电压钳位在1.2V左右，因此三级管发射极电压固定在0.6V左右，
发射极电流IE基本不变，根据IE≈IC,所以流过LED的电流也基本不变，这样保证了当电池电压降低时还可以保证一定的遥控距离。

1．一体化红外接收头
   红外信号收发系统的典型电路如图１所示，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。

内部电路包括红外监测二极管，放大器，限副器，带通滤波器，积分电路，比较器等。红外监测二极管监测到红外信号，
然后把信号送到放大器和限幅器，限幅器把脉冲幅度控制在一定的水平，而不论红外发射器和接收器的距离远近。交流
信号进入带通滤波器，带通滤波器可以通过30khz到60khz的负载波，通过解调电路和积分电路进入比较器，比较器输出
高低电平，还原出发射端的信号波形。注意输出的高低电平和发射端是反相的，这样的目的是为了提高接收的灵敏度。
一体化红外接收头，如图5所示：

图5 红外接收头
    红外接收头的种类很多，引脚定义也不相同，一般都有三个引脚，包括供电脚，接地和信号输出脚。根据发射端调制
载波的不同应选用相应解调频率的接收头。

     红外接收头内部放大器的增益很大，很容易引起干扰，因此在接收头的供电脚上须加上滤波电容，一般在22uf以上。
有的厂家建议在供电脚和电源之间接入330欧电阻，进一步降低电源干扰。

    红外发射器可从遥控器厂家定制，也可以自己用单片机的PWM产生，推荐使用超小封装(TSSOP20)的STC12C4052AD
或STC12C5406AD,可产生37.91KHz的PWM, PWM占空比设置为1/3, 通过简单的定时中断开关PWM, 即可产生发射波形。

    接收部分电路和程序比较简单，这里不一一赘述。
红外遥控解码程序
红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。由于红外线遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
1 红外遥控系统
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作。发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。
2 遥控发射器及其编码
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0.565ms、间隔0.56ms、周期为1.125ms的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0.565ms、间隔1.685ms、周期为2.25ms的组合表示二进制的“1”。
UPD6121G产生的遥控编码是连续的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。该芯片的用户识别码固定为十六进制01H；后16位为8位操作码（功能码）及其反码。UPD6121G最多额128种不同组合的编码。
遥控器在按键按下后，周期性地发出同一种32位二进制码，周期约为108ms。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45～63ms之间。
当一个键按下超过36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组108ms的编码脉冲,这108ms发射代码由一个起始码（9ms）,一个结果码（4.5ms）,低8位地址码（9ms~18ms）,高8位地址码（9ms~18ms）,8位数据码（9ms~18ms）和这8位数据的反码（9ms~18ms）组成。如果键按下超过108ms仍未松开，接下来发射的代码（连发代码）将仅由起始码（9ms）和结束码（2.5ms）组成。
3接收器及解码
一体化红外线接收器是一种集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接收到输出与TTL电平信号兼容的所有工作，而体积和普通的塑封三极管大小一样，它适合于各种红外线遥控和红外线数据传输。
红外一开始发送一段13.5ms的引导码，引导码由9ms的高电平和4.5ms的低电平组成，跟着引导码是系统码，系统反码，按键码，按键反码，如果按着键不放，则遥控器则发送一段重复码，重复码由9ms的高电平，2.25ms的低电平，跟着是一个短脉冲，本程序经过试用，能解大部分遥控器的编码！
//串口通信程序
//向pc串口发送数据
//pc端使用 超级终端 建立连接
//9600 8位数据 1位停止
#include
#include
#include "uart0.h"
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
uchar irr_b=0,s_s=0;
uchar wb=0,a=0,ds=0;
long da=0;
uchar d1,d2,d3,d4;
uchar ten_1,ten_2,ten_3,ten_4,i;

void ms(uint aa)
{
    for(aa>0;aa--);
}
void write_cn(uchar *cn,uchar cn_nub)
{
   uchar i;
   for(i=0;i<(cn_nub);i++)
{
   uart_tx(cn[i]);       //发送数据i
   PORTA=i;
   ms(60000);
}
}
//定时器T1初始化
void t1_init()
{
    TCCR1B=0x00;   //关闭定时器
    TCNT1H=0x00;   //定时器初值
    TCNT1L=0x00;
    TCCR1A=0x00;   //普通模式
    TCCR1B=0x05;   //1024分频
}
#pragma interrupt_handler ext_int0_isr:2 //指定外部中断函数
//中断接收
void ext_int0_isr(void)
{
   if(irr_b==0)        //第一个中断
   {
      irr_b=1;         //状态为：开始接收
      TCNT1L=0x00;     //定时器清零
   }
   else if(irr_b==1)   //第二个以后的中断
   {
      a=TCNT1L;        //读取定时器的值
      //判断是引导，还是数据
      if((170 if((25信的程序
//计算机端使用超级终端，建立一个连接，9600，8位，1个停止位
void main()
{
    uchar i=0,rx_temp;
    init_devices();    //串行口初始化  
    DDRA=0xff;
    PORTA=0x00;
DDRB=0xff;
DDRD=0x00;         //中断输入
PORTD=0xff;        //内部上拉
t1_init();         //定时器t1初始化
MCUCR = 0x02;      //下降沿中断
GICR = 0x40;      //开外部中断int_0
TIMSK 0x00;     
SREG=0x80;         //开全局中断
s_s=1;             //开机进行一次显
ms(3000);

write_cn("开始红外实验\r\n",14);
while(1){
   ds=TCNT1L;
   if(ds>250)     //定时器超时，接收复位
   {
   TCNT1L=0;
      irr_b=0;
      da=0;
         wb=0;
         s_s=0;
   }
   if(s_s==1)     //显示开关打开，开始显示
   {
      SREG=0x00;     //关闭全局中断
      //显示设备码
      d1=da>>24;
    write_cn(&d1,1);
      d1=da>>16;
    write_cn(&d1,1);
      d1=da>>8;
    write_cn(&d1,1);
      d1=da;
    write_cn(&d1,1);

      DDRD=0x00;    //中断输入
         PORTD=0xff;   //内部上拉
      s_s=0;        //关闭显示开关
      SREG=0x80;    //开全局中断
       }
}
}

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