[转载]红外多路遥控发射、接收系统设计

2012-06-26 08:20阅读：

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课题

一、学习要求：掌握红外多路发射、接收系统的设计与调试方法。
红外多路遥控发射、接收系统是以红外线为传送信息媒体的短距离无线控制系统，可对８个受控对象的工作状态进行遥控，适用于工业，型疗、家用电器等设备的开启或关闭控制，也可用于对一种设备的８种工作状态进行控制或两种设备的４种工作状态进行控制。
二、实验仪器

1.数字万用表 1台
2.双踪示波器

1台
3.直流稳压电源 1台

三、系统组成框图
红外多路遥控发射、接收系统组成框图如图2.18所示，各部分功能是：
●键盘及其代码产生电路产生表示控制信号的BCD代码。
●编码电路对控制信号代码和地址代码进行编码，并转换成串行发送数据。
●调制振荡电路产生频率约为40kHz的振荡信号，由发送的数据对其进行脉冲调制，形成发射信号。
●红外发射电路将发射信号放大，并转换成红外光信号。
●红外接收电路将接收到的红外光信号转换成电信号，并放大、解调出串行数据。
●解码电路将接收到的串行数据转换成控制代码。
●译码电路将控制代码译成控制信号。
●控制电路、对受控设备进行开／关控制。

四、主要技术指标
●遥控距离不小于3m，即红外遥控发射机与红外接收机之间的距离不小于3m，
●遥控路数 8路，即可对8个受控设备进行开关控制。
●工作频率 40kHz，即红外发射和接收的载频为40kHz。
●功能要求由一台红外发射机和一台红外接收机实现对8个受控设备的控制；每次发射只控制1个设备的开、关状态；用发光二极管的亮、暗表示设备的开、关状态。
五、电路设计
1．键盘及其代码产生电路设计
键盘及其代码产生电路的功能是产生8个控制信号，并将这8个控制信号进行BCD编码，形成控制代码，其电路如图2.19所示。图中S1~S8是按压式键盘开关，依次代表1~8路控制信号，开关按下有效。74HCl47与74LS04组成代码产生电路。若开关没被按下，则电阻R1~R8与Rlo~R17形成高电平。应大于3．5V。若某路开关被按下时，则该开关所连接的代码产生电路的输入端为低电平，并由电阻R9与二极管D1~D8形成的发射控制电平为低电平(0．7V)，送至编码电路，作为传输启动信号。74HCl47是10-4线优先编码器，其功能是将这10个输入信号分别编成10个BCD码。在这10个输入信号中优先级最高，的优先级最低。编码器的输出Yo—Y3是反码形式的BCD码，
74LS04对Yo～Y3取反后，则可得到BCD码。

2、编码电路设计
由集成电路MCl45026组成的编码电路如图2.20所示，虚线框内是MCl45026的内
部框图，外围器件RS、CTC、RTC决定编码器的时钟频率。图中，
●A1~A5是地址线，A6／D6 ~ A9／D9是地址数据复用线，即MCl45026可对9位并行输入数据进行编码，并在收到传输启动信号( )时，输出串行数据。
● 是传输启动信号输入端。当为低电平时，器件开始启动传输过程；为高电平时，器件完全被阻塞，无信号输出。
●Dout是数据输出端，依次送出经过编码的数据。
●RS、CTC、RTC是内部振荡器的外接元件，其参数决定振荡器的振荡频率。通常CTC、
Rs、RTC的取值为400pF< CTC <15μF，Rs =2RTC，Rs >20kΩ，RTC>10kΩ，振荡器的频率
ƒ=1／(2.3RTC CTC)，其取值范围为1kHz--40kHz。若频率超出此范围，精度将降低。
设振荡器频率为1.6 kHz, Rs=100 kΩ,则CTC=2700PF, RTC=50 kΩ

振荡器输出经4分频电路送至并／串转换电路作为时钟，将输入代码按A1~A5、A6／D6 ~ A9／D9的顺序移至三态编码器，对输入信号进行编码。编码器输出波形如图2.21所示，从图可知，编码器的输入为逻辑“0”(低电平)时，输出为两个窄脉冲；输入为逻辑“1”时，输出为两个宽脉冲；当输入为开路(高阻)时，输出为一个宽脉冲和一个窄脉冲。当为低电平时，MCl45026按以上编码规律将输入A1~A5、A6／D6 ~ A9／D9进行编码并输出串行数据。只要保持低电平，MCl45026可以连续不断地输出串行数据。图2.22是编码顺序图，两次．编码之间的间隙为24个振荡周期。为了红外接收机能可靠地接收信息(见解码电路设计)，每个数据字至少应发送两次。因此，图中启动信号的脉宽PWmin应大于两次发射所需的时间。
课题要求由1部接收机控制8个受控设备，即只需一个固定的地址码，因此将A1~A5接低电平。

3、脉码调制振荡电路设计

为了提高传输信号的抗干扰能力，还需将编码信号调制在较高频率的载波上发射，本课题要求载波频率为40kHz，故可采用CMOS门电路构成的脉冲调制振荡电路。当编码信号A为高电平时，振荡器工作，输出为载频信号；当编码信号为低电平时，振荡器不工作，输出为低电平。输出的编码调制信号波形如图2.23中的B所示。

脉码调制振荡电路参见脉冲调制／解调电路。课题要求载频为40kHz，取Ct = 680pF，则Rt = 16．7 kΩ，可将1个10 kΩ的电阻和1个10 kΩ的电位器串联使用。RS=10Rt =167 kΩ，取标称值Rs =160 kΩ。

4. 红外发射电路设计
图2.24是红外发射电路，由放大电路和红外发射管组成。图中，G3、G4为隔离级，其作用是减小发射时的大电流对振荡级的影响；T1、T2组成复合三级管，对发射信号进行电流放大，红外管MLED81的工作电流为(200~300)mA。流经发光二极管的电流，当G4输出为高电平VoH．时，T1、T2导通，红外管工作，当G4输出为低电平VoL时，T1、T2截止，红外管不工作。

5、红外接收电路设计
红外接收电路通常由一片专用集成电路和少量外围器件组成。目前此类专用集成电路很多，如NEC公司生产的9C1373、9C1490HA，夏普公司生产的IX0614CE、IX0986CE，索尼公司生产的BXl323、CX20106等。其中，CX20106是应用较为广泛的芯片之一，图2.25是由CX20106组成的红外接收电路。

红外接收管PH3028将光信号转换为电信号，从CX20106的①脚输入，经前置放大器、限幅放大器放大后送至带通滤波器，带通滤波器的中心频率与红外发射载波频率相同。检波器、积分器组成解调电路，对接收信号进行解调。施密特触发器对解调输出信号进行整形，从⑦脚输出，该输出为集电极开路电路，因此要接上拉电阻R3。
外围器件R1、C1的参数决定放大器的增益，当R1 = 4.7Ω，C1=IμF时，电压增益约为79dB，R1增大C1减小则会使增益降低。R2确定带通滤波器的中心频率，调节R2、使的变化范围为30kHz,~ 40kHz。C3是检波电容，一般取值为2.2μF~ 4.7μF。R3是上拉电阻，一般取值为lkΩ~3kΩ。图2.25是设计举例中调试完成后的红外接收实验电路。其各引脚对地的静态工作电压如下：
引脚 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
电压／V 2.5 2.5 1.5 0 1.4 1.0 0.2 5
各点波形如图2.26所示。

6．解码电路设计
解码电路的功能是将解调后的串行数据进行解码，使其成为BCD控制代码，并使控
制代码并行输出。MCl45027是与MCl45026配对使用的通用接收解码器，MCl45027的内部结构及其组成的解码电路如图2.27所示。图中数据提取电路的作用是判别和检测输入数据的特性；其外围电路中R1C1，组成的电路用来判定接收到的脉冲是窄脉冲还是宽脉冲，时间常数R1C1，应调整为1．72 编码器时钟
周期，即
R1C1=3.95RTcCTc
R2、C2组成的电路用来检测按接收到的末位信号，时间常数R2C2应等于33.5 编码器时钟周期，即
R2C2=77 RTcCTc
这个时间常数用来判定输入Din保留低电平的时间是否已达到4个数据周期，达到了则数据提取电路
将提取到的低电平信号送到控制逻辑电路，控制逻辑电路使有效传输输出端VT为低电平，此时传输
终止。

收到的串行数据从MCl45027的第⑨脚输入，经数据提取电路判别后与序列发生器产生的本地地址码一比特(bit)一比特地进行校验。如果第一次收到的地址码和本地地址码相符，则将紧接着收到的4位数据码储存在内部4bit移位寄存器中(不移到输出锁存器)。当第二次收到的地址码仍与本地地址码相符，则将新收到的数据码与上一次储存的数据码以比较，若两次相同则控制逻辑电路使有效传输输出端VT为高电平，4bit移位寄存中的数据码转移到输出锁存器，并且在输出锁存器保留，直到新的数据代替它。保留在锁存器的数据经缓冲器后输出，同时有效传输输出端VT保持高电平。若两次不相同或4个数据周期内没收到信号，则VT为低电平。
注意在发送端，MCl45026的地址信息和数据信息均可用三态码来表示，但在接收端，地址可置成三态地址，而数据中的“开路”将被译为1。因此数据信息必须是1或0。
7．译码与控制电路设计
译码电路是将解码器输出的4位二进制控制信号代码译为与发射端相应的8路控制电平。译码器
CC4028是4-10线译码器。它对于输入控制代码的任意一种状态，只有一路输出与其对应，输出有效状态为高电平。
根据课题要求，每路的控制为ON／OFF两种状态。若用1位二进制数来描述，则后一次的状态是前一次状态的加“1”。选择4个双D触发器CC4013，按照图2.28连接，则可实现对8路信号的状态进行控制，每收到一次信号，控制状态就转换一次。

六、系统调试与技术指标测量
1．红外发射机的调试
红外发射机的调试可按照控制代码→编码→脉码调制→红外发射的顺序进行调试。
调试控制代码形成电路即键盘及其代码产生电路(见图2.19)时，可依次固定第1路至第8路(74HCl47的的按键电平为低电平，用示波器依次测74LS04的输出Yo、Y1、Y2、Y3点的电平，应符合BCD码的逻辑电平）。
调试编码电路(见图2.20)时，应先将编码时钟频率调到设计值，可用频率计在MCl45026的⑿脚测试。然后按下第1路按键电平为S1(见图2.19)，用双踪示波器测MCl45026⑿脚的时钟波形和⒂脚输出波形，其波形应如图2.29所示。
调试脉码调制振荡电路，应先与编码输出断开，将载频调到设计值。再与编码输出相连接，使第1路按键为低电平，用示波器测其波形，应符合图2.23所示波形。

2．红外接收机的调试
红外接收机的调试应先调接收电路的增益和接收中心频率。从CX20106第①脚送人，频率为40kHz，峰峰值为0.2mV的信号(可将信号源输出分压)用示波器在第⑤脚测输出，其增益应大于70dB。保持信号源输出幅度不变，调节信号源频率在30kHz至50kHz之间变化，输出电压应在频率为40kHz点最大，否则调整R2使其在频率为40kHz时输出最大。
注意信号源输出、分压电路以及与电路的连线应尽可能短，以免引入干扰影响测量。
3．系统联调
系统在联调时，可先将编、解码电路进行有线联调，即将红外发射机编码器的输出(MCl45026的⒂脚)与红外接收机解码器的输入(MCl45027的⑨脚)直接相连，按各路按键，所对应的发光二极管能亮、灭转换。有线联调正确后，则可进行无线联调。
在无线联调时常见的故障是遥控距离较短，不满足要求，一般可通过增大红外管发射电流，或将几个红外发射管串联发射等增强红外发射光的方法来解决：也可以使几个红外接收管并联接收，以提高接收灵敏度。还可以将红外发射管和红外接收管均放人黑盒屏蔽,仅在发射和接收处开个小窗口，这样可消除杂散红外光的干扰，使有用信号增强。
引起遥控距离较短的原因还有可能是，发射的载波频率与接收机带通滤波器的中心频率不一致。可试着微调发射载波的频率，观察遥控距离的变化，使系统达到最佳工作状态。
实验用元器件清单：

耗材名称	数量	耗材名称	数量
轻触开关	9个	4.7欧	1个
74HC147	1个	2.2K	1个
74LS04	1个	10欧	1个
MC145026	1个	50K	1个
MC145027	1个	二三极管4007	8个
红外接收头(9900封装)	1个	红外发光管MLED81	1个
CD4011	1个	红外接收管PH3028	1个
CX20106	1个	9013	2个
CD4028	1个	发光二极管	8个
精密10K	1个	2700pF	1个
1K	10个	680pF	1个
2K	2个	1uF	1个
10uF	4个	3.3uF	1个
10K	9个	330pF	1个
20K	8个	0.1uF	1个
100K	5个	0.01uF	1个
43K	1个	100欧	1个
160K	1个	面包板	2块
16.7K	1个	线铜线	6米
200K	2个

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