基于单片机的红外音频信号发射遥控系统的设计与研究

摘要:红外线音频信号发射系统，是以红外线作为载波光源，把声音调变在载波中，通过空气从发射端传送至接收端的过程。本系统采用调频的方式来做调变，它比振幅调变及相位调变的讯噪比高、失真度低、受环境干扰程度低，又比脉波码调变来的经济。发射光源选取红外光优点则在于不容易被其他电器干扰，保密性能好，无接线、不怕阻隔。

Abstract: The infrared audio signal emission system is the process that takes infrared ray as the carrier wave light source, makes the voice modulate carrier wave, and transmits from the launch to the receiving end. Compared to amplitude modulation and phase modulation, the system uses the FM ways to do it, which has high signal-to-noise ratio, low distortion degree and environmental interference degree, and much economy than pulse code modulation. The advantage of selecting infrared emission source lies in strong anti-interference, good confidential performance, non-connection, and compatible barrier.

关键词：红外线；信号发射；遥控接收；锁相环

Key words: infrared ray；signal emission；remote control receiving；phase-locked loop

中图分类号：TP872文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）24-0134-03

0引言

红外遥控是目前使用最为广泛的一种通信和遥控手段。红外装置具有体积小、微功耗、功能强、线路简单、保密性好、成本低等特点。一般的红外遥控系统是由红外遥控信号编码发送器(编码芯片或者单片机)、载波振荡器、红外遥控信号接收器和编码器(解码芯片或者单片机)及其他外围电路等部分组成。

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进行控制操作。本文主要针对发射部分进行设计与分析，发射部分包括键盘矩阵、编码电路、调制与驱动电路、LED发射电路等。这里，研究一种基于单片机的红外线音频信号发射遥控系统，可以适用于比较复杂的场合。

1系统描述

2红外线遥控概述及应用

红外遥控是指利用红外线（又称红外光）来传递控制信号，实现对控制对象的远距离控制目的。具体来讲，就是由发射器发出红外线指令信号，由接收机接收下来并对信号进行处理，最后实现对控制对象的各种功能的远距离控制。

随着红外光电器的大量出现，红外遥控己广泛应用在家用电器、安全保卫、工业控制以及人们的日常生活等许多领域。特别是在家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中的应用就更加广泛了。例如电视机的遥控、音响设备的遥控、录像机的遥控、电风的遥控、安全保卫报警器、遥控空调器、自动水龙头、自动门等均可采用红外遥控技术来实现。红外遥控系统是由发射器和接收器两部分构成。发射器由指令键、指令信号产生电路、调制电路、驱动电路及红外发射器件组成。当指令键被按下时，指令信号产生电路便产生所需要的控制指令信号。这里的控制指令信号是以某些不同的特征来区分的。常见的区分指令信号的特征是频率特征和码组特征，即用不同的频率或不同编码的电信号代表不同的指令。这些不同的指令信号由调制电路进行调制后，最后由驱动电路驱动红外线发射器件，发出红外遥控指令信号。接收器是由红外线接收器件、前置放大电路、解调电路、指令信号检出电路、记忆及驱动电路、执行电路组成。当红外接收器件收到发射器的红外指令信号时，它将红外光信号变为电信号并送入前置放大器进行放大，再经解调器后，由指令信号检出电路将指令信号检出，最后由记忆及驱动电路驱动执行电路，实现各种操作。

3硬件设计与分析

3.1 设计原理框图

3.2 电流放大及红外发射驱动电路红外发射（发光）器件是红外遥控装置中不可缺少的重要器件，也是一种发光二极管（LED）。但发光二极管有可见光波长的发光二极管和红外光波长的发光二极管——红外发光二极管（IRLED，全称Infrared Light Emitting Diode），除各自的发光效率不同外，前者与人类的视觉灵敏度相匹配，后者与受光器件（接收器件）的灵敏度光谱相匹配，这是决定这些器件性能的重要因素之一。人类的视觉灵敏度在波长555nm（纳米）时为最高（这是绿色光的波长），在红色光波长650nm时大约降低10％左右，而在780nm以上时成为红外，人眼不能感觉，只能使用半导体光电材料制成的受光器件来检测。大多数的这种受光器件在波长900nm附近（近红外部分）灵敏度最高，在近红外区域，发光器件有GaAs（镓、砷化合物）发光二极管、GaAlAs（镓、铝、砷化合物）发光二极管和激光二极管，虽然激光二极管光束集中，方向性好，能量高度集中，但其价格昂贵，寿命又不及LED，因此应用场合有所局限。在家用电器等红外遥控的广泛应用中，普遍采用红外LED作为光发射器件。

在一些很简单的近距离（1～2m）红外遥控装置中，红外发射二极管仅仅通过一个限流电阻R和一个控制开关接到大小为“+U”的电源电路中。当K闭合时，有电流流经红外发射二极管使之发出红外光。在这种电路里，流过红外二极管的电流是连续的，因此红外管连续工作，发出连续的红外光。但在绝大多数的实用电路中，需对开关K进行快速的通断控制，使红外管不连续工作，发出的是断续的红外光，其目的有两个：其一是断续工作时红外二极管承受的瞬间电流可以较大，设红外二极管所允许的平均正间电流为FI，用上面说的电路，必须调整限流电阻R使实际流过的电流小于FI，若采用断、续时间比例为1:1的方式工作，那么在通电期间允许流过的电流可以达到2FI以上，这就使红外管发射功率增大，发射作用距离增大；其二是在实用电路中，需要传送的是脉冲编码信号而不是连续的单值信号。在上面说的电路中、使用机械开关K无法满足快速通断的需求。所以更多的是使用图3的接法。

本次设计中的电流放大采用的是复合管电压跟随器，它有两个NPN型BJTT1和T2组成，共用一个射极电阻。图中包含的T1、T2管，可以视为一个等效的复合管。复合管的等效电流放大系数是两管电流放大系数的乘积。

值的注意的是：由于T1、T2两管的工作电流不同（IC1

3.3 红外线接收器件红外接收电路一般要做成一个独立的整体，称为红外接收头，这主要是因为它对外界干扰十分敏感，为了保证可靠的接收，必须对其严格屏蔽，只留出一个接收红外光的小孔，以防止干扰信号进入。红外信号通过发射电路发射之后，需要一个红外接收电路进行红外信号的接收，才能够在遥控器和接收器之间建立遥控关系。设计中所采用的红外接收管为HS0038B，其特点为：采用TTL和CMOS技术、体积小、抗光和电的干扰性强，输出信号没有突变以及上电初始化时间短（约200us）、最大传输速率可达800bit/s等。另外HS0038B内部已经集成了光电转换、放大装置和解调电路.但是为了本身电路取得更好的信号接收效果，HS0038B 专门有一个接收电路与之配合使用。

3.4 9153AP电子音量控制电路设计方案中电源采用12V的单电源供电方式。该IC原理就是一个电位器，故可在输入端分别串联一如图4所示的R1、R2电阻。经试验，当输入信号的频率不同时，电阻的大小也要随之变化，不然会出现一定的失真现象，所以应该根据实际情况选择该电阻大小。

芯片使用注意事项：①这里音频地与电源地必须严格分开，不然会引入10Hz左右的调制脉冲。②与R3电阻并联的C1电解电容主要是控制初始音量大小，容量大则初始音量大，反之则小。③不必对IC进行屏蔽，当然屏蔽最好。

3.5 CD4046脉冲调制电路CD4046锁相环采用的是RC型压控振荡器，必须外接电容C1和电阻R1作为充放电元件。当PLL对跟踪的输入信号的频率宽度有要求时还需要外接电阻R2。由于VCO是一个电流控制振荡器，对定时电容C1的充电电流与从9脚输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率亦正比于该控制电压。当VCO控制电压为0时，其输出频率最低；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则线性地增大到最高输出频率。VCO振荡频率的范围由R1、R2和C1决定。由于它的充电和放电都由同一个电容C1完成，故它的输出波形是对称方波。一般规定CD4046的最高频率为1.2MHz（VDD=15V），若VDD<15V，则fmax要降低一些。

CD4046内部还有线性放大器和整形电路，可将14脚输入的100mV左右的微弱输入信号变成方波或脉冲信号送至两相位比较器。源跟踪器是增益为1的放大器，VCO的输出电压经源跟踪器至10脚作FM解调用。齐纳二极管可单独使用，其稳压值为5V，若与TTL电路匹配时，可用作辅助电源。

由于电阻R1，R2和电容C2是确定芯片工作的中心频率的器件，所以，电阻R1，R2和电容C2的值应和接收电路中的R11，R12，C12严格一致，以免造成两块CD4046芯片的中心工作频率不一致。

3.6 发射模块上的LM567遥控接收电路LM567为通用音调译码器，当输入信号落于通带内时提供饱和晶体管对地开关，电路由I与Q检波器构成，由电压控制振荡器驱动振荡器确定译码器中心频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。567的基本工作状况有如一个低压电源开关，当其接收到一个位于所选定的窄频带内的输入音调时，开关就接通。换句话说567可做精密的音调控制开关。本次设计正是利用了这点。

当LM567用作音调控制开关时，电流控制的567振荡器可以通过外接电阻R1和电容器C1在一个宽频段内改变其振荡频率，但通过引脚2上的信号只能在一个很窄的频段（最大范围约为自由振荡频率的14%）改变其振荡频率。因此，567锁相电路只能“锁定”在预置输入频率值的极窄频带内。567的积分相位检波器比较输入信号和振荡器输出的相对频率和相位。只有当这二个信号相同时（即锁相环锁定）才产生一个稳定的输出，567音调开关的中心频率等于其自由振荡频率，而其带宽等于锁相环的锁定范围。

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。在图6的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。

参数的确定：

振荡器的中心频率（f0）也由下式确定：

f0＝1/（1.1×R1×C1）（1）

这里电阻的单位是KΩ，电容的单位是uF，f0的单位为KHz。

将方程（1）进行相应移项，可得电容C1之值：

C1＝1/（1.1×f0×R1）（2）

利用这二个公式，电容和电阻的值均可确定，电阻R1之值应在2至20KΩ的范围内。然后，再由（2）式确定电容值。利用前述的振荡频率和电容计算公式（1）和（2），即可确定这类振荡器的各种参数。同样的，R1必须限制在2至20KΩ的范围内。

在567的引脚2上加一控制电压，即可使振荡器的工作频率在一个窄范围内微调百分之几。如果加上控制电压，引脚2应接去耦电容C2，其值应大致为C1的2倍。

带宽的确定：

当LM567被用作音调开关时，其带宽（中心频率的百分数）的最大值约为14%。此值与25至250mV均方根值的带内信号电压成正比。但是，当信号电压由200变至300mV时，则不影响带宽。同时，带宽反比于中心频率f0和电容器C2的乘积。实际带宽为：

BW的单位为中心频率的百分数（%），而且，Vi≤200mVRMS。式中Vi的单位为V-RMS，C2的单位为uF。

通过试探和误差处理来选择C2，一开始可选择C2的值为C1的2倍。随后可增加C2的值以减小带宽，也可减小C2的值以增加带宽。

本次设计中的遥控电路部分共三通道，分别控制发射模块上的电源，电子音量的增加和电子音量的减小。

3.7 CD4013发射模块电源的控制电路对于电源的控制采用继电器控制电源的方式。执行电路由集成电路CD4013和一个推动三极管及继电器组成。

CD4013是CMOS双D触发器，是电子设计者常用的器件。图7中CD4013工作在双稳态方式，在D触发器的CK端每输入一个方波脉冲，Q端的状态就变成原来相反的状态，从而达到控制继电器打开或者关闭，来达到控制电源的目的。

3.8 SJ9153电子音量的加减控制电路电子音量的控制由电子音量控制芯片SJ9153来实现。SJ9153的第10脚U/D端处于高电平，内部振荡器启动，衰减器处于提升状态，输出音量增加；当衰减键按下时，U/D端处于低电平，内部振荡器启动，衰减器处于衰减状态，输出音量减小。但是设计要求在接收模块上实现音量的远距离遥控，所以利用三极管的开关特性来替换加减按键。

该设计利用三极管的饱和、截止状态，使它成为一个受基极电流控制的无触点开关，这样就可以控制芯片第10脚的电平高低，从而达到控制音量的目的。

4结论

设计的红外音频信号发射遥控系统在实际应用中，效果良好，达到了设计的要求。整个系统外围元件少，调试方便；软件工作量也较小。在实际应用中，需注意连线不能太长，否则很容易产生红外接收电路的信号干扰。因此，可以利用该设计研制出多种通用红外遥控系统，应用于各种智能电气系统。

参考文献：

[1]张厥盛，郑继禹，万心平.锁相技术.西安电子科技大学出版社，1994.

[2]阿兰.布兰查德.锁相环及其在相干接收机设计中应用.北京：人民邮电出版社，1980.

[3]万心平，张厥盛.集成锁相环路—原理、特性、应用.人民邮电出版社，1990.

[4]陆坤，奚大顺著.电子设计技术.电子科技大学出版社.

[5]王彦平，任延群著.Protel 99电路设计指南.清华大学出版社.

[6]刘和平.单片机原理及应用，重庆大学出版社，2002.

[7]中国电子网.

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