智能紅外遙控開關工作原理和電路設計

2020-11-22 電子發燒友

紅外遙控是當前使用最為廣泛的通信和控制手段之一，由於其結構簡單、體積小、功耗低、抗幹擾能力強、可靠性高及成本低等優點而廣泛應用於家電產品、工業控制和智能儀器系統中。然而市場上的絕大部分遙控器都是針對各自特定的遙控對象設計的，不能直接應用於通用的智能儀器研發及其更一般的控制場合。通常情況下，一般家庭所使用的電視機、空調、VCD／DVD等家用電器都使用了紅外遙控器，而這些紅外遙控器都是針對各自產品所設計的，從而導致了一般家庭中擁有數個遙控器，那麼，能否將這些遙控器的功能進行復用，進而減少遙控器的數量，使遙控器的功能更加強大，就顯得十分必要了。

電源開關廣泛應用於家庭、工廠、倉庫、以及辦公室等場所。傳統的機械式電源開關存在接觸電阻大、易磨損、可靠性低以及壽命短等缺點，特別是當家用電器的遙控器繁多的情況下，如果能藉助這些遙控器設計開關用於代替傳統的機械式電源開關，不僅節約了成本，而且操作方便。使用電視機等家用電器的遙控器實現開關操作，安裝和代換都很方便，可以用它代換家居中非常普及的牆壁開關，從而提高遙控器在家電領域的實用價值。

1 工作原理

智能紅外遙控開關主要由紅外接收、放大整形、微控制器、開關控制以及降壓電源等模塊組成，其原理框圖如圖1所示。

智能紅外遙控開關的功能是將常見家用電器的遙控器，如電視機、VCD／DVD等，由用戶任意指定一個按鍵作為這個紅外遙控開關的控制鍵。使用時，用戶按下智能紅外遙控開關的「學習」按鍵，然後再對準遙控開關的紅外接收頭按下遙控器上指定的這個開關控制按鍵，遙控器發出的紅外編碼信號經過紅外接收頭接收後，再經過放大整形，輸入到微控制器，微控制器通過內置的E2PROM記住遙控器這個指定按鍵的編碼。那麼，用戶下次使用時，當按下遙控器這個指定按鍵後，其發出的紅外編碼信號同樣經過紅外接收頭，放大整形後輸入到微控制器，由微控制器發出控制信號控制開關控制模塊裡面繼電器的導通與斷開，進而控制輸出電壓的通斷。

為了保證對各種用電器實現遙控開關控制，那麼控制信號就一定要穩定、安全。為此，在傳輸過程中要使各模塊間的通信信號足夠強，這就要求電路的電源能夠獨立給電路各部分供電。因此，紅外遙控開關還必須擁有降壓電源模塊。

2 電路設計

硬體電路設計包括電源電路的設計和解碼電路的設計兩部分。電源電路是為解碼電路提供電源而設計的，除了要求電壓穩定外，還要求其體積小，成本低。解碼電路要求能對紅外編碼進行可靠地接收，同時要能夠穩定地控制繼電器的開關。

2．1 電源設計

考慮到解碼電路的功耗很小，所以電源的設計採用電容降壓式電源。它比變壓器電源和開關電源的設計要簡單得多，而且體積小、成本低，適合作為遙控開關的電源。電源設計的原理圖如圖2所示。MC2為降壓電容器，D1為半波整流二極體，D2在市電的負半周時給MC2提供放電迴路，ZD1是5．1 V穩壓二極體，R1為關斷電源後MC2的電荷洩放電阻。

電容降壓式電源是利用電容在一定的交流信號頻率下產生的容抗來限制最大工作電流。當交流電壓為220 V，頻率為50 Hz的工作條件下，電容器MC2在電路中的容抗Xc（單位：Ω）為：

流過電容器MC2的充電電流Ic（單位：mA）為：

通過降壓電容MC2向負載提供的電流Io，實際上是流過MC2的充放電電流IC。顯然，電容MC2容量越大，容抗Xc越小，則流經MC2的充、放電電流越大。當負載電流Io小於MC2的充放電電流時，多餘的電流就會流過穩壓管。若穩壓管的最大允許電流Idmax

雖然流過電容MC2的電流IC有69．08 mA，但在電容器上幾乎不產生功耗，這是因為對於一個理想電容，流過電容的電流為虛部電流，它所作的功為無功功率。可見，電容降壓式電源的效率也很高。經過實驗測試，該電源電路通電後輸出4．88 V的直流電壓，交流電壓分量小於3 mV，輸出電流在50 mA時，電壓不低於4．7 V，可以滿足解碼電路的電源需求。

2．2 解碼電路設計

智能紅外遙控開關的硬體核心部分是微控制器和紅外接收部分，其原理圖如圖3所示。

紅外解碼電路中的微控制器選用ATmega8L的AVR單片機。它的工作電壓為2．7～5．5 V，4 MHz（3 V，25℃）時功耗，工作模式為3．6mA，空閒模式為1．0 mA，掉電模式僅為0．5μA，採用先進的RISC結構，除了擁有8 KB的系統內可編程FLASH存儲器，還有512 B的E2PROM，可用於記憶各類遙控器發射出的各種紅外編碼信號。

紅外接收電路使用集成紅外接收器成品，同時實現紅外接收、放大、整形的功能，一般不需要任何外接元件就能完成從紅外接收到輸出TTL電平兼容信號的所有工作。接收器對外只有3個引腳：電源Vcc，公共地GND和1個脈衝信號輸出OUT。由圖3可以看出，其與單片機接口非常方便。

當按下「記憶」按鍵S1時，紅外接收頭SPH開始記錄遙控器發出的信號，同時將接收到的信號保存在單片機ATmega8L的E2PROM中。以後當遙控器發出同樣的紅外脈衝信號時，通過紅外接收頭接收並與E2PROM中的數據進行對比，如果一致，就發出控制信號控制開關的通斷。

3 程序設計

紅外遙控接收頭解調出的編碼是串行二進位碼，包含著遙控器按鍵信息。但它還不便於CPU讀取識別，因此需要先對這些串行二進位碼進行解碼。本設計採用的是軟體解碼方式對接收到的紅外信號進行解碼。

3．1 紅外遙控器發射編碼簡介

目前應用中的各種紅外遙控系統的原理都大同小異，區別只是在於各系統的信號編碼格式不同。遙控器所產生的脈衝編碼的格式一般為：

其中，引導脈衝為寬度是10 ms左右的一個高脈衝和一個低脈衝的組合，用來標識指令碼的開始。識別碼、鍵碼、鍵碼的反碼均為數據編碼脈衝，用二進位數表示。「O」和「1」均由毫秒量級的高低脈衝的組合代表識別碼（即用戶碼）是對每個遙控系統的標識。當指令鍵按下時，指令信號產生電路便產生脈衝編碼。鍵碼後面一般還要有鍵碼的校驗碼，用來檢驗鍵碼接收的正確性，防止誤動作，增強系統的可靠性。

3．2存儲編碼程序設計

當按下「記憶」按鍵S1時，單片機進入存儲記憶紅外遙控編碼的狀態。ATmega8L單片機首先關閉中斷，等待遙控器發出的紅外遙控編碼輸入。當紅外遙控編碼輸入後，單片機將其保存至E2PROM中。這樣，即使斷電之後，單片機存儲在E2PROM中的信息也不會丟失，可以保證斷電後的正常使用。存儲紅外信號的編碼程序流程圖如圖4所示。

3．3 軟體解碼程序設計

軟體解碼則由ATmega8L單片機的外部中斷、定時器以及軟體構成一個紅外遙控接收系統。定時器用於延時測量兩個脈衝串之間的間隔。外部中斷用於當接收到紅外脈衝信號時觸發定時器進行數據接收。當紅外接收管接收到紅外脈衝時，程序首先出發外部中斷，由外部中斷啟動定時器，每個一段時間間隔就採樣一次，並將採樣到的紅外脈衝編碼保存到RAM變量中，然後與存儲編碼程序中所保存的編碼進行比較，當兩者相同時則認為是按下了開關按鍵，進行相應的開關操作，否則程序不執行開關操作。軟體解碼程序的流程圖如圖5所示。

4 結語

目前的家用電器，如電視機、VCD、DVD和功放機等一般都配備了遙控器及智能化控制技術，給人們的使用帶來了極大的方便。隨之而來的小家電如電燈的控制也在向自動化、智能化操作方面發展，這樣才能滿足人們的生活需求。智能紅外遙控開關充分利用了現在家用電器繁多的遙控器，實現了遙控器的功能復用，而且在軟體解碼紅外遙控系統中，解碼的核心是CPU，電路極為簡單無須外圍器件，體積小，抗幹擾能力強。經過實驗多次測試，該開關可以替換原牆壁開關，不用再增加連線，為安裝和使用提供了方便。把原機械式牆壁換成該遙控開關不僅實用，也很安全經濟。

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