基于单片机遥控开关系统的设计
1 引言
随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，遥控技术有了日新月异的发展。遥控装置的中心控制部件已从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。近年来，遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。
本论文是基于单片机设计了一个智能化的遥控开关系统。该系统用AT89C2051单片机作为控制芯片，制作一个遥控器，键盘采用行列式操作，按键中断扫描方式提高了CPU效率。遥控器发射器采用红外线脉冲个数编码，根据脉冲个数来确定是哪个按键按下，并发射相应的信号来控制电灯调光，无键按下时处于低功耗空闲方式状态。另一个单片机控制系统能被遥控操作，通过软件解码实现对一个电灯的调光，以及对继电器的控制功能。
2 系统的结构组成和工作原理
用单片机制作一个红外遥控器，可以分别控制8个控制继电器开关，和一个电灯开关，并且可以对电灯进行亮度的调光控制。
红外发射部分结构图如下图2.1所示
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。
红外接收部分结构如下图2.2所示：
采用红外遥控不影响周边环境的、不干扰其他电器设备。由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，适合进行多路遥控。
3 硬件电路设计
3.1 遥控发射器电路设计
电路主要由AT89C2051单片机、行列式操作键盘、低功耗空闲方式控制电路、红外发射电路电源等部分组成。
遥控电路的主芯片采用美国ATMEL公司的AT89C2051Flash单片机。它是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含2KB的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128字节的随机存取收据（RAM）；2.7～6V的电源使用电压、两个16位定时器∕计数器；6个中断源、15条I∕O引线；1个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路；直接LED驱动输出以及空闲和掉电方式等功能。遥控器采用两节1.5V电池串联提供3V电源供电，在遥控系统设计中，片内模拟比较器接口只是作普通I∕O运用。
行列式操作键盘又称为矩阵式键盘。用I∕O线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上，行列线分别连接到按键开关的两端，键盘中有无按键按下是由列线送入扫描字、行线读入行线状态来判断的。为了提高CPU效率，同时也为了节约电池电源能量，遥控器采用按键中断扫描方式。无键按下时，单片机处于低耗空闲待机方式，有键按下时触发外部中断实现查键及执行键功能程序。
AT89C205l的CPU有2种节电工作方式,即空闲方式和掉电方式,遥控器采用空闲节电工作方式。当CPU执行完置IDL=1(PCON.0=1)指令后,系统进入空闲工作方式,这时内部时钟不向CPU 提供,而只供给中断、串行口、定时器部分。遥控器退出低功耗空闲方式电路由IN4148二极管组成“与”门实现。当有键按下时,由“与”门触发外部中断1发生中断,单片机退出空闲工作方式,进入键盘和红外发射程序,结束后又进入低功耗空闲方式待机。在使用过程中单片机基本上处于空闲工作方式,功耗相当低,从而为使用电池电源提供了保障。
红外线发射和指示灯电路利用遥控器信息码由AT89C2051单片机的定时器1调制成38.5kHz红外线载波信号，由P3.5口输出，经过三极管9013放大，由红外线发射管发送。电阻R1的大小可以改变发射距离，按键的操作指示灯使用一个LED发光二极管。定时器1按照方式2工作，即设置自动8位重装模式。在用作定时器时，在每个机器周期计算器加1，所以可以把它看成累加机器周期，1个机器周期包括12个振荡周期，则计数频率为振荡频率的十二分之一。当M1M0为10时，定时器∕计数器工作于方式2。在此方式下，设置了一个8位的计数器，并自动恢复初值的功能，以T1为例，将TL1作为计数器，将TH1作为寄存器使用，存放计数初值。当TL1作增1计数至溢出时，除了把溢出标志位TF1置1外，同时还将TH1中的计数初值送入TL1中，使TL1又重新从初值开始计数。而TH1中的计数初值由软件编程置入，在常数重装入的过程中，TH1保持不变。在方式2中，T0和T1的操作功能完全相同，可自由选择使用。
3.2 遥控接收器电路设计
接收控制系统主要由AT89C52单片机、电源电路、红外接收电路、50Hz交流过零检测电路、电灯调光控制电路、控制继电器电路等部分组成。
单片机AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入∕输出（I∕O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位定时器∕计数器，6个中断源、低功耗空闲和掉电方式，2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微机处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可以反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。控制系统采用5V电源电压，外接12MHz晶振。
电源电路由桥式整流、电容滤波、7805稳压器及电源指示灯组成。交流电经过桥式整流变成直流电，再经过电容滤波，7805集成稳压器稳压成为稳定的+5V电源，用一个发光二极管指示灯指示电源状态。
红外遥控接收器集成了模块化，一般为三个引脚，输出为检波整形过的方波信号。红外接收电路如图3.1所示，接收器前端红外滤光片去除可见光使红外光通过。监测器红外光敏二极管，使器件构成最大受光区。在放大器端增加电滤波，消除低频干扰和高频干扰。数据检测一般用峰值监测器，通用信号比较器电路，输出新电平去处理器。
交流电过零检测电路如图3.2所示。过零检测电路主要由两个NPN型三极管组成，Q1的基极过一200K电阻进行限流，电阻另一端为被检测端，经过全桥整流后为全波，一周期内可以触发两次。被检测端为经过变压器后整流得到的，此处电源主要供给AT89C52用，电路设计中仅有输入和输出端的电解电容滤波，考虑高频杂波最好加入104/50V的钽电容而使得电源更干净，更好的防止干扰。在桥后串一二极管是为防止电源反接，一般在CPU电路板上。
可控硅电灯调光控制电路设计原理图如图3.3所示。电灯调光是由可控硅的导通角控制的。AT89C52产生可控硅控制的移相脉冲，移相角的改变实现导通角的改变，即当移相角较大是，可控硅的导通角较小，分布在电灯上的电压较低，电等较暗；当移相角较小时，可控硅的导通角较大，分布在电灯上的电压较高，电灯很亮；当导通角不为0时，电灯即可发光；当导通角为0时，电灯熄灭。当AT89C52的P0.0位为低电平时，9012三极管导通，三极管电极电流驱动光电耦合器导通，使可控硅的G极产生脉冲信号触发可控硅导通；当AT89C52的P0.0位为高电平时，9012三极管截止，则光电耦合器和可控硅都处于截止状态。
本设计有八路控制继电器电路，在红外接收原理图上只画出一路控制继电器电路。图3.4为HK4100F继电器驱动电路原理图，三极管Q5的基极B接到AT89C52单片机的P0.7口，三极管的发射极E接到继电器线圈的一端，线圈的另一端接到＋5V电源VCC上；继电器线圈两端并接一个二极管IN4148，用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势，防止反向电势击穿三极管Q5及干扰其他电路；R14和发光二极管LED9组成一个继电器状态指示电路，当继电器吸合的时候，LED9点亮，这样就可以直观的看到继电器状态了
4.1 遥控发射器的程序设计
4.1.1初始化程序和主程序
初始化程序流程图如4.1所示。初始化程序主要是设置P1口和P3口为高电平状态复位，关P3.5口遥控输出，设置堆栈指针SP为#70H，关闭总中断源，设置中断优先级IP，选择定时器∕计数器1和设置工作方式为2的自动8位重装载模式。方式2是8位定时器/计数器，晶体振荡器频率为12MHZ，则机器周期为f/12=12/12=1μs。计数功能计数初值X=28—计数值（计数值=T×f/12）。
主程序流程图如4.2所示。主程序部分首先调用初始化程序，再进入主程序循环状态。在循环中主要有两个任务，即调用键盘程序和进入低功耗空闲待机方式。系统完成键盘查询程序后即进入空闲节点方式，直到外部中断1中断或硬件复位而退出，CPU再次转向循环部
在发射程序中，首先要装入发射脉冲个数，第一个码间隔即起始码为3ms时，开高频定时中断调制（P3.7端口设为高电平）。然后设置软件陷阱，提高单片机的可靠性，以免出现死机现象，在进行循环指令，第一个码间隔3ms完成既R0为0时码距间隔为1ms，如果之后脉冲个数为零，这时取反，关高频中断调制即P3.7为低电频，系统退出发射程序。如果脉冲个数还有则再循环发射。P3.7端口取反为低电频时工作指示灯开，高电频时指示灯关。在程序中调用500ms的延时程序是确保遥控器发射的准确性。发射程序流程图如下4.3所示。
4.2 遥控接收器的程序设计
初始化程序流程图如图4.4所示。初始化程序部分主要使系统进入复位初始化的状态值。具体是：P1、P2、P3口置位设置为高电平状态，使之成为输入口。选择工作寄存器区，设置堆栈指针SP，设置中断优先级IP，开外部中断0和定时器1，开总中断允许。设置导通角为零的延时值，并设置电灯默认熄灭的标志位。
主程序部分首先调用初始化程序，再进入主程序循环状态。在循环中主要任务是50Hz交流电过零检测，如果是过零则调用延时子程序，发开导通角脉冲，调用延时256μs程序，然后关脉冲并返回过零检测状态。图4.5为主程序流程图。
5 性能指标
调试后系统性能指标测试如下：
1最大遥控距离：10m；
2最大接收角：90度；
3遥控器发射时工作电流：8mA；
4遥控器静态电流：0.6mA；
5调光控制系统最大输出电压（5档调光）：交流200V；
6调光控制系统最慢输出电压（1档调光）：交流50V;
7调光控制系统停止输出电压：0V；
8继电器正常工作。
采用红外遥控方式时，距离、角度等使用效果受一顶的限制，如果采用调频或调副发射接受，则发射距离会更远，接受将不受角度的影响。本单片机遥控编码及解码方案适合一切需要应用到遥控的电器系统，是自行设计带遥控功能的控制系统的首选理想方案。
6 结束语
随着遥控技术的使用越来越广泛，智能化控制已成为一种趋势。本设计提出了一种基于单片机的遥控开关系统。通过对样机的测试结果表明，本系统采用单片机进行遥控系统的应用设计，具有编程灵活多样，操作码个数可随意设定等优点。一般设备系统采用专用的遥控编码及解码集成电路。此方案具有制作简单，容易等特点，但由于功能键数及功能受到特定的限制，只适合用于某一专用电器产品的应用，应用范围受到限制。而本系统消除了此问题，智能化大大提高。通过对样机的调试运行，节能效果很好，具有极其广泛的应用价值和应用前景。
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