【正文】 統(tǒng)的要求，來對硬件電路 圖進行設(shè)計。 ⑥對系統(tǒng)的實現(xiàn)功能的重要程序進行分析。 下面就根據(jù)系統(tǒng)的基本要求和基本原則來確定本系統(tǒng)的方案。 總體方案的確定 提到總體方案的確定，就要符合本課題的要求： 它是一個室內(nèi)用的燈光控制系統(tǒng)。 要求人們手持遙控器就可以對室內(nèi)的燈光進行控制。 要求能夠在室內(nèi)簡便的安裝，應(yīng)用。 在設(shè)計本系統(tǒng)中，成本是必須考慮的條件。要求成本不能太高， 使一般家庭都能夠承擔(dān)的起費用。 本系統(tǒng)為基于單片機的無線燈光控制系統(tǒng)，人們通過手中的遙控器對室內(nèi)燈 6 光進行控制。要實現(xiàn)無線控制功能，就要設(shè)計一系列的硬件電路。首先要對 無線模塊進行設(shè)計，其中這部分的模塊就要設(shè)計發(fā)送信號和對信號的接收，就要對這部分的電路進行設(shè)計。在對信號接收之后，要能使對系統(tǒng)燈光進行控制，就要設(shè)計一調(diào)光控制電路，從而對每一盞燈具進行開啟關(guān)閉和調(diào)亮調(diào)暗的控制。要驅(qū)動調(diào)光電路，就要通過單片機相應(yīng)的程序來控制調(diào)光電路。在發(fā)送電路中，其中也要通過單片機的相應(yīng)程序?qū)Π存I進行掃描處理等。 在系統(tǒng)設(shè)計中，要使單片機能夠正常實現(xiàn)其功能，就必須為其提供相應(yīng)的直流電壓，而我們一般的家用電壓中都是 220V，所以我們就要設(shè)計一個電源電路，為單片機提供正常的工作的電壓。 以上就是我 對本系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，下面我們就對總體方案中每一部分進行一一設(shè)計。下圖 1 為本設(shè)計的一個總體設(shè)計框圖。 圖 1 系統(tǒng)的設(shè)計總框圖 按 鍵 單片機掃描按鍵 單片機調(diào)制頻率 對信號進行放大 通過紅外線發(fā)射二極管發(fā)射信號 紅外線接收器 信號輸入單片機 調(diào)光控制電路 7 第 3 章 無線模塊的設(shè)計 要實現(xiàn)系統(tǒng)的遙控功能，就必須進行無線模塊的設(shè)計，從而來實現(xiàn)對系統(tǒng)信號的發(fā)送與接收，實現(xiàn)系統(tǒng)燈光控制的第一步。 無線遙控方案的選擇 系統(tǒng)要求只要人們手持遙控器就可以控制室內(nèi)所有燈光，所以我們就需要一種遙控傳輸信號的方式，要求使系統(tǒng)信號傳輸快，傳輸信號準(zhǔn)確，成本比較低。無線遙控就是信號的傳 輸是利用無線方式進行的，為了使遠(yuǎn)方的被控對象按照要求去動作，控制端必須向被控端發(fā)出一個動作信號或如何工作的命令，這個命令就是遙控指令。例如，調(diào)整電機的啟動與停止、正反向、升速與降速等指令。遙控指令又分連續(xù)指令和斷續(xù)指令。數(shù)值連續(xù)變化的指令為連續(xù)指令，如控制石油管道流量和壓力的指令；數(shù)值斷續(xù)的指令叫做斷續(xù)指令，如照明電燈的開與關(guān)的指令。 無線通信的實現(xiàn)有三種方案：藍牙通信、紅外無線遙控、使用短距離無線數(shù)傳器件。對于藍牙方案，雖然此技術(shù)在當(dāng)今社會有很大的發(fā)展，有很多優(yōu)點，由于成本一直偏高，所以本系統(tǒng)將不考慮藍牙 方案。紅外線通信技術(shù)適合于低成本、跨平臺、點對點高速數(shù)據(jù)連接，尤其是嵌入式系統(tǒng)。由于紅外線遙控器具有結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、成本低廉、抗干擾能力強、工作可靠性高等一系列優(yōu)點，是近距離遙控，特別是室內(nèi)遙控的首選方式。因此本人選擇紅外線的無線通信方案。 紅外線遙控的特性主要有幾點。紅線遙控具有獨立性，由于紅外線為不可見光，因此對環(huán)境影響很小紅外線的波長遠(yuǎn)小于無線電波的波長，所以，紅外遙控不會干擾其他家用電器，也不會影響鄰近的無線電設(shè)備。特性與可見光相似性，由于靠近可見光的紅外線邊緣，它的直線傳播、反射、折射、和被物 質(zhì)吸收等物理特性與可見光非常相似。無穿透障礙物的能力。具有較強的隱蔽性，因紅外線為不可見光，具有很強的隱蔽性。外線遙控的距離，一般為幾米至幾十米或更遠(yuǎn)一點。 紅外線遙控的基本原理 要使用紅外線遙控來實現(xiàn)信號傳輸，我們就有必要來了解下紅外線遙控的基本原理。紅外線遙控就是利用紅外線（又稱紅外光）來傳遞控制信號，實現(xiàn)對控制對象的遠(yuǎn)距離控制。具體來講，就是由發(fā)射器發(fā)出紅外線指令信號，由接收器接收下來并對信號進行處理，最后實現(xiàn)對控制對象的各種功能的遠(yuǎn)距離控制。 8 紅外線發(fā)射器由指令鍵、信號產(chǎn)生電路 、調(diào)制電路、驅(qū)動電路及紅外線發(fā)射器件組成，如圖 2所示。當(dāng)指令鍵按下時，指令信號產(chǎn)生電路便產(chǎn)生所需要的控制指令信號。這里的控制指令信號是以某些不同的特征來區(qū)分的。常用的區(qū)分指令信號的特征是頻率特征和碼組特征，即用不同的頻率或不同的編碼的電信代號代表不同的指令。這些不同的指令信號由調(diào)制電路進行調(diào)制后，最后由驅(qū)動電路驅(qū)動紅外線發(fā)射器件，發(fā)出紅外線遙控指令信號。 圖 2 紅外線發(fā)射的組成 紅外 接收器由紅外線接收器件、前置放大電路、調(diào)節(jié)電路、指令信號檢出電路、記憶及驅(qū)動電路、執(zhí)行電路組成，如圖 3。當(dāng)紅外線接收器件接收到發(fā)射器的紅外線指令信號時，它將紅外光信號變?yōu)殡娦盘柌⑺腿肭爸梅糯笃鬟M行放大，再經(jīng)解調(diào)器后由指令信號檢出電路將指令信號檢出，最后由記憶及驅(qū)動執(zhí)行電路，實現(xiàn)各種操作。 圖 3 紅外線接收器的組成 指令按鍵 產(chǎn)生信號 調(diào)制解調(diào) 驅(qū)動電路 紅外發(fā)射 紅外接收 前置放大 頻率選擇 驅(qū)動記憶 執(zhí)行環(huán)節(jié) 被控對象 9 系統(tǒng)的遙控功能實現(xiàn)方法的設(shè)計 頻分制與碼分制的選擇 要實現(xiàn)系統(tǒng)的遙控功能，就必 須先選擇信號指令傳送的方式。根據(jù)遙控的方式和使用者場合不同，可以把這些控制信號特征進行各種組合編碼。如電壓極性的組合方式，電信號相位的組合方式，電信號幅值的組合方式，頻制的組合方式，脈沖的寬度、相位、幅度等參數(shù)的組合方式及脈沖編碼組合方式等。在實際應(yīng)用中，以頻率和脈沖組合方式應(yīng)用最多。 頻率組合方式分為單音頻指令和多音頻指令。單音指令每個指令內(nèi)容由單個音頻信號組成，抗干擾能力差，只能用在要求不高的遙控系統(tǒng)中。多音頻指令由兩個或兩個以上音頻信號組成，它不僅可以增加容量，還具有保密功能。 脈沖編 碼組合方式具有指令容量大，抗干擾能力強，保密性好及便于用邏輯電路來實現(xiàn)等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用。 脈沖編碼遙控中常用恒比碼作為指令。恒比碼指令即每個指令中“ 1”和“ 0”的個數(shù)保持相同的比例，可根據(jù)此比例關(guān)系是否被破壞來判斷遙控指令在傳送過程中是否產(chǎn)生了錯誤。奇偶校驗法是利用碼組里的“ 1”的奇偶性來監(jiān)督碼組是否正確，它可以在發(fā)送端組成奇偶監(jiān)督碼，在接收端進行校驗。例如接收端校驗結(jié)果是奇數(shù)，就向發(fā)送端返回一個長脈沖；若校驗結(jié)果是偶數(shù)，就向發(fā)送端返回一個短脈沖。這樣發(fā)送端就能檢測出傳送指令的錯誤。 紅外線 遙控系統(tǒng)按照產(chǎn)生、區(qū)分控制指令的方法和和特征來分類，主要可 分頻分制和碼分制紅外線遙控。頻分制紅外線遙控是指令信號產(chǎn)生不同頻率的指令電信。接收器中指令信號檢出對應(yīng)發(fā)射器不同指令信號頻率選擇電路，簡稱選頻電路。對應(yīng)于每一個指令，就要有一個選頻電路。紅外發(fā)射、接收器件發(fā)射與接受波長為 ～ ，因此，一般情況下頻分制紅外遙控的發(fā)射器中不用調(diào)制解調(diào)電路，不同頻率的指令信號直接加至驅(qū)動電路，驅(qū)動紅外發(fā)射器件發(fā)射不同頻率的近紅外光信號。由于每一個指令信號，接收電路就要有一個選頻電路相對應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng) 的通道數(shù)目較多時 ,電路將會變得非常復(fù)雜和龐大 ,且各通道見可能會產(chǎn)生串路干擾 ,因此當(dāng)通道數(shù)目較多時 ,一般采用碼分制紅外遙控電路。 經(jīng)過分析，如果選擇頻分制，那么由于本系統(tǒng)要控制 14盞燈具，若要全部控制，則需要相當(dāng)多的頻率來控制，電路就會非常的復(fù)雜和龐大，所以我覺得碼分制的紅外線遙控更適合本系統(tǒng)，所以本系統(tǒng)將采用碼分制的紅外線遙控。下面就對碼分制紅外線遙控進行分析。 10 碼分制紅外遙控是指令信號產(chǎn)生電路以不同的脈沖編碼代表不同的指令。如圖 4。當(dāng)不同的指令鍵被按下時，指令信號產(chǎn)生電路將產(chǎn)生不同脈沖編碼的指令信號，也就 是進行編碼，然后經(jīng)調(diào)制電路調(diào)制，變?yōu)榫幋a脈沖調(diào)制信號，再由驅(qū)動電路驅(qū)動紅外發(fā)射器件發(fā)射紅外光信號。 圖 4 碼分制紅外遙控系統(tǒng)圖 接收器接收下來的信號經(jīng)過前置放大后，送入解調(diào)電路，對調(diào)制信號進行解調(diào)，再經(jīng)指令信號檢出電路檢出指令信號。這里的指令信號檢出電路是與發(fā)射器中編碼電路相對應(yīng)的譯碼電路，通過它將指令信號譯出。 紅外線遙控系統(tǒng)中的指令產(chǎn)生及檢出電路，在頻分制中由多頻振蕩電路及頻率選擇電路構(gòu)成；在碼分制系 統(tǒng)中則由編碼電路及譯碼電路構(gòu)成，這是頻分制與碼分制紅外線遙控系統(tǒng)的分別。在碼分制中，因為碼分制系統(tǒng)編碼脈沖頻率極低，為超低頻，如果不用調(diào)制與解調(diào)電路，外界突然的光線變化可能會對接收電路造成干擾，產(chǎn)生誤動作，系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性就難以保證。 碼分制 遙控 功能實現(xiàn) 在上一節(jié)中分析了實現(xiàn)遙控功能的方法有頻分制和碼分制，以及他們的原理和特性。由于碼分制的方法能更好的在本燈光系統(tǒng)中實現(xiàn)，具有指令容量大，抗干擾能力強，保密性好及便于用邏輯電路來實現(xiàn)等優(yōu)點，得到了廣泛的應(yīng)用，若采用頻分制的話，前面也有提到，選 頻電路會比較多，電路會比較復(fù)雜，不是很合適本系統(tǒng)。所以本系統(tǒng)將用碼分制遙控。遙控器采用脈沖個數(shù)編碼，不同的脈沖個數(shù)代表不同的碼，最小為 2個脈沖，最大為 17個脈沖。為了使接收可靠，第一指令按鍵 前置放大 紅外接收 紅外發(fā) 射 驅(qū)動電路 調(diào)制電路 解調(diào)電路 指令編碼 記憶驅(qū)動 執(zhí)行環(huán)節(jié) 指令編碼 被控對象 11 位碼寬為 3ms,其余為 1ms,遙控數(shù)據(jù)幀間隔大于 10ms,如圖 5 所示。 在遙控碼的發(fā)射中，當(dāng)某個操作鍵按下時，單片機先讀出該鍵值，然后根據(jù)鍵值設(shè)定的遙控脈沖個數(shù)，再調(diào)制成 38KHz 的方波由紅外線發(fā)射管發(fā)射出去。 端口的輸出調(diào)制波如圖 5 所示。 當(dāng)紅外線接收 器輸出脈沖幀數(shù)據(jù)時，第一位碼的低電平將啟動中斷程序，實時接收數(shù)據(jù)幀。在數(shù)據(jù)接收時，先對第一位（起始位）碼的碼寬進行驗證。若第一位低電平碼的脈寬小于 2ms，將作為錯誤碼處理；否則認(rèn)為是起始碼，累加器 A 加1。當(dāng)間隔位的高電平大于 3ms 時，結(jié)束接收，然后根據(jù)累加器 A中的脈沖個數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的輸出操作。圖 6為紅外線接收器輸出的一幀遙控碼波形圖。 圖 6 一幀遙控碼波形圖 燈具 1 的遙控輸入碼 燈具 2 的遙控輸入碼 燈具 5 的遙控輸入碼 3ms 1ms 圖 5 調(diào)光命令碼 10ms 1ms 10ms 停止位 第一位 3ms 1ms 12 硬件 電路的設(shè)計 要實現(xiàn)系統(tǒng)的發(fā)射和接收功能，電路是必不可少的，而要驅(qū)動電路，實現(xiàn)燈光控制系統(tǒng)的整體功能，就必須通過單片機相應(yīng)的程序來完成。下面我就設(shè)計這部分的電路。 單片機的介紹 MC51系列單片機包括 803 805 8751等型號，其代表型號是 8051。其內(nèi)部組成方框圖如圖 7所示。 在本系統(tǒng)中我選擇的是 51 系列的 AT89C51， AT89C51是一種帶 4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。該器件采用 ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51 是一個低功耗高性能單片機， 40 個引腳 ， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2個外中斷口， 2個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口， AT89C51 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理