【文章內容簡介】 讀 /寫接口等）。這樣的芯片因為 具有和計算機一樣的功能，所以稱之為單片微型計算機，簡稱單片機。而單片機又主要應用于實時控制，并通常作為其他系統(tǒng)的組成部分使用，故又稱之為嵌入式控制器。自從 20 世紀 70年代中期美國仙童公司推出第一臺 F8單片機以來，單片機已經(jīng)有 30 多年的發(fā)展歷史。直至今天，單片的生產廠家和型號已經(jīng)是各式各樣。 紅外通訊系統(tǒng)的單片機中，采用 AT89C51 單片機作為中央處理器。 89C51 單片機帶有 4K 閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM— Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）， 128 字節(jié)內部 RAM， 32 個 I/O 接口， 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器， 一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 工作，但允許 RAM、定時 /計數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存 RAM 的數(shù)據(jù)，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作指導下一個硬件復位 。 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 9 紅外通訊編碼解碼芯片選擇 紅外通訊電路若要將數(shù)據(jù)通過紅外發(fā)射頭和紅外接收頭發(fā)送出去，則需要在電路的發(fā)射端先進 行編碼操作編碼成操作碼，然后通過載波電路將編碼后的芯片進行 38KHz 的調制后，才能更遠更安全穩(wěn)定地發(fā)送出去；紅外接受電路在接收到信號后，則需要進行解碼操作，還原發(fā)射端的最原始數(shù)據(jù)，才能知道發(fā)射端是發(fā)送一個什么樣的請求。 由于我個人在用 Proteus 進行仿真時，并沒有編碼和解碼芯片可以使用，所以程序中我全面模擬了編碼和解碼芯片的功能；我選定了uPD6121 為編碼芯片， BC7210 為解碼芯片；之所以選擇這兩個芯片分別作為發(fā)射端和接收端的編碼解碼芯片是因為 BC7210 解碼芯片成本低，常見， 而且 BC7210的輸出可以 設置為并行輸出或者串行輸出，串行輸出方式兼容 SPI 和 UART 兩種接口，可以輕松完成與各種 MCU、 PC 機的接口?？梢匀〈?SAA3049 等芯片 ；而能夠與 BC7210解碼芯片互相支持的多個芯片中又屬 Upd6121編碼芯片最為合適 [13]。 uPD6121 編碼芯片 和 BC7210 解碼芯片 如圖 31所示 圖 31 紅外發(fā)射頭和接收頭 紅外發(fā)射二極管是紅外通信系統(tǒng)中用來發(fā)射信號的一個非常重要的元件，雖然它看起來比較小，不太顯眼，但是沒有它，紅外通信就只能是一句空話。它是實現(xiàn)紅外通信的橋梁， 其重要性就好像燈泡在照明系統(tǒng)中的重要性一樣，是整個紅外通信系統(tǒng)的焦點。 選用常用的紅外發(fā)光二極管 SE303，外形類似 LED發(fā)光二 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 10 極管， 發(fā)出紅外光（近紅外線約 m ）。管壓降約 ，工作電流一般小于 20mA。為了適應不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻 。 SE303 實物圖如圖32 所示 圖 32 紅外接收器是紅外發(fā)光二極管的受控裝置，其里面有相應的紅外光電轉換電路。這里我們采用的接收器是一種紅外專用接收集成電路 HS0038，用它來完成紅外信號的光電轉換及接收。 接收方一般使用 HS0038 一體化紅外線接收器進行接收解碼，當 HS0038 接收到 38kHz 紅外信號時，輸出端輸出低電平，否則為高電平。所以紅外遙控器發(fā)送紅外信號時，參考上面遙控串行數(shù)據(jù)編碼波形圖，在低電平處發(fā)送 38kHz 紅外信號，高電平處則不發(fā)送紅外信號 。 HS0038實物圖如圖 33所示 。 圖 33 紅外 通訊系統(tǒng)電路設計 最小系統(tǒng)電路 單片機如果要能夠正常工作，那么最小系統(tǒng)是必不可少的。而所謂的最小系統(tǒng)，就是單片機的 XTAL1,XTAL2 兩個 IO 口外接晶振電路 ,RST 口外接復位電路 ,EA、 VCC 接 5V 電源， VSS 接地，這樣組成的一個小系統(tǒng)成為最小系統(tǒng)。所以，紅外通訊系統(tǒng)中的發(fā)射端和接收端都需要有如下圖所示的基本電路模塊： 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 11 圖 34 這里值得注意的是：仿真的時候 VCC 和 VSS 都默認地接 5V電源和接地，所以不需要再添加，但是繪制原理圖和制作 PCB 板時，不能將 VCC和 VSS 遺漏，否則單片機無法正常 工作。 按鍵輸入電路 用來接收用戶輸入的按鍵模塊，采用四乘四矩陣鍵盤與單片機的 P0 八個管腳相連，在程序中進行行列檢測，從而得出用戶對哪個按鍵進行的單擊操作（具體算法實現(xiàn)在第四章軟件設計中詳解）。這里值得注意的是，使用 P0口時，單片機內部是沒有接上拉電阻，所以我們需要外部添加上路電阻。 按鍵輸入模塊電路如下圖所示 : 圖 35 圖 35 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 12 紅外編碼電路 及其紅外發(fā)射 紅外編碼電路的 編碼主要是由用戶碼和數(shù)據(jù)碼構成 ,用戶碼和數(shù)據(jù)碼統(tǒng)稱為傳送碼 ,通常為 8 位或 16 位的“ 0”“ 1”碼 ,為了避免出現(xiàn)差錯 ,每次發(fā)射的傳送碼中一般都包含兩次編碼 :一次為原碼 ,一次為反碼 ?；蛳嗤拇a連續(xù)發(fā)兩次。 本系統(tǒng)采用 8位的傳送碼 ,并且再發(fā)送一次反補作為驗證。 采用 uPD6121編碼芯片，KL/O0至 KL/O7七個管腳接受未編碼的原始操作數(shù)據(jù)；也可以用 KI1至 KI4四個管腳與 KL/O0至 O7組成矩陣鍵盤直接接受輸入數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用第一種方案。 （ 這里的編碼電路沒有經(jīng)過載波就發(fā)送，是因為這是單獨繪制的編碼和紅外發(fā)射電路 ，并沒有應用到仿真。而 本次系統(tǒng)設計 仿真 中并沒有 編碼 芯片，所以在仿真電路中單 獨繪制解碼發(fā)射模塊，用于學習不參與程序運行。） 電路模塊電路圖如下圖所示： 圖 36 載波信號電路 在所有的高頻通信電路中，載波信號的存在是必不可少的。為使紅外信號能夠正確的傳送出去和傳送更長的距離，我們也需要在編碼信號輸出的同端加上一個高頻載波信號。通過這個高頻載波信號的調制，把編碼信號的有用信息“攜帶”出去，這樣信號的傳送距離就能更長，而且能夠有效的避免其他信號的干擾，從而提高了信息傳送的準確性。 本系統(tǒng)采用 89C51 單片機內部定時器產生 38KHz信號的方波，與編碼后的傳 送碼結合，調制后傳送出去。 圖中的 SendIO 用于接 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 13 收來自用戶輸入的數(shù)據(jù)編碼后得到的傳送碼（操作碼）。 載波信號調制電路如下圖所示： 圖 37 解碼電路 及其紅外接 圖 38 通過解碼電路后，得到用戶最原始的輸出數(shù)據(jù)，從而控制 LCD 液晶顯示器顯示電機運轉的相關信息，并且控制電機運轉。 液晶顯示電路和電機電路 根據(jù)解碼后得到的用戶原始輸入數(shù)據(jù)，通過程序控制液晶顯示器的顯示，和電機的運轉。液晶顯示器使用 LCD1602。 RS,RW,E 三個控制端口分別接單片機 P0 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 14 口的 ， ， ，外接上路電阻，而數(shù)據(jù)傳輸端口接單片機的 P2口，因為內部已經(jīng)有上路電阻，所以不再需要外部接上拉電阻。 這里電機采用直流電機，而控制直流電機的轉速主要是通過控制其電壓實現(xiàn)，所以電路中用 三個 2N3055 三極管 ，三個三極管的基極分別接單片機的 P11，P12， P13 三個管腳，集電極接不同大小的電阻再接電源，然后通過程序來控制使用不同的三極管，從而控制不同的直流電機電壓，達到改變轉速的效果。 液晶顯示模塊電路和電機電路分別如圖 39所示 圖 39 總體發(fā)射 端 綜合 仿真電路 圖 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 15 總體 接收 端綜合 仿真電路圖 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 16 4 系統(tǒng)軟件設計 紅外通訊系統(tǒng)軟件設計的編程語言選擇 現(xiàn)在程序編程語言很多如 C 語言， C++語言，匯編語言，機器語言等，這些語言主要都應用于嵌入式開發(fā)之中，但由于機器語言的 難以閱讀，所以現(xiàn)在已經(jīng)基本不再使用 。 而 在單片機應用系統(tǒng)開發(fā)過程中，程序設計有兩種方法：一種是基于匯編語言的程序設計方法，另一種是基于 C 語言的程序設計方法。匯編語言的機器代碼生成效率高但可讀性不強，而 C 語言在大多數(shù)情況下，其機器代碼生成效率和匯編語言相當，而可讀性和可移植性卻遠遠超過匯編語言。此外，由于 C 語言有很 好的層次結構，使其編寫的程序更容易閱讀和維護。且 C 編寫的程序比匯編更符合人們的思考習慣，開發(fā)者能更專心的考慮程序設計而不是考慮些細節(jié)問題，這樣就減少了開發(fā)和調試的時間 [10]。 選用 C語言設計程序 具有一些特點 [14]： C 語言代碼簡潔易讀，使用靈活方便 ， 裝性好，代碼重用性高。 C 語言具有函數(shù)，相對于匯編語言來說，代碼的封裝性遠遠高于匯編語言，代碼的重用性高，并且具有一定的模塊化。 并且 表達能力強 ， 豐富的數(shù)據(jù)結構類型，用戶根據(jù)需要，采用多種數(shù)據(jù)類型來控制各種復雜的數(shù)據(jù)； C語言還有多種運算符，用戶可以靈活地進行簡單 或者復雜的算術運算 ， 表達方式 也很 靈活。 而且 C語言是一種結構化程序設計語言。這一點很適合單片機的設計， C 語言以函數(shù)作為程序設計的基本單位， C 語言程序中的函數(shù)相當于一般語言中的子程序。 還有很關鍵的一點是 C語言擁有指針，直接操作計算機硬件。 C 語言具有直接訪問機器物理地址的能力， Keil 的 C51 編譯器和 Franklin 的 C51 編譯器都可以直接對單片機的內部特殊功能寄存器和 I/O 端口進行操作，可以直接訪問片內或片尾存儲器，還可以進行各種位操作。 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 17 開發(fā)環(huán)境 ,即編程軟件的選擇 本次紅外通訊系統(tǒng)的程序編寫的開發(fā)環(huán) 境，選擇 使用 Keil uVersion3。它是美國 Keil Software 公司出品的主要用于 51 系列單片機主要用于 C 語言軟件程序開發(fā)工具。 Keil 還提供了包括 C 語言編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等完全的開發(fā)方案。在 Keil uVersion3 上編寫的 C 語言程序可以直接生成一個 .HEX 文件在 Proteus 中直接將 HEX 文件 調入 到單片機中 便可直接運行程序 ，方便程序在單片機環(huán)境下的運行和調試。 而使用 C 編譯器 在產生代碼的準確性和效率方面達到了較高的水平，而且可以附加靈活地控制選項，在開發(fā) 大型項目時非常理想，是目前應用最廣泛的單片機開發(fā)環(huán)境之一 [15]。所以，如果是用 C 語言編寫單片機程序沒那么 Keil 幾乎就是第一選擇。 軟件設計 原則 軟件是連接需求分析 \硬件系統(tǒng)以及使得系統(tǒng)實現(xiàn)的橋梁，對軟件進行編寫設計之前應該先了解軟件設計的原則。 軟件要有一定的可靠性，軟件系統(tǒng)規(guī)模越大越復雜，可知這時候軟件的可靠性就越來越難保證 。 軟件的可靠性 意味著該軟件在測試運行過程中避免可能發(fā)生故障的能力，且一旦發(fā)生故障后，具有解脫和排除故障的能力。 軟件可靠性 和硬件可靠性本質區(qū)別在于：后者為物理機理的衰變和老 化所致，而前者是由于設計和實現(xiàn)的錯誤所致。 在進行軟件設計之前 的 軟件的 可靠性必須在設計階段就確定，在生產和測試階段再考慮就困難了。 軟件需要有健壯性，又稱為魯棒性，是指 軟件 對于規(guī)范要求以外的輸入能夠判斷出這個輸入不符合規(guī)范要求，并能有合理的處理方式。 但是它的健壯性 是一個較模糊的概念，但是卻是非常重要的軟件外部量度標準。 軟件 設計的健壯與否直接反應了分析設計和編碼人員的水平 軟件的可修改性，在軟件編寫完成后，可能在后續(xù)部分根據(jù)用戶的需求反應，或者其他原因，可能需要修改軟件。這時候，就要求軟件開發(fā)人員在軟件開發(fā) 時要編寫完整的文檔和良好的結構，如模塊化。 軟件編寫要容易理解，這個其實和可修改性是相關聯(lián)的。擁有良好的結構、明朗的注釋，便于修改時候的閱讀。 基于單片 機的紅外 通訊軟件設計 1 18 軟件要有可測試性， 就是設計一個適當?shù)臄?shù)據(jù)集合，用來測試所建立的系統(tǒng)，并保證系統(tǒng)得到全面的檢驗。 軟件有效率性，效率性是指軟件在編寫的時候應該注意運行時，盡可能得少用計算機內存，并且采用最優(yōu)的算法來處理數(shù)據(jù)結構，讓軟件在計算機中運行時所占用的內存達到最低，這點很考研開發(fā)人員的水平。 軟件標準化原則，軟件編寫要基于業(yè)界的一些規(guī)范、協(xié)議、接口、命名規(guī)則。 軟件要 有先進些和可擴展性，軟件要能滿足客戶的要求，并且做好模塊化，便于日后對軟件的升級。 系統(tǒng)軟件設計 主程序功能的設計及其實現(xiàn) 系統(tǒng)功能的要求決定了系統(tǒng)軟件設計的方向，本次系統(tǒng)程序設計流程圖如圖41 所示。 紅外通訊的數(shù)據(jù)發(fā)送是通過區(qū)別脈沖的低電平寬度來區(qū)分位 0和位 1，位 0 和位 1 的高電平均為 ， 而低電平位 0 為 ，位 1 為 。對于 發(fā)射端程序，運行后 先初始化定時器 0