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    红外线遥控器

    发布日期:2008-08-15 浏览人数:14787人

    红外线遥控器在家用电器和工业控制系统中已得到广泛应用,了解他们的工作原理和性能、进一步自制红外遥控系统,也并非难事。
        1.红外线的特点
        人的眼睛能看到的可见光,若按波长排列,依次(从长到短)为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,如图1所示。
              

        由图可见,红光的波长范围为0.62μm~0.76μm,比红光波长还长的光叫红外线。红外线遥控器就是利用波长0.76μm~1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。
        红外线的特点是不干扰其他电器设备工作,也不会影响周边环境。电路调试简单,若对发射信号进行编码,可实现多路红外遥控功能。
        2.红外线发射和接收
        人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。发射部分的发射元件为红外发光二极管,它发出的是红外线而不是可见光,如图2所示。
        常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右,外形与普通φ5mm发光二极管相同,只是颜色不同。一般有透明、黑色和深蓝色等三种。判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管一样的方法。单只红外发光二极管的发射功率约100mW。红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定,而业余条件下,只能凭经验用拉距法进行粗略判定。
        接收电路的红外接收管是一种光敏二极管,使用时要给红外接收二极管加反向偏压,它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小,红外接收二极管收到的信号较弱,所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现在不论是业余制作或正式的产品,大都采用成品的一体化接收头,如图3所示。红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块,性能稳定、可靠。所以,有了一体化接收头,人们不再制作接收放大电路,这样红外接收电路不仅简单而且可靠性大大提高。

        图3是常用两种红外接收头的外形,均有三只引脚,即电源正VDD、电源负(GND)和数据输出(Out)。接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同,图3列出了因接收头的外形不同而引脚的区别。
        红外接收头的主要参数如下:
        工作电压:4.8~5.3V
        工作电流:1.7~2.7mA
        接收频率:38kHz
        峰值波长:980nm
        静态输出:高电平
        输出低电平:≤0.4V
        输出高电平:接近工作电压
        3.红外线遥控发射电路
        红外线遥控发射电路框图如图4所示。

        框图4是目前所有红外遥控器发射电路的功能组成,其中的编码器即调制信号,按遥控器用途的编码方式可以很简单、也可以很复杂。例如用于电视机、VCD、DVD和组合音响的遥控发射的编码器,因其控制功能多达50种以上,此时的编码器均采用专用的红外线编码协议进行严格的编程,然而对控制功能少的红外遥控器,其编码器是简单而灵活。前者编码器是由生产厂家的专业人员按红外遥控协议进行编码,而后者适用于一般电子技术人员和电子爱好者的编码。图4中的38kHz振荡器即载波信号比较简单,但专业用的和业余用的也有区别,专业用的振荡器采用了晶振,而后者一般是RC振荡器。例如彩电红外遥控器上的发射端用了455kHz的晶振,是经过整数分频的,分频系数为12,即455kHz÷12=37.9kHz。当然也有一些工业用的遥控系统,采用36kHz、40kHz或56kHz等的载波信号。

        因红外遥控器的控制距离约10米远,要达到这个指标,其发射的载波频率(38kHz)要求十分稳定,而非专业用的RC(38kHz)载波频率稳定性差,往往偏离38kHz甚至很远,这就大大缩短了遥控器的控制距离。因晶振频率十分稳定,所以专业厂家的遥控器全部采用晶振的38kHz作遥控器的载波发送信号。

        图4中编码器的编码信号对38kHz的载波信号进行调制,再经红外发射管D向空间发送信号供遥控接收端一体化接收头接收、解调输出、再作处理

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    利用红外线的特点,可以制作多路遥控器。在遥控发射电路中,有两种电路,即编码器和38kHz载波信号发生器。在不需要多路控制的应用电路中,可以使用常规集成电路组成路数不多的红外遥控发射和接收电路,该电路无需使用较复杂的专用编译码器,因此制作容易。

        1.频分制编码的遥控发射器

        在红外发射端利用专用(彩电、VCD、DVD等)的红外编码通讯协议作编码器,对一般电子技术人员或业余爱好者来说,是难于实现的,但对路数不多的遥控发射电路,可以采用频分制的方法制作编码器,而对一路的遥控电路,还可以不用编码器,直接发射38kHz红外信号,即可达到控制的目的。

        图1是一种一路的红外遥控发射电路,在该电路中,使用了一片ICl高速CMOS型4-2输入的“与非”门74HC00集成电路,组成低频振荡器作编码信号(f1),用IC2 555电路作载波振荡器,振荡频率为f0(38kHz)。f1对f0进行调制,所以IC2的③脚的波形是断续的载波,该载波经红外发光二极管发送到空间。电路中的关键点A、B、B’波形如图2所示,其中B’是未调制的波形。

        在图1中,选用了555电路作载波振荡器,其目的是说明电路的调制工作原理,即利用大家熟悉的555产生38kHz方波信号,再利用555的复位端④脚作调制端,即当④脚为高电平时,555是常规的方波振荡器;当④脚为低电平时,555的③脚处于低电平。④脚的调制信号是由ICl的与非门的低频振荡器而获得。
        在实际应用中,遥控发射器是3V电池供电,为此只需把555电路ICl剩余的两个与非门组成的38kHz取而代之,如图3所示。

        注意:这里未引用CMOS 4-2输入的“与非”门CD4011作图1电路中的编码器和载波发生器,是因为CD4011作振荡产生方波信号时,属于模拟信号的应用。为了保证电路可靠起振,其工作电压需4.5V以上,而74HC00的CMOS集成电路的最低工作电压为2V,所以使用3V电源,完全可以可靠的工作。

        2.遥控接收解调电路

        图4为红外接收解调控制电路,图4中IC2是LM567。LM567是一种锁相环集成电路,采用8脚双列直插塑封装,工作电压为+4.75~+9V,工作频率从直流到500kHz,静态电流约8mA。⑧脚为输出端,静态时为高电平,是由内部的集电极开路的三极管构成,允许最大灌电流为100mA。鉴于LM567的内部电路较复杂,这里仅介绍该电路的基本功能。


        LM567的⑤、⑥脚外接的电阻(R3+RP)和电容C4,决定了内部压控振荡器的中心频率f01,f01=1/1.1RC,①、②脚接的电容C3、C4到地,形成滤波网络,其中②脚的电容C2,决定锁相环路的捕捉带宽,电容值越大,环路带宽越窄。①脚接的电容C3为②脚的2倍以上为好。

    弄清了LM567的基本组成后,再来分析图4电路的工作过程。ICl是红外接收头,它接收图1发出的红外线信号,接收的调制载波频率仍为38kHz,接收信号经ICl解调后,在其输出端OUT输出频率为f1(见图2)的方波信号,只要将LM567的中心频率f01调到(用RP)与发射端f1(见图2)相同,即f01=fl,则当发射端发射时,LM567开始工作,⑧脚由高电平变为低电平,该低电平使三极管8550导通,在A点输出开关信号驱动D触发锁存器,再由它驱动各种开关电路工作。这样,只要按一下图1电路的微动开关K,即发射红外线,接收电路图4即可输出开关信号开通控制电路,再按一下开关K,控制开关信号关闭,这就完成了完整的控制功能。

        3. 频分制多路控制器  
      
        利用图1和图4的电路,可以实现多路遥控器,即在发射端,将ICl组成的低频振荡器,其电路模式不变,只改变电阻R2,即可构成若干种R组成的多个频率不同的低频振荡器(即编码),利用微动开关转接,38kHz的载波电路共用;在接收电路中,一体化红外接收头共用,再设置与接收端编码器相同个数的LM567锁相器和后级锁相驱动控制电路,各锁相环的振荡频率与各编码器的低频编码信号的频率对应相等。这样发射端(图1)按压不同的按钮,载波信号接入不同频率编码的调制信号时,在接收端(图4),各对应的LM567的⑧脚的电平会发生变化,从而形成多路控制信号。上述所述的工作方式,称为频分制的编码方式。这种频分制工作方式,其优点是可实现多路控制,但缺点是电路复杂,对于路数不多的控制电路,因电路工作原理简单,对一般电子技术人员仍然是有用的

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    前面介绍的红外遥控器,无论是专业的或简单的遥控器,其发射电路的工作模式都是相同的,而其区别仅在于编码器的编码方式不同。已介绍的频分制编码器,虽然可以实现多路控制,但其控制路数十分有限。像家用音视频设备,因控制功能多达50种以上,用一般编码方式就很难满足要求。为此,这里向读者介绍彩电、VCD、DVD等所用的遥控器(主要指发射)中,编码器的工作原理,其目的,不是引导读者去设计这类编码器,而是直接学会应用现有遥控器,作多路的控制器。

        一、红外遥控器协议

        鉴于家用电器的品种多样化和用户的使用特点,生产厂家对红外遥控器进行了严格的规范编码,这些编码各不相同,从而形成不同的编码方式,统一称为红外遥控器编码传输协议。了解这些编码协议的原理,不仅对学习和应用红外遥控器是必备的知识,同时也对学习射频(一般大于300MHz)无线遥控器的工作原理有很大的帮助。

        到目前为止,笔者从外刊收集到的红外遥控协议已多达十种,如:RC5、SIRCS、Sony、RECS80、Denon、NEC、Motorola、Japanese、SAMSWNG和Daewoo等。我国家用电器的红外遥控器的生产厂家,其编码方式多数是按上述的各种协议进行编码的,而用得较多的有NEC协议。在这里,笔者先介绍几种最常用的协议内容,再介绍NEC协议的应用,便于理解其他协议的工作方式。

        1.RC5协议

        RC5协议如图1所示,图l(a)是协议的“0”、“1”信号(码)的定义;图1(b)是协议每一帧的组成;图1(c)是协议码的格式。

        2.SIRCS协议

        SIRCS协议如图2所示,图2(a)是协议的“0”、“1”信号(码)的定义;图2(b)是协议每一帧的组成;图2(c)是协议码的格式。

        3.NEC协议

        NEC协议如图3所示,图3(a)是协议的“0”、“1”信号(码)的定义;图3(b)是协议每一帧的组成;图3(c)是协议码的格式。

        说明:上述列举的三种红外线编码协议,其特点如下:

        1)在协议中“0”“1”信号(码)是以脉冲周期和占空比来定义的,各协议的区别是“0”“1”脉冲的周期长度(时间)和占空比大小完全不同。

        2)协议的一帧码是由起始位(又称引导码)、数据码(又称用户码)和键码(又称命令码)共同组成的。其中数据码的功能是用于区分不同种类的遥控器,而键码(命令码)代表遥控器面板上各按键所发的“0”、“1”码不同组合的多位数据,即控制信号。

        3)从协议中码的格式看出,各协议的数据码、键码位的长度都不相同。

        由此可见,按红外线协议进行编码的遥控器,其工作不仅可靠,而且相互间不会造成干扰。

        二、NEC协议的红外遥控器

        市场上的VCD、DVD、彩电、音响系统等播放机,使用的红外遥控器,有的采用NEC协议的编码器方式。用NEC协议的编码已有专用的芯片,其型号有SC6121遥控发射集成电路,SC612l采用CMOS工艺制造,工作电压V为2-5.5V,面板上可外接32个按键,典型应用电路如图4所示。

        当遥控器的一个按键按下时,先读取用户码(数据码)和键码,36ms后,遥控启动输出,所以按键的按下时间只有超过36ms时,才能输出一帧码。该芯片上的键还设有双重按键功能,一般用于录音音座录音用。实际上,利用SC6121制成的遥控器,其按键数量可按需要选用,每个键不一定都能派上用场。

        三、红外遥控读码器

        要用市售的遥控器,完成特定设备的控制功能,就需自制红外遥控读码器。读码器是一种红外接收装置,接收电路的前级是红外一体化接收头,接收头的输出供给后级MCU(单片机)将接收解调的编码信号,按已知的协议进行读码(协议中的“0”、“l”码的组合),把协议的组合码译成常用对应的二进制码串,再用二进制码去控制开关信号达到所需设备的开启,如一些商品投影机,就是采用了市售的按NEC协议的现货遥控器,作投影机各种功能控制的。