基于單片機(jī)的紅外系統(tǒng)控制研究

張金美　王慶福

摘要：當(dāng)前工業(yè)化的自動(dòng)化水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)行業(yè)是否進(jìn)步的標(biāo)志，工業(yè)自動(dòng)化要求能夠通過簡(jiǎn)單的機(jī)器操作來減少人為干涉，從而提升社會(huì)勞動(dòng)力的合理分配。文章指出，家庭電器設(shè)備自動(dòng)化是當(dāng)前智能家居的重點(diǎn)和中心實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，基于單片機(jī)的紅外控制能夠有效地解決家庭設(shè)備多路控制問題，極大地改善人們的日常生活。

關(guān)鍵詞：工業(yè)自動(dòng)化；單片機(jī)；紅外控制

單片機(jī)作為—種微型計(jì)算機(jī)，能夠?qū)⒏鬟壿嫴考凑找欢ǖ倪壿嫻δ芙M合在一起，其內(nèi)可以包含CPU、RAM、ROM、總線、控制系統(tǒng)等必需的邏輯部件，將這些邏輯部件按照各組件的有機(jī)結(jié)合固化在芯片上。當(dāng)前工業(yè)的自動(dòng)化水平作為檢驗(yàn)社會(huì)生產(chǎn)力進(jìn)步的重要標(biāo)志，如何提升工業(yè)自動(dòng)化程度是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。工業(yè)自動(dòng)化的目標(biāo)是希望通過提高機(jī)器自動(dòng)化的程度來盡可能地減少人為的強(qiáng)行干預(yù)，極大地提升社會(huì)生產(chǎn)力。家庭電器作為人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷牟糠郑瑢?shí)現(xiàn)家庭電器操作的一體化是單片機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)對(duì)家庭電器中諸多遙控器的問題，采用基于單片機(jī)的紅外控制系統(tǒng)，減少人為操作的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)一鍵式操作模式，能夠極大地方便人們的生活，具有非常重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

1.單片機(jī)

當(dāng)前單片機(jī)在日常生活中的每個(gè)方面都有涉及，幾乎是人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊徊糠?。小到電話、玩具、手機(jī)、各類刷卡機(jī)、電腦鍵盤、彩電、冰箱、空調(diào)、電磁爐，大到汽車、工業(yè)自動(dòng)控制、機(jī)器人、導(dǎo)彈導(dǎo)航裝置，甚至是美國的火星車，這些設(shè)備里面都含有一個(gè)或者多個(gè)單片機(jī)。單片機(jī)是一種控制芯片，一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，而晶振、存儲(chǔ)器、地址鎖存器、邏輯門、七段譯碼器（顯示器）、按鈕（類似鍵盤）、擴(kuò)展芯片、接口等都是單片機(jī)系統(tǒng)。下面介紹單片機(jī)中一些重要概念。

（1）時(shí)鐘周期。也稱為振蕩周期，定義時(shí)鐘頻率的倒數(shù)（時(shí)鐘周期就是單片機(jī)所接的外部晶振的倒數(shù)，如12MHz的晶振，它的時(shí)鐘周期就是1/12us），它是單片機(jī)中最小的時(shí)間單位。在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，CPU只完成一個(gè)最基本的動(dòng)作。時(shí)鐘脈沖是CPU的基本工作脈沖，脈沖的大小反映CPU工作頻率的快漫節(jié)奏，通常可以認(rèn)為時(shí)鐘脈沖越高，CPU的工作效率也越高。然而因?yàn)椴煌瑔纹瑱C(jī)的內(nèi)部構(gòu)成不同，高脈沖的CPU不適用于任何單片機(jī)。所以，通常不同的單片機(jī)都有其自身獨(dú)特的時(shí)鐘脈沖。常用的STC89C系列單片機(jī)的時(shí)鐘范圍大概在1-40MHz。

（2）狀態(tài)周期。它是時(shí)鐘周期的2倍。用作單片機(jī)內(nèi)部各功能部件按序協(xié)調(diào)工作的控制信號(hào)。

（3）機(jī)器周期。單片機(jī)的基本操作周期，在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)，單片機(jī)完成一項(xiàng)基本操作，如取指令、讀寫存儲(chǔ)器等。由12個(gè)時(shí)鐘周期（6個(gè)狀態(tài)周期）組成。

（4）總線周期?？偩€上掛載了存儲(chǔ)器、控制器和相關(guān)的I/O設(shè)備，CPU對(duì)這些設(shè)備的訪問通過總線實(shí)現(xiàn)，因此定義以此CPU的外設(shè)訪問為一個(gè)總線周期。

（5）指令周期。顧名思義，是指執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。一般而言，一條指令包含多個(gè)操作，可能會(huì)需要1～4個(gè)機(jī)器周期。例如，對(duì)于一條簡(jiǎn)單的取數(shù)指令，從寄存器中獲取數(shù)據(jù)并編碼執(zhí)行即可，一個(gè)機(jī)器周期即可完成，但對(duì)于一些較為復(fù)雜的運(yùn)算指令，可能涉及取數(shù)、存儲(chǔ)、運(yùn)算等多個(gè)步驟，則可能需要一個(gè)或者多個(gè)機(jī)器周期。通常意義上，一個(gè)機(jī)器周期的指令成為單周期指令，多個(gè)機(jī)器周期的指令成為多周期指令。

（6）總線。總線是元器件中一個(gè)重要的概念，在模擬電路中各種部件之間都是通過串行的方式連接，各部件之間的連線并不多，然而計(jì)算機(jī)中各種元器件太繁多，還涉及各部件之間相互通信和協(xié)調(diào)的問題，如果每條功能指令或者2個(gè)元器件之間的通信都通過線互聯(lián)，則計(jì)算機(jī)內(nèi)部的線路將會(huì)非常龐大，對(duì)于整體的維護(hù)和升級(jí)也極為不易，因此需要總線來協(xié)調(diào)各組件問的及時(shí)通信。總線是計(jì)算機(jī)內(nèi)部的主干線路，一切互聯(lián)的器件都通過總線進(jìn)行通信。然而還存在另一個(gè)問題，當(dāng)2個(gè)元器件同時(shí)對(duì)外輸出信號(hào)時(shí)，一個(gè)元器件的輸出信號(hào)為1，另一個(gè)元器件的輸出信號(hào)為0，則接受方在接受后應(yīng)該如何處理呢。這種情況依賴當(dāng)前的總線是不夠的，因此引入了控制總線的概念?？刂瓶偩€是各元器件之間指令交互的工具，任何時(shí)候控制總線只被允許進(jìn)行一種指令的傳輸來保證指令的有序性，這樣，接受方在收到指令后則可以進(jìn)行有效的判斷。而數(shù)據(jù)總線是各元器件間數(shù)據(jù)交換的工具。另外，單片機(jī)內(nèi)部還存在著地址的分配，某些存儲(chǔ)單元要完成地址分配才能進(jìn)行信號(hào)傳輸，由于存儲(chǔ)單元過多，管理起來也較為不易，因此以地址總線進(jìn)行協(xié)同控制。

（7）數(shù)據(jù)、地址、指令。從某種意義上來說，這三者都可以認(rèn)為是數(shù)字，是由一連串0101的數(shù)字串構(gòu)成的。簡(jiǎn)而言之，地址和指令也可以認(rèn)為是數(shù)據(jù)。地址通過0101的數(shù)字序列對(duì)應(yīng)到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器件中某個(gè)具體位置，指令通過0101的數(shù)字序列表征具體的指令，指令有著比較嚴(yán)格的界定，不能由單片機(jī)的開發(fā)者隨意更改，一個(gè)確定的數(shù)字序列指令就對(duì)應(yīng)著具體的操作。同理，單片機(jī)內(nèi)部器件的地址也是事先由芯片設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)好的，不可更改，外部的單元可以提供給開發(fā)者自由設(shè)定，不受限制。數(shù)據(jù)部分是整個(gè)單片機(jī)處理的核心，最終的結(jié)果都是為了數(shù)據(jù)的傳輸和運(yùn)算，不同的電路中數(shù)據(jù)也有著一定的差異。

2.紅外控制系統(tǒng)

紅外控制是一種應(yīng)用比較廣泛的通信和遙感技術(shù)。因其功耗低、體積小、攜帶便捷、價(jià)格低等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在家用電器（空調(diào)、彩電、冰箱）中廣泛應(yīng)用，一些音響設(shè)備等也逐漸開始使用紅外控制。一方面，紅外控制在操作上簡(jiǎn)便易行；另一方面，獨(dú)特的控制性能是首選。此外，在不適合人現(xiàn)場(chǎng)操作的場(chǎng)景下，如高壓、高氣流、缺氧、毒氣和粉塵等環(huán)境下，紅外控制也逐漸嶄露頭角，可靠的穩(wěn)定性和操作性能夠有效地隔離毒氣粉塵對(duì)人身體的影響和傷害。

紅外控制系統(tǒng)一般由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成，發(fā)射系統(tǒng)通?？梢杂涉I盤、芯片和相關(guān)的紅外發(fā)射源通過連接紅外發(fā)射電路，將基帶產(chǎn)生的二進(jìn)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，通過紅外發(fā)射管發(fā)射。接收系統(tǒng)通過接收傳遞過來的紅外光線進(jìn)行脈沖分析，提取脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制信號(hào)，從而進(jìn)一步對(duì)二進(jìn)制進(jìn)行響應(yīng)。

UPD6121G通過產(chǎn)生連續(xù)的32位二進(jìn)制編碼輸出指令，在32位編碼中，前16位用于區(qū)分不同的發(fā)射方，防止不同電器之間的信號(hào)干擾。通常情況下，前16位身份碼固定為01H；后16位為8位操作碼（功能碼）及其反碼。UPD6121G最多有128種不同組合的編碼。

相應(yīng)的操作設(shè)備按鍵被按下時(shí)，會(huì)周期性地輸出不同的指令（即32位狀態(tài)碼），每組的狀態(tài)碼間通過0101的數(shù)據(jù)分布相區(qū)別，不同的數(shù)據(jù)分布對(duì)應(yīng)不同的數(shù)據(jù)指令。

下面介紹采用單片機(jī)的紅外控制系統(tǒng)的具體布線細(xì)節(jié)，圖1為紅外遙控的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

如前所述，通常意義上的紅外控制系統(tǒng)由兩部分組成：信號(hào)發(fā)射部分和信號(hào)接收解析部分。因此，一般需要編碼器/解碼器對(duì)此種功能進(jìn)行解析，編碼器的目的是將當(dāng)前的輸出指令編碼成脈沖信號(hào)進(jìn)行傳輸，解碼器的作用是針對(duì)發(fā)射的脈沖信號(hào)進(jìn)行解碼，換成對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。此處以TC9012編碼芯片為例分析紅外遙控，介紹如何利用51單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)的解碼。當(dāng)用戶使用遙控設(shè)備按下按鍵時(shí)，觸發(fā)按鍵背后的單片機(jī)線路，不同的按鍵對(duì)應(yīng)著不同的功能，不同的按鍵會(huì)產(chǎn)生不同的脈沖信號(hào)，此類遙控碼具備如下特征：采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示二進(jìn)制的“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合表示二進(jìn)制的“1”，遙控器發(fā)射的信號(hào)由一串0和1的二進(jìn)制代碼組成，不同的芯片對(duì)O和l的編碼有所不同。編碼主要以曼徹斯特編碼和脈沖寬度編碼2種為主，TC9012的0和1采用PWM方法編碼，即脈沖寬度調(diào)制，其0碼和l碼如圖2所示（以遙控接收輸出的波形為例）。0碼由0.56ms低電平和O.56ms高電平組合而成，脈沖寬度為1.12ms。l碼由O.56ms低電平和1.69ms高電平組合而成，脈沖寬度為2.25ms。在編寫解碼程序時(shí)，通過判斷脈沖的寬度，即可得到0或1，具體的編碼細(xì)節(jié)如圖2所示。

當(dāng)接收系統(tǒng)接收到來自發(fā)射方的脈沖信號(hào)后，首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行判斷，判斷當(dāng)前的信號(hào)屬于何種信號(hào)，如按下空調(diào)的遙控開關(guān)時(shí)，表示是需要調(diào)節(jié)當(dāng)前空調(diào)的溫度還是調(diào)節(jié)風(fēng)量，又或是調(diào)節(jié)當(dāng)前房間的濕度等。解碼的關(guān)鍵就是需要根據(jù)接收的脈沖信號(hào)0101中解析具體的信號(hào)?？上攵瑢?duì)于特征的設(shè)備和頻段，固定的命令格式必然是固定的，否則不同型號(hào)的空調(diào)可能會(huì)對(duì)相同的按鍵產(chǎn)生不同的操作，這是不能接收的。如果從0.56ms低電平過后，開始延時(shí)，0.56ms以后，若讀到的電平為低，說明該位為“0”，反之則為“l(fā)”，為了可靠起見，延時(shí)必須Lho.56ms長(zhǎng)些，但又不能超過1.12ms，否則如果該位為“0”，讀到的已是下一位的高電平，因此?。?.12ms+0.56ms）/2=0.84ms最為可靠，一般取0.84ms左右均可。根據(jù)碼的格式，應(yīng)該等待9ms的起始碼和4.5ms的結(jié)果碼完成后才能讀碼。

3.結(jié)語

本文從當(dāng)前工業(yè)的自動(dòng)化水平為切入點(diǎn)，闡述當(dāng)前家庭電器的重要開發(fā)領(lǐng)域，分析基于單片機(jī)的紅外控制系統(tǒng)的研發(fā)，能夠極大地提高經(jīng)濟(jì)效益，節(jié)約時(shí)間。