基于HC-12的紅外轉發(fā)電路系統(tǒng)的設計

倪瑛

（南京工業(yè)職業(yè)技術學院航空工程學院，江蘇南京210023）

基于HC-12的紅外轉發(fā)電路系統(tǒng)的設計

倪瑛

（南京工業(yè)職業(yè)技術學院航空工程學院，江蘇南京210023）

為了減少家庭用電設備遙控器數(shù)量，提出一種用STC89C52作為主處理器的紅外轉發(fā)器控制方案。該設計可以免去了尋找遙控器的麻煩，直接通過手機或ipad終端實現(xiàn)對被控對象的控制。紅外轉發(fā)電路通過記錄紅外接收管接收到的紅外信號，然后經過解析出值，最后通過紅外轉發(fā)器的發(fā)射管發(fā)射出相同的載波頻率，從而達到控制的效果。經過實驗驗證，該設計能夠實現(xiàn)預定的功能，且性能較穩(wěn)定。

遙控；紅外轉發(fā)；無線局域網；射頻模塊

隨著我國經濟的快速發(fā)展，人民生活質量的日漸提高，各種用電設備走進了日常生活，對家中各類電器的智能控制[1-3]一直是人們研究的熱點。家中的電視機、空調、DVD、音響、投影儀等電器都有各自的遙控器，同時由于遙控器眾多，有時候人們在尋找相應的遙控器時頗費時間。使用者希望可以有一個遙控器來替代眾多的遙控器，或直接用手機、平板來直接取代遙控器，從而免去尋找遙控器的麻煩。為了實現(xiàn)以上功能，紅外轉發(fā)電路[4-5]起到一個決定性的作用。該紅外轉發(fā)電路能夠將手機或ipad發(fā)送來的控制信號轉換成相應的紅外控制信號[6]，從而去控制相應的電器。

1 方案設計

1.1 設計需求分析

紅外轉發(fā)電路主要通過電路中的紅外接收管來學習遙控設備的按鍵功能，同時通過手機、或平板等終端來控制，使用終端向紅外轉發(fā)器發(fā)出一個按鍵功能對應的數(shù)據，再通過紅外發(fā)射管將數(shù)據發(fā)射出去，從而實現(xiàn)了遙控器的功能。為了實現(xiàn)用手機或平板對被控電器的遙控控制，設計的紅外轉發(fā)電路系統(tǒng)需要滿足以下要求:

1）和手機或平板無線通信采用WiFi方式；

2）手機或平板發(fā)出的WiFi控制信號轉換成射頻信號；

3）射頻信號經過轉換電路轉換成紅外控制信號[7-11]；

4）添加新的遙控設備時，可以學習新的遙控[12-15]；

5）在手機或平板上需要添加App控制。

1.2 設計方案分析及硬件選型

根據系統(tǒng)整體設計的要求分析，圖1給出了紅外轉發(fā)電路系統(tǒng)設計。整個系統(tǒng)包括兩大組成部分:信號轉換電路和紅外轉發(fā)電路。其中信號轉換電路是將手機或平板發(fā)出的WiFi信號轉換為射頻信號，通常在家中只需要一個就可以。紅外轉發(fā)電路的作用在于將射頻信號轉化成紅外控制信號。由于紅外信號傳輸?shù)奶匦?，需要在有被控電器的房間中間頂部都需要安裝一個紅外轉發(fā)電路。

圖1 紅外轉發(fā)電路系統(tǒng)的設計原理圖

單片機是設計方案最關鍵的部分。在紅外轉發(fā)器中的單片機負責整個過程中數(shù)據的處理，以及對紅外發(fā)射波長的控制。因此首先需要選擇一個比較合適的單片機[16]作為處理核心，鑒于該系統(tǒng)對于數(shù)據的處理要求比較高，選擇了STC89C52這種單片機。STC89C52單片機是由宏晶科技公司推出的一款具有更高速、更加低功耗、更加具有抗干擾的單片機，它所使用指令集中的所有指令的代碼都是完完全全的兼容以前傳統(tǒng)的8051單片機。該單片機還有12時鐘為一個機器周期和6時鐘為一個機器周期的兩種模式，可以由用戶按照所需自由選擇。在信號轉換電路中，由于涉及WiFi與串口通信的過程中需要使用兩個串口，使得數(shù)據能在WiFi和HC-12兩種模塊上相互轉化使用，所以最終選擇了STC12C5A60S2這種雙串口的單片機。STC12C5A60S2單片機是8051單片機的升級版，與8051相同的是，同樣具備了高速的數(shù)據處理能力，并且擁有8～12倍的數(shù)據處理能力，所用到的指令也是完全兼容8051單片機。因此兼容性比較好，最為重要的是，這種單片機擁有兩個串口，可以將其中的一個串口用于連接WiFi，另一個串口用來連接HC-12。

在紅外收發(fā)二極管上，采用紅外發(fā)射管和紅外接收管分立的元件，用一個紅外接收管接收所需要學習的按鍵的信息，將4個紅外發(fā)射管分立在四周，從而達到能夠覆蓋各個方向的效果。紅外接收管在家用電器設備的工作端接收器中使用比較廣泛，例如電視、音響、空調、DVD等等電氣設備。紅外發(fā)射管是一種可以將電能直接轉化成為近乎紅外光，并且同時將之輻射出去的發(fā)光元器件，它主要應用在各種光電開關上以及一些遙控發(fā)射的電路中。紅外二極管輻射的時候，最大輻射強度的位置一般是在發(fā)射管發(fā)出光線中心軸的正前方，并且輻射的強度隨著輻射的方向與中心軸之間的夾角的增加而減小，夾角越大，輻射強度越小。輻射強度最大為50%時候的角度稱為半強度輻射角。紅外發(fā)光二極管正常情況下使用的是砷化鎵（GaAs）、砷鋁化鎵（GaAlAs）等這些材料，采用也是全透明、淺藍色或黑色的樹脂封裝，一般情況下人們使用透明色的比較多，并且不同工藝型號的紅外發(fā)光二極管在各個參數(shù)上也會有所不同。

紅外接收管的接收性能強，能夠很好地接收遙控器發(fā)送出來的控制信號。因為紅外接收管不能接受其他的傳輸信號，只能夠接收到其他設備傳輸過來的紅外信號，所以紅外接收管的使用準確性和靈敏度能夠得到很好的保證。遙控器發(fā)出的紅外信號經過接收器的解調，數(shù)據會變成“0”和“1”兩種狀態(tài)，區(qū)別在于高低電平持續(xù)的時間長短上不同或者是在信號周期上決定數(shù)據“0”和“1”數(shù)據狀態(tài)的跳變情況。單片機對數(shù)據進行解碼時，通常是將紅外接收管的輸出端與單片機的外部中斷相連接，并同時通過定時器計算外部中斷的間隔時間，以此為參考獲取相關的紅外數(shù)據。

在無線傳輸模塊的選擇上，選擇了HC-12無線串口傳輸模塊，該模塊可以將原本需要用線連接起來傳輸?shù)臄?shù)據轉換為無線發(fā)送的模式，且具有傳輸距離遠、傳輸數(shù)據穩(wěn)定、傳輸速度快的特點。該模塊工作時的頻率一般為433.4 MHz到473.0 MHz之間，并且可以設置多達100個頻道，模塊內部自帶MCU微處理器，用戶只需要對模塊進行使用即可，無需再自己手動編程，模塊采用了現(xiàn)今使用最為常見的多種串口透傳方式進行通信。HC-12采用了無線串口透傳的原理進行傳輸數(shù)據，該模塊工作時相當于兩臺設備處于半雙工工作模式，RXD端口接收數(shù)據，在接收到數(shù)據之后，再以無線電波的形式發(fā)射到空中，TXD端口則在接收到無線電波之后還原出原始的數(shù)據，并將數(shù)據傳輸給設備。由于兩個HC-12模塊工作在半雙工的狀態(tài)下，所以不能同時進行數(shù)據的收發(fā)。HC-12無線串口透傳4種工作模式及各個模式下的特性參考值如表1所示。

表1 HC-12無線串口透傳4種工作模式及各個模式下的特性參考值

由于通信的距離受到串口波特率的限制，所以當增加波特率的時候必然會減少傳輸?shù)木嚯x，當把波特率調低的時候可以增加傳輸距離，但是通信速度相對會慢一點。具體的模塊接收靈敏度如表2所示。在信號轉換電路中的單片機采用了雙串口單片機，單片機的一個串口與WiFi模塊相連，另一個與HC-12相連，利用WiFi使手機與雙串口單片機進行通信，然后通過雙串口單片機轉發(fā)給HC-12，再實現(xiàn)與紅外轉發(fā)相連接。

WiFi模塊又叫做WiFi串口模塊，工作在傳輸層，功能是將串口和TTL電平轉換為無線信號，然后通過天線發(fā)射出去，WiFi模塊支持無線網絡協(xié)議IEEE802.11b.g.n協(xié)議，還有TCP/IP協(xié)議。

表2 實驗數(shù)據

WiFi模塊功能是將串口和TTL電平轉換為無線信號，然后通過天線發(fā)射出去。WiFi模塊在生活中常見的有3類，第一類是通用型的WiFi模塊，如手機、筆記本等電子產品上的接口模塊，第二類是路由方案，用的比較多的是家里的路由器，生活中較為常見。第三類就是嵌入式模塊，用來連接單片機使用，接口通常為一般的MCU接口，在本次設計中使用的是嵌入式模塊，另外考慮到傳輸距離的問題，最終選擇了ESP8266串口WiFi模塊。

2 實驗測試

在程序設計中設置了紅外數(shù)值的中斷讀取函數(shù)。在該函數(shù)中首先判斷是否有紅外信號的產生，若檢測到紅外信號，則開始接收紅外信號，接著通過函數(shù)來計算紅外信號所產生的時間長度，通過時間長度計算出紅外信號的數(shù)值，最后將這個值發(fā)送出去，從而實現(xiàn)了紅外接收到解析的整個過程。

下載程序并運行，并且使用電腦模擬，查看是否能夠正常的使用。輸入F0，使得紅外轉發(fā)器進入學習狀態(tài)，如圖2所示，這時候會看到能夠正常的返回一個FF值，表示進入學習狀態(tài)成功。

圖2 紅外轉發(fā)器的學習狀態(tài)

將紅外轉發(fā)連接到單片機開發(fā)板上，通過一個外部遙控器，在學習模式下，按某個按鍵，使得其向紅外接收管發(fā)送數(shù)據，并利用NECI協(xié)議人為的模擬出一個紅外轉發(fā)信號.再通過將開發(fā)板上的串口與電腦相連接，通過電腦上的串口助手進行調試，發(fā)送剛才所學習到的紅外信號的值，然后通過串口助手查看紅外轉發(fā)器是否接收到了剛才所學習的紅外信號的值，如圖3所示。測試結果表明工作正常。

在調試中如果接收到的紅外的值有錯誤，則使用示波器，查看輸出和紅外接收部分處在工作狀態(tài)下的波長，當檢測出某段的波長出現(xiàn)了問題，對應程序所在的代碼段，啟用斷點調試功能，每執(zhí)行一步觀察相應的值的變化情況，若發(fā)現(xiàn)某處出現(xiàn)錯誤，及時更改。

3 結論

通過對實物模型的調試，最終紅外接收管能夠接收到來自于手機或平板發(fā)出來的信號，并進行解析，整個接收以及解析的過程也是非常的短，相對來說穩(wěn)定性非常好。通過實驗模型的測試，實用性和穩(wěn)定性相對較完善，由于紅外發(fā)射管和接收管的壽命比較長，所以該實物在耐用性方便一定會有出很不錯的表現(xiàn)。

圖3 檢測學習的結果

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Design of infrared transmitting circuit system based on HC-12

NI Ying
（Nanjing Vocational Institute of Industry Technology，Aeronautical Engineering Department，Nanjing210023，China）

In order to reduce the number of home electrical equipment remote controllers，a kind of infrared transponder with STC89C52 as the main processor control scheme was brought forward in the paper.This design can remove from the trouble of looking for remote controllers，and achieve the control of the object directly through the phone or iPad terminal.The infrared transponder circuit recorded the infrared signal through the infrared receiving tube，and get the analytic value，finally emitted the same carrier frequency signal，so as to achieve the effect of the control.Experimental results show that the design can achieve the intended function，and the performance is more stable.

remote control；infrared transmission；WiFi；RF module

TN219

A

1674-6236（2017）23-0135-04

2016-10-09稿件編號：201610023

2014年度江蘇省智能傳感網工程技術研究開發(fā)中心開放基金立項項目（ZK14-02-02）

倪瑛（1979—），女，江蘇丹徒人，博士研究生，講師。研究方向：電子與通信技術。