基于紅外遙控的傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

梁劍平

（玉林師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 玉林 537000）

0 引 言

紅外遙控設(shè)備具有價(jià)格低廉、體積小、功能強(qiáng)、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于家用電器、玩具、工業(yè)設(shè)備中[1-5]。根據(jù)我校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)“傳感器原理及應(yīng)用”課程實(shí)驗(yàn)的需要，研制了紅外遙控傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，讓學(xué)生在做中學(xué)[6]、理論和實(shí)踐相結(jié)合，使學(xué)生進(jìn)一步了解和掌握紅外遙控傳感器的原理及應(yīng)用。

1 紅外遙控傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示，以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，紅外接收傳感器使用HS0038一體化萬能接收傳感器，用于接收并解碼紅外遙控器發(fā)送的信號(hào)，其電壓范圍是2.7～5.5 V，引腳間距為2.5 mm，中心頻率為38 kHz，集成光電檢測和放大器、濾波器；采用環(huán)氧樹脂一體成型，抗自然紅外光干擾[7]。對(duì)應(yīng)圖1圈出部分的實(shí)物如圖2所示，將其集成在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中。圖3是紅外遙控接收傳感器電路原理，STC89C52單片機(jī)IO口P3.4通過上拉電阻與紅外接收傳感器的IR輸出引腳連接。選擇紅外遙控器作為紅外發(fā)射電路。圖4是本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇的紅外遙控器實(shí)物，其使用專用集成電路進(jìn)行編碼，由38 kHz載波調(diào)制脈沖幅度，通過紅外二極管進(jìn)行紅外信號(hào)發(fā)射。紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩部分組成，系統(tǒng)框圖如圖5所示[8]。

圖1 紅外遙控傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖2 紅外接收傳感器HS0038實(shí)物

圖3 紅外遙控接收傳感器電路原理

圖4 紅外遙控器

圖5 紅外遙控系統(tǒng)框圖

2 紅外遙控傳感器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)

根據(jù)本文研制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，圍繞紅外遙控傳感器設(shè)計(jì)了紅外傳感器通信協(xié)議初探實(shí)驗(yàn)、紅外傳感器解碼基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、紅外遙控LED燈亮滅進(jìn)階實(shí)驗(yàn)，三個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)難度由淺入深。

2.1 紅外傳感器通信協(xié)議初探實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)紅外遙控采用NEC通信協(xié)議[9-10]，使用邏輯分析儀讀取IR引腳的電平，從而直觀了解NEC通信協(xié)議。NEC通信協(xié)議定義的邏輯“0”和邏輯“1”如下：

（1）邏輯0∶0.56 ms低電平+ 0.56 ms高電平（低高電平比1∶1）。

（2）邏輯1∶0.56 ms低電平+ 1.68 ms高電平（低高電平比1∶3）。

NEC通信協(xié)議中一幀編碼數(shù)據(jù)由前導(dǎo)碼+起始碼+數(shù)據(jù)碼+數(shù)據(jù)反碼組成，本實(shí)驗(yàn)中前導(dǎo)碼由9 ms低電平+4.5 ms高電平組成，起始碼16位（00000000 11111111） = 0x00FF，數(shù)據(jù)碼8位，數(shù)據(jù)反碼8位，數(shù)據(jù)碼+數(shù)據(jù)反碼＝0x00FF，前導(dǎo)碼和起始碼對(duì)于同一個(gè)遙控器不同的按鍵都是一樣的，數(shù)據(jù)碼對(duì)應(yīng)于每個(gè)按鍵的編碼，數(shù)據(jù)反碼是數(shù)據(jù)碼按位取反的值。

初探實(shí)驗(yàn)學(xué)生不需要編程，將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上紅外遙控接收傳感器HS0038的引腳與邏輯分析儀連接如圖6所示，邏輯分析儀的白色探頭接紅外接收頭IR引腳，黑色探頭接紅外接收頭地引腳，接好線路后給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電，按圖4遙控器的某個(gè)按鍵，如“1”按鍵，觀察邏輯分析儀上位機(jī)的波形并分析記錄。圖7是實(shí)驗(yàn)課程中某組學(xué)生按下實(shí)驗(yàn)所用遙控器按鍵“1”的解碼波形，對(duì)波形進(jìn)行放大如圖8所示，對(duì)波形進(jìn)行分析如圖9所示。該波形圖即為按下的遙控器某個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的NEC通信協(xié)議解碼數(shù)據(jù)。

圖6 邏輯分析儀測量遙控按鍵波形

圖7 遙控器按鍵“1”解碼波形

圖8 遙控器按鍵“1”解碼放大波形

圖9 遙控器按鍵“1”解碼放大波形分析

根據(jù)圖9分析遙控器的按鍵“1”的編碼，可得按鍵“1”數(shù)據(jù)碼為（10100010）=0XA2，通過下一節(jié)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證波形數(shù)據(jù)的正確性。

2.2 紅外傳感器解碼基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)硬件部分圖3所示的紅外遙控接收傳感器電路原理，利用Keil軟件編程控制單片機(jī)通過IO口P3.4讀取紅外接收傳感器HS0038輸出引腳IR的數(shù)據(jù)。為了便于觀察記錄并通過串口助手顯示數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)碼管顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)字，如按下按鍵“1”，數(shù)碼管顯示單個(gè)數(shù)字“1”，要求學(xué)生解碼實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用的遙控器所有按鍵的編碼，并將數(shù)據(jù)記錄在表1中，其中編碼值采用十六進(jìn)制記錄，編碼值是學(xué)生實(shí)驗(yàn)編程讀取IR引腳記錄的紅外遙控器按鍵對(duì)應(yīng)的編碼，將本節(jié)實(shí)驗(yàn)編程解碼數(shù)據(jù)與上一節(jié)實(shí)驗(yàn)使用邏輯分析儀讀取的數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性和一致性。圖10和圖11是實(shí)驗(yàn)課程中某組學(xué)生的串口助手?jǐn)?shù)據(jù)顯示結(jié)果和數(shù)碼管顯示結(jié)果。

表1 紅外遙控器按鍵對(duì)應(yīng)編碼

圖10 串口助手?jǐn)?shù)據(jù)顯示結(jié)果

圖11 數(shù)碼管顯示結(jié)果

2.3 紅外遙控LED燈亮滅進(jìn)階實(shí)驗(yàn)

開發(fā)板上有紅色、黃色、綠色三種顏色的LED燈，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)應(yīng)LED燈部分的電路原理如圖12所示。利用Keil軟件編程實(shí)現(xiàn)使用紅外遙控信號(hào)控制三個(gè)LED燈的亮滅，模擬現(xiàn)實(shí)情況中遙控電燈的開關(guān)控制。具體功能如下：當(dāng)按下遙控器按鍵“1”時(shí)，紅色LED燈亮；當(dāng)按下按鍵“2”時(shí)，黃色LED燈亮；當(dāng)按下按鍵“3”時(shí)，綠色LED燈亮；當(dāng)按下按鍵“OK”時(shí)，三個(gè)燈都熄滅。軟件流程如圖13所示。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚴箤W(xué)生更進(jìn)一步掌握如何使用紅外遙控器的紅外信號(hào)進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)按鍵的功能。

圖12 LED燈電路原理

圖13 紅外遙控信號(hào)控制LED燈亮滅流程

3 結(jié) 語

本文針對(duì)“傳感器原理及應(yīng)用”課程中紅外遙控傳感器研制的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及初探實(shí)驗(yàn)、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、進(jìn)階實(shí)驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)循序漸進(jìn)、環(huán)環(huán)緊扣，能夠幫助學(xué)生理解并掌握紅外遙控傳感器原理及應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)外擴(kuò)了E2PROM存儲(chǔ)器，可以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)紅外遙控器密碼鎖項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力。