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信号灯红外无线遥控系统设计

发布日期:2017-08-11   来源:《智慧工厂》7期   作者:刘西洋 鲁其兴 侯磊 张毅 徐新新   浏览次数:2245
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【摘   要】:信号灯红外无线遥控系统,通过接收红外光不同频率的信号,由PLC转化成对应的控制方法从而控制电路,最后通过接收电路的输出端与PLC输入端相连以完成控制功能。本文主要从信号灯无线遥控系统原理、发射系统设计、接收系统设计三方面进行阐述。最大限度的利用了PLC现代控制优势,充分发挥了信号灯的作用。

关键词:信号灯   无线遥控   发射接收系统   红外遥控   PLC

Abstract: This paper designs a kind of semaphore wireless remote control system. By receiving infrared light signals of different frequencies, the PLC is transformed into the corresponding control method and control circuit. Finally, through the output end of the receiving circuit and PLC input connected to the control function has been completed. This article mainly from the signal light wireless remote control system principle, the launch system design, the receiving system design three aspects elaborated. The maximum use of the PLC modern control advantages, give full play to the role of the signal lights.

Key words: Signal  Wireless remote control  Launch-receiving system   Infrared remote control   PLC

【中图分类号】TP872 【文献标识码】A 文章编号1606-5123201707-0000-00

基金项目:山东省自然科学基金资助项目(ZR2012AM011

1 引言

无线遥控方式可分为无线电波式、声控式、超声波式和红外线式等等。

红外遥控方式是以红外线作为载体来传送控制信息,信号易获得。同时随着电子技术的发展,以及单片机的出现,催生了数字编码方式的红外遥控系统的快速发展。另外,红外遥控采用数字信号编码和二次调制方式,不仅能够实现多路信息的连续控制,增加遥控功能,很大程度上提高信号传输的抗干扰性,减少了错误动作,而且功率消耗低,红外线不会向室外泄露,不会产生信号干扰,并且兼具传输效率高、反应速度快、工作稳定可靠等。所以现在很多无线遥控方式都是采用的红外遥控方式。

2 原理设计

2.1 系统工作原理

最常见的红外线应用形式就是各种各样的遥控器。

单片机红外遥控器主要由单片机、红外遥控发射电路、红外遥控接收电路、状态指示电路、控制电路以及单片机的一些外围电路组成。此外还有电源电路及其它一些外部电路构成。就其工作原理来说,当有键按下时,系统延时一段时间防止干扰,然后启动振荡器,键编码器取得键码后从ROM中取得相应的指令代码。遥控器一般采用电池供电,为了节省电量和提高抗干扰能力,指令代码都是经3256kHz范围内的载波调制后输出到放大电路,驱动红外发射管可以发射出940nm的红外光。当发送结束时振荡器也随之关闭,系统处于低功耗休眠状态。红外遥控发射器设计目的就是根据按键的不同,发射出不同的红外信号。本系统采用单片机制作,采用编程的方法,由于编程具有灵活性,故应用范围较广泛,并且操作码可以随意设定。

2.2 系统架构组成

    无线遥控系统就其组成来说,主要分为发射电路、接收电路及外围控制电路等部分。最后通过接收电路的输出端与PLC输入端相连以完成控制功能。以下是几个主要的硬件组成部分:

(1)遥控器电源:对于遥控器电源,由于普通遥控器功率一般都在几到几十mw,所以仅用一块电压为5V的干电池即可实现对遥控器的供电。

       (2)红外线遥控发射器:红外遥控发射器由键盘矩阵、遥控专用集成电路、驱动电路和红外发光二极管几个部分组成。红外发射遥控电路原理框图参见图1所示。
 

1 红外发射遥控电路原理框图

红外线遥控发射器的信号是由一串由数字01的二进制代码组成的,不同的芯片对01的编码会有所不同,现有的红外遥控包括两种方式:脉冲位置调制(PPM)以及脉冲宽度调制(PWW)。这两种形式编码的代表分别是NECPHILIPSRC.5

(3)红外线遥控接收器:红外线遥控接收器是由放大器、限幅器、带通滤波器、解调器、积分器、比较器等组成的,比如采用较早的红外接收二极管加专用的红外处理电路的方法。在实际应用中,以上所有的电路都集成在一个电路中,也就是我们常说的一体化红外接收头。一体化红外接收头按载波频率的不同,型号也不一样。由于与CPU接口的问题,大部分接收电路都是反码输出,只有三个引脚,分别是+5V电源、地、信号输出。接收部分红外发射遥控电路的原理框图如图2所示。


2 红外接收遥控电路原理框图

当红外线发射端发出的信号到达后,红外接收电路负责对信号进行采集并进行相应的译码,然后输入接收端的单片机中进行运算,最后由接收端单片机将采集的信号转化为相应的高、低电平输出至PLCX002-X005输入端,并由PLC控制生成相应的信号灯控制信号以及数码管显示信号,实现控制信号的输入。该输入方式可以保证信号准确地被PLC读取并高效地执行,提高了系统的工作效率。

2.3 系统工作方式

    装置主要是以AT89C2051单片机作为核心,综合应用了单片机的中断系统、定时器、计数器等知识。在实际操作中,遥控操作的不同,遥控发射器通过对红外光发射频率的控制来区别不同的操作。遥控接收器则是通过对红外光接收频率的识别,判断出控制操作,进而来完成整个红外遥控的接收过程。

装置在与PLC的通信当中,通过数字接收端的信号来驱动PLC的数字开关量,从而达到东西南北向强通开关的启动及停止作用。本系统根据红外发射频率的不同,来识别不同的按键。操作键设定为2个,K0K1,分别接至单片机的P1.0P1.1口。对应的红外发射频率分别为300Hz600 Hz。发射时间确定为一个定值,由定时器1来定时,时间为100ms。当100ms时间到了以后,定时器1发生中断,停止计时,红外光也即时停止发射。

发射频率基于定时/计数器来控制,T0作为定时器,当T0的定时时间到了以后,中断程序使P3.4断口的电平反转一次,然后T0重新设置为与工作定时值之前相同,等时间到中断程序使P3.4端口再翻转一次,如此往复,红外信号就可以按照一定的时间间隔发射出去。该方法可以通过设定T0的定时时间来控制红外信号的发射频率。遥控器平时处于闲置状态,当有键按下时,由外部中断1产生中断,使CPU回到工作状态,待执行完操作后才又回到低功耗状态。

2.4 AT89C2051概述

由于发射电路及接收电路的技术要求较低,控制方式简单。综合各方面因素,本文采用了以AT89C2051型号单片机作为遥控器的发射接收核心部件。该种型号的单片机价格低廉,可靠性高,符合设计的可靠、经济的要求。AT89C2051是一个低电压,高性能的CMOS 8位单片机。片内含有2KB可反复擦写的只读存储器(EPROM)以及128B的随机存取存储器(RAM),单片机器件采用ATMEL的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS.51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储器,功能强大。AT89C205120个双向输入/输出(I/O)端口,其中P1是完整的8位双向I/O口,216位可编程定时/计数器,两个外中断,两个全双向串行通信口,和一个模拟比较放大器。此外,AT89C2051的时钟频率可为零,这就具备了可用软件设置的睡眠省电功能,因而极大地减少了系统功耗。系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口以及内外部中断口,系统唤醒后即可再次进入工作状态。省电模式中,片内RAM将被冻结,时钟停止震荡,所有功能停止工作,直至系统被硬件系统复位单片机方可继续工作。采用该方式,可以大大地节约电能,并能延长遥控器的寿命,符合实用节约的设计理念。

3 系统实现

3.1 时钟电路

    一般情况下,单片机时钟输入均采用外部时钟方式,外接一个震荡电路,而本系统采用外部时钟方式,晶振采用12MHz,其电路如图3所示。


                     图3 AT89C2051时钟电路

3.2 发射电路

 

根据红外发射管本身的物理特性得知,若要发射所需的红外信号,就必须要有载波信号与即将发射的信号相“与”,然后将“与”之后的信号送至发射管,才能进行红外信号的发射传送。一般的,在频率为38KHz的载波信号下,发射管的性能最好,发射距离最远,所以在硬件设计上,本文也采用了38KHz的晶振产生载波信号,与发射信号进行逻辑“与”运算后,通过三极管送至红外发光二极管上。本文采用这种发射方式,是基于设计的简便易行的特点。并且元件都是通用化和模块化,可以大大地减轻工作量,同时可以很大程度上节约资金,达到集实用性、经济性和简便性为一身的设计要求。具体发射电路如图4所示。


4 红外发射电路

 

红外发送电路由4001MOS或非门38KHz振荡器、单片机发送控制电路以及红外发送管驱动输出电路组成。当单片机P3.4口输出为“0”时,发射管不发光;当单片机P3.4的输出口变为“1”时,红外发送管才可以发出38KHz调制红外线,与此同时发出可见光来显示系统的工作状态。该发射过程主要是通过单片机和发射系统实现的。当有输入端(独立按键)信号到来时,单片机控制生成调制信号发送到发射部分并发送至信号接收电路。

3.3 接收系统

    遥控接收器是根据接收到的不同频率的红外光信号,由CPU转化为相应的控制方法进而对控制电路实施控制。当接收电路接收到第一个红外线脉冲时,中断INT1被触发,同时启动定时器1和计数器0。定时器1作为计数时间控制器,计数器0作为在规定记数时间内所记得的红外脉冲数之用。接收信号端接至P3.3P3.4口,这两个引脚为复用引脚,P3.3引脚可以复用为外部中断1的请求输入端;P3.4引脚可以复用为计数器0的计数脉冲输入端。

当收到第一个红外脉冲时,INT1被触发,T0T1开始工作,当收到一个红外脉冲时,计数器0记数值就加一。当定时器定时时间到之后,产生中断,保存计数器0的计数值。由于定时时间为50ms,故各种不同状态对应的红外脉冲数大约为1530个,然后将这些记数值与上述各值比较后确定脉冲形式。由于存在误差,计数器0的记数值不可能严格和该值相等,但这不影响系统的正常运行。将结果与误差值相加减,得到两个数值,再判断哪一个值在这一范围之内,即可断定遥控发射器发射出的红外信号的发射频率。取该值就可以断定出遥控操作,然后再由接收遥控器CPU将其转化为控制操作,从而对外电路实施控制功能。

    P3.2口的开关SW为控制方式选择开关,当开关闭合,即P3.2=0时,单片机输出为上锁控制方式,在此状态下遥控器不能够对控制电路实施控制功能;但当开关断开,即P3.2=1时,就可变为单路控制方式,在此状态下遥控器就可以对外电路实施控制。

红外接收电路采用的是集成电路RPM6938RPM6938共有三个引脚:一个接电源一个接地,另外一个接信号端,它集光电转换、放大和解调于一身。RPM6938平时输出为“1”,当系统收到38KHz调制红外线时,RPM6938输出变为“0”。信号脚接到P3.3P3.4脚上,当RPM6938收到第一个红外脉冲时,就可以触发INT1产生中断,使单片机退出低功耗状态,进入正常工作状态,同时使记数器0和定时器1开始工作。

4 结束语

    通过分析输入与输出信号的具体发送形式,选定AT89C2051单片机作为遥控信号的发射接收电路核心,且以独立式按键作为输入端,以RPM6983作为接收端的接收头。设计了发射接收电路和时钟电路并编写了信号发送接收的汇编程序。通过本文的设计解决了紧急车辆顺利通过十字路口的问题,为以后信号灯无线遥控系统设计奠定了基础。

参考文献

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作者简介

刘西洋  (1994-)  工学学士 硕士研究生在读  研究方向:先进设计与制造技术方向

 
 
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